Metan, en kemisk förening med molekylformeln CH ₄ , är inte bara en kraftfull växthusgas, men också en viktig energikälla. Det värmer våra hem, och även havsbottenmikrober lever av det. Mikroberna använder en process som kallas anaerob oxidation av metan (AOM), vilket sker vanligt i havsbotten i så kallade sulfat-metan-övergångszoner – lager i havsbotten där sulfat från havsvattnet möter metan från det djupare sedimentet. Här, specialiserade mikroorganismer, den anaerobt metanoxiderande (ANME) arkean, konsumera metanet. De lever i nära anslutning till bakterier, som använder elektroner som frigörs under metanoxidation för sulfatreduktion. För det här syftet, dessa organismer bildar karakteristiska konsortier.

Denna process äger rum globalt i havsbotten och är därför en viktig del av kolets kretslopp. Dock, Att studera AOM-processen är utmanande eftersom reaktionen är mycket långsam. För sin utredning, forskare använder ofta en kemisk förmåga:de stabila isotopförhållandena i metan. Men tyvärr, dessa isotoper beter sig inte alltid som förväntat, vilket ledde till allvarlig förvirring om de inblandade mikrobernas roll och funktion. Nu har forskare från Max Planck Institute for Marine Microbiology och MARUM—Center for Marine Environmental Sciences i Tyskland tillsammans med kollegor från Weizmann Institute of Science i Israel löst denna isotopgåta och publicerat sina resultat i tidskriften Vetenskapens framsteg . Detta banar väg för en bättre förståelse av den viktiga processen med anaerob metanoxidation.

Isotoper avslöjar reaktionsvägar

Pusslet och dess lösning i detalj:Isotoper är olika "versioner" av ett element med olika massor. Isotoper av ett grundämne har samma antal protoner (positivt laddade partiklar) i kärnan och därför samma position i det periodiska systemet (iso topos =grekiska, samma ställe). Dock, de skiljer sig åt i antalet neutroner (neutrala partiklar) i kärnan. Till exempel, kol har två stabila isotoper, den tändare ¹² C och desto tyngre ¹³ C. Dessutom, det finns den välbekanta radioaktiva isotopen ¹⁴ C, en mycket sällsynt kolart som används för att bestämma åldern på kolhaltiga material. Även om de kemiska egenskaperna hos de två stabila isotoperna är identiska, skillnaden i massa resulterar i olika reaktionshastigheter. När kemiska föreningar reagerar, de med de lättare isotoperna omvandlas vanligtvis snabbare, lämnar den tyngre varianten i den initiala reaktanten. Denna förändring i isotopsammansättning är känd som isotopfraktionering, och har använts i decennier för att spåra kemiska reaktioner. När det gäller metanoxidation, detta innebär att ¹² C-metan konsumeras främst, vilket leder till en anrikning av 13C i återstående metan. Omvänt, en mikrobiell produktion av metan (metanogenes) skulle resultera i särskilt lätt metan. "Verklighet, dock, är förvånansvärt annorlunda, ", rapporterar Gunter Wegener. "Tvärtemot logiken som beskrivs ovan, vi hittar ofta mycket lätt metan i sulfat-metanövergångszoner."

Naturen följer inte läroboken:Lätt metan i sulfat-metanövergångszoner

Denna paradox väcker frågor, som:Förbrukas inte metan där, utan snarare producerad? Och vem, om inte de många ANME archaea, borde ta ansvar för detta? "I mitt labb, vi har världens största samling av ANME-kulturer. Där kunde vi försöka ta reda på om och hur metanoxidatorerna själva kan vara ansvariga för bildandet av lätt metan, " Wegener fortsätter. "De första resultaten var att tömma luft:Vid de höga sulfatkoncentrationerna vi normalt finner i havsvatten, de odlade mikroorganismerna betedde sig enligt läroboken. Den återstående metanen anrikades i de tyngre isotoper." om samma experiment utfördes med lite sulfat, metan anrikas i 12C, det blev lättare. Och detta hände även om metan fortsatte att konsumeras samtidigt – en effekt som vid första anblicken hade liten logik.

Tillgängligheten av sulfat styr isotopeffekterna i AOM

Så hur kunde de förklara det ovanliga beteendet hos metanisotoperna? Jonathan Gropp och hans mentor Itay Halevy från Weizmann Institute of Science i Israel har ägnat år åt att studera isotopeffekterna av mikrobiella metabolismer, inklusive metanogenes - en reaktion som katalyseras av samma enzymer som den anaerobiska oxidationen av metan (AOM). Således, de var de idealiska partnerna för teamet i Bremen. "Båda processerna är baserade på en mycket liknande kaskad av sju reaktioner, ", säger Gropp. "Tidigare studier har visat att alla dessa reaktioner är potentiellt reversibla, vilket innebär att de kan ske i båda riktningarna. Varje reaktion har också sina egna isotopeffekter." Med hjälp av en modell, Gropp kunde visa att beroende på hur mycket sulfat som finns tillgängligt, de partiella reaktionerna kan vändas i varierande grad. Detta kan då leda till situationen att tunga isotoper inte som vanligt lämnas kvar utan sitter fast i reaktionskedjan, medan lätta isotoper kanaliseras tillbaka till metan. "Mikroberna vill utföra reaktionen men är begränsade till att göra det på grund av de låga sulfatkoncentrationerna, " förklarar Gropp, och tillägger att "Vår designade modell passar isotopexperimenten väldigt bra."

De långa timmarna i laboratoriet och framför datorn lönade sig för forskarna. Med sin studie, Wegener, Gropp och deras kollegor kunde visa hur AOM resulterar i ¹³ C-utarmad metan. Experimenten med särskilt lite sulfat speglar på ett bra sätt förhållandena i mikroorganismernas naturliga livsmiljö, sulfat-metanövergångszonerna i havsbotten. Där, mikroorganismerna trivs ofta på endast lite sulfat, som i experiment med låg sulfathalt. "Nu vet vi att metanoxidationsmedel kan vara ansvariga för uppbyggnaden av lätta isotoper i metan vid sulfat-metanövergångszoner. Metanogenes krävs inte för det. Som vi misstänkte, ANME är metanoxidationsmedel, avslutar Marcus Elvert, sista författaren till den aktuella studien. Nu är forskarna redo för nästa steg och vill ta reda på om andra reaktioner visar liknande isotopeffekter.