Nu de planeet is opgewarmd, maken wetenschappers zich al lang zorgen over de mogelijkheid dat schadelijke broeikasgassen uit de ontdooiende permafrost in het Noordpoolgebied sijpelen. Recente schattingen suggereren dat tegen 2100 de hoeveelheid kooldioxide en methaan die vrijkomt uit deze voortdurend bevroren gebieden op één lijn zou kunnen liggen met de uitstoot van grote industriële landen. Nieuw onderzoek onder leiding van een team van microbioomwetenschappers van de Colorado State University suggereert echter dat deze schattingen mogelijk te laag zijn.

Micro-organismen zijn verantwoordelijk voor het proces dat broeikasgassen zal genereren uit het ontdooien van de noordelijke veengebieden, die ongeveer 50% van de koolstof in de bodem in de wereld bevatten. Voorlopig zijn veel van de microben in deze omgeving bevroren en inactief.

Maar als het land ontdooit, zullen de microben ‘wakker worden’ en koolstof in de grond gaan doorzoeken. Dit natuurlijke proces, bekend als microbiële ademhaling, produceert de koolstofdioxide- en methaanemissies die worden voorspeld door klimaatmodellen.

Momenteel gaan deze modellen ervan uit dat deze gemeenschap van micro-organismen – bekend als het microbioom – sommige soorten koolstof wel zal afbreken, maar andere niet. Maar het door de CSU geleide werk werd deze week gepubliceerd in het tijdschrift Nature Microbiology biedt nieuw inzicht in hoe deze microben zich zullen gedragen zodra ze zijn geactiveerd. Het onderzoek toont aan dat de bodemmicroben die in de permafrost zijn ingebed, achter een klasse verbindingen aan zullen gaan waarvan eerder werd gedacht dat ze onder bepaalde omstandigheden onaantastbaar waren:polyfenolen.

"Er waren deze pools van koolstof – bijvoorbeeld donuts, pizza en chips – en we voelden ons op ons gemak bij het idee dat microben dit spul zouden gebruiken", zegt Bridget McGivern, een postdoctoraal onderzoeker bij CSU en de eerste auteur van het artikel.

"Maar dan was er nog iets anders, pittig eten; we dachten niet dat de organismen van pittig eten hielden. Maar wat ons werk laat zien is dat er eigenlijk organismen zijn die het eten, en het zal dus niet alleen maar als koolstof blijven bestaan." , het wordt afgebroken."

Als er meer koolstof wordt afgebroken door microbiële ademhaling, zal dit leiden tot extra uitstoot van broeikasgassen. Maar deze nieuwe bevinding heeft ook andere implicaties. Sommige wetenschappers hadden eerder getheoretiseerd dat het toevoegen van polyfenolen aan de ontdooiende permafrost in het Noordpoolgebied deze micro-organismen mogelijk volledig zou kunnen ‘uitschakelen’, waardoor effectief een enorme voorraad potentieel problematische koolstof in de grond zou worden gevangen. Het concept staat bekend als de enzym-latch-theorie.

Dat lijkt niet langer een haalbare optie, zegt Kelly Wrighton, universitair hoofddocent aan de afdeling Bodem- en Gewaswetenschappen van het College of Agricultural Sciences, wiens laboratorium het werk leidde.

"We dachten niet alleen dat deze microben geen polyfenolen aten," zei Wrighton, "we dachten dat als de polyfenolen er waren, het zou lijken alsof ze giftig waren en de microben inactief zouden maken."

Het bodemmicrobioom wordt vanwege zijn complexiteit vaak als een soort zwarte doos beschouwd. Wrighton hoopt dat deze nieuwe informatie over de rol van polyfenolen in permafrost die perceptie helpt veranderen.

"Ik zou graag voorbij deze aannames van de zwarte doos willen komen", zei ze. "We kunnen geen oplossingen bedenken als we de onderliggende bedrading en leidingen van een systeem niet begrijpen."

De permafrost in Zweden onderzoeken

Het ontsluiten van de relatie tussen bodemmicroben en polyfenolen is al jaren in de maak voor McGivern, die dit onderwerp begon te onderzoeken terwijl ze in 2017 aan haar doctoraat in het laboratorium van Wrighton werkte.

McGivern begon met een simpele vraag. Wetenschappers gingen ervan uit dat bodemmicroben zonder zuurstof geen polyfenolen zouden kunnen afbreken. Darmmicroben hebben echter geen zuurstof nodig om de verbinding te maken. Zo halen mensen gezonde antioxidantvoordelen uit polyfenolrijke stoffen zoals chocolade en rode wijn.

McGivern vroeg zich af waarom het proces anders zou zijn in de bodem, een vraag die vooral relevant is voor permafrost of drassige gebieden die weinig of geen zuurstof bevatten.

"De motivatie voor een groot deel van mijn doctoraat was hoe deze twee dingen konden bestaan?" zei McGivern. "Organismen in onze darmen kunnen polyfenolen afbreken, maar organismen in de bodem kunnen dat niet? De realiteit was dat niemand in de bodem er ooit echt naar had gekeken."

McGivern en Wrighton testten de theorie met succes in een laboratoriumexperiment en publiceerden in 2021 een proof of concept-studie. De volgende stap was het testen ervan in het veld. Het team kreeg toegang tot kernmonsters van een onderzoekslocatie in Noord-Zweden, een plek die wetenschappers al jaren gebruiken om vragen te onderzoeken die verband houden met permafrost en het bodemmicrobioom.

Maar voordat McGivern in de kernmonsters naar bewijs van polyfenolafbraak kon zoeken, moest ze eerst een database maken met gensequenties die correspondeerden met het polyfenolmetabolisme. McGivern heeft duizenden pagina's aan bestaande wetenschappelijke literatuur gedolven, waarbij hij de enzymen in vee, de menselijke darmen en sommige bodemsoorten catalogiseerde waarvan bekend was dat ze verantwoordelijk zijn voor het proces.

Nadat ze de database had opgebouwd, vergeleek McGivern de resultaten met de gensequenties die door de microben in de kernmonsters tot expressie werden gebracht. En ja hoor, zei ze, er vond een metabolisme van polyfenol plaats.

"Wat we ontdekten was dat genen via 58 verschillende polyfenolroutes tot expressie kwamen," zei McGivern. "Dus we zeggen niet alleen dat de micro-organismen dit mogelijk kunnen doen, maar dat ze in het veld ook de genen voor dit metabolisme tot expressie brengen."

Toch is er meer werk nodig, zei McGivern. Ze weten niet wat het proces zou kunnen beperken of de snelheid waarmee de stofwisseling plaatsvindt – beide belangrijke factoren om uiteindelijk de hoeveelheid extra broeikasgasemissies te kwantificeren die zou kunnen vrijkomen uit permafrost.

"Het hele punt hiervan is om een ​​beter voorspellend begrip op te bouwen, zodat we een raamwerk hebben dat we daadwerkelijk kunnen manipuleren," zei Wrighton. "De klimaatcrisis waarmee we worden geconfronteerd, gaat zo snel. Maar kunnen we deze modelleren? Kunnen we deze voorspellen? De enige manier waarop we daar kunnen komen is door daadwerkelijk te begrijpen hoe iets werkt."

Meer informatie: Bridget McGivern et al, Een cache van polyfenolmetabolisme ontdekt in microbiomen van veengebieden, Natuurmicrobiologie (2024). DOI:10.1038/s41564-024-01691-0

Journaalinformatie: Natuurmicrobiologie

Aangeboden door Colorado State University