Die Abgabe von Metall an Mikroben könnte Treibhausgase reduzieren

Wie Sie und ich brauchen Mikroben einige Metalle in ihrer Ernährung, um gesund zu bleiben. Die Metalle helfen den Mikroben, die Nahrung vollständig zu „verdauen“. Nach einer guten Mahlzeit setzen die Mikroben, die Energie gewinnen, indem sie Nitrat chemisch reduzieren, ein harmloses Nebenprodukt frei: Stickstoff, das Gas, das 78 % der Erdatmosphäre ausmacht.

Wenn jedoch ein bestimmtes Metall, Kupfer, nicht verfügbar ist, können diese Mikroben den biochemischen „Verdauungsprozess“, den sogenannten Denitrifikationsvorgang, nicht abschließen. Anstatt Stickstoff freizusetzen, setzen sie das starke Treibhausgas Lachgas frei.

Frühere Laborstudien mit Reinkulturen haben gezeigt, dass die Verfügbarkeit von Kupfer für die Denitrifikation wichtig ist. Jetzt hat die Forschung aus dem Labor von Daniel Giammar, dem Walter E. Browne-Professor für Umwelttechnik an der McKelvey School of Engineering, und Jeffrey Catalano, Professor für Erd- und Planetenwissenschaften in Arts & Sciences, beide an der Washington University in St. Louis, stattgefunden zeigten, dass in den komplexen, dynamischen aquatischen Umgebungen, in denen diese Mikroben leben, möglicherweise nicht immer genügend Kupfer für die Denitrifikation verfügbar ist.

Ihre Forschung wurde am 15. Juni in der Zeitschrift veröffentlicht Geochimica und Cosmochimica Acta.

„Material in einem Becherglas ist nicht dasselbe wie Material in der Umwelt“, sagte Giammar. „Ein großer Teil unseres Ansatzes bestand darin, echte Materialien aus echten Umweltsystemen zu nehmen und sie ins Labor zu bringen und sie auf kontrollierte Weise zu betrachten.“

Die Ergebnisse unterstreichen die überragende Rolle von Kupfer bei der Freisetzung von Lachgas. „Bei normalen Hintergrundwerten haben diese Systeme möglicherweise nicht genug Metalle, um den Prozess durchzuführen“, sagte Neha Sharma, ein Ph.D. Student in Giammars Labor.

Das ist wichtig, weil Lachgas das drittstärkste Treibhausgas ist und zu 50 % von Mikroben in aquatischen Ökosystemen stammt.

Um besser zu verstehen, wie Kupfer die Freisetzung des Gases in diesen Systemen beeinflusste, gingen Sharma und Elaine Flynn, eine leitende Wissenschaftlerin in Catalanos Labor, zur Quelle. In Zusammenarbeit mit drei Labors des US-Energieministeriums (DOE) – Oak Ridge und Argonne National Laboratorys und der Savannah River Site – sammelten Sharma und Flynn Mikroben aus Feuchtgebieten und Flussbetten. Als sie analysierten, wie viel Kupfer sich in den Systemen befand, stellten sie fest, dass dies nicht ausreichte, um die Denitrifikation abzuschließen.

„Dann wollten wir sehen, ob es die Freisetzung von Lachgas beeinflussen würde, wenn wir Kupfer manuell hinzufügen würden“, sagte Sharma. Es tat. „Alles Lachgas wurde in andere Dinge umgewandelt“, aber keine schädlichen Treibhausgase.

Dieser Befund könnte auf neue Wege hinweisen, um eine Erwärmung der Atmosphäre einzudämmen, sagte Sharma. „Wenn wir ein bisschen Metall in die natürlichen Systeme einbringen, könnte dies die Freisetzung von N2O abschwächen“, sagte sie. Es könnte auch eine unmittelbarere Wirkung für Forscher haben, die das Klima studieren.

„Derzeit berücksichtigen Modelle, die die Freisetzung von Gasen aus verschiedenen Systemen vorhersagen, diese Faktoren nicht“, sagte Sharma. „Sie wissen, dass Faktoren wie die Verfügbarkeit von Nahrungsmitteln oder die Temperatur die Freisetzung von Treibhausgasen beeinflussen können, aber sie berücksichtigen nicht die Wirkung von Metallen auf diesen Aspekt von Treibhausgasen.“

Extreme Komplexität

Damit Menschen das Klima wirklich verstehen und nützliche Vorhersagen treffen können, müssen Klimamodelle die gesamte Komplexität der realen Welt in bestimmten Ökosystemen berücksichtigen.

Eine weitere Studie, die im Mai in der Zeitschrift veröffentlicht wurde ACS Erd- und Weltraumchemieanalysierten das Verhalten von vier verschiedenen Metallen aus Feuchtgebietsböden an Ufern der Savannah River Site und Flusssedimenten in der Nähe des Oak Ridge National Laboratory.

Das Forschungsteam, darunter Sharma und Zixuan Wang, ein Ph.D. Student im Labor von Zhen „Jason“ He, Professor für Energie-, Umwelt- und Chemieingenieurwesen, wollte wissen, ob sich die Verfügbarkeit der Metalle ändert, wenn die Metalle unter Wasser sind (und es wenig Sauerstoff gibt) oder wenn sie der Luft ausgesetzt sind.

Das Team hatte Grund zu der Annahme, dass die vier Metalle – die alle für die biochemischen Reaktionen von Mikroben wichtig sind – alle ähnlich wirken könnten. Zu ihrer Überraschung verhielten sich die Metalle jedoch in ähnlichen Situationen unterschiedlich.

„Dies bedeutet, dass sich die Bioverfügbarkeit bestimmter Metalle mit den Jahreszeiten ändert“, sagte Sharma. „Es unterstreicht nur die extreme Komplexität natürlicher Systeme.“

Um diese Komplexität zu erfassen, bedarf es einer Vielzahl von Spezialisten und Partnern.

„Wir sind Umweltingenieure, wir denken immer, ‚warum ist das wichtig? Was wird das für das Klima tun? Was kann getan werden?’“, sagte Giammar. „Wir haben aber auch mit dem Hauptforscher Jeffrey Catalano zusammengearbeitet“, was der Arbeit eine starke geochemische Perspektive verlieh.

Neben der Finanzierung und dem Zugang zu Wassereinzugsgebieten von den DOE-Labors trägt diese Forschung auch zur Wissensbasis des DOE bei.

Es liefert ein weiteres Stück des Puzzles der „Wassereinzugsgebietsfunktion“, der Untersuchung der biogeochemischen Funktionen oder Wassereinzugsgebiete und ihrer Bewohner. Inzwischen tun andere Forscher auf anderen Gebieten dasselbe.

Gemeinsam kann Wissen die Art und Weise verändern, wie Menschen die Beziehung der Wasserscheide zum Klima verstehen.

„Wenn überhaupt, haben wir gesehen, dass die Kupferbeschränkung eine größere Sache war, als wir dachten“, sagte Giammar. „Deshalb halte ich es für wichtig, sich mit dieser Umweltkomplexität auseinanderzusetzen.“