آیا باکتری های متان خوار در زمین های خشک می توانند به ما در کاهش گازهای گلخانه ای کمک کنند؟

شکل 1 - روش هایی که برای یافتن و مطالعه متانوتروف های خاک دنبال می کنیم. ما زمین‌های خشک را در سراسر جهان انتخاب کردیم و نمونه‌های خاک آن ها را گرفتیم.(1)، خواص آن خاک‌ها، مانند محتوای مواد آلی و pH را تجزیه و تحلیل کردیم (2)، اطلاعات ژنتیکی(DNA) باکتری های موجود در خاک را استخراج کردیم (3)، با مطالعهDNA ، اطلاعاتی در مورد فراوانی، غنا و ساختار جامعه متانوتروف ها از هر نمونه خاک به دست آوردیم (4و 5)، سپس از ریاضیات استفاده کردیم تا بفهمیم که کدام شرایط خاکی یا آب و هوایی مناسب برای متانوتروف ها هستند (6).

شکل 2 - منابع و مخازن اصلی متان (CH4).

شکل 3 - جوامع میکروبی را می توان با استفاده از سه ویژگی توصیف کرد. فراوانی: تعداد کل باکتری های یک نوع خاص موجود است. غنا: تعداد انواع مختلف باکتری موجود در یک محیط است. ساختار جامعه: توصیف می کند که چند نوع باکتری وجود دارد و هر نوع چقدر فراوان است

Hinweis für die Medien: Die von iDiv bereitgestellten Bilder dürfen ausschließlich für die Berichterstattung im Zusammenhang mit dieser Medienmitteilung und unter Angabe des/der Urhebers/in verwendet werden.

Open PDF in new window.

Angela Lafuente^1,2*, 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, Singapo

زمین های خشک چیستند؟ اولین چیزی که ممکن است به ذهن شما خطور کند مکانی است شبیه کویر که در آن هیچ چیز نمی تواند زندگی کند یا رشد کند. با وجود کمبود آب، اکوسیستم های خشکی متنوع هستند و به دلیل تغییرات آب و هوایی جهانی گسترش خواهند یافت. علت اصلی گرم شدن کره زمین افزایش گازهای گلخانه ای در جو ما است. برای حل این مشکل، بدیهی است که ما نیاز به کاهش انتشار گازهای گلخانه ای داریم، اما مطالعه میکروارگانیسم ها در طبیعت سرنخ های هیجان انگیزی را برای چگونگی رسیدگی به مشکل گرمایش زمین به ما می دهد .میکروارگانیسم ها در تمام محیط های زمین زندگی می کنند و خوشبختانه برخی از آنها حتی می توانند گازهای گلخانه ای هوا را به عنوان غذای خود بگیرند !در این مقاله، ما جستجوی خود را در خاک های جهانی برای باکتری هایی که می توانند یکی از قوی ترین گازهای گلخانه ای، متان (CH₄) را مصرف کنند، شرح می دهیم. برخلاف آنچه انتظار می رفت، متوجه شدیم که این باکتری ها در خشکی های سراسر جهان زندگی می کنند!

بزرگترین اکوسیستم خشکی روی زمین: سرزمین های خشک

مناطق خشک با بارندگی کم مشخص می شوند و در نتیجه دارای پوشش گیاهی سرسبز نیستند. با این حال، زمین‌های خشک طیف وسیعی از اکوسیستم‌های مختلف را پوشش می‌دهند، از خشک‌ترین مکان روی زمین، صحرای داغ آتاکاما در شیلی، تا جنگل‌های اکالیپتوس برگی در استرالیا که کوالاها در آن زندگی می‌کنند (شکل 1.1). اکوسیستم های سرزمین های خشک همچنین حاوی تعداد زیادی ارگانیسم هستند که بسیاری از آنها گیاهان و جانورانی هستند که فقط در مناطق خشک زندگی می کنند و با شرایط سخت سازگار شده اند. زمین های خشک بزرگترین اکوسیستم زمینی هستند که تقریباً نیمی از سطح زمین (45٪) را اشغال می کنند و بیش از 40٪ از جمعیت انسان را در خود جای داده اند. بنابراین، می توانید ببینید که چرا زمین های خشک مناطق بسیار مهمی از زمین برای تحقیق هستند.

موجودات زنده و غیرزنده در محیط زیستی، مانند گیاهان و آب، به طریقی نزدیک و مستقیم از طریق چرخه‌های طبیعی به یکدیگر متصل هستند. این مواد غیرزنده به عنوان عوامل غیرزنده شناخته می‌شوند . آب در همه‌ی فرایندهای مرتبط با زندگی، از رشد گیاهان تا توسعه جوامع میکروارگانیسم‌های خاک، نقش بسیار حیاتی دارد. بنابراین، آب به عنوان مهم‌ترین عامل غیرزنده در یک اکوسیستم شناخته می‌شود. ما توانایی آب را در یک اکوسیستم با استفاده از یک معیار به نام خشک‌سالی اندازه‌گیری می‌کنیم، که یک رابطه‌ی ریاضی بین مقدار بارش (باران، مه یا برف) و تبخیر آب است. هر چه کم‌تر آب در دسترس باشد، محیط مورد نظر خشک‌تر خواهد بود (شکل ۱.۱).

در نواحی خشک که آب همیشه در دسترس نیست، چرخه‌های طبیعی بین موجودات زنده و مواد غیرزنده، همچنین فراوانی میکروارگانیسم‌ها نیز به شدت تحت تأثیر قرار می‌گیرند. همه این امور باعث افزایش حساسیت نواحی خشک در برابر تغییرات آب و هوایی شده است.

باکتری های خاک و متان

 زمین توسط یک لایه گازی به نام جو احاطه شده است که از ما در برابر تشعشعات خورشیدی محافظت می کند و به حفظ دمای کلی زمین کمک می کند. اجزای اصلی جو نیتروژن (78٪) و اکسیژن (21٪) هستند، اما بسیاری از گازهای دیگر نیز در جو وجود دارند. برخی از گازهای اتمسفر، مانند دی اکسید کربن (CO₂) و بخار آب، گازهای گلخانه ای هستند، به این دلیل که گرمای خورشید را به دام می اندازند و مانند شیشه در گلخانه عمل می کنند. گازهای گلخانه ای اجازه می دهند نور خورشید به سطح زمین برسد اما از خروج گرما از جو جلوگیری می کند. این به دام انداختن گرما به گرم شدن کره زمین کمک می کند.

فراوان ترین گاز گلخانه ای تولید شده توسط انسان در جو CO₂ است که از سوختن سوخت های فسیلی آزاد می شود. با این حال، دومین گاز مهمی که در گرمایش جهانی نقش دارد متان (CH₄) است. متان یک مولکول ساده است که توسط یک اتم کربن (C) و چهار اتم هیدروژن (H) تشکیل شده است. اثر گرم شدن یک مولکول متان معادل 25 مولکول CO₂ است که آن را به یک گاز گلخانه ای فوق العاده قدرتمند تبدیل می کند. متان توسط متانوژن ها تولید می شود گروهی از میکروارگانیسم ها که برای زنده ماندن نیازی به اکسیژن ندارند و بنابراین می توانند در محیط های بدون اکسیژن زندگی کنند. آنها در حالی که مواد آلی را تجزیه می کنند، مانند برگ ها یا قطعات چوب، متان تولید می کنند، گروهی از میکروارگانیسم ها که برای زنده ماندن به اکسیژن نیاز ندارند و بنابراین می توانند در محیط های بدون اکسیژن مانند مزارع برنج، رسوبات دریاچه ها و تالاب ها زندگی کنند. متانوژن ها در دستگاه گوارش حیوانات مانند معده گاو و حتی انسان نیز زندگی می کنند! متانوژن ها مسئول باد معده و روده حیوانات هستند! متانوژن ها همچنین در هنگام تجزیه مواد آلی مانند برگ یا قطعات چوب متان تولید می کنند. علاوه بر کشاورزی، سایر فعالیت های انسانی مانند صنایع نفت و گاز نیز مقادیر زیادی متان را در جو ما آزاد می کند [1] (شکل 2).

متان آزاد شده در اتمسفر تا حد زیادی به تغییرات آب و هوایی کمک می کند و تنها یک گروه از موجودات وجود دارند که می توانند آن را مصرف کنند، متانوتروف ها. این گروه از میکروارگانیسم ها قادر به استفاده از متان به عنوان منبع کربن و انرژی خود هستند. آنها متان خوارند. این گروه از میکروارگانیسم ها می توانند از متان به عنوان منبع کربن و انرژی خود استفاده کنند. این میکروارگانیسم ها اساساً متان را می خورند (شکل 2)! در زمین‌های خشک، تولید متان به دلیل کمبود آب کم است (به یاد داشته باشید، متانوژن‌ها معمولاً در خاک‌های غرقاب و سایر محیط‌های بدون اکسیژن زندگی می‌کنند. با این حال، به دلیل گستردگی زیاد زمین‌های خشک و افزایش جهانی متان در جو، اگر متانوتروف‌ها نیز در آنجا وجود داشته باشند و فراوان باشند، اکوسیستم‌های خشک می‌توانند بسیار مورد توجه قرار گیرند.

نحوه یافتن و مطالعه متانوتروف ها

در تحقیق خود، ما علاقه مند بودیم بدانیم که آیا متانوتروف ها در خاک های زمین های خشک در سراسر جهان رایج هستند یا خیر، و آیا آنها مانند اکثر میکروارگانیسم های خاک به شرایط آب و هوایی و ویژگی های خاک حساس هستند یا خیر. ابتدا، ما 80 مکان خشک در سراسر جهان را انتخاب کردیم (شکل 1.1). در هر سایت، ما اطلاعات آب و هوا، مانند میانگین دمای سالانه، بارندگی سالانه و خشکی را جمع آوری کردیم. ما همچنین نمونه‌هایی از خاک برداشتیم و ویژگی‌هایی مانند مقدار ماده آلی (کربن آلی)، pH  و محتوای ماسه را آنالیز کردیم (شکل 1.2). مواد آلی بالای خاک نشان می دهد خاک حاصلخیز است، به این معنی که دارای مواد مغذی است که گیاهان، حیوانات خاک و میکروارگانیسم ها برای رشد به آن نیاز دارند. تجزیه و تحلیل pH به ما می گوید که خاک چقدر اسیدی است. pH یکی از مهم ترین عوامل تنظیم کننده رشد باکتری های خاک است. به عنوان مثال، زمانی که خاک ها مانند سرکه بسیار اسیدی هستند، تنها باکتری های خاص مقاوم به اسید می توانند در آنجا زندگی کنند. دانه های خاک بسیار نزدیک به یکدیگر هستند اما فضاهایی برای ورود هوا و آب نیز ایجاد می کنند. مقدار شن، بزرگترین نوع ذره در خاک، به ما می گوید که این فضاهای خاک چقدر بزرگ هستند. به این ترتیب، محتوای ماسه زیاد به این معنی است که فضاهای بزرگ وجود دارد، به طوری که هوا به راحتی وارد خاک می شود، اما آب و مواد مغذی نیز می توانند به راحتی تخلیه شوند.

 برای مطالعه متانوتروف ها در نمونه های خاک خود، به اطلاعات ژنتیکی (DNA) این باکتری ها نیاز داریم [2]. ابتدا، ما تمام DNA موجود در نمونه‌های خاک خود را از طریق فرآیندی به نام روش آزمایشگاهی استخراج DNA به دست می‌آوریم که در آن سلول‌ها باز می‌شوند تا مواد ژنتیکی (DNA) موجود در داخل، بدون آسیب رساندن به DNA آزاد شود (شکل 1.3). این فرآیند در آزمایشگاه با استفاده از آنزیم های قدرتمندی انجام می شود که بدون آسیب رساندن به اطلاعات ژنتیکی، سلول ها را می شکند. سپس DNA استخراج شده را برای یک منطقه خاص که فقط در متانوتروف ها وجود دارد، تجزیه و تحلیل می کنیم. این بخش از  DNA  ژنی به نام pmoA است. ژن pmoA حاوی دستورالعمل هایی برای پروتئینی است که به متانوتروف ها اجازه می دهد متان اتمسفر را بخورند .دانستن غلظت ژن pmoA در هر نمونه خاک به ما می گوید که چه تعداد متانوتروف در آن نمونه زندگی می کردند (شکل 1.4). چندین گونه از متانوتروف ها به هم نزدیک هستند که همگی اطلاعات DNA مشابهی دارند، اما گونه های مختلف تفاوت های ژنتیکی کوچکی در DNA خود دارند، بنابراین می توانیم از DNA برای شناسایی متانوتروف های مختلف مانند اثر انگشت استفاده کنیم (شکل 1.5).

مطالعات DNA ما به ما کمک می‌کند تا اطلاعاتی درباره فراوانی (تعداد کل باکتری‌های یک نوع خاص موجود)، غنا (تعداد انواع مختلف باکتری‌های موجود) و ساختار جامعه (انواع مختلف باکتری‌ها و فراوانی هر کدام) متانوتروف‌ها از هر نمونه خاک را بدست آوریم (شکل ۳). سپس، از ریاضیات استفاده می‌کنیم تا بفهمیم که شرایط خاک یا آب و هوایی کدام‌یک برای متانوتروف‌ها بسیار مهم هستند (شکل ۱.۶)

در چه جاهایی متانوتروف ها زندگی می کنند

ما مطمئن نبودیم که متانوتروف‌ها را در زمین‌های خشک پیدا کنیم، زیرا این میکروارگانیسم‌ها برای زندگی به متان نیاز دارند و زمین‌های خشک اکوسیستم معمولی برای تولید متان نیستند.   بنابراین، یافتن متانوتروف ها در تمام نمونه های خاک خشک ما یک یافته خارق العاده بود! اکنون می توان گفت که متانوتروف ها به طور گسترده در زمین های خشک جهانی توزیع شده اند. با کمال تعجب، ما حتی متانوتروف هایی را پیدا کردیم که معمولاً در مکان های مرطوب مانند دانمارک، اسکاتلند یا نیوزیلند یافت می شوند. ما همچنین دریافتیم که در زمین‌های خشک، میانگین دمای سالانه و خشکی شرایط اصلی تأثیرگذار بر فراوانی و غنای متانوتروف‌ها نیست. فراوانی و غنا ممکن است تحت تأثیر عوامل دیگری مانند بارندگی باشد. با این حال، شرایط آب و هوایی مانند میانگین دمای سالانه، بارندگی، خشکی و ویژگی‌های خاک، مانند مواد آلی، pH  و محتوای ماسه بر ساختار جامعه متانوتروف‌ها تأثیر می‌گذارند. به عنوان مثال، دماهای بالاتر فراوانی متانوتروف های خاصی را که در برابر حرارت مقاوم هستند، افزایش داد. به عبارت دیگر، مناطق خشک با دمای بالاتر، جوامع متانوتروف ممکن است حاوی متانوتروف های مقاوم در برابر حرارت بیشتری باشند. شرایط آب و هوایی همچنین می‌تواند بر ویژگی‌های خاک تأثیر بگذارد، به عنوان مثال با حمایت از تجزیه سنگ‌ها، که باعث افزایش محتوای ماسه می‌شود، یا با اصلاح pH خاک و مواد آلی. این ویژگی‌های خاک بر مقدار هوایی که می‌تواند وارد خاک شود، تأثیر می‌گذارد، که به نظر ما برای ساختار جامعه متانوتروف‌ها بسیار مهم است.

چه چیزی از متانوتروف ها در سرزمین های خشک آموختیم؟

همانطور که متوجه شدیم، متانوتروف ها فراوان و به طور گسترده در زمین های خشک در سراسر جهان پراکنده شده اند. آب و هوا و خاک هر دو بر جوامع متانوتروف ها تأثیر می گذارند. علاوه بر این، ما متوجه شدیم که ساختار جامعه باکتری‌های متان خوار به شدت به شرایط آب و هوایی، مانند میزان بارندگی و دما، و ویژگی‌های خاک به عنوان محتوای آلی خاک وابسته است. از آنجایی که متوجه شدیم که آب و هوا بر متانوتروف ها تأثیر می گذارد، انتظار داریم که تغییرات آب و هوایی مداوم جوامع متانوتروف ها را در سال های آینده تغییر دهد و بر مصرف متان اتمسفر تأثیر بگذارد. تا به امروز می دانستیم که متانوتروف ها در مکان های سرد و مرطوب زندگی می کنند که مطمئناً تحت تأثیر تغییرات آب و هوایی قرار خواهند گرفت. حجم وسیعی از زمین‌های خشک و متانوتروف‌های فراوانی که در آن‌ها وجود دارد، ممکن است این مناطق را برای مصرف متان اتمسفر در آینده بسیار مهم کند. به عبارت دیگر، باکتری های خشکی می توانند به ما در کاهش گازهای گلخانه ای کمک کنند! مراقبت از زمین های خشک در حال حاضر و ادامه مطالعه شگفتی های پنهان آنها برای مقابله با سیاره گرمتر آینده ما مهم است. باکتری های متان خوار در سرزمین های خشک می توانند به ما کمک کنند

واژه نامه

غیر زنده
عوامل غیر زنده غیر زنده در یک محیط عبارتند از دما، آب و نور.

خشکی
رابطه ریاضی بین میزان بارندگی (باران، مه یا برف) و تبخیر آب. این توصیف می کند که چقدر آب در یک اکوسیستم کمبود دارد.

فراوانی
تعداد افراد از یک نوع خاص که در یک محیط حضور دارند.

متانوژن ها
گروهی از میکروارگانیسم ها که برای زنده ماندن نیازی به اکسیژن ندارند و بنابراین می توانند در محیط های بدون اکسیژن زندگی کنند. آنها در حین تجزیه مواد آلی مانند برگ یا قطعات چوب متان تولید می کنند.

متانوتروف ها
گروهی از میکروارگانیسم ها که می توانند از متان به عنوان منبع کربن و انرژی خود استفاده کنند. آنها متان خوار هستند.

استخراج (DNA)
روش آزمایشگاهی که در آن سلول‌ها برای آزاد کردن ماده ژنتیکی (DNA) موجود در داخل، بدون آسیب رساندن به DNA، باز می‌شوند.

غنا
تعداد گونه ها (انواع مختلف) موجودات موجود در یک محیط.

ساختار جامعه
غنا و فراوانی ترکیبی در جامعه.

کالای اصلی

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

مراجع

 [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

EDITED BY: Rémy Beugnon, German Centre for Integrative Biodiversity Research (iDiv), Germany

CITATION: 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

CONFLICT OF INTEREST: The authors declare that the research was conducted in the absence of any commercial or financial relationships that could be construedas a potential conflict of interest.

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.

YOUNG REVIEWER

SEBASTIAN, AGE: 10
I like sports, reading, math, and animals.

AUTHORS

ANGELA LAFUENTE
I am currently a post-doc at Michigan Technological University, working on carbon cycling in tropical peatlands. I am an ecologist interested in understanding how global change affects soil microorganisms and greenhouse gas fluxes. In my free time, I enjoy the nature going on a hike, cycling, or skiing. *ellyon.diebrunnen@gmail.com

CONCHA CANO-DÍAZ
I am a biologist finishing my Ph.D. at Universidad Rey Juan Carlos (Spain). My research is focused on the distribution and ecological preferences of soil cyanobacteria. I am currently studying the effects of climate change and soil formation processes on cyanobacterial communities around the world. I love to make scientific illustrations and in my free time I enjoy playing music with the ukulele and singing in the choir.

TRANSLATOR

SOROOR RAHMANIAN

FINANZIERUNG (ÜBERSETZUNG)

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).

CITATION (ÜBERSETZUNG)

This is an open-access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution License (CC-BY 4.0). 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.
Recommended citation format: Lafuente A and Cano-Díaz C (2025) Can Methane-Eating Bacteria in Drylands Help Us Reduce Greenhouse Gases? (Farsi translation: Soroor Rahmanian). Translating Soil Biodiversity & Front. Young Minds. Originally published in 2021. doi: 10.3389/frym.2021.556361