Ett team som leds av Department of Energy:s Oak Ridge National Laboratory och University of Michigan har upptäckt att vissa bakterier kan stjäla en väsentlig förening från andra mikrober för att bryta ner metan och giftigt metylkvicksilver i miljön.

Resultaten kan informera strategier som syftar till att manipulera dessa mikroorganismer för att minska utsläpp av metan, en kraftfull växthusgas, och avgifta metylkvicksilver, ett kraftigt neurotoxin som kan ackumuleras i matförsörjningen.

Studien, publicerad i ISME Journal , fann att vissa klasser av metanotrofer eller metankrävande bakterier som man tidigare trodde inte kunde bryta ned metylkvicksilver faktiskt kan bryta ner det i miljön. Denna aktivitet är möjlig eftersom mikroberna är utrustade med cellulära maskiner för att absorbera och använda en förening som kallas metanobaktin som produceras av andra mikrober.

Metanotrofer är utbredda i naturen. De bor nära metan och luftgränssnitt, såsom det översta jordlagret, flodsediment och våtmarker där de kan komma åt syre medan de matar på metanen som rinner upp från det anoxiska, eller syrebrist, miljöer nedan.

Dessa bakterier spelar en kritisk roll i kolcykeln, konsumerar betydande mängder metan som genereras av andra mikrober som kallas metanogener. Denna naturliga motvikt är viktig för att begränsa metanutsläpp, som är 25 gånger starkare än koldioxid vid uppvärmning av jordens atmosfär.

Att förstå mer om hur metanmatarna fungerar kan peka på metoder för att använda dem som spakar för att kontrollera metanutsläpp. Den nya kunskapen kan också bättre informera klimatmodeller som förutsäger planetens framtid.

Forskare upptäckte dessa nya metanotrofbeteenden medan de studerade ett annat globalt problem:kvicksilverföroreningar. ORNL har en lång historia av genombrott relaterade till kvicksilver, inklusive deras upptäckt 2013 av de gener som gör det möjligt för mikrober att omvandla kvicksilver till toxinet metylkvicksilver.

År 2017, ett ORNL-ledt team var det första som visade att vissa metanotrofer kan bryta ner metylkvicksilver, en process som kallas demetylering. Deras nyaste fynd bygger på den upptäckten, visar att fler metanotrofer än tidigare känt kan bryta ned metylkvicksilver.

"När vi får nya insikter om metanotrofa aktiviteter, vi kanske kan manipulera dessa mikrobiella samhällen mer effektivt för att minska metanutsläpp och förbättra kvicksilveravgiftning i miljön, "sa Baohua Gu, en ORNL -företagskamrat och biogeokemist.

Producenter och fuskare

Metanotrofer letar efter det enklaste, snabbaste matförsörjningen, med ett mål för enstaka kolföreningar som metan och metylkvicksilver, som har liknande kemiska strukturer. Dessa mikrober kräver också koppar för att driva deras metaboliska processer. Det är detta behov av koppar som kan begränsa metanotrof aktivitet, driver mikroberna att söka kopparkällor i miljön med många olika metoder.

Vissa metanotrofer använder ett ytprotein för att säkra koppar. Andra utsöndrar en förening som kallas metanobaktin, eller MB, som binder med koppar i miljön och underlättar kopparförvärv. Tidigare resultat från teamet hade visat att endast bakterier med genetiska och metaboliska maskiner för att producera MB kan bryta ner metylkvicksilver.

Forskarnas senaste fynd visar att vissa metanotrofer som inte gör MB kan avgifta metylkvicksilver genom att använda MB som utsöndras av andra metanotrofer. Med andra ord, de stjäl det.

"De är faktiskt vad vi kallar fuskare, "sade University of Michigan mikrobiolog Jeremy Semrau." Detta har observerats tidigare, där en mikroorganism producerar något som är till nytta för allmänheten och andra stjäl det. Detta gör att vissa metanotrofer kan uppfylla sina kopparkrav. "

Forskargruppen visade också att framgångsrik stöld av MB kräver att metanotrofer har genen, heter mbnT, som möjliggör produktion av ett specifikt protein som kallas TonB -transportören. Rätt namngiven, detta protein flyttar MB - och tillhörande koppar - in i mikroben, möjliggör nedbrytning av metylkvicksilver och metan.

Forskare vid U-M konstruerade en stam av metanotrofer utan mbnT-genen, och teamet på ORNL analyserade kvicksilveret i proverna. Avlägsnandet av mbnT -genen och transportproteinet i dessa mikrober inaktiverade effektivt deras förmåga att ta upp MB eller avgifta metylkvicksilver.

Dessa insikter kan informera framtida vägar mot kvicksilverföroreningar i miljön.

"Jag tycker att det är en underbar strategi framöver där vi kanske kan använda metanotrofer för att åtgärda kvicksilverförorenade platser, och att detta faktiskt kan pågå, i viss utsträckning, naturligtvis, "Sa Semrau.

Ännu en pusselbit

Metanotrofer är vanliga i miljön, men det finns fortfarande mycket att lära om deras aktiviteter. Ett team under ledning av miljövetaren ORNL Scott Brooks samarbetade med Semraus grupp vid UM om upptäckten av flera nya metanotrofer i East Fork Poplar Creek, en kvicksilverförorenad ström som rinner genom Oak Ridge Reservation som har studerats i årtionden.

Brooks och hans team har studerat biofilmer, som är komplexa grupper av alger och bakterier som ackumuleras på bäckstenar som "grönt slem". Även om biofilmer bara är lika tjocka som några staplade kreditkort, de är hotspots för kvicksilver och näringsbearbetning.

ORNL-teamet hade tidigare funnit att syrebristfickor i dessa biofilmer innehåller mikrober som omvandlar kvicksilver till sin giftigaste form:metylkvicksilver. Deras senaste upptäckt av metanotrofer i de syrerika urtagen i samma biofilm innebär att metylkvicksilvernedbrytning också sker naturligt i bäcken.

"Det finns några riktigt branta kemiska gradienter och förändringar i koncentration som sker över ett mycket litet avstånd, "Brooks sa. Det inkluderar upplöst syre som" försvinner inom några tiondelar av en millimeter. "

De små syrgasfickorna räcker för att metanotrofer ska trivas. Preliminär analys visade att mikrobiell aktivitet som producerar metylkvicksilver överträffade metanotrofisk aktivitet som bryter ner toxinet. Med ytterligare studier, forskare kan eventuellt identifiera metoder för att tippa balansen mot metylkvicksilvernedbrytning.

"Detta är ett trevligt äktenskap mellan två olika forskningsprojekt som arbetar parallellt, "Brooks sa." Vi ser saker som överensstämmer med varandra och som hjälper oss att bekräfta vad som händer med kvicksilvercykling i dessa komplexa mikrobiella samhällen. "