Microscopische organismen die bekend staan ​​als extremofielen, bewonen enkele van de laatste plaatsen op aarde waar je leven zou verwachten, van de extreme druk van de oceaanbodem tot bevriezende ijskappen. Begrijpen hoe deze microben overleven door interactie met verschillende metalen en gassen, opent nieuwe kennis over de elementen van de aarde en hun mogelijke toepassingen.

Een van die extreme habitats zijn moddervulkanen - meestal kegelvormige structuren of poelen die borrelende modder afvoeren, evenals stoom en gassen zoals methaan en koolstofdioxide.

meer dan 1, 000 moddervulkanen, die vaak worden geassocieerd met zogenaamde subductiezones, waar de ene tektonische plaat onder de andere wordt geduwd, en kan extreem zuur zijn, zijn tot dusver op of nabij het land gevonden.

Sommige onderzoekers hebben geprobeerd meer te weten te komen over de microbiële gemeenschappen die deze moddervulkanen bevatten en hun rol in cyclische gassen en andere elementen, inclusief methaan, waterstof, ammoniak en zwavel.

In Italië, een project genaamd VOLCANO onderzocht microben die leven in zeer zure modderpoelen in de krater van de slapende Solfatara-vulkaan bij Napels en op een vulkanisch eiland voor Noord-Sicilië genaamd Vulcano, die oorspronkelijk zijn naam gaf aan het woord 'vulkaan' en beroemd is om zijn modderbaden en warmwaterbronnen.

Hoogleraar Huub Op den Camp, een microbioloog aan de Radboud Universiteit in Nijmegen, Nederland, en hoofdonderzoeker van VOLCANO, zegt dat de onderzoekers 'toevallig' een derde verkenningslocatie hebben ontdekt - het vulkanische eiland Pantelleria, ten westen van Sicilië. Dit kwam toen ze andere onderzoekers tegenkwamen die moleculair bewijs hadden gevonden dat suggereerde dat Pantelleria's hete, zure grond bevatte bacteriën die verwant zijn aan die in de modderpoelen en betrokken zijn bij het rondgaan van dezelfde gassen.

Deze leefgebieden, als een belangrijke bron van het krachtige broeikasgas methaan, leveren nu waardevolle aanwijzingen voor klimaatverandering, evenals potentiële toepassingen in groene technologieën zoals biobrandstoffen en recycling van metalen in elektronische apparaten.

Zeldzame aardelementen

Een van de belangrijkste inspiratiebronnen voor VOLCANO was gekoppeld aan zogenaamde zeldzame aardelementen (REE's), een groep van 17 chemisch vergelijkbare metalen elementen die ondanks hun naam in feite overvloedig aanwezig zijn in de aardkorst.

Eerder, Het team van prof. Op den Camp had ontdekt dat REE's een essentieel onderdeel vormen van het metabolisme in Methylacidiphilum fumariolicum SolV, een zuurminnende microbe gevonden in een Solfatara-moddervulkaan die kan leven bij extreme pH-waarden onder 1 en zijn energie haalt uit de consumptie - of oxidatie - van methaan.

Het was de eerste keer dat REE's werden geïdentificeerd als een voorwaarde voor leven in een organisme, nadat eerder werd gedacht niet betrokken te zijn bij biologische processen. Cerium, de meest voorkomende van 15 REE's bekend als lanthaniden, bleek het belangrijkste te zijn in het stimuleren van groei bij verschillende geteste onderzoekers.

"Het was een metaal dat volledig onbekend was om actief te zijn in het leven. We ontdekten dat er een enzym (een biologische katalysator) in deze bacteriën zit dat dit metaal als co-factor bevat, en zonder dit lanthanide kan het organisme niet functioneren, " zei prof. Op den Camp. Hij zegt dat hun ontdekking over REE's heeft geleid tot een 'booming field of research' naar dergelijke processen bij extremofielen.

Het is ook duidelijk geworden dat het gebruik van REE's onder bacteriën in het algemeen veel vaker voorkomt dan eerder werd gedacht, ook in niet-moddervulkaanhabitats. Het team van prof. Op den Camp vond, bijvoorbeeld, dat twee nieuwe methaanoxiderende organismen uit Noordzeesedimenten enzymen bevatten die afhankelijk zijn van lanthaniden, terwijl een onderzoek dat ze uitvoerden de groei benadrukte in onderzoek waarbij REE's werden gebruikt om microben te kweken die voorheen als onkweekbaar werden beschouwd.

Afgezien van het uitzoeken hoe dergelijke microben in het laboratorium kunnen groeien, de bevindingen helpen om nieuwe te ontdekken. "Nutsvoorzieningen, steeds meer mensen isoleren bacteriën die strikt afhankelijk zijn van lanthaniden, " aldus prof. Op den Camp.

Toepassingen

Dit alles heeft potentieel vele toepassingen. Als we kunnen leren hoe we grote hoeveelheden van deze elementen uit bacteriën kunnen isoleren, we zouden deze kennis kunnen gebruiken om metalen uit mobiele telefoons en andere elektronische apparaten te extraheren en te recyclen, die REE's bevatten zoals cerium, lanthaan en neodymium. Dit kan op lange termijn nuttig zijn omdat deze elementen moeilijk economisch te ontginnen en te winnen zijn, evenals eindig zijn.

Het kunnen manipuleren van lanthaniden kan ook helpen bij de productie van milieuvriendelijk biogas, zoals groene methanol. Tijdens de teelt van M. fumariolicum, de onderzoekers waren in staat om methanol uit methaan te produceren door lanthaniden te beperken als input die anders zou helpen de methanol om te zetten in formaldehyde.

In de tussentijd, het team ontdekte dat dezelfde bacterie de kleine sporen van waterstofgas uit de atmosfeer kan wegvangen - waar het aanwezig is met slechts 0,5 delen per miljoen gasmoleculen - om naast methaan als energiebron te gebruiken. Prof. Op den Camp zegt dat de extra energie die wordt gewonnen uit waterstof de bacteriën kan helpen meer methaan te oxideren.

"Misschien helpen beide metabolismes (van waterstof en methaan) elkaar ook om zeer lage concentraties van deze gassen op te vangen, " hij zei, vragen oproepen over hoe ver ze kunnen gaan in het verwijderen van sporengassen uit de atmosfeer.

Het ondersteunt ook het bewijs dat microbieel metabolisme van moleculaire waterstof veel vaker voorkomt dan oorspronkelijk werd gedacht, geeft meer aanwijzingen voor de waterstofcyclus op aarde. Verder, waarbij waterstof wordt onderzocht als een belangrijke groene brandstof van de toekomst, Prof. Op den Camp zegt dat dit uiteindelijk kan helpen bij het stimuleren van een 'waterstofeconomie' als het gas kan worden geïsoleerd van de microben door de activiteit van hydrogenase om te keren, het waterstofetende enzym van de bacterie.

Zijn team heeft ook speculatief berekend of de bacteriën kunnen worden gebruikt in filters om het methaan van koeien, de belangrijkste uitstoters van het gas, te verminderen. Echter, ze kwamen erachter dat met de huidige technologie, de grootte van het filter zou te groot moeten zijn om haalbaar te zijn.

En prof. Op den Camp benadrukt ook dat veel toepassingen voor moddervulkaan-extremofielen nog ver weg kunnen zijn, met uitdagingen bij het opschalen van dergelijke activiteiten. "Je kunt denken aan toepassingen, maar dat is nog een beetje ver weg "zei hij. "Het zal ook veel geld kosten om het op grote schaal uit te voeren."

Maar hoewel veel toepassingen enige tijd kunnen duren, Prof. Op den Camp zegt dat het onderzoek allemaal bijdraagt ​​aan een geleidelijke verbetering van het begrip van fundamentele gascycli op aarde die onze kennis van het klimaat ten goede komen. "Dit soort informatie is belangrijk voor toekomstig begrip van de cyclus van elementen die het klimaat beïnvloeden, " hij zei.

Dergelijke extreme habitats zijn ook nuttig om te bestuderen omdat ze door hun relatief lage biodiversiteit minder complex zijn dan andere ecosystemen, legt prof. Op den Camp uit – al is dat misschien minder eenvoudig dan aanvankelijk werd gedacht. "Ze brengen nog steeds grote verrassingen, ' zei hij. 'In de Pantelleria-bodem, we vonden ook methaanproducerende bacteriën, wat we helemaal niet hadden verwacht."

Zware omstandigheden

Dr. Anna Kruger, een adviseur genetische manipulatie bij de Autoriteit voor de Leefomgeving, Klimaat, Energie en landbouw in Hamburg, Duitsland, heeft onder meer onderzoek gedaan naar extremofielen in Vulcano. Ze zegt dat haar voormalige team aan de Technische Universiteit van Hamburg 'verbaasd' was over het aantal verschillende soorten groepen dat ze konden detecteren door DNA te sequensen van plaatsen zoals warmwaterbronnen en moddervulkanen.

Ze zegt dat de enzymen, of 'extremozymen, " gevonden in dergelijke microben zijn veelbelovend vanwege hun vermogen om de soorten zware omstandigheden te weerstaan ​​die vaak worden aangetroffen in industriële processen en hebben het potentieel om biokatalysatoren te helpen ontwikkelen voor gebruik in het dagelijks leven, zoals in wasmiddelen.

"Biotechnologie is een belangrijk aspect bij het veranderen van onze economie van hulpbronnenverbruikende op olie gebaseerde naar een duurzame biogebaseerde gemeenschap, " voegde ze eraan toe.

Meer weten over, bijvoorbeeld, microben die van extreme hitte houden, de mogelijkheden zou vergroten, zegt dr. Krüger. "Ik denk dat het een belangrijke stap zal zijn om de dynamiek van de gemeenschap te analyseren en volledige metabole interacties te begrijpen, "zei ze. "Dit zou dan het ontwerp mogelijk maken van op maat gemaakte extreme soorten voor de productie van allerlei chemicaliën, medisch, antibiotica en bioplastics bij verhoogde temperaturen."

Ze wees ook op een hittebestendig enzym dat oorspronkelijk werd geïsoleerd uit bacteriën in de warmwaterbronnen van Yellowstone National Park en dat van cruciaal belang was tijdens de COVID-19-pandemie. "Het meest prominent is nog steeds Taq-polymerase, die de polymerasekettingreactie (PCR) mogelijk maakte, de gouden standaard van onze huidige SARS-CoV-2-tests, " ze zei.

Professor Alexandre Soares Rosado, een milieumicrobioloog aan de King Abdullah University of Science and Technology in Thuwal, Saoedi-Arabië, ziet ook in dat organismen die zich hebben moeten aanpassen om te gedijen op plaatsen waar het leven tot het uiterste is gedreven, veelbelovend zijn voor toepassingen in biotechnologie en duurzame ontwikkeling.

Hij beschouwt extremofielen als potentieel duurzamere toepassingen in sectoren met een voorspelde sterke stijging van de vraag naar enzymen, zoals eten en drinken, biobrandstoffen en veevoer.

"Pas onlangs begonnen we de diversiteit van extremofielen wereldwijd te begrijpen en hebben we betere tools, " zei prof. Rosado, die onderzoek doet naar ruwe habitats in Saoedi-Arabië, zoals actieve en inactieve vulkanen, woestijnen en geothermische locaties. "Als gevolg daarvan er is een enorm potentieel voor biotechnologische toepassingen in de echte wereld."

Moddervulkanen

In de tussentijd, moddervulkanen zelf kunnen ons helpen unieke ecosystemen te begrijpen die nauw verbonden zijn met het afvoeren van gassen, vloeistoffen en sedimenten uit breuknetwerken die zich vaak enkele kilometers naar beneden uitstrekken, zegt dr. Pei-Ling Wang, een geochemicus aan de National Taiwan University in Taipei.

They can also bring fundamental knowledge about the climate cycle, zij voegt toe. "Microbial power in the bubbling mud pools or cone structures and surrounding mud platforms is critical to regulating the flux of greenhouse gases, " said Dr. Wang.

"Methanotrophs (microbes that metabolize methane) living in terrestrial mud volcanoes are critical players for methane consumption. Understanding their physiology, capabilities and distribution can establish a model for their role in greenhouse gas regulation."