Моделирование микробов для управления углекислым газом
Ученые Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории (PNNL) разработали новую кинетическую модель, чтобы понять, как функционируют микробные сообщества в естественной экосистеме, в частности, в почве.
"Моделирование динамики почвенных бактериальных сообществ чрезвычайно сложно, поскольку оно включает разнородные физические, химические и биологические компоненты", — говорит доктор Аллан Конопка, руководитель Инициативы по изучению микробных сообществ (MCI) в PNNL.
Разработанная модель представляет динамику сообществ в почвенных порах и позволяет:
- Оценивать стратегии микробов по разложению органического вещества (например, целлюлозы).
- Анализировать, как трехмерная структура пор влияет на биологическую активность.
Роль целлюлозы и углеродный цикл
Целлюлоза — самый распространенный природный материал и ключевой компонент растений. Её микробное разложение — важнейший процесс глобального углеродного цикла. Ежегодно растения синтезируют более 100 миллиардов тонн целлюлозы, которую затем разлагают микроорганизмы, выделяя CO2 в процессе дыхания.
"Мы изучаем биогеохимические процессы на микроуровне, поскольку они оказывают макроскопическое влияние на миссию Министерства энергетики США по управлению углеродом", — поясняет Конопка.
Особенности модели
Модель, разработанная в том числе доктором Халуком Ресатом, уникальна тем, что:
- Учитывает возможные условия в микрозонах и неоднородность трехмерной системы.
- Моделирует метаболизм отдельных микробных клеток на основе их локальных условий и "истории".
Ученые смоделировали динамику сообществ на двух масштабах: микропорах (6–20 мкм) и почвенных агрегатах (111 мкм) со случайной структурой пор. Наблюдалось emergent dynamic behavior: сосуществование организмов с complementary механизмами деградации целлюлозы приводило к более эффективной кинетике её утилизации и формированию более стабильных сообществ.
Перспективы
Текущая модель — лишь первый шаг к созданию комплексной multiscale model. Ученые работают над её масштабированием до "агрегата агрегатов" для изучения кинетики в объемном образце.
"Даже на нынешнем уровне развития результаты моделирования показывают, что эта модель улавливает некоторые essential kinetic properties бактерий и может быть использована как мощный инструмент для генерации экспериментально проверяемых гипотез", — заключает Конопка.
Результаты работы опубликованы в журнале Microbial Ecology.