Бактерии в озёрах борются с изменением климата: роль метанотрофов как биологического фильтра метана

Метан — мощный парниковый газ, который часто образуется в море и пресной воде. Озёра, в частности, выделяют большие количества этого "убийцы климата". К счастью, существуют микроорганизмы, которые противодействуют этому. Они способны использовать метан для роста и получения энергии, предотвращая его выброс в атмосферу. Эти микроорганизмы, известные как метанотрофы, рассматриваются как важный биологический фильтр метана.

Метанокисляющие бактерии (MOB) включают различные группы, и многие вопросы об их образе жизни остаются без ответа. Исследование учёных из Института морской микробиологии Макса Планка в Бремене (Германия) и швейцарского Eawag, опубликованное в журнале Nature Communications, демонстрирует удивительные способности некоторых из этих организмов и их ранее недооцененную роль в климате.

Аэробные микроорганизмы в бескислородных водах

Для исследования учёные Сина Шорн и Яна Милучка из Института Макса Планка отправились в швейцарское озеро Цуг. Это озеро глубиной почти 200 метров, и с глубины около 120 метров оно постоянно бескислородное.

Тем не менее, в бескислородной воде обитают так называемые аэробные метанокисляющие бактерии (MOB). Как следует из названия, они в основном зависят от кислорода. Было неясно, могут ли и как они разлагать метан в бескислородной воде.

Команда решила подробнее изучить активность этих микроорганизмов. Для этого они использовали молекулы метана (CH₄), меченные "тяжёлыми" атомами углерода (¹³C вместо ¹²C). Их добавили в пробы природной воды озера, содержащие местные микроорганизмы.

Затем учёные проследили путь тяжёлого углерода в отдельных клетках с помощью специальных приборов (NanoSIMS). Это позволило наблюдать, как бактерии превращают метан в диоксид углерода — также парниковый газ, но менее вредный для климата, чем метан.

Часть углерода была напрямую включена в бактериальные клетки. Это выявило, какие клетки в сообществе были активны, а какие нет. С помощью современных методов, таких как метагеномика и метатранскриптомика, они также исследовали, какие метаболические пути используют бактерии.

Активна только одна группа бактерий без кислорода

"Наши результаты показывают, что аэробные MOB остаются активными и в бескислородной воде", — говорит Шорн.

"Однако это относится только к определённой группе MOB, легко узнаваемой по характерным палочковидным клеткам. К нашему удивлению, эти клетки были одинаково активны как в оксических, так и в аноксических условиях, то есть с кислородом и без. Таким образом, если мы измеряем более низкие скорости окисления метана в бескислородных водах, вероятно, это связано с тем, что там меньше этих особых палочковидных клеток, а не с тем, что бактерии менее активны".

Метаболическая универсальность против выбросов метана

Исследователи столкнулись с ещё одним сюрпризом, когда подробнее изучили метаболические возможности этой группы бактерий.

"На основе присутствующих генов мы смогли определить, как бактерии реагируют на нехватку кислорода", — объясняет Милучка. "Мы обнаружили гены, которые используются для особого типа метанового брожения".

Хотя этот процесс уже был продемонстрирован для культур MOB в лаборатории, в природной среде он ещё не изучался. Исследователи также обнаружили несколько генов для денитрификации, которые, вероятно, позволяют бактериям использовать нитрат вместо кислорода для получения энергии.

Процесс брожения особенно интересен. "Если MOB осуществляют брожение, они, вероятно, выделяют вещества, которые другие бактерии могут использовать для роста. Это означает, что углерод, содержащийся в метане, дольше сохраняется в озере и не попадает в атмосферу. Это представляет собой сток для метанового углерода в аноксических средах, который обычно не учитывается, но который нам нужно будет включить в наши будущие расчёты", — говорит Милучка.

Значительное сокращение текущих и будущих выбросов метана

В этом исследовании учёные объясняют, кто разлагает метан в бескислородных средах обитания и как происходит этот процесс. Они показывают, что метанокисляющие бактерии удивительно важны для сдерживания выбросов метана из этих сред в атмосферу.

"Метан — мощный парниковый газ, ответственный примерно за треть текущего глобального потепления", — говорит Шорн.

"Окисление метана микроорганизмами — единственный биологический сток для метана. Их активность, следовательно, имеет решающее значение для контроля выбросов метана в атмосферу и, таким образом, для регулирования глобального климата. Учитывая текущее и прогнозируемое увеличение аноксических условий в умеренных озёрах, важность MOB для разложения метана в озёрах, как ожидается, возрастёт. Наши результаты позволяют предположить, что MOB внесут значительный вклад в смягчение последствий выбросов парниковых газов и хранение углерода в будущем".