När planeten har värmts upp har forskare länge varit oroade över risken för att skadliga växthusgaser kan sippra ut ur den upptinande arktiska permafrosten. Nya uppskattningar tyder på att till år 2100 kan mängden koldioxid och metan som frigörs från dessa evigt frusna marker vara i nivå med utsläppen från stora industriländer. Ny forskning ledd av ett team av mikrobiomeforskare från Colorado State University tyder dock på att dessa uppskattningar kan vara för låga.
Mikroorganismer är ansvariga för processen som kommer att generera växthusgaser från upptinande nordliga torvmarker, som innehåller cirka 50 % av världens markkol. För närvarande är många av mikroberna i denna miljö frusna och inaktiva.
Men när landet tinar kommer mikroberna att "vakna" och börja kurra genom kol i marken. Denna naturliga process, känd som mikrobiell andning, är det som producerar de koldioxid- och metanutsläpp som förutspås av klimatmodellerare.
För närvarande antar dessa modeller att denna gemenskap av mikroorganismer - känd som en mikrobiom - kommer att bryta ner vissa typer av kol men inte andra. Men det CSU-ledda arbetet publicerades denna vecka i tidskriften Nature Microbiology ger ny insikt i hur dessa mikrober kommer att bete sig när de väl har aktiverats. Forskningen visar att jordmikroberna som är inbäddade i permafrosten kommer att gå efter en klass av föreningar som tidigare ansetts vara orörbara under vissa förhållanden:polyfenoler.
"Det fanns dessa kolansamlingar - säg munkar, pizza och chips - och vi var bekväma med tanken att mikrober skulle använda det här," säger Bridget McGivern, postdoktor vid CSU och tidningens första författare.
"Men så var det andra saker, kryddig mat; vi trodde inte att organismerna gillade kryddig mat. Men vad vårt arbete visar är att det faktiskt finns organismer som äter det, så det kommer inte bara att stanna som koldioxid. , det kommer att brytas ner."
Mer kol som bryts ner av mikrobiell andning kommer att ge ytterligare utsläpp av växthusgaser. Men denna nya upptäckt har också andra konsekvenser. Vissa forskare hade tidigare teoretiserat att tillsats av polyfenoler till den tinande arktiska permafrosten potentiellt skulle kunna "stänga av" dessa mikroorganismer helt och hållet, och effektivt fånga en massiv cache av potentiellt problematiskt kol i marken. Konceptet är känt som enzymlåsteorin.
Det verkar inte längre vara ett genomförbart alternativ, säger Kelly Wrighton, docent vid College of Agricultural Sciences Department of Soil and Crop Sciences, vars labb ledde arbetet.
"Vi trodde inte bara att dessa mikrober inte åt polyfenoler," sa Wrighton, "vi trodde att om polyfenolerna fanns där var det som om de var giftiga och skulle låsa mikroberna till inaktivitet."
Jordmikrobiomet har ofta ansetts vara något av en svart låda på grund av dess komplexitet. Wrighton hoppas att denna nya information om polyfenolernas roll i permafrost hjälper till att förändra den uppfattningen.
"Jag skulle vilja gå förbi dessa svarta lådans antaganden," sa hon. "Vi kan inte konstruera lösningar om vi inte förstår de underliggande ledningarna och rördragningen i ett system."
Att låsa upp förhållandet mellan jordmikrober och polyfenoler har varit år på väg för McGivern, som började undersöka detta ämne medan hon arbetade på sin doktorsexamen i Wrightons labb 2017.
McGivern började med en enkel fråga. Forskare antog att utan syre kunde jordmikrober inte bryta ner polyfenoler. Tarmmikrober behöver dock inte syre för att bryta upp föreningen – det är så människor utvinner hälsosamma antioxidanter från polyfenolrika ämnen som choklad och rött vin.
McGivern undrade varför processen skulle vara annorlunda i jordar, en fråga som är särskilt relevant för permafrost eller vattensjuka marker som innehåller lite eller inget syre.
"Motivationen för många av min doktorsexamen var hur kunde dessa två saker existera?" sa McGivern. "Organismer i vår tarm kan bryta ner polyfenoler, men organismer i jorden kan inte? Verkligheten var att ingen i jorden egentligen någonsin hade tittat på det."
McGivern och Wrighton testade framgångsrikt teorin i ett labbexperiment och publicerade en proof of concept-studie 2021. Nästa steg var att testa den i fält. Teamet fick tillgång till kärnprover från en forskningsplats i norra Sverige, en plats som forskare har använt i flera år för att undersöka frågor relaterade till permafrost och markmikrobiomet.
Men innan McGivern kunde leta efter bevis på polyfenolnedbrytning i kärnproverna var hon först tvungen att skapa en databas med gensekvenser som motsvarade polyfenolmetabolism. McGivern bröt tusentals sidor av befintlig vetenskaplig litteratur och katalogiserade enzymerna i nötkreatur, människans tarm och vissa jordar som var kända för att vara ansvariga för processen.
När hon byggde databasen jämförde McGivern resultaten med gensekvenserna som uttrycks av mikroberna i kärnproverna. Visst, sa hon, polyfenolmetabolism pågick.
"Vad vi fann var att gener över 58 olika polyfenolvägar uttrycktes," sa McGivern. "Så vi säger att mikroorganismerna inte bara kan göra det, utan de uttrycker faktiskt generna för denna metabolism på fältet."
Ändå behövs mer arbete, sa McGivern. De vet inte vad som kan begränsa processen eller hastigheten med vilken ämnesomsättningen sker – båda viktiga faktorer för att så småningom kvantifiera mängden ytterligare växthusgasutsläpp som kan frigöras från permafrost.
"Hela poängen med detta är att bygga en bättre prediktiv förståelse så att vi har ett ramverk som vi faktiskt kan manipulera," sa Wrighton. "Klimatkrisen vi står inför är så snabb. Men kan vi modellera den? Kan vi förutsäga den? Det enda sättet vi kommer att ta oss dit är att faktiskt förstå hur något fungerar."
Mer information: Bridget McGivern et al, En cache av polyfenolmetabolismer upptäckt i torvmarksmikrobiomer, Nature Microbiology (2024). DOI:10.1038/s41564-024-01691-0
Journalinformation: Naturmikrobiologi
Tillhandahålls av Colorado State University
