Een team onder leiding van het Oak Ridge National Laboratory van het Department of Energy en de University of Michigan hebben ontdekt dat bepaalde bacteriën een essentiële verbinding van andere microben kunnen stelen om methaan en toxisch methylkwik in het milieu af te breken.

De bevindingen kunnen informatie verschaffen over strategieën die erop gericht zijn deze micro-organismen te manipuleren om de uitstoot van methaan, een krachtig broeikasgas, en ontgiften methylkwik, een krachtig neurotoxine dat zich kan ophopen in de voedselvoorziening.

De studie, gepubliceerd in Het ISME-tijdschrift , ontdekte dat bepaalde klassen van methanotrofen of methaanconsumerende bacteriën waarvan eerder werd gedacht dat ze methylkwik niet konden afbreken, het in het milieu kunnen afbreken. Deze activiteit is mogelijk omdat de microben zijn uitgerust met de cellulaire machinerie om een ​​verbinding, methanobactine genaamd, die door andere microben wordt geproduceerd, te absorberen en te gebruiken.

Methanotrofen zijn wijdverbreid in de natuur. Ze leven in de buurt van methaan- en luchtinterfaces, zoals de bovenste laag grond, riviersedimenten en wetlands waar ze toegang hebben tot zuurstof terwijl ze zich voeden met het methaan dat uit de anoxische, of zuurstofarm, onderstaande omgevingen.

Deze bacteriën spelen een cruciale rol in de koolstofcyclus, het consumeren van aanzienlijke hoeveelheden methaan gegenereerd door andere microben die methanogenen worden genoemd. Dit natuurlijke tegenwicht is belangrijk bij het beperken van methaanemissies, die 25 keer krachtiger zijn dan koolstofdioxide bij het opwarmen van de atmosfeer van de aarde.

Als we meer weten over de manier waarop de methaanfeeders werken, kan dit wijzen op methoden om ze te gebruiken als hefbomen om de methaanemissies te beheersen. De nieuwe kennis kan ook klimaatmodellen die de toekomst van de planeet voorspellen, beter informeren.

Onderzoekers ontdekten dit nieuwe methanotrofe gedrag tijdens het bestuderen van een ander wereldwijd probleem:kwikvervuiling. ORNL heeft een lange geschiedenis van doorbraken op het gebied van kwik, inclusief hun ontdekking in 2013 van de genen die microben in staat stellen kwik om te zetten in het toxine methylkwik.

in 2017, een door ORNL geleid team was de eerste die aantoonde dat sommige methanotrofen methylkwik kunnen afbreken, een proces dat demethylering wordt genoemd. Hun nieuwste bevindingen bouwen voort op die ontdekking, waaruit blijkt dat meer methanotrofen dan eerder bekend methylkwik kunnen afbreken.

"Naarmate we nieuwe inzichten krijgen over methanotrofe activiteiten, we kunnen deze microbiële gemeenschappen mogelijk effectiever manipuleren om de methaanemissies te verminderen en de kwikontgifting in het milieu te verbeteren, " zei Baohua Gu, een ORNL corporate fellow en biogeochemist.

Producenten en valsspelers

Methanotrofen zijn op zoek naar de gemakkelijkste, snelste voedselvoorziening, met een doelwit van enkelvoudige koolstofverbindingen zoals methaan en methylkwik, die vergelijkbare chemische structuren hebben. Deze microben hebben ook koper nodig om hun metabolische processen te voeden. Het is deze behoefte aan koper die de methanotrofe activiteit kan beperken, de microben ertoe aanzetten om koperbronnen in de omgeving te zoeken met behulp van veel verschillende methoden.

Sommige methanotrofen gebruiken een oppervlakte-eiwit om koper te beveiligen. Anderen scheiden een verbinding af genaamd methanobactine, of MB, dat zich bindt met koper in de omgeving en koperacquisitie vergemakkelijkt. Eerdere bevindingen van het team hadden aangetoond dat alleen bacteriën met de genetische en metabole machinerie om MB te produceren methylkwik kunnen afbreken.

De laatste bevindingen van de onderzoekers tonen aan dat sommige methanotrofen die geen MB maken, methylkwik kunnen ontgiften door MB te gebruiken die door andere methanotrofen wordt uitgescheiden. Met andere woorden, ze stelen het.

"Het zijn in feite wat we cheaters noemen, " zei de microbioloog van de Universiteit van Michigan, Jeremy Semrau. "Dit is eerder waargenomen, waarbij het ene micro-organisme iets produceert dat de algemene gemeenschap ten goede komt en anderen het stelen. Hierdoor kunnen sommige methanotrofen aan hun koperbehoefte voldoen."

Het onderzoeksteam toonde ook aan dat succesvolle diefstal van MB vereist dat methanotrofen het gen hebben, genaamd mbnT, dat de productie van een specifiek eiwit mogelijk maakt, de TonB-transporter. Toepasselijke naam, dit eiwit verplaatst MB - en het bijbehorende koper - in de microbe, waardoor de afbraak van methylkwik en methaan mogelijk wordt.

Wetenschappers van U-M hebben een stam van methanotrofen ontwikkeld zonder het mbnT-gen, en het team van ORNL analyseerde het kwik in de monsters. De verwijdering van het mbnT-gen en transporteiwit in deze microben maakte effectief hun vermogen om MB op te nemen of methylkwik te ontgiften, onbruikbaar.

Deze inzichten kunnen toekomstige wegen naar het aanpakken van kwikvervuiling in het milieu informeren.

"Ik denk dat het een prachtige strategie is om in de toekomst mogelijk methanotrofen te gebruiken om met kwik verontreinigde locaties te helpen saneren, en dat dit misschien echt aan de hand is, tot op zekere hoogte, van nature, ' zei Semrau.

Weer een stukje van de puzzel

Methanotrofen komen veel voor in het milieu, maar er is nog veel te leren over hun activiteiten. Een team onder leiding van ORNL-milieuwetenschapper Scott Brooks werkte samen met Semrau's groep bij U-M aan de ontdekking van verschillende nieuwe methanotrofen in East Fork Poplar Creek, een met kwik verontreinigde stroom die door het Oak Ridge-reservaat stroomt en al tientallen jaren wordt bestudeerd.

Brooks en zijn team hebben biofilms bestudeerd, dit zijn complexe gemeenschappen van algen en bacteriën die zich ophopen op kreekrotsen als 'groen slijm'. Hoewel biofilms maar zo dik zijn als een paar gestapelde creditcards, het zijn hotspots voor de verwerking van kwik en voedingsstoffen.

Het ORNL-team had eerder ontdekt dat zuurstofarme zakken in deze biofilms microben huisvesten die kwik omzetten in zijn meest giftige vorm:methylkwik. Hun recente ontdekking van methanotrofen in de zuurstofrijke uitsparingen van dezelfde biofilms betekent dat de afbraak van methylkwik ook van nature plaatsvindt in de kreek.

"Er zijn enkele echt steile chemische gradiënten en veranderingen in concentratie die plaatsvinden over een zeer kleine afstand, "Zei Brooks. Dat omvat opgeloste zuurstof die "binnen enkele tienden van een millimeter verdwijnt."

Die kleine zuurstofzakjes zijn genoeg voor methanotrofen om te gedijen. Voorlopige analyse toonde aan dat de microbiële activiteit die methylkwik produceert, groter was dan de methanotrofe activiteit die het toxine afbreekt. Met verdere studie, wetenschappers zouden mogelijk methoden kunnen identificeren om de balans in de richting van afbraak van methylkwik te doen doorslaan.

"Dit is een mooi huwelijk tussen twee verschillende onderzoeksprojecten die parallel werken, " zei Brooks. "We zien dingen die consistent zijn met elkaar en dat helpt ons te bevestigen wat er gebeurt met kwikcycli in deze complexe microbiële gemeenschappen."