Kleine microben spelen een grote rol bij het fietsen van koolstof en andere belangrijke elementen door onze lucht, water, bodem en sediment. Niet alleen vangen en geven microben koolstof af, bijdragen aan een cyclus die centraal staat in het leven op aarde, ze geven ook verbindingen af ​​die bestaande mineralen kunnen veranderen en nieuwe kunnen vormen - en die op hun beurt de geologie van de wereld om ons heen vormgeven.

Het biologische grijpen, chemische en geologische processen die microben ondernemen, zijn van cruciaal belang voor het begrijpen en voorspellen van het mondiale klimaat, uitstoot van broeikasgassen, nutriëntentransport en andere natuurlijke fenomenen.

Onderzoekers die deze processen bestuderen in het Argonne National Laboratory van het Department of Energy (DOE) hebben ontdekt dat deze microbiële gemeenschappen aanzienlijk worden beïnvloed door de soorten koolstofbronnen die beschikbaar zijn. Hun bevindingen, gepubliceerd in het tijdschrift PLOS EEN , onthullen dat het type koolstofbron niet alleen de samenstelling en activiteit van natuurlijke microbiële gemeenschappen beïnvloedt, maar ook weer de soorten minerale producten die in hun omgeving ontstaan.

"Onze studie toont de nauwe koppeling aan tussen biologische systemen en het milieu, twee dingen die de meeste mensen afzonderlijk zouden overwegen, " zei Argonne-microbioloog Dion Antonopoulos, een co-auteur van de studie. "We hebben geïllustreerd dat als micro-organismen hun omgeving veranderen, hun omgeving beïnvloedt dan het type micro-organismen dat er is en hun activiteit."

Voor hun analyse de onderzoekers concentreerden zich op microbiële gemeenschappen die zich onder het aardoppervlak bevinden en die anaërobe ademhaling uitvoeren - een chemisch proces voor het vrijmaken van energie uit koolstof "voedsel" bronnen die plaatsvindt door een complexe reeks reacties in een zuurstofvrije omgeving. Bacteriën nemen koolstof op en geven verschillende chemische bijproducten af ​​aan het milieu; sommige bijproducten van dit proces veranderen de mineralen in de omgeving.

Onderzoekers namen deze specifieke microbiële gemeenschappen en presenteerden ze een van de drie koolstofbronnen:glucose, een suiker met zes koolstofatomen; melk geven, een vier-koolstofverbinding; of acetaat, een eenvoudige twee-koolstofverbinding.

"Naast het kiezen van acetaat, lactaat en glucose vanwege hun relatieve complexiteit, we hebben ze gekozen omdat ze representatief zijn voor de soorten gevonden koolstofmoleculen, in verschillende mate, in ondergrondse omgevingen, " zei Argonne natuurkundige Kenneth Kemner, een co-auteur van de studie.

Na het verstrekken van de bacteriën deze drie voedselbronnen, de onderzoekers zijn wekenlang bezig geweest met het monitoren en meten van veranderingen binnen deze systemen. Onder andere, ze maten de hoeveelheid en snelheid waarmee glucose, lactaat en acetaat werden gebruikt door bacteriën, de minerale bijproducten die zich in hun omgeving hebben gevormd en de soorten microben die op elk moment aanwezig waren.

"Het bestuderen van de groei van microbiële gemeenschappen is iets waar veel onderzoekers zich op hebben gericht, maar het feit dat we dit combineren met de studie van veranderingen in de chemie van deze systemen, en dat op een zeer gesynchroniseerde manier, is wat dit werk tot een roman maakt, " zei Argonne biogeochemist Ed O'Loughlin, een andere co-auteur in het onderzoek.

Door deze gegevens naast elkaar te analyseren, konden onderzoekers zien welke soorten microben meer of minder overvloedig werden, gegeven een specifieke reeks omgevingsomstandigheden. Door deze gegevens te overlappen, konden ze ook observeren hoe de microbiële gemeenschappen in de loop van de tijd veranderden naast veranderingen in de omgevingsomstandigheden.

"In eerdere studies werden slechts een paar monsters gebruikt en veranderingen gemeten op slechts een paar tijdstippen, zoals de begin- en eindstatus. In ons geval, we hebben op veel meer tijdstippen gegevens verzameld, helpen om de reactie van het systeem in de loop van de tijd beter te karakteriseren, ' zei O'Loughlin.

Hun analyse toonde aan dat een duidelijke reeks veranderingen consequent optrad wanneer microben werden blootgesteld aan lactaat- of acetaatrijke omgevingen. Echter, in glucoserijke omgevingen, ze observeerden verschillende patronen van veranderingen.

"We denken dat, omdat glucose een grotere, complexere verbinding die kan worden opgesplitst in veel eenvoudigere verbindingen, dit opent meer chemische paden in de gemeenschap waardoor het kan worden gebruikt, en dat dit diverse metabolische potentieel de verschillende patronen verklaart die we zien, ' zei O'Loughlin.

"Uitzoeken wat die parameters zijn die ervoor zorgen dat een microbiële gemeenschap een bepaald patroon volgt - dat zou een richting zijn voor toekomstig onderzoek, " hij zei.