Mikroskopiska organismer kända som extremofiler bebor några av de sista platserna på jorden du kan förvänta dig att hitta liv, från havsbottens extrema tryck till istäcken som fryser. Att förstå hur dessa mikrober överlever genom att interagera med olika metaller och gaser öppnar upp ny kunskap om jordens element och deras potentiella användningsområden.

En sådan extrem livsmiljö är lervulkaner - typiskt konformade strukturer eller pooler som släpper ut bubblande lera, samt ånga och gaser som metan och koldioxid.

Mer än 1, 000 lervulkaner, som ofta förknippas med så kallade subduktionszoner, där en tektonisk platta tvingas under en annan, och kan vara extremt sura, har hittills hittats på eller nära land.

Vissa forskare har letat efter att ta reda på mer om de mikrobiella samhällen som dessa lervulkaner innehåller och deras roll i cirkulerande gaser och andra element, inklusive metan, väte, ammoniak och svavel.

I Italien, ett projekt kallat VOLCANO undersökte mikrober som lever i mycket sura lerpölar i kratern i den vilande Solfatara-vulkanen nära Neapel och på en vulkanö utanför norra Sicilien som heter Vulcano, som ursprungligen gav sitt namn till ordet "vulkan" och är känd för sina lerbad och varma källor.

Professor Huub Op den Camp, en mikrobiolog vid Radboud University i Nijmegen, Nederländerna, och huvudutredare på VOLCANO, säger forskarna "serendipitously" upptäckte en tredje utforskningsplats - den vulkaniska ön Pantelleria, väster om Sicilien. Detta kom när de stötte på andra forskare som hade hittat molekylära bevis som tyder på Pantellerias heta, sur jord innehöll bakterier relaterade till de i lerpölarna och som var involverade i att cirkulera samma gaser.

Dessa livsmiljöer, som en betydande källa till den kraftfulla växthusgasen metan, ger nu värdefulla ledtrådar till klimatförändringar, samt att ha potentiella tillämpningar inom grön teknik som biobränslen och återvinning av metaller i elektroniska enheter.

Sällsynta jordartselement

En av nyckelinspirationerna för VOLCANO var kopplad till så kallade sällsynta jordartsmetaller (REEs), en grupp av 17 kemiskt likartade metalliska grundämnen som trots sitt namn faktiskt finns rikligt i jordskorpan.

tidigare, Prof. Op den Camps team hade upptäckt att REE var en viktig del av metabolismen i Methylacidiphilum fumariolicum SolV, en syraälskande mikrob som finns i en Solfatara-lervulkan som kan leva vid extrema pH-nivåer under 1 och som får sin energi från konsumtion – eller oxidation – av metan.

Det var första gången REE identifierades som ett tillstånd för liv i en organism, efter att tidigare ha ansetts inte vara inblandad i biologiska processer. Cerium, den vanligaste av 15 REEs kända som lantanider, verkade vara främst i att stimulera tillväxt bland flera forskare som testades.

"Det var en metall helt okänd för att vara aktiv i livet. Vi fick reda på att det finns ett enzym (en biologisk katalysator) i dessa bakterier som innehåller denna metall som en kofaktor, och utan denna lantanid kan organismen inte fungera, " sa Prof. Op den Camp. Han säger att deras upptäckt om REEs har lett till ett "blomstrande forskningsfält" om sådana processer hos extremofiler.

Det har också blivit uppenbart att användning av REE bland bakterier i allmänhet är mycket vanligare än man tidigare trott, inklusive i icke-lera-vulkan livsmiljöer. Prof. Op den Camps team hittade, till exempel, att två nya metanoxiderande organismer från Nordsjöns sediment innehöll enzymer som var beroende av lantanider, medan en granskning de genomförde lyfte fram tillväxten i forskning som använder REEs för att odla mikrober som tidigare ansågs oodlingsbara.

Förutom att ta reda på hur man odlar sådana mikrober i labbet, fynden hjälper till att upptäcka nya. "Nu, fler och fler människor isolerar bakterier som är strikt beroende av lantanider, " sa prof. Op den Camp.

Ansökningar

Allt detta har potentiellt många användningsområden. Om vi ​​kan lära oss hur man isolerar stora mängder av dessa grundämnen från bakterier, vi skulle kunna använda denna kunskap för att utvinna och återvinna metaller från mobiltelefoner och andra elektroniska enheter, som innehåller REEs som cerium, lantan och neodym. Detta kan vara användbart på lång sikt eftersom dessa element är svåra att bryta och utvinna ekonomiskt, samt att vara ändlig.

Att kunna manipulera lantanider kan också underlätta produktionen av miljövänlig biogas, såsom grön metanol. Under odling av M. fumariolicum, forskarna kunde producera metanol från metan genom att begränsa lantanider som en insats som annars skulle hjälpa till att omvandla metanolen till formaldehyd.

Under tiden, teamet fann att samma bakterie kan avlägsna de små spårmängder av vätgas från atmosfären - där den är närvarande i bara 0,5 ppm gasmolekyler - för att använda som energikälla förutom metan. Prof. Op den Camp säger att den extra energin från väte kan hjälpa bakterierna att oxidera mer metan.

"Kanske båda metabolismerna (av väte och metan) hjälper varandra också att fånga mycket låga koncentrationer av dessa gaser, " han sa, väcker frågor om hur långt de kan gå för att avlägsna spårgaser från atmosfären.

Det stärker också bevis för att mikrobiell metabolism av molekylärt väte är mycket vanligare än man ursprungligen trodde, ger fler ledtrådar till vätecykeln på jorden. Vidare, med väte som utforskas som ett viktigt grönt bränsle för framtiden, Prof. Op den Camp säger att detta så småningom kan hjälpa till att driva en "väteekonomi" om gasen kan isoleras från mikroberna genom att vända aktiviteten av hydrogenas, bakteriens väteätande enzym.

Hans team har också spekulativt beräknat om bakterierna kan användas i filter för att minska metan från kor – stora utsläppare av gasen. Dock, de kom fram till det med nuvarande teknik, filtrets storlek måste vara för stor för att vara genomförbar.

Och professor Op den Camp betonar också att många tillämpningar för extremofiler av lera och vulkaner kan vara långt borta, med utmaningar i uppskalning av sådan verksamhet. "Du kan tänka på applikationer, men det är fortfarande lite långt borta, " sade han. "Det kommer också att kosta mycket pengar att ta till en stor skala."

Men även om många applikationer kan ta ett tag, Prof. Op den Camp säger att forskningen bidrar till att gradvis förbättra förståelsen av grundläggande gascykler på jorden som hjälper vår kunskap om klimatet. "Den här typen av information är viktig för framtida förståelse av kretsloppet av element som påverkar klimatet, " han sa.

Sådana extrema livsmiljöer är också användbara att studera eftersom deras relativt låga biologiska mångfald gör dem mindre komplexa än andra ekosystem, förklarar prof. Op den Camp – även om även detta kan vara mindre enkelt än man först trodde. "De kommer fortfarande med stora överraskningar, " sa han. "I Pantelleria-jorden, vi hittade också metanproducerande bakterier, vilket vi inte alls förväntade oss."

Hårda förhållanden

Dr Anna Krüger, konsult i genteknik på Miljöverket, Klimat, Energi och jordbruk i Hamburg, Tyskland, har forskat om extremofiler på platser inklusive Vulcano. Hon säger att hennes tidigare team vid Hamburgs tekniska universitet var "förvånade" över hur många olika grupper av arter de kunde upptäcka genom att sekvensera DNA från platser som varma källor och lervulkaner.

Hon säger att enzymerna, eller 'extremozymes, " som finns i sådana mikrober är lovande på grund av deras förmåga att motstå de typer av hårda förhållanden som ofta förekommer i industriella processer och har potential att hjälpa till att utveckla biokatalysatorer för användning i vardagen, som i tvättmedel.

"Bioteknik är en nyckelaspekt för att förändra vår ekonomi från resurskrävande oljebaserad till ett hållbart biobaserat samhälle, " tillade hon.

Att veta mer om, till exempel, mikrober som gillar extrem värme, skulle vidga möjligheterna, säger doktor Krüger. "Jag tror att det kommer att vara ett viktigt steg att analysera samhällsdynamiken och förstå fullständiga metaboliska interaktioner, ", sa hon. "Detta skulle då möjliggöra design av skräddarsydda extrema arter för produktion av alla sorters kemikalier, mediciner, antibiotika och bioplaster vid förhöjda temperaturer."

Hon pekade också på ett värmebeständigt enzym som ursprungligen isolerats från bakterier i de varma källorna i Yellowstone National Park som har varit nyckeln under covid-19-pandemin. "Mest framträdande är fortfarande Taq-polymeras, som möjliggjorde polymeraskedjereaktionen (PCR), guldstandarden för vår nuvarande SARS-CoV-2-testning, " Hon sa.

Professor Alexandre Soares Rosado, en miljömikrobiolog vid King Abdullah University of Science and Technology i Thuwal, Saudiarabien, ser också organismer som har behövt anpassa sig för att frodas på platser där livet har pressats till sina gränser som lovande för tillämpningar inom bioteknik och hållbar utveckling.

Han ser extremofiler som potentiellt ge mer hållbara tillämpningar i sektorer med en förutspådd ökning av efterfrågan på enzymer, som mat och dryck, biobränslen och djurfoder.

"Först nyligen började vi förstå och ha bättre verktyg för att reda ut mångfalden av extremofiler över hela världen, " sade prof. Rosado, som undersöker hårda livsmiljöer i Saudiarabien som aktiva och inaktiva vulkaner, öknar och geotermiska platser. "Som en konsekvens, det finns en enorm potential för biotekniska tillämpningar i den verkliga världen."

Lera vulkaner

Under tiden, lervulkaner i sig kan hjälpa oss att förstå unika ekosystem som är tätt kopplade till rörläggning av gaser, vätskor och sediment från spricknätverk som ofta sträcker sig flera kilometer ner, säger Dr Pei-Ling Wang, en geokemist vid National Taiwan University i Taipei.

De kan också tillföra grundläggande kunskap om klimatcykeln, tillägger hon. "Mikrobiell kraft i de bubblande lerpölarna eller konstrukturerna och omgivande lerplattformar är avgörande för att reglera flödet av växthusgaser, " sa Dr Wang.

"Metanotrofer (mikrober som metaboliserar metan) som lever i terrestra lervulkaner är avgörande aktörer för metankonsumtion. Förstå deras fysiologi, capabilities and distribution can establish a model for their role in greenhouse gas regulation."