Het is algemeen bekend dat aardgashydraten, kristallijne roosters van waterstofgebonden watermoleculen die kleine koolwaterstofmoleculen inkapselen, op de oceaanbodem zowel een potentiële versneller van klimaatverandering vormen als een van de grootste energiebronnen op aarde. Maar of de enorme hoeveelheden aardgas die zo opgesloten zitten veilig opgesloten blijven in kooien van kristallijn hydraat, of in de oceaan worden vrijgelaten om mogelijk atmosferische broeikasgassen te worden, kan gedeeltelijk afhangen van een ongebruikelijke symbiose op de zeebodem tussen wormen en hun microbiële buren .

Onderzoekers van de NYU Tandon School of Engineering ontdekten dat dit natuurlijke ecosysteem met plumeau-wormen (Sabellidae, Annelida) en zowel warmtegenererende als warmte-absorberende bacteriën (Archaea) die methaan consumeren dat is ingesloten in - of opgesloten in een kristallijne structuur - door hydraten in diepzeemilieus spelen een sleutelrol bij het handhaven van het evenwicht waardoor hydraten bevroren blijven.

Op zoek naar de invloed die subtiele temperatuurschommelingen kunnen hebben op de dynamische stabiliteit van de hydraatafzettingen, ontdekten de onderzoekers, onder leiding van Ryan Hartman, hoogleraar chemische en biomoleculaire engineering aan NYU Tandon, dat veerstofwormen, die gedijen rond kristallijne hydraten, door selectief warmtegenererende bacteriën, methanotrofen genaamd, die methaan metaboliseren, te consumeren, remmen ze het potentiële smelten van deze kristalstructuren (het vrijgeven van opgesloten methaan) als gevolg van het exotherme metabolisme van de microben.

In een nieuw gepubliceerde studie, "Microbe-Worm Symbiosis Stabilizes Methaanhydraten in Deep Marine Environments", in Energy &Fuels, onderzoekers, waaronder hoofdauteur Tianyi Hua, Maisha Ahmad en Tenzin Choezin, simuleerden het ecosysteem door de bijbehorende energiebalans en de dissociatiekinetiek van methaanhydraat op te lossen. Ze onderzochten en analyseerden de dissociatiesnelheid - de snelheid waarmee bevroren hydraten uiteenvallen in moleculaire componenten - en ontdekten dat de symbiose tussen methanogenen (methaanproducerende bacteriën), methanotrofen en plumeau-wormen inderdaad methaanhydraten stabiliseert op diepten waar de kristallen zich bevinden blootgesteld aan de oceaan en zijn levende organismen.

De implicaties zijn ingrijpend, aangezien enorme hoeveelheden methaan (200 tot 500 gigaton CH₄ ), die zich spontaan vormen uit water en kleine hydrofobe moleculen onder specifieke temperatuur- en drukomstandigheden, worden wereldwijd als hydraten in de oceaan opgeslagen.

"Onze ontdekking toont wiskundig de omvang van de symbiose tussen microben die methaanhydraten consumeren en warmte genereren, en plumeaus die deze microben consumeren," zei Hartman. "Het is belangrijk omdat, bij afwezigheid van de wormen of een abnormale onbalans in hun populaties, deze microben genoeg warmte kunnen genereren om de hydraten te doen smelten. De wormen eten selectief bacteriën op die de meeste warmte genereren."

Om te onderzoeken hoe opwarmende oceanen dit fragiele evenwicht zouden kunnen verstoren, combineerde het team historische oceaantemperatuurrecords en schattingen van de gashydraatvoorraad met hun model; hun bevindingen suggereren dat hydraatafzettingen tot 560 meter onder zeeniveau al in gevaar kunnen komen, zelfs als de oceaantemperatuur niet meer stijgt, en de methaanhydraatstabiliteitszone dieper zal terugtrekken naarmate de oceaantemperatuur stijgt. Ook zou een afname van de wormpopulatie de onderdrukking van de methanotrofe groeisnelheid kunnen verzwakken, en de daaruit voortvloeiende overgroei van methanotrofe zou overmatige hoeveelheden warmte genereren, waardoor de hydraten verder worden gedestabiliseerd.

Aan de andere kant zou een toename van de methanogene microbiële activiteit het systeem meer endotherm maken en zo de tolerantie voor temperatuurschommelingen dicht bij de methaanhydraatfasegrens versterken.

"Het vertragen van de terugtrekking van deze biologische dynamiek naar diepere wateren zou de massale uitstoot van broeikasgassen in de zee kunnen vertragen of dwarsbomen", zei hij. "Of de gassen herkristalliseren of het oppervlak van de oceaan bereiken, is een veelbesproken en belangrijk onderzoeksonderwerp."