Donner du métal aux microbes pourrait réduire les gaz à effet de serre

Comme vous et moi, les microbes ont besoin de certains métaux dans leur alimentation pour rester en bonne santé. Les métaux aident les microbes à « digérer » complètement les aliments. Après un bon repas, les microbes qui gagnent de l’énergie en réduisant chimiquement le nitrate libèrent un sous-produit inoffensif : l’azote, le gaz qui compose 78 % de l’atmosphère terrestre.

Mais si un métal en particulier, le cuivre, n’est pas disponible, ces microbes ne peuvent pas terminer le processus biochimique « digestif », appelé dénitrification. Au lieu de libérer de l’azote, ils libèrent le puissant oxyde nitreux, un gaz à effet de serre.

Des études antérieures en laboratoire utilisant des cultures pures ont montré que la disponibilité du cuivre était importante pour la dénitrification. Maintenant, la recherche du laboratoire de Daniel Giammar, professeur Walter E. Browne d’ingénierie environnementale à la McKelvey School of Engineering, et de Jeffrey Catalano, professeur de sciences de la terre et des planètes en arts et sciences, tous deux à l’Université de Washington à St. Louis, a ont montré que dans les environnements aquatiques complexes et dynamiques que ces microbes habitent, il n’y a peut-être pas toujours suffisamment de cuivre disponible pour la dénitrification.

Leurs recherches ont été publiées le 15 juin dans la revue Geochimica et Cosmochimica Acta.

« Le matériau dans un bécher n’est pas le même que le matériau dans l’environnement », a déclaré Giammar. « Une grande partie de notre approche consistait à prendre de vrais matériaux à partir de vrais systèmes environnementaux et à les amener au laboratoire et à les examiner de manière contrôlée. »

Les résultats soulignent le rôle démesuré du cuivre en ce qui concerne la libération d’oxyde nitreux. « A des niveaux de fond réguliers, ces systèmes peuvent ne pas avoir suffisamment de métaux pour mener à bien le processus », a déclaré Neha Sharma, titulaire d’un doctorat. étudiant dans le laboratoire de Giammar.

C’est important car le protoxyde d’azote est le troisième gaz à effet de serre le plus puissant et 50 % de celui-ci provient des microbes des écosystèmes aquatiques.

Pour mieux comprendre comment le cuivre affectait la libération du gaz dans ces systèmes, Sharma et Elaine Flynn, une scientifique senior du laboratoire de Catalano, sont allées à la source. En collaboration avec trois laboratoires du Département américain de l’énergie (DOE) – les laboratoires nationaux d’Oak Ridge et d’Argonne et le site de la rivière Savannah – Sharma et Flynn ont collecté des microbes dans les zones humides et les lits des rivières. Lorsqu’ils ont analysé la quantité de cuivre dans les systèmes, ils ont réalisé que ce n’était pas suffisant pour terminer la dénitrification.

« Ensuite, nous avons voulu voir, si nous ajoutions manuellement du cuivre, cela affecterait-il la libération d’oxyde nitreux », a déclaré Sharma. Ça faisait. « Tout l’oxyde nitreux a été converti en d’autres choses », mais pas de gaz à effet de serre nocifs.

Cette découverte pourrait indiquer de nouvelles façons de freiner le réchauffement de l’atmosphère, a déclaré Sharma. « Si nous mettons un peu de métaux dans les systèmes naturels, cela pourrait atténuer la libération de N2O », a-t-elle déclaré. Cela pourrait également avoir un effet plus immédiat pour les chercheurs qui étudient le climat.

« Actuellement, les modèles qui prédisent la libération de gaz à partir de divers systèmes ne tiennent pas compte de ces facteurs », a déclaré Sharma. « Ils savent que des facteurs tels que la disponibilité des aliments ou la température peuvent affecter les émissions de gaz à effet de serre, mais ils n’incluent pas l’effet des métaux sur cet aspect des gaz à effet de serre. »

Extrême complexité

Pour que les gens comprennent vraiment et fassent des prédictions utiles sur le climat, les modèles climatiques doivent intégrer toute la complexité du monde réel présente dans des écosystèmes spécifiques.

Une autre étude, publiée en mai dans la revue ACS Terre & Espace Chimieont analysé les comportements de quatre métaux différents des sols des zones humides riveraines du site de la rivière Savannah et des sédiments fluviaux près du laboratoire national d’Oak Ridge.

L’équipe de recherche, comprenant Sharma et Zixuan Wang, titulaire d’un doctorat. étudiant dans le laboratoire de Zhen « Jason » He, professeur de génie énergétique, environnemental et chimique, voulait savoir si la disponibilité des métaux changeait lorsque les métaux étaient sous l’eau (et qu’il y avait peu d’oxygène) par rapport à lorsqu’ils étaient exposés à l’air.

L’équipe avait des raisons de croire que les quatre métaux, tous importants pour les réactions biochimiques des microbes, pourraient tous agir de la même manière. À leur grande surprise, cependant, les métaux ont agi différemment dans des situations similaires.

« Cela signifie que la biodisponibilité de certains métaux change avec les saisons », a déclaré Sharma. « Cela ne fait que souligner l’extrême complexité des systèmes naturels. »

La capture de cette complexité nécessite une variété de spécialistes et de partenaires.

« Nous sommes des ingénieurs en environnement, nous pensons toujours ‘pourquoi est-ce important? Qu’est-ce que cela va faire pour le climat? Que peut-on faire?' », A déclaré Giammar. « Mais nous avons également collaboré avec le chercheur principal Jeffrey Catalano », ce qui a donné au travail une forte perspective géochimique.

Outre le financement et l’accès aux bassins versants des laboratoires du DOE, cette recherche contribue également à la base de connaissances du DOE.

Il fournit une pièce de plus du puzzle de la « fonction des bassins versants », l’étude des fonctions biogéochimiques des bassins versants et de leurs habitants. Pendant ce temps, d’autres chercheurs dans d’autres domaines font de même.

Ensemble, les connaissances peuvent changer la façon dont les gens comprennent la relation entre le bassin versant et le climat.

« Si quoi que ce soit, nous avons vu que la limitation du cuivre était plus importante que nous ne le pensions », a déclaré Giammar. « C’est pourquoi je pense qu’il est important d’entrer dans cette complexité environnementale. »