Могут ли метаноядные бактерии в засушливых районах помочь нам сократить выбросы парниковых газов?
Что такое засушливые земли? Первое, что может прийти вам в голову, - это место, похожее на пустыню, где ничего не может жить и расти. Несмотря на нехватку воды, экосистемы засушливых земель разнообразны и будут расширяться в связи с глобальным изменением климата. Основная причина глобального потепления - увеличение содержания парниковых газов в атмосфере. Чтобы решить эту проблему, нам, безусловно, необходимо сократить выбросы парниковых газов, но изучение микроорганизмов в природе также дает нам интересные подсказки о том, как решить проблему глобального потепления. Микроорганизмы живут во всех возможных средах на Земле, и, к счастью, некоторые из них могут даже брать парниковые газы из воздуха в качестве пищи! В этой статье мы рассказываем о наших поисках в почвах планеты бактерий, способных потреблять один из самых мощных парниковых газов - метан (CH4). Вопреки ожиданиям, мы обнаружили, что эти бактерии живут в засушливых районах по всему миру!
Крупнейшая наземная экосистема на Земле: Засушливые районы
Засушливые районы характеризуются скудными осадками и, соответственно, не отличаются пышной растительностью. Однако засушливые районы охватывают целый ряд различных экосистем - от самого сухого места на Земле, жаркой пустыни Атакама в Чили, до лиственных эвкалиптовых лесов в Австралии, где живут коалы (рис. 1.1). Экосистемы засушливых земель также содержат огромное количество организмов, многие из которых - растения и животные, обитающие только в засушливых районах и приспособившиеся к суровым условиям. Засушливые земли - самая большая наземная экосистема, они занимают почти половину поверхности Земли (45 %), и в них проживает более 40 % населения. Таким образом, вы можете понять, почему засушливые районы являются чрезвычайно важными для изучения.
Живые существа и неживые вещества в окружающей среде, такие как растения и вода, тесно связаны между собой природными циклами. Эти неживые вещества называются абиотическими факторами. Вода имеет решающее значение для всех процессов, связанных с жизнью, - от роста растений до развития сообществ почвенных микроорганизмов. Поэтому вода - самый важный абиотический фактор в экосистеме. Мы измеряем доступность воды в экосистеме с помощью показателя, называемого засушливостью, - математической зависимости между количеством осадков (дождя, тумана или снега) и испарением воды. Чем меньше доступной воды, тем более засушливым является место (рис. 1.1).
В засушливых районах, где вода не всегда доступна, естественные циклы между живыми существами и неживыми веществами сильно нарушаются. Когда нет дождевой воды и снижается влажность, это влияет на круговорот углерода (C) и азота (N), уменьшая количество этих элементов в почве, что сказывается на растениях, животных и микроорганизмах. Все это делает засушливые районы чрезвычайно уязвимыми к продолжающемуся изменению климата.
Почвенные бактерии и метан
Землю окружает газообразный слой, называемый атмосферой, который защищает нас от солнечной радиации и помогает поддерживать общую температуру на Земле. Основными компонентами атмосферы являются азот (78 %) и кислород (21 %), но в ней есть и много других газов. Некоторые атмосферные газы, такие как углекислый газ (CO2) и водяной пар, являются парниковыми газами, названными так потому, что они задерживают солнечное тепло, работая подобно стеклу в теплице. Парниковые газы пропускают солнечный свет к поверхности Земли, но не дают теплу покинуть атмосферу. Эта ловушка тепла способствует глобальному потеплению.
Самым распространенным парниковым газом в атмосфере, производимым человеком, является CO2выделяющийся при сжигании ископаемого топлива. Однако вторым по значимости газом, способствующим глобальному потеплению, является метан (CH4). Метан - это простая молекула, образованная одним атомом углерода (C) и четырьмя атомами водорода (H). Потепление, вызванное одной молекулой метана, эквивалентно 25 молекулам CO2что делает его сверхмощным парниковым газом. Метан вырабатывается метаногенами - группой микроорганизмов, которым для выживания не нужен кислород, поэтому они могут жить в бескислородной среде, например на рисовых полях, в озерных отложениях и болотах. Метаногены также живут в пищеварительных трактах животных, например, в желудках крупного рогатого скота и даже в организме человека! Метаногены ответственны за отрыжку и пуканье животных! Метаногены также вырабатывают метан при разложении органических веществ, например листьев или древесных обломков. Помимо сельского хозяйства, другие виды человеческой деятельности, такие как нефтяная и газовая промышленность, также выбрасывают большое количество метана в нашу атмосферу [ 1 ] (рис. 2).
Метан, выбрасываемый в атмосферу, вносит огромный вклад в изменение климата, и существует только одна группа организмов, которая может его потреблять, - метанотрофы. Эта группа микроорганизмов способна использовать метан в качестве источника углерода и энергии. По сути, эти микроорганизмы питаются метаном (рис. 2)! В засушливых районах производство метана невелико из-за нехватки воды (напомним, что метаногены обычно обитают в затопленных почвах и других бескислородных средах). Однако из-за большой площади засушливых земель и глобального увеличения содержания метана в атмосфере экосистемы засушливых земель могут представлять большой интерес, если метанотрофы там также присутствуют и многочисленны.
Как найти и изучить метанотрофы
В нашем исследовании мы хотели узнать, распространены ли метанотрофы в почвах засушливых районов по всему миру и чувствительны ли они к климатическим условиям и свойствам почвы, как и большинство почвенных микроорганизмов. Сначала мы отобрали 80 засушливых участков по всему миру (рис. 1.1). На каждом участке мы собрали климатическую информацию, такую как среднегодовая температура, годовое количество осадков и засушливость. Мы также взяли образцы почвы и проанализировали ее свойства, такие как количество органического вещества (органического углерода), pH и содержание песка (рис. 1.2). Высокое содержание органического вещества в почве указывает на ее плодородность, то есть наличие питательных веществ, необходимых растениям, почвенным животным и микроорганизмам для роста. Анализ pH показывает, насколько кислая почва. pH - один из важнейших факторов, регулирующих рост почвенных бактерий. Например, если почва очень кислая, как уксус, в ней могут жить только особые кислотоустойчивые бактерии. Почвенные зерна расположены очень близко друг к другу, но при этом оставляют пространство для проникновения воздуха и воды. Количество песка, самой крупной частицы в почве, говорит нам о том, насколько велики эти пространства в почве. Так, высокое содержание песка означает наличие больших пространств, благодаря чему воздух может легко проникать в почву, а вода и питательные вещества - легко вытекать.
Для изучения метанотрофов в наших образцах почвы нам необходима генетическая информация (ДНК) этих бактерий [ 2 ]. Сначала мы получаем всю ДНК, присутствующую в наших образцах почвы, с помощью процесса, называемого экстракцией ДНК (рис. 1.3). Этот процесс осуществляется в лаборатории с помощью мощных ферментов, которые расщепляют клетки, не повреждая генетическую информацию. Затем мы анализируем извлеченную ДНК на наличие определенного участка, который присутствует только у метанотрофов. Этот участок ДНК представляет собой ген под названием pmoA. Ген p moA содержит инструкции для белка, который позволяет метанотрофам потреблять атмосферный метан. Зная концентрацию гена pmoA в каждом образце почвы, можно определить, сколько метанотрофов живет в этом образце (рис. 1.4). Существует несколько близкородственных видов метанотрофов, все они имеют схожую информацию в ДНК, но у разных видов есть крошечные генетические различия в ДНК, поэтому мы можем использовать ДНК для идентификации разных метанотрофов, как отпечатки пальцев (рис. 1.5).
Исследования ДНК помогают нам получить информацию о численности (общее количество бактерий определенного типа), богатстве (количество различных видов бактерий) и структуре сообщества (различные виды бактерий и численность каждого вида) метанотрофов из каждого образца почвы (рис. 3). Затем с помощью математики мы выясняем, какие почвенные или климатические условия наиболее важны для метанотрофов (рис. 1.6).
Где живут метанотрофы
Мы не были уверены, что найдем метанотрофов в засушливых районах, поскольку для жизнедеятельности этих микроорганизмов необходим метан, а засушливые районы не являются типичной экосистемой для производства метана. Поэтому обнаружение метанотрофов во всех наших образцах почвы в засушливых районах стало необычным открытием! Теперь мы можем сказать, что метанотрофы широко распространены в засушливых районах мира. Удивительно, но мы даже обнаружили некоторые метанотрофы, которые обычно встречаются во влажных местах, таких как Дания, Шотландия или Новая Зеландия.
Мы также обнаружили, что в засушливых районах среднегодовая температура и засушливость не являются основными условиями, влияющими на обилие и богатство метанотрофов. Обилие и богатство могут определяться другими факторами, такими как количество осадков. Однако климатические условия, такие как среднегодовая температура, количество осадков, засушливость, а также свойства почвы, такие как органическое вещество, pH и содержание песка, повлияли на структуру сообщества метанотрофов. Например, более высокие температуры увеличивали численность некоторых метанотрофов, устойчивых к жаре. Другими словами, в засушливых районах с более высокими температурами сообщества метанотрофов могут содержать больше жаростойких метанотрофов. Климатические условия также могут влиять на свойства почвы, например, способствуя разрушению горных пород, что увеличивает содержание песка, или изменяя рН почвы и содержание органического вещества. Эти свойства почвы влияют на количество воздуха, которое может проникать в почву, что, как мы выяснили, очень важно для структуры сообщества метанотрофов.
Что мы узнали о метанотрофах в засушливых районах?
Как мы выяснили, метанотрофы многочисленны и широко распространены в засушливых районах по всему миру. На сообщества метанотрофов влияют как климат, так и почва. Более того, мы обнаружили, что структура сообщества метанопожирающих бактерий сильно зависит от климатических условий, таких как количество осадков и температура, а также от характеристик почвы, таких как содержание в ней органических веществ.
Поскольку мы обнаружили, что климат влияет на метанотрофов, мы ожидаем, что продолжающееся изменение климата изменит сообщества метанотрофов в ближайшие годы, повлияв на потребление атмосферного метана. До сих пор мы знали, что метанотрофы обитают в холодных и влажных местах, на которые, несомненно, повлияет изменение климата. Огромные площади засушливых земель и множество метанотрофов, обитающих в них, могут сделать эти территории чрезвычайно важными для потребления атмосферного метана в будущем. Другими словами, бактерии засушливых земель могут помочь нам сократить выбросы парниковых газов! Заботиться о засушливых землях сейчас и продолжать изучать скрытые чудеса, которые они содержат, очень важно для решения проблем нашей будущей более теплой планеты. Бактерии, питающиеся метаном в засушливых районах, могут нам помочь!
