methaan, een chemische verbinding met de molecuulformule CH ₄ , is niet alleen een krachtig broeikasgas, maar ook een belangrijke energiebron. Het verwarmt onze huizen, en zelfs microben op de zeebodem leven ervan. De microben gebruiken een proces dat anaërobe oxidatie van methaan (AOM) wordt genoemd, wat vaak voorkomt op de zeebodem in zogenaamde sulfaat-methaanovergangszones - lagen in de zeebodem waar sulfaat uit het zeewater methaan uit het diepere sediment ontmoet. Hier, gespecialiseerde micro-organismen, de anaëroob Methaan-oxiderende (ANME) archaea, het methaan verbruiken. Ze leven in nauwe samenwerking met bacteriën, die elektronen gebruiken die vrijkomen tijdens methaanoxidatie voor sulfaatreductie. Voor dit doeleinde, deze organismen vormen karakteristieke consortia.

Dit proces vindt wereldwijd plaats in de zeebodem en is daarmee een belangrijk onderdeel van de koolstofkringloop. Echter, het bestuderen van het AOM-proces is een uitdaging omdat de reactie erg traag is. Voor zijn onderzoek heeft onderzoekers gebruiken vaak een scheikundig talent:de stabiele isotopenverhoudingen in methaan. Maar helaas, deze isotopen gedragen zich niet altijd zoals verwacht, wat leidde tot ernstige verwarring over de rol en functie van de betrokken microben. Nu hebben onderzoekers van het Max Planck Institute for Marine Microbiology en het MARUM-Center for Marine Environmental Sciences in Duitsland samen met collega's van het Weizmann Institute of Science in Israël dit isotopen-enigma opgelost en hun resultaten gepubliceerd in het tijdschrift wetenschappelijke vooruitgang . Dit maakt de weg vrij voor een beter begrip van het belangrijke proces van anaërobe methaanoxidatie.

Isotopen onthullen reactiepaden

De puzzel en de oplossing in detail:Isotopen zijn verschillende "versies" van een element met verschillende massa's. De isotopen van een element hebben hetzelfde aantal protonen (positief geladen deeltjes) in de kern en dus dezelfde positie in het periodiek systeem (iso topos =Grieks, dezelfde plaats). Echter, ze verschillen in het aantal neutronen (neutrale deeltjes) in de kern. Bijvoorbeeld, koolstof heeft twee stabiele isotopen, de aansteker ¹² C en de zwaardere ¹³ C. Bovendien, er is de bekende radioactieve isotoop ¹⁴ C, een zeer zeldzame koolstofsoort die wordt gebruikt om de ouderdom van koolstofhoudende materialen te bepalen. Hoewel de chemische eigenschappen van de twee stabiele isotopen identiek zijn, het verschil in massa resulteert in verschillende reactiesnelheden. Wanneer chemische verbindingen reageren, die met de lichtere isotopen worden meestal sneller omgezet, waardoor de zwaardere variant in de initiële reactant blijft. Deze verandering in isotopensamenstelling staat bekend als isotopenfractionering, en wordt al tientallen jaren gebruikt om chemische reacties te volgen. In het geval van methaanoxidatie, Dit betekent dat ¹² C-methaan wordt voornamelijk verbruikt, wat leidt tot een verrijking van 13C in het resterende methaan. Omgekeerd, een microbiële productie van methaan (methanogenese) zou resulteren in bijzonder licht methaan. "Realiteit, echter, is verrassend anders, Gunter Wegener meldt. "In tegenstelling tot de hierboven beschreven logica, we vinden vaak heel licht methaan in sulfaat-methaanovergangszones."

De natuur volgt het leerboek niet:licht methaan in sulfaat-methaanovergangszones

Deze paradox roept vragen op, zoals:wordt daar geen methaan verbruikt, maar eerder geproduceerd? En wie, zo niet de talrijke ANME-archaea, moet hiervoor verantwoordelijk zijn? "In mijn laboratorium we hebben 's werelds grootste verzameling ANME-culturen. Daar zouden we kunnen proberen uit te vinden of en hoe de methaanoxidatoren zelf verantwoordelijk kunnen zijn voor de vorming van licht methaan, Wegener vervolgt. "De eerste resultaten waren leeglopen:bij de hoge sulfaatconcentraties die we normaal in zeewater aantreffen, de gekweekte micro-organismen gedroegen zich volgens het leerboek. Het resterende methaan werd verrijkt in de zwaardere isotopen." als dezelfde experimenten werden uitgevoerd met weinig sulfaat, methaan werd verrijkt in 12C, het werd lichter. En dit gebeurde ook al bleef methaan op hetzelfde moment worden geconsumeerd - een effect dat op het eerste gezicht weinig logisch was.

De beschikbaarheid van sulfaat bepaalt de isotopeneffecten in AOM

Dus hoe konden ze het ongewone gedrag van de methaanisotopen verklaren? Jonathan Gropp en zijn mentor Itay Halevy van het Weizmann Institute of Science in Israël hebben jarenlang de isotoopeffecten van microbiële metabolismes bestudeerd, inclusief methanogenese - een reactie die wordt gekatalyseerd door dezelfde enzymen als de anaërobe oxidatie van methaan (AOM). Dus, zij waren de ideale partners voor het team in Bremen. "Beide processen zijn gebaseerd op een zeer vergelijkbare cascade van zeven reacties, ", zegt Gropp. "Eerdere studies hebben aangetoond dat al deze reacties mogelijk omkeerbaar zijn, wat betekent dat ze in beide richtingen kunnen plaatsvinden. Elke reactie heeft ook zijn eigen isotoopeffecten." Met behulp van een model Gropp kon laten zien dat, afhankelijk van hoeveel sulfaat beschikbaar is, de partiële reacties kunnen in verschillende mate worden omgekeerd. Dit zou er dan toe kunnen leiden dat zware isotopen niet zoals gebruikelijk achterblijven maar vast komen te zitten in de reactieketen, terwijl lichte isotopen worden teruggeleid naar methaan. "De microben willen de reactie uitvoeren, maar zijn daartoe beperkt vanwege de lage sulfaatconcentraties, " legt Gropp uit, toevoegend dat "Ons ontworpen model heel goed past bij de isotopenexperimenten."

De lange uren in het laboratorium en achter de computer wierpen de onderzoekers vruchten af. Met hun studie Wegener, Gropp en hun collega's kunnen laten zien hoe AOM resulteert in ¹³ C-verarmd methaan. Vooral de experimenten met weinig sulfaat geven mooi de omstandigheden in de natuurlijke leefomgeving van de micro-organismen weer, de sulfaat-methaan overgangszones in de zeebodem. Daar, de micro-organismen gedijen vaak op slechts weinig sulfaat, zoals in de laag-sulfaat experimenten. "Nu weten we dat methaanoxidatiemiddelen verantwoordelijk kunnen zijn voor de opbouw van lichte isotopen in methaan in sulfaat-methaanovergangszones. Daar is methanogenese niet voor nodig. Zoals we vermoedden, de ANME zijn oxidatiemiddelen voor methaan, " concludeert Marcus Elvert, laatste auteur van de huidige studie. Nu zijn de onderzoekers klaar voor de volgende stap en willen ze kijken of andere reacties vergelijkbare isotoopeffecten laten zien.