Det är välkänt att naturgashydrater, kristallina gitter av vätebundna vattenmolekyler som kapslar in små kolvätemolekyler, på havsbotten utgör både en potentiell accelerator för klimatförändringar och en av de största energikällorna på jorden. Men huruvida de enorma mängderna naturgas som är så instängda förblir säkert inlåsta i kristallina hydratburar, eller frigörs i havet potentiellt för att bli atmosfäriska växthusgaser, kan delvis bero på en ovanlig havsbottensymbios mellan maskar och deras mikrobiella grannar .

Forskare vid NYU Tandon School of Engineering upptäckte att detta naturliga ekosystem som involverar fjäderdammmaskar (Sabellidae, Annelida) och både värmealstrande och värmeabsorberande bakterier (Archaea) som konsumerar metan innesluten – eller låst in i en kristallin struktur – av hydrater i djupa marina miljöer spelar en nyckelroll för att upprätthålla jämvikt som håller hydrater frusna.

I ett försök att undersöka inflytandet som subtila temperaturfluktuationer kan ha på den dynamiska stabiliteten hos hydratavlagringarna, fann forskarna, ledda av Ryan Hartman, professor i kemi- och biomolekylär ingenjörsteknik vid NYU Tandon, att fjäderdammmaskar, som trivs runt kristallina hydrater, genom att selektivt konsumera värmealstrande bakterier som kallas metanotrofer som metaboliserar metan, bromsar den potentiella smältningen av dessa kristallstrukturer (frigör instängd metan) på grund av mikrobernas exoterma metabolism.

I en nyligen publicerad studie, "Microbe-Worm Symbiosis Stabilizes Methane Hydrates in Deep Marine Environments," i Energy &Fuels, forskare inklusive huvudförfattaren Tianyi Hua, Maisha Ahmad och Tenzin Choezin, simulerade ekosystemet genom att lösa den associerade energibalansen och metanhydratdissociationskinetiken. De undersökte och analyserade dissociationshastigheten – den hastighet med vilken frusna hydrater demonterades till molekylära komponenter – och fann att den symbios som etablerats mellan metanogener (metanproducerande bakterier), metanotrofer och fjäderdammmaskar verkligen stabiliserar metanhydrater på djup där kristallerna finns exponeras för havet och dess levande organismer.

Konsekvenserna är djupgående, eftersom stora mängder metan (200 till 500 gigaton CH₄ ), som bildas spontant från vatten och små hydrofoba molekyler under specifika temperatur- och tryckförhållanden, lagras som hydrater i havet över hela världen.

"Vår upptäckt visar matematiskt omfattningen av symbios mellan mikrober som konsumerar metanhydrater och genererar värme, och fjäderdammmaskar som konsumerar dessa mikrober", säger Hartman. "Det är viktigt eftersom, i frånvaro av maskarna eller en onormal obalans i deras populationer, kan dessa mikrober generera tillräckligt med värme för att smälta hydraterna. Maskarna äter selektivt bakterier som genererar mest värme."

För att undersöka hur värmande hav kunde störa denna bräckliga balans, kombinerade teamet historiska havstemperaturrekord och gashydratinventeringsuppskattningar med sin modell; deras fynd tyder på att hydratavlagringar så djupa som 560 meter under havsytan redan kan vara i riskzonen, även om havstemperaturen upphör att stiga, och metanhydratstabilitetszonen kommer att dra sig tillbaka djupare när havstemperaturen stiger. Minskningar av maskpopulationen kan också försvaga undertryckandet av metanotrofens tillväxthastighet, och den åtföljande överväxten av metanotrofer skulle generera överskottsmängder av värme, vilket destabilisera hydraterna ytterligare.

Å andra sidan skulle en ökning av den metanogena mikrobiella aktiviteten göra systemet mer endotermiskt och därmed stärka toleransen mot temperaturfluktuationer nära metanhydratfasgränsen.

"Att bromsa tillbakagången av denna biologiska dynamik till djupare vatten kan hjälpa till att försena, eller motverka den massiva utsläppet av växthusgaser i havet", sa han. "Om gaserna omkristalliseras eller når havets yta är ett mycket omdiskuterat och viktigt forskningsämne."