Onderzoek dat deze week is gepubliceerd door wetenschappers van de Universiteit van Wisconsin-Madison, laat zien hoe bacteriën vast gesteente kunnen afbreken, het op gang brengen van een lang proces van verandering dat het minerale deel van de bodem creëert.

Bodem, die het aforisme beschrijft als "die dunne laag op de planeet die tussen ons en hongersnood staat, " is een complexe mengelmoes van mineralen en organische stoffen.

Het probleem is dit, zegt senior auteur Eric Roden, een professor in de geowetenschappen aan de UW-Madison:"Het algemene beeld van de bodem toont een solide gesteente een paar meter onder het oppervlak, dan een gebroken, kruimelige laag die in de volksmond 'ondergrond' wordt genoemd. Aan de top staan ​​de rijken, biologisch actieve laag die bodem wordt genoemd. Chemische analyse verbindt de mineralen in de bodem met gesteente, maar hoe vindt deze extreme transformatie plaats?"

Zuurstof en verbindingen uit plantenwortels kunnen gesteente aan de oppervlakte afbreken, maar het gesteente begint diep onder de wortels af te breken. Tot nu, niemand heeft de sleutelrol van de biologie aangetoond bij het versnellen van de ontbinding van vast gesteente in kleinere minerale stukjes.

deze stukjes, met basisvoedingsstoffen voor planten zoals fosfor en kalium, zijn van cruciaal belang voor het vermogen van de bodem om planten te ondersteunen - en het leven in de terrestrische biosfeer.

In de Proceedings van de National Academy of Sciences deze week, Roden en collega's ontdekten dat microben oxidatie en "verwering" veroorzaken in een veelvoorkomend type gesteente.

"We weten dat chemische en fysische processen gesteente beginnen te kraken, " zegt Roden, "maar die processen zijn niet genoeg om de mineralen te maken die de bodem worden. Als het gesteente eenmaal voldoende barst, microben dringen de scheuren binnen en nemen het over. Het resultaat, volgens ons werk, is een snelle biologische versnelling van verwering."

Wetenschappers vragen zich al tientallen jaren af ​​of en hoe micro-organismen kunnen deelnemen aan de eerste afbraak, maar nu pas hebben ze de essentiële truc uitgelegd die bacteriën gebruiken om het bovenoppervlak van gesteente te "eten", zegt Roden.

Het proces draait om oxidatie, bekend als de oorzaak van roest in ijzer. Oxidatie beweegt elektronen, die energie leveren aan de bacteriën, zegt Roden. "Wat we hebben ontwikkeld, is een beeld van hoe bacteriën langzaam stenen 'knabbelen' om energie te extraheren zonder de mineralen in hun cellen te nemen."

In het algemeen, microben nemen hun "voedsel" op in hun cellen voordat ze het "eten", maar ze kunnen geen intact gesteente opnemen. Dus de diverse groep bacteriën die Rodens groep in het laboratorium identificeerde, gebruikt eiwitten op hun buitenoppervlak om de elektronen te verplaatsen.

Voor haar Ph.D. Onderzoek, eerste auteur Stephanie Napieralski boorde ongeveer acht meter naar de rots in het Luquillo Critical Zone Observatory in Puerto Rico. Terugkerend naar Madison, ze vermaalde monsters van een rots genaamd dioriet, die ijzerhoudend ijzer bevat. Malen was bedoeld om de langzame biochemische reacties te versnellen die ze hoopte te zien, en het tempo versnellen van geologisch naar academisch. Daarna ente ze de monsters met materiaal uit het boorgat, die een natuurlijke stoofpot van bacteriën bevatte. Ze gebruikte een steriele vloeistof voor haar vergelijkingsmonsters.

Na ongeveer twee en een half jaar in het donker, op kamertemperatuur, elektronenmicrofoto's toonden een radicale verandering in oppervlaktetextuur, maar alleen als er bacteriën aanwezig waren. "De snelheid van oxidatie, verwering, was traag, maar zonder de bacteriën, het was nul, ", zegt Napieralski. "Hoewel er enige chemische verwering is in de kritieke zone, het was zo traag dat we het tijdens het experiment niet zagen."

"Naar mijn mening, dit type metabolisme is eigenlijk altijd aan de gang geweest, maar voor ons onbekend, ", zegt Roden. "Deze ontdekking opent een heel andere manier van denken over de oxidatieve verwering van ferrosilicaatgesteente. Hier dansen we al jaren omheen. Rotsen losten op, en microben waren erbij betrokken. Ik bleef zeggen, 'Hoe zit het met de microbiële oxidatie van gesteente?' en mijn collega's zeiden:'Laat het mij eens zien.'"

Het lokaliseren van elektronen-overdragende eiwitten op het celmembraan is logisch, zegt Napieralski. "Deze biologische uitvinding - dit eiwit - stelt cellen in staat elektrisch contact te maken met mineralen. Het stelt ze in staat om te verzwakken en steen te eten. Als ze het ijzer in de cellen hebben gebracht en het laten oxideren, ze zouden vol roest zijn."

Omdat het experiment berustte op verpulverd gesteente, het zegt niet hoe snel de degradatie in de natuur plaatsvindt. Echter, Napieralski heeft de productie van ATP gemeten, een energieverwerkend molecuul, bewijzen dat de micro-organismen leefden en werkten tijdens de incubatie van 30 maanden.

De ijzeroxiderende bacteriën die in het onderzoek zijn onthuld, bezetten een reeks bacteriële phyla, "wat betekent dat ze zo verschillend zijn als zebra's en kikkers, ' zegt Roden.

Hoewel het onderzoek zich richtte op het donker, stabiele temperaturen gevonden op de top van gesteente, ijzeroxiderende bacteriën kunnen ook een rol spelen bij verwering hoger in de bodem, zegt Napieralski. "Externe elektronenoverdracht is een manier om het hoofd te bieden aan de moeilijkheid om ijzer te eten. Een belangrijk ding in het artikel is dat de organismen groeiden en de oxidatie van ijzer koppelden aan de vorming van ATP, het 'energiemolecuul' in alle bekende soorten leven."

Een volledig begrip van het leven vereist een boekhouding van energie, zegt Roden. "Wat we hebben gevonden is dat de cellen direct contact maken met een anders onoplosbaar mineraal, en ze trekken elektronen uit het mineraal. Ze krijgen energie van het eten van steen en leveren onderweg voedingsstoffen voor planten - voor het leven op aarde."