Een nieuw begrip van hoe een belangrijk methaanproducerend micro-organisme methaan en koolstofdioxide creëert, zou onderzoekers uiteindelijk in staat kunnen stellen te manipuleren hoeveel van deze belangrijke broeikasgassen in de atmosfeer ontsnappen. Een nieuwe studie door Penn State-onderzoekers stelt een bijgewerkte biochemische route voor die uitlegt hoe het micro-organisme ijzer gebruikt om efficiënter energie op te vangen bij het produceren van methaan. De studie verschijnt online in het tijdschrift wetenschappelijke vooruitgang .

"Het micro-organisme Methanosarcina acetivorans is een methanogeen dat een belangrijke rol speelt in de koolstofcyclus, waarbij dood plantaardig materiaal wordt gerecycled tot koolstofdioxide dat vervolgens nieuw plantaardig materiaal genereert door fotosynthese, " zei James Ferry, Stanley Person hoogleraar biochemie en moleculaire biologie aan Penn State, die het onderzoeksteam leidde. "Methanogenen produceren jaarlijks ongeveer 1 miljard ton methaan, die een cruciale rol spelen bij klimaatverandering. Inzicht in het proces waarmee dit micro-organisme methaan produceert, is belangrijk voor het voorspellen van toekomstige klimaatverandering en om mogelijk te manipuleren hoeveel van dit broeikasgas het organisme afgeeft."

Methanosarcina acetivorans, die wordt aangetroffen in omgevingen zoals de oceaanbodem en rijstvelden waar het helpt om dood plantaardig materiaal af te breken, zet azijnzuur om in methaan en koolstofdioxide. Voorafgaand aan deze studie, echter, onderzoekers wisten niet zeker hoe het micro-organisme genoeg energie had om te overleven in de zuurstofvrije - anaërobe - omgevingen waarin het leeft. De onderzoekers stelden vast dat een geoxideerde vorm van ijzer genaamd "ijzer drie, " in wezen roest, laat het micro-organisme efficiënter werken, meer azijnzuur gebruiken, meer methaan maken, en het creëren van meer ATP - een chemische stof die energie levert voor biologische reacties die essentieel zijn voor groei.

"De meeste organismen zoals mensen gebruiken een proces genaamd ademhaling om ATP te creëren, maar dit vereist zuurstof, " zei Ferry. "Als er geen zuurstof aanwezig is, veel organismen gebruiken in plaats daarvan een minder efficiënt proces, fermentatie genaamd, om ATP te creëren, zoals de processen die gist gebruikt bij de productie van wijn en bier. Maar de aanwezigheid van ijzer stelt M. acetivorans in staat om te ademen, zelfs als er geen zuurstof is."

Dankzij de bevindingen konden de onderzoekers de biologische route bijwerken waarmee M. acetivorans azijnzuur omzet in methaan, die nu ademhaling omvat. Paden zoals deze omvatten veel tussenstappen, waarbij energie vaak verloren gaat in de vorm van warmte. De onderzoekers stelden ook vast dat in aanwezigheid van ijzer, energieverlies in dit micro-organisme wordt verminderd dankzij een recent ontdekt proces dat elektronenbifurcatie wordt genoemd.

"Elektronenbifurcatie neemt een van die stappen die het potentieel hebben voor enorm warmteverlies en oogst die energie in de vorm van ATP in plaats van warmte, ", aldus Ferry. "Dit maakt het proces efficiënter."

Met deze bijgewerkte route kunnen onderzoekers de hoeveelheid methaan voorspellen die het micro-organisme in de atmosfeer zal afgeven.

"Rijstvelden - een belangrijke bron van methaan in de atmosfeer - bevatten rottende rijstplanten ondergedompeld in water die uiteindelijk worden verwerkt door M. acetivorans. Als we de hoeveelheid ijzer drie in de rijstvelden meten, we kunnen voorspellen hoeveel methaan er door de micro-organismen vrijkomt, die onze modellen voor klimaatverandering kunnen verbeteren."

Bij afwezigheid van ijzer, het micro-organisme produceert ongeveer gelijke hoeveelheden methaan en kooldioxide uit azijnzuur. Maar met toenemende hoeveelheden ijzer, het produceert meer koolstofdioxide ten opzichte van methaan, dus het verstrekken van extra ijzer aan het organisme zou de relatieve hoeveelheden van deze geproduceerde broeikasgassen kunnen veranderen.

"Methaan is 30 keer krachtiger als broeikasgas dan koolstofdioxide, wat het problematischer maakt in termen van onze opwarmende planeet, " zei Ferry. "Nu we deze biochemische route beter begrijpen, we zien dat we ijzer kunnen gebruiken om de verhoudingen van de geproduceerde gassen te veranderen. In de toekomst, misschien kunnen we zelfs verder gaan en de productie van methaan door dit micro-organisme remmen.

“Naast de praktische toepassingen, dit is een belangrijke toevoeging aan het begrijpen van de biologie van de grotendeels onzichtbare maar enorm belangrijke anaërobe wereld."