Små mikrober spelar en stor roll för att cykla kol och andra viktiga element genom vår luft, vatten, jord och sediment. Inte bara fångar och släpper mikrober kol, bidra till en cykel som är central för livet på jorden, de frigör också föreningar som kan förändra befintliga mineraler och bilda nya – i sin tur formar geologin i världen omkring oss.

Att ta tag i det biologiska, kemiska och geologiska processer som mikrober deltar i är avgörande för att förstå och förutsäga det globala klimatet, Växthusgasutsläpp, näringstransport och andra naturfenomen.

Forskare som studerar dessa processer vid Department of Energys (DOE) Argonne National Laboratory har upptäckt att dessa mikrobiella samhällen påverkas avsevärt av de typer av kol "mat" källor som finns tillgängliga. Deras resultat, publiceras i tidskriften PLOS ETT , avslöja att typen av kolkälla inte bara påverkar sammansättningen och aktiviteten hos naturliga mikrobiella samhällen, men också i sin tur de typer av mineralprodukter som bildas i deras miljö.

"Vår studie visar den nära kopplingen mellan biologiska system och miljön, två saker som de flesta skulle överväga separat, " sa Argonne mikrobiolog Dion Antonopoulos, en medförfattare till studien. "Vi har illustrerat att när mikroorganismer förändrar sin miljö, deras miljö påverkar sedan vilken typ av mikroorganismer som finns där och deras aktivitet."

För deras analys, forskarna fokuserade på mikrobiella samhällen som finns under jordens yta som utför anaerob andning - en kemisk process för att frigöra energi från kol "mat" källor som sker genom en komplex serie av reaktioner i en syrefri miljö. Bakterier tar upp kol och släpper ut olika kemiska biprodukter i miljön; vissa biprodukter från denna process förändrar de mineraler som finns i den omgivande miljön.

Forskare tog dessa speciella mikrobiella samhällen och presenterade dem med en av tre kolkällor:glukos, ett socker med sex kol; laktat, en fyrkolförening; eller acetat, en enkel tvåkolförening.

"Förutom att välja acetat, laktat och glukos på grund av deras relativa komplexitet, vi valde dem eftersom de är representativa för de typer av kolmolekyler som hittas, i varierande grad, i underjordiska miljöer, " sa Argonne-fysikern Kenneth Kemner, en medförfattare till studien.

Efter att ha tillhandahållit bakterierna dessa tre matkällor, forskarna tillbringade veckor med att övervaka och mäta förändringar inom dessa system. Bland annat, de mätte mängden och hastigheten vid vilken glukos, laktat och acetat användes av bakterier, de mineraliska biprodukterna som bildades i deras miljö och vilka typer av mikrober som fanns vid varje tillfälle.

"Att studera tillväxten av mikrobiella samhällen är något många forskare har fokuserat på, men det faktum att vi kombinerar detta med studiet av förändringar i dessa systems kemi, och gör det på ett mycket synkroniserat sätt, är det som gör detta verk till roman, " sa Argonne biogeokemist Ed O'Loughlin, en annan medförfattare i studien.

Genom att analysera dessa data sida vid sida kunde forskarna se vilka typer av mikrober som blev mer eller mindre rikliga med tanke på en specifik uppsättning miljöförhållanden. Genom att överlappa dessa data kunde de också observera hur de mikrobiella samhällena förändrades tillsammans med förändringar i miljöförhållanden över tiden.

"Tidigare studier använde bara några få prover och mätte förändringar på bara några få tidpunkter, såsom början och sluttillståndet. I vårat fall, vi har samlat in data över många fler tidpunkter, hjälpa till att bättre karakterisera systemets respons över tid, " sa O'Loughlin.

Deras analys visade att en distinkt serie förändringar skedde konsekvent när mikrober exponerades för laktat- eller acetatrika miljöer. Dock, i glukosrika miljöer, de observerade varierande förändringsmönster.

"Vi tror att eftersom glukos är en större, mer komplex förening som kan brytas ner till många enklare föreningar, detta öppnar upp fler kemiska vägar i samhället genom vilka det kan användas, och att denna olika metaboliska potential står för de olika mönster vi ser, sa O'Loughlin.

"Att ta reda på exakt vilka parametrar som gör att en mikrobiell gemenskap följer ett visst mönster - det skulle vara en riktning för framtida forskning, " han sa.