Methaan is een sterk broeikasgas dat een sleutelrol speelt in het klimaat op aarde. Elke keer dat we aardgas gebruiken, of we nu ons keukenfornuis of barbecue aansteken, we gebruiken methaan.

Slechts drie bronnen op aarde produceren van nature methaan:vulkanen, ondergrondse water-gesteente interacties, en microben. Tussen deze drie bronnen, het meeste wordt gegenereerd door microben, die honderden gigaton methaan in de diepe zeebodem hebben afgezet. Op de zeebodem sijpelt methaan, het sijpelt omhoog naar de open oceaan, en microbiële gemeenschappen consumeren het grootste deel van dit methaan voordat het de atmosfeer bereikt. Door de jaren heen, onderzoekers vinden steeds meer methaan onder de zeebodem, maar heel weinig verlaat ooit de oceanen en komt in de atmosfeer. Waar gaat de rest heen?

Een team van onderzoekers onder leiding van Jeffrey J. Marlow, voormalig postdoctoraal onderzoeker in Organismic and Evolutionary Biology aan de Harvard University, ontdekte microbiële gemeenschappen die het methaan snel consumeren, voorkomen dat het ontsnapt in de atmosfeer van de aarde. De studie gepubliceerd in Proceedings van de National Academy of Sciences verzamelde en onderzocht methaan-etende microben van zeven geologisch diverse zeebodemsijpels en gevonden, meest verrassend, dat de carbonaatgesteenten van één locatie in het bijzonder methaanoxiderende microbiële gemeenschappen herbergen met de hoogste tot nu toe gemeten methaanconsumptie.

"De microben in deze carbonaatrotsen gedragen zich als een methaanbiofilter dat alles opeet voordat het de oceaan verlaat, " zei senior auteur Peter Girguis, Hoogleraar Organismische en Evolutionaire Biologie, Harvard universiteit. Onderzoekers hebben decennialang microben bestudeerd die in zeebodemsediment leven en weten dat deze microben methaan consumeren. Deze studie, echter, microben die gedijen in de carbonaatgesteenten tot in detail onderzocht.

carbonaatrotsen op de zeebodem komen veel voor, maar op geselecteerde locaties, ze vormen ongebruikelijke schoorsteenachtige structuren. Deze schoorstenen bereiken een hoogte van 12 tot 60 inch en zijn te vinden in groepen langs de zeebodem die op een boomstam lijken. In tegenstelling tot veel andere soorten gesteenten, deze carbonaatgesteenten zijn poreus, kanalen creëren die de thuisbasis zijn van een zeer dichte gemeenschap van methaanverbruikende microben. In sommige gevallen, deze microben worden in veel hogere dichtheden in de rotsen gevonden dan in het sediment.

Tijdens een expeditie in 2015 gefinancierd door de Ocean Exploration Trust, Girguis ontdekte een carbonaatschoorsteenrif voor de kust van Zuid-Californië op de diepzeesite Point Dume. Girguis keerde in 2017 terug met financiering van NASA om een ​​observatorium op de zeebodem te bouwen. Toen hij bij Girguis' lab kwam, Marlow, momenteel assistent-hoogleraar biologie aan de Boston University, bestudeerde microben in carbonaten. De twee besloten een gemeenschapsonderzoek uit te voeren en monsters van de site te verzamelen.

"We hebben de snelheid gemeten waarmee de microben uit de carbonaten methaan eten in vergelijking met microben in sediment, " zei Girguis. "We ontdekten dat de microben die in de carbonaten leven 50 keer sneller methaan verbruiken dan microben in het sediment. We zien vaak dat sommige sedimentmicroben van methaanrijke moddervulkanen, bijvoorbeeld, kan vijf tot tien keer sneller zijn in het eten van methaan, maar 50 keer sneller is iets heel nieuws. Bovendien, deze tarieven behoren tot de hoogste, zo niet de hoogste, we hebben overal gemeten."

"Deze snelheden van methaanoxidatie, of consumptie, zijn echt buitengewoon, en we wilden begrijpen waarom, ' zei Marlow.

Het team ontdekte dat de carbonaatschoorsteen een ideaal huis vormt voor de microben om heel snel veel methaan te eten. "Deze schoorstenen bestaan ​​​​omdat wat methaan in vloeistof die uit de ondergrond stroomt, door de microben wordt omgezet in bicarbonaat, die dan uit het zeewater kan neerslaan als carbonaatgesteente, "zei Marlow. "We proberen nog steeds uit te zoeken waar die vloeistof - en zijn methaan - vandaan komt."

De micro-omgevingen in de carbonaten kunnen meer methaan bevatten dan het sediment vanwege zijn poreuze aard. Carbonaten hebben kanalen die de microben constant irrigeren met vers methaan en andere voedingsstoffen, waardoor ze methaan sneller kunnen consumeren. in bezinksel, de aanvoer van methaan is vaak beperkt omdat het diffundeert door kleinere, kronkelende kanalen tussen minerale korrels.

Een verrassende vondst was dat in sommige gevallen, deze microben zijn omgeven door pyriet, die elektrisch geleidend is. Een mogelijke verklaring voor het hoge methaanverbruik is dat het pyriet een elektrische leiding vormt die elektronen heen en weer laat gaan, waardoor de microben een hogere stofwisseling hebben en snel methaan consumeren.

"Deze zeer hoge snelheden worden mogelijk gemaakt door deze carbonaten die een kader bieden voor de microben om te groeien, " zei Girguis. "Het systeem lijkt op een marktplaats waar carbonaten een stel microben op één plek laten samenkomen en groeien en uitwisselen - in dit geval, elektronen uitwisselen, wat zorgt voor meer methaanverbruik."

Marlow was het ermee eens, "Als microben samenwerken, wisselen ze bouwstenen uit zoals koolstof of stikstof, of ze wisselen energie uit. En een manier om dat te doen is door middel van elektronen, als een energievaluta. Het pyriet dat door deze carbonaatrotsen wordt verspreid, zou kunnen helpen dat elektronenuitwisseling sneller en breder plaatsvindt."

In het labortorium, de onderzoekers stopten de verzamelde carbonaten in hogedrukreactoren en creëerden de omstandigheden op de zeebodem. Ze gaven ze isotopisch gelabeld methaan met toegevoegde koolstof-14 of deuterium (waterstof-2) om de methaanproductie en -consumptie te volgen. Het team vergeleek vervolgens de gegevens van Point Dume met zes extra sites, van de Golf van Mexico tot aan de kust van New England. Op alle locaties, carbonaatgesteenten bij methaansijpelingen bevatten methaanetende microben.

"Vervolgens zijn we van plan om te ontrafelen hoe elk van deze verschillende delen van de carbonaten - de structuur, elektrische geleiding, vloeistofstroom, en dichte microbiële gemeenschap - maken dit mogelijk. Vanaf nu, we weten niet de exacte bijdrage van elk, ' zei Girguis.

"Eerst, we moeten begrijpen hoe deze microben hun stofwisseling ondersteunen, of ze nu in een schoorsteen zijn of in het sediment. En we moeten dit weten in onze veranderende wereld om onze voorspellende kracht op te bouwen, "zei Marlow. "Als we eenmaal duidelijk hebben hoe deze vele onderling verbonden factoren samenkomen om methaan in steen te veranderen, we kunnen ons dan afvragen hoe we deze anaërobe methaanetende microben kunnen toepassen op andere situaties, zoals stortplaatsen met methaanlekken."