Koolwaterstoffen spelen een sleutelrol in de atmosferische en biogeochemie, de energie-economie, en klimaatverandering. De meeste koolwaterstoffen vormen zich in anaërobe omgevingen door hoge temperatuur of microbiële afbraak van organisch materiaal. Micro-organismen kunnen ook onder de grond koolwaterstoffen "eten", voorkomen dat ze de atmosfeer bereiken. Met behulp van een nieuwe techniek ontwikkeld aan het Earth-Life Science Institute (ELSI), een internationaal team onder leiding van Alexis Gilbert, professoren van het Tokyo Institute of Technology, Naohiro Yoshida en Yuichiro Ueno laten zien dat biologische afbraak van koolwaterstoffen een unieke biologische signatuur geeft. Deze bevindingen kunnen helpen bij het detecteren van ondergrondse biologie en het begrijpen van de koolstofcyclus en de impact ervan op het klimaat.

De mensheid exploiteert de enorme reservoirs van koolwaterstoffen op aarde als een van haar belangrijkste energiebronnen. De manieren waarop koolstof wordt gefixeerd en verwerkt tijdens de vorming van deze reservoirs hebben belangrijke gevolgen voor de exploratie van hulpbronnen. In aanvulling, het vrijkomen van koolwaterstoffen uit de ondergrondse reservoirs van de aarde kan belangrijke gevolgen hebben voor het klimaat op aarde, aangezien lichte koolwaterstoffen zoals methaan krachtige broeikasgassen zijn. Wetenschappers zouden graag inzicht willen krijgen in de potentieel belangrijke rol die de enorme ondergrondse biosfeer van de aarde zou kunnen spelen in het gedrag van diepe koolwaterstofreservoirs. Daten, het was moeilijk in te schatten hoeveel koolwaterstoffen zijn aangetast door ondergrondse micro-organismen.

Gilbert en collega's hebben deze moeilijkheid overwonnen door een nieuwe methode te gebruiken die bij ELSI is ontwikkeld en waarmee positiespecifieke stabiele koolstofisotoopverhoudingen kunnen worden gemeten. Koolwaterstoffen zijn meestal lange ketens van koolstofatomen die aan waterstofatomen zijn bevestigd, maar koolstof heeft twee natuurlijk voorkomende isotopen (soorten koolstofatomen met verschillende aantallen neutronen, en dus verschillende massa's, die kan worden gemeten), koolstof-12 ( ¹² C) en koolstof-13 ( ¹³ C). Vanwege de manier waarop organismen de moleculen vormen die uiteindelijk milieukoolwaterstoffen worden, de verhouding van ¹² C/ ¹³ C voor elke specifieke koolstofatoompositie in een koolwaterstof kan uniek zijn. Het onderzoek hier richtte zich op propaan, een aardgaskoolwaterstofmolecuul met drie koolstofatomen.

De onderzoekers voerden propaan aan micro-organismen in het laboratorium om de specifieke ¹² C/ ¹³ C handtekening produceerde deze organismen, en de niet-biologische veranderingen gemeten die optraden bij de afbraak van propaan bij hoge temperaturen, een proces dat bekend staat als 'kraken'. Vervolgens gebruikten ze deze nulmetingen om aardgasmonsters uit de VS te interpreteren, Canada en Australië, waardoor ze de aanwezigheid van micro-organismen kunnen detecteren die propaan gebruiken als "voedsel" in aardgasreservoirs, en om de hoeveelheid koolwaterstoffen te kwantificeren die door micro-organismen wordt gegeten. "Toen ik begon met het analyseren van monsters van de bacteriële simulatie-experimenten, ze kwamen perfect overeen met wat we in het veld zagen, suggereert de aanwezigheid van propaanafbrekende bacteriën in de aardgasreservoirs, " merkte Gilbert op. Dus, deze studie onthulde de aanwezigheid van micro-organismen die moeilijk te detecteren zouden zijn met conventionele methoden, en opent een nieuw venster voor het begrijpen van wereldwijde koolwaterstofcycli.

"Ik was vooral geïnteresseerd in het ontcijferen van biologische van niet-biologische processen die verband houden met organische moleculen. Deze vraag heeft gevolgen voor de oorsprong van het leven, voor detectie van leven in het heelal, maar ook voor ons begrip van de biosfeer en zijn evolutie op aarde, ", zegt Gilbert. Deze studie heeft ook belangrijke implicaties voor de wereldwijde klimaatverandering, aangezien propaan en andere koolwaterstoffen broeikasgassen en verontreinigende stoffen zijn. Hoewel het team niet heeft geprobeerd te kwantificeren hoeveel koolwaterstoffen er op wereldschaal door micro-organismen worden "opgegeten", zij geloven dat hun aanpak een dergelijke kwantificering in de nabije toekomst mogelijk zal maken, en suggereren dat dit modellen ten goede zal komen die gericht zijn op het kwantificeren van wereldwijde koolwaterstofcycli.

Eindelijk, Gilbert voegt toe, in de toekomst kan dit soort benadering nuttig zijn voor de detectie van leven op buitenaardse lichamen zoals andere planeten of manen in ons zonnestelsel. Hoewel hun huidige machine te groot is om naar de ruimte te worden gestuurd, hun technieken kunnen worden toegepast op monsters die naar de aarde worden teruggebracht, of hun instrument kan worden geminiaturiseerd.