Voivatko kuivakkoalueiden metaania syövät bakteerit auttaa meitä vähentämään kasvihuonekaasupäästöjä?
Kuva 1: Menetelmät, joita käytämme metanotrofien löytämiseen ja tutkimiseen. Valitsimme kuivakkoalueita ympäri maailmaa ja otimme maanäytteitä (1). Analysoimme kyseisten maaperien ominaisuuksia, kuten orgaanisen aineksen määrää ja pH:ta. (2). Eristimme maaperässä olevien bakteerien geneettisen informaation (DNA:n) (3). DNA:ta tutkimalla saimme tietoa jokaisen maanäytteen metanotrofien runsaudesta, lajimäärästä ja yhteisörakenteesta (4,5). Seuraavaksi selvitimme matematiikan avulla, mitkä maaperän tai ilmaston olosuhteet ovat tärkeimpiä metanotrofeille (6).
Kuva 2: Suurimmat metaanin (CH4) lähteet ja nielut.
Kuva 3: Mikrobiyhteisöjä voi kuvata kolmella eri muuttujalla. Runsaus tarkoittaa tietyn tyyppisten bakteerien kokonaislukumäärää. Lajimäärä on ympäristön eri bakteerityyppien lukumäärä. Yhteisörakenne kertoo, kuinka monta eri bakteerityyppiä ympäristössä on ja kuinka runsas kukin tyyppi on.
Open PDF in new window.
Angela Lafuente1,2*, Concha Cano-Díaz1
1 Departamento de Biología y Geología, Física y Química Inorgánica, Escuela Superior de Ciencias Experimentales y Tecnología, Universidad Rey Juan Carlos, Móstoles, Spain
2 College of Forest Resources and Environmental Science, Michigan Technological University, Houghton, MI, United States
Mikä on kuivakkoalue? Ehkä ensimmäinen mieleesi tuleva sana on aavikonomainen paikka, missä mikään ei voi elää tai kasvaa. Vedenpuutteesta huolimatta kuivat ekosysteemit ovat moninaisia ja ne leviävät maailmanlaajuisen ilmastonmuutoksen seurauksena. Ilmastonmuutoksen pääaiheuttaja on kasvihuonekaasujen määrän lisääntyminen ilmakehässämme. Tämän ongelman ratkaisemiseksi meidän täytyy tietysti vähentää kasvihuonekaasupäästöjä mutta myös tutkia luonnon mikro-organismeja, mikä antaa meille jännittäviä johtolankoja ilmaston lämpenemiseen liittyvien ongelmien käsittelyyn. Mikro-organismit elävät kaikissa mahdollisissa Maan ympäristöissä, ja osa niistä voi jopa ottaa kasvihuonekaasuja suoraan ilmasta omaksi ruoakseen! Tässä artikkelissa me esittelemme tutkimustamme, missä etsimme maaperän bakteereja, jotka kuluttavat yhtä vahvimmista kasvihuonekaasuista, metaania (CH4). Vastoin odotuksiamme havaitsimme, että näitä bakteereja elää kuivakkoalueilla ympäri maailman!
MAAILMAN SUURIN MAAEKOSYSTEEMI: KUIVAKKOALUEET
Kuivakkoalueilla sateet ovat vähäisiä, minkä vuoksi niissä ei ole runsasta kasvillisuutta. Kuivakkoalueet kuitenkin kattavat laajan kirjon erilaisia ekosysteemejä Maan kuivimmasta paikasta, kuumasta Atacaman aavikosta Chilessä lehteviin koalojen asuttamiin eukalyptusmetsiin Australiassa (kuva 1.1). Kuivakkoekosysteemeissä elää myös valtava määrä eliöitä, joista suuri osa on kasveja ja eläimiä, jotka elävät vain kuivakkoalueilla ja ovat sopeutuneet niiden haastaviin olosuhteisiin. Kuivakkoalueet muodostavat suurimman maaekosysteemin, kattaen lähes puolet Maan maapinta-alasta (45%), ja ovat koti yli 40%:lle koko ihmispopulaatiosta. On siis helppoa ymmärtää, miksi kuivakkoalueet ovat erittäin tärkeitä alueita tieteelliselle tutkimukselle.
Ympäristön elävät olennot ja eloton aines, kuten kasvit ja vesi, ovat tiiviisti yhteyksissä toisiinsa luonnon kierroissa. Elottomia ainesosia kutsutaan abioottisiksi tekijöiksi. Vesi on tärkeää kaikille elämään liittyville prosesseille kasvin kasvusta maaperän mikro-organismien yhteisöjen kehittymiseen.
Tämän vuoksi vesi on ekosysteemin tärkein abioottinen tekijä. Ekosysteemin veden saatavuus lasketaan niin kutsutulla aridisuusmittauksella, joka on matemaattinen suhde sademäärän (vesisade, sumu tai lumi) ja veden haihdunnan välillä. Mitä vähemmän vettä on saatavilla, sitä aridisempi alue on (kuva 1.1).
Kuivakkoalueilla, missä vettä ei ole aina saatavilla, luonnon kierrot elävien olentojen ja elottoman aineksen välillä ovat herkkiä muutoksille. Kun sadevettä ei ole ja ilmankosteus laskee, hiilen (C) ja typen (N) kierrot muuttuvat vähentäen näiden alkuaineiden runsautta maaperässä, mikä puolestaan vaikuttaa kasveihin, eläimiin ja mikro-organismeihin. Kaikki tämä tekee kuivakkoalueista erittäin haavoittuvaisia ilmastonmuutokselle.
MAAPERÄN BAKTEERIT JA METAANI
Maapalloa ympäröi kaasukerros nimeltä ilmakehä, joka suojaa meitä Auringon säteilyltä ja auttaa ylläpitämään Maan yleistä lämpötilaa. Ilmakehän pääasialliset rakenneosat ovat typpi (78%) ja happi (21%), mutta ilmakehässä on myös muita kaasuja. Jotkut ilmakehän kaasut, kuten hiilidioksidi (CO2) ja vesihöyry, ovat kasvihuonekaasuja, jotka ovat saaneet nimensä niiden kyvystä imeä Auringon lämpösäteilyä samoin kuin kasvihuoneen lasi. Kasvihuonekaasut päästävät Auringon valon Maan pinnalle mutta estävät lämpösäteilyn pääsyn pois ilmakehästä. Tämä lämpösäteilyn sitominen vahvistaa ilmaston lämpenemistä.
Runsain ihmisten ilmakehään tuottama kasvihuonekaasu on CO2, jota vapautuu fossiilisten polttoaineiden poltossa. Toiseksi tärkein ilmaston lämpenemiseen vaikuttava kasvihuonekaasu on kuitenkin metaani (CH4). Metaani on yhdestä hiili (C) atomista ja neljästä vety (H) atomista muodostuva yksinkertainen molekyyli. Yhden metaanimolekyylin lämmitysvaikutus vastaa 25 CO2-molekyyliä, mikä tekee siitä erittäin voimakkaan kasvihuonekaasun. Metaania tuottavat metanogeenit, mikro-organismien ryhmä, joka ei tarvitse happea selviytyäkseen ja voi siksi elää hapettomissa ympäristöissä, kuten esimerkiksi riisipelloilla, järvenpohjissa ja kosteikoilla. Metanogeenejä elää myös eläinten ruoansulatuskanavissa, kuten esimerkiksi nautaeläinten ja jopa ihmisten vatsoissa! Metanogeenit ovat siis vastuussa eläinten röyhtäyksistä ja pieruista! Metanogeenit tuottavat metaania myös hajottaessaan orgaanista ainesta, kuten esimerkiksi lehtiä tai puun kappaleita. Maatalouden lisäksi myös muu ihmisen toiminta, kuten öljy- ja kaasuteollisuus, vapauttaa suuria määriä metaania ilmakehäämme [1] (kuva 2).
Ilmakehään vapautunut metaani voimistaa ilmastonmuutosta merkittävästi, ja on olemassa vain yksi eliöryhmä, joka kykenee kuluttamaan sitä: metanotrofit. Tämä mikro-organismien ryhmä käyttää metaania hiilen- ja energianlähteenään. Nämä mikro-organismit siis käytännössä syövät metaania (kuva 2)! Kuivakkoalueilla metaanin tuotanto on vähäistä veden niukkuuden vuoksi (muista, että metanogeenit elävät yleensä kosteassa maaperässä ja muissa hapettomissa ympäristöissä). Kuivakkoalueiden laajan levinneisyyden ja ilmakehän metaanin määrän kasvun vuoksi myös kuivakkoalueet voivat olla mielenkiintoisia tutkimuskohteita, mikäli metanotrofit ovat myös siellä runsaasti läsnä.
MITEN METANOTROFEJA LÖYDETÄÄN JA TUTKITAAN
Tässä tutkimuksessa halusimme tietää, ovatko metanotrofit yleisiä maailman kuivakkoalueiden maaperässä ja ovatko ne herkkiä ilmasto-olosuhteille ja maaperän ominaisuuksille kuten valtaosa muista mikro-organismeista. Valitsimme ensin 80 kuivakkoaluetta ympäri maailmaa (kuva 1.1). Keräsimme jokaiselta alueelta tietoa ilmastosta, kuten esimerkiksi vuotuisesta keskilämpötilasta, vuotuisesta sademäärästä ja aridisuudesta. Keräsimme myös maanäytteitä ja analysoimme niiden ominaisuuksia, kuten maaperän orgaanisen aineksen (orgaanisen hiilen) määrää, pH:ta ja hiekkapitoisuutta (kuva 1.2). Korkea orgaanisen aineksen määrä osoittaa maaperän olevan hedelmällinen, mikä tarkoittaa, että siinä on ravinteita, joita kasvit, maaperän eläimet ja mikro-organismit tarvitsevat kasvamiseen. pH-analyysien perusteella voidaan päätellä, kuinka hapanta maaperä on. pH on yksi tärkeimmistä maaperän bakteerien kasvuun vaikuttavista tekijöistä. Esimerkiksi, kun maaperä on yhtä hapanta kuin etikka, vain tietyt happamia olosuhteita sietävät bakteerit voivat elää siinä. Maarakeet ovat lähellä toisiaan mutta ne jättävät myös tilaa ilmalle ja vedelle. Hiekan, suurimman maalajin, määrä maaperässä kertoo kuinka suuria maan huokoset ovat. Korkea hiekkapitoisuus johtaa suuriin huokosiin maaperässä, minkä vuoksi ilma virtaa maaperässä helposti, mutta vesi ja ravinteet voivat myös helposti valua pois.
Jotta voimme tutkia maanäytteidemme metanotrofeja, tarvitsemme näiden bakteerien geneettisen informaation (DNA:n) [2]. Ensin keräämme kaiken DNA:n näytteistämme DNA:n eristämisellä (kuva 1.3). Tämä on laboratoriossa suoritettava prosessi, jossa käytetään vahvoja entsyymejä, jotka rikkovat solut geneettistä informaatiota vahingoittamatta. Sitten analysoimme tiettyä, vain metanotrofeista löytyvää aluetta eristetystä DNA:sta. Tämä tietty DNA:n alue on geeni nimeltä pmoA. pmoA- geeni sisältää ohjeet sen proteiinin muodostukselle, joka mahdollistaa metanotrofien kyvyn syödä ilmakehän metaania. Kun tiedetään pmoA-geenin pitoisuus jokaisessa maanäytteessä, tiedetään myös, kuinka monta metanotrofia kyseisessä näytteessä eli (kuva 1.4). Monet läheisesti sukua toisilleen olevat metanotrofit jakavat samankaltaisen DNA-informaation, mutta eri lajeilla on pieniä geneettisiä eroja DNA:ssa, minkä ansiosta voimme käyttää DNA:ta erilaisten metanotrofien tunnistamiseen, vähän niin kuin sormenjälkeä (kuva 1.5).
DNA-tutkimuksemme auttaa meitä keräämään tietoa jokaisen maanäytteen metanotrofien runsaudesta (tietyn bakteerityypin yhteenlaskettu määrä), lajimäärästä (eri bakteerityyppien määrä) ja yhteisörakenteesta (eri bakteerityypit ja jokaisen tyypin runsaus) (kuva 3). Sen jälkeen selvitämme matematiikan avulla, mitkä maaperä- tai ilmasto-olosuhteet ovat tärkeimpiä metanotrofeille (kuva 1.6).
MISSÄ METANOTROFIT ELÄVÄT
Emme olleet varmoja, löytäisimmekö metanotrofeja kuivakkoalueilta, sillä nämä mikro-organismit tarvitsevat metaania elääkseen ja kuivakkoalueet eivät ole tyypillisiä metaania tuottavia ekosysteemejä. Siksi metanotrofien löytäminen kaikista kuivakkoalueiden näytteistämme oli erityislaatuinen löytö! Nyt voimme sanoa, että metanotrofit ovat laajasti levinneitä maailman kuivakkoalueilla. Yllätykseksemme löysimme jopa metanotrofeja, joita yleensä löytyy kosteilta alueilta, kuten esimerkiksi Tanskasta, Skotlannista tai Uudesta-Seelannista.
Havaitsimme myös, että kuivakkoalueilla vuotuinen keskilämpötila ja aridisuus eivät ole tärkeimpiä metanotrofien runsauteen ja lajimäärään vaikuttavia tekijöitä. Runsauteen ja aridisuuteen voi vaikuttaa muut tekijät, kuten esimerkiksi sademäärä. Kuitenkin ilmastotekijät, kuten vuotuinen keskilämpötila, sademäärä ja aridisuus sekä maaperän ominaisuudet, kuten orgaaninen aines, pH ja hiekkapitoisuus vaikuttivat metanotrofien yhteisörakenteeseen. Esimerkiksi korkeat lämpötilat lisäsivät tiettyjen kuumuutta sietävien metanotrofien runsautta. Toisin sanoen, korkeita lämpötiloja saavuttavilla kuivakkoalueilla metanotrofiyhteisöt saattavat koostua enemmän kuumuutta sietävistä metanotrofeista. Ilmastotekijät voivat myös vaikuttaa maaperän ominaisuuksiin esimerkiksi kivien hajoamista tehostamalla, mikä kasvattaa hiekkapitoisuutta, tai muokkaamalla maaperän pH:ta ja orgaanista ainesta. Nämä maaperän ominaisuudet säätelevät maahan pääsevän ilman määrää, joka tutkimuksemme mukaan on erittäin tärkeää metanotrofien yhteisörakenteelle.
MITÄ OPIMME KUIVAKKOALUEIDEN METANOTROFEILTA?
Kuten tutkimuksessamme havaitsimme, metanotrofit ovat runsaita ja laajalle levinneitä kuivakkoalueilla ympäri maailman. Sekä ilmasto että maaperä vaikuttavat metanotrofiyhteisöihin. Lisäksi havaitsimme, että metaania syövien bakteerien yhteisörakenne oli hyvin riippuvainen ilmastotekijöistä, kuten sademäärästä ja lämpötilasta, sekä maaperän ominaisuuksista, kuten orgaanisen aineksen määrästä.
Koska tutkimuksemme mukaan ilmasto vaikuttaa metanotrofeihin, oletamme käynnissä olevan ilmastonmuutoksen muuttavan metanotrofiyhteisöjä tulevina vuosina, mikä vaikuttaa ilmakehän metaanin kulutukseen. Tähän asti tiesimme, että metanotrofeja elää kylmillä ja kosteilla alueilla, joihin ilmastonmuutos varmasti vaikuttaa. Kuivakkoalueiden kattama laaja maa-alue sekä niissä elävät monet metanotrofit tekevät näistä alueista tulevaisuudessa erityisen tärkeitä ilmakehän metaanin kulutukselle. Toisin sanoen kuivakkoalueiden metanotrofit voivat auttaa meitä vähentämään kasvihuonekaasuja! Tulevaisuuden lämpimämmän maailman kannalta on tärkeää pitää huolta kuivakkoalueista nyt ja jatkaa niiden kätkemien ihmeiden tutkimista. Kuivakkoalueiden metaania syövät bakteerit voivat auttaa meitä!
SANASTO
ABIOOTTINEN
Ympäristön elottomia abioottisia tekijöitä ovat esimerkiksi lämpötila, vesi ja valo.
ARIDISUUS
Sademäärän (vesisade, sumu tai lumi) ja veden haihdunnan välinen matemaattinen suhde. Se kertoo, kuinka vähän ekosysteemissä on vettä.
RUNSAUS
Tietyn tyyppisten yksilöiden lukumäärä ympäristössä.
METANOGEENIT
Mikro-organismien ryhmä, jonka lajit eivät tarvitse happea selviytyäkseen ja voivat siksi elää hapettomissa ympäristöissä. Ne tuottavat metaania hajottaessaan orgaanista ainesta, kuten esimerkiksi lehtiä tai puun kappaleita.
METANOTROFIT
Mikro-organismien ryhmä, joka kykenee käyttämään metaania hiilen- ja energianlähteenään. Ne ovat metaaninsyöjiä.
DNA:N ERISTÄMINEN
Laboratoriomenetelmä, jossa solut rikotaan auki niiden sisältämän geneettisen materiaalin (DNA:n) vapauttamiseksi DNA:ta vahingoittamatta.
LAJIMÄÄRÄ
Ympäristössä olevien eliöiden lajien (eri tyyppien) lukumäärä.
YHTEISÖRAKENNE
Lajimäärän ja runsauden yhdistelmä yhteisössä.
ALKUPERÄINEN LÄHDEARTIKKELI
Lafuente, A., Bowker, M. A., Delgado-Baquerizo, M., Durán, J., Singh, B. K., and Maestre, F. T. 2019. Global drivers of methane oxidation and denitrifying gene distribution in drylands. Glob. Ecol. Biogeogr. 28:1230–43. doi: 10.1111/geb.12928
LÄHTEET
[1] Cadena, S., Cervantes, F., Falcón, L., and García-Maldonado, J. 2019. The role of microorganisms in the methane cycle. Front. Young Minds 7:133. doi: 10.3389/frym.2019.00133
[2] Schallenberg, L., Wood, S., Pochon, X., and Pearman, J. 2020. What can DNA in the environment tell us about an ecosystem? Front. Young Minds 8:150. doi: 10.3389/frym.2019.00150
TOIMITTAJA: Rémy Beugnon, German Centre for Integrative Biodiversity Research (iDiv), Germany
VIITTAUS: Lafuente A and Cano-Díaz C (2021) Can Methane-Eating Bacteria in Drylands Help Us Reduce Greenhouse Gases?. Front. Young Minds. 9:556361. doi: 10.3389/frym.2021.556361
ETURISTIRIIDAT: Artikkelin kirjoittajat ilmoittavat, että tutkimus toteutettiin ilman kaupallisia tai taloudellisia suhteita, jotka voitaisiin tulkita mahdolliseksi eturistiriidaksi.
COPYRIGHT © 2021 Lafuente and Cano-Díaz. This is an open-access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution License (CC BY). The use, distribution or reproduction in other forums is permitted, provided the original author(s) and the copyright owner(s) are credited and that the original publication in this journal is cited, in accordance with accepted academic practice. No use, distribution or reproduction is permitted which does not comply with these terms.
NUORI VERTAISARVIOIJA
SEBASTIAN, IKÄ: 10
Pidän urheilusta, lukemisesta, matematiikasta ja eläimistä.
KIRJOITTAJAT
ANGELA LAFUENTE
Olen post-doc-tutkija Michiganin teknillisessä yliopistossa (Michigan Technological University) ja tutkin trooppisten soiden hiilen kiertoa. Olen ekologi, joka haluaa ymmärtää, miten maailmanlaajuinen muutos vaikuttaa maaperän mikro-organismeihin ja kasvihuonekaasujen virtauksiin. Vapaa-ajallani nautin luonnosta vaeltamalla, pyöräilemällä tai hiihtämällä. *ellyon.diebrunnen@gmail.com
CONCHA CANO-DÍAZ
Olen tohtoriopintoja viimeistelevä biologi Universidad Rey Juan Carlosissa (Espanja). Tutkimukseni keskittyy maaperän syanobakteerien levinneisyyteen ja ekologisiin preferensseihin. Tutkin parhaillaan ilmastonmuutoksen ja maannostumisprosessien vaikutuksia syanobakteeriyhteisöihin ympäri maailmaa. Rakastan tieteellistä kuvittamista, ja vapaa-ajallani nautin ukulelen soittamisesta ja kuorolaulamisesta.
KÄÄNTÄJÄ
TIIA MÄÄTTÄ
Olen tohtoriopiskelija Zürichin yliopistossa Sveitsissä. Väitöskirjassani tutkin kasvien, ja erityisesti kasvien juurten ominaisuuksien, vaikutuksia kosteikkojen metaanipäästöihin. Vapaa-ajallani tykkään kävellä luonnossa, piirtää ja lukea.
FUNDING (TRANSLATION)
The team Translating Soil Biodiversity acknowledges support of the German Centre for integrative Biodiversity Research (iDiv) Halle-Jena-Leipzig funded by the German Research Foundation (DFG FZT 118, 202548816).
