Wie Sie und ich brauchen auch Mikroben einige Metalle in ihrer Nahrung, um gesund zu bleiben. Die Metalle helfen den Mikroben, die Nahrung vollständig zu “verdauen”. Nach einer guten Mahlzeit setzen die Mikroben, die durch den chemischen Abbau von Nitrat Energie gewinnen, ein harmloses Nebenprodukt frei: Stickstoff, das Gas, aus dem 78 % der Erdatmosphäre bestehen.
Wenn jedoch ein bestimmtes Metall, nämlich Kupfer, nicht verfügbar ist, können diese Mikroben den biochemischen “Verdauungsprozess”, die Denitrifikation, nicht abschließen. Anstatt Stickstoff freizusetzen, setzen sie das starke Treibhausgas Lachgas frei.
Frühere Laborstudien mit Reinkulturen haben gezeigt, dass die Verfügbarkeit von Kupfer für die Denitrifikation wichtig ist. Nun haben Forschungen aus dem Labor von Daniel Giammar, dem Walter E. Browne Professor für Umwelttechnik an der McKelvey School of Engineering, und Jeffrey Catalano, Professor für Erd- und Planetenwissenschaften in Arts & Sciences, beide an der Washington University in St. Louis, gezeigt, dass in den komplexen, dynamischen aquatischen Umgebungen, in denen diese Mikroben zu Hause sind, möglicherweise nicht immer genügend Kupfer für die Denitrifikation verfügbar ist.
Ihre Forschungsergebnisse wurden am 15. Juni in der Zeitschrift Geochimica et Cosmochimica Acta veröffentlicht.
“Das Material in einem Becherglas ist nicht dasselbe wie das Material in der Umwelt”, sagte Giammar. “Ein großer Teil unseres Ansatzes bestand darin, reale Materialien aus realen Umweltsystemen zu nehmen und sie ins Labor zu bringen und sie auf kontrollierte Weise zu untersuchen.”
Die Ergebnisse unterstreichen die überragende Rolle von Kupfer bei der Freisetzung von Distickstoffoxid. “Bei normalen Hintergrundwerten haben diese Systeme möglicherweise nicht genug Metalle, um den Prozess durchzuführen”, sagt Neha Sharma, Doktorandin in Giammars Labor.
Das ist wichtig, denn Distickstoffoxid ist das drittstärkste Treibhausgas und wird zu 50 % von Mikroben in aquatischen Ökosystemen erzeugt.
Um besser zu verstehen, wie Kupfer die Freisetzung des Gases in diesen Systemen beeinflusst, gingen Sharma und Elaine Flynn, eine leitende Wissenschaftlerin in Catalanos Labor, an die Quelle. In Zusammenarbeit mit drei Labors des US-Energieministeriums (DOE) – den Oak Ridge und Argonne National Laboratories sowie der Savannah River Site – sammelten Sharma und Flynn Mikroben aus Feuchtgebieten und Flussbetten. Als sie analysierten, wie viel Kupfer sich in den Systemen befand, stellten sie fest, dass es nicht ausreichte, um die Denitrifikation abzuschließen.
“Dann wollten wir sehen, ob die manuelle Zugabe von Kupfer die Freisetzung von Lachgas beeinflussen würde”, sagte Sharma. Das tat es. “Das gesamte Lachgas wurde in andere Stoffe umgewandelt, aber nicht in schädliche Treibhausgase.
Diese Erkenntnis könnte neue Wege aufzeigen, um die Erwärmung der Atmosphäre einzudämmen, so Sharma. “Wenn wir ein wenig Metall in die natürlichen Systeme einbringen, könnte dies die Freisetzung von N2O verringern”, sagte sie. Auch für Klimaforscher könnte dies eine unmittelbare Auswirkung haben.
“Derzeit berücksichtigen die Modelle, die die Freisetzung von Gasen aus verschiedenen Systemen vorhersagen, diese Faktoren nicht”, sagte Sharma. “Sie wissen, dass Faktoren wie die Verfügbarkeit von Nahrungsmitteln oder die Temperatur die Freisetzung von Treibhausgasen beeinflussen können, aber sie berücksichtigen nicht die Auswirkungen von Metallen auf diesen Aspekt der Treibhausgase”.
Extreme Komplexität
Damit die Menschen das Klima wirklich verstehen und nützliche Vorhersagen treffen können, müssen die Klimamodelle die gesamte Komplexität der realen Welt, die in bestimmten Ökosystemen vorhanden ist, berücksichtigen.
In einer weiteren Studie, die im Mai in der Zeitschrift ACS Earth & Space Chemistry veröffentlicht wurde, wurde das Verhalten von vier verschiedenen Metallen in Böden von Uferfeuchtgebieten der Savannah River Site und in Flusssedimenten in der Nähe des Oak Ridge National Laboratory analysiert.
Das Forschungsteam, zu dem auch Sharma und Zixuan Wang, ein Doktorand im Labor von Zhen “Jason” He, Professor für Energie-, Umwelt- und Chemietechnik, gehörten, wollte wissen, ob sich die Verfügbarkeit der Metalle ändert, wenn sie unter Wasser (mit wenig Sauerstoff) und an der Luft sind.
Das Team hatte Grund zu der Annahme, dass die vier Metalle – die alle für die biochemischen Reaktionen der Mikroben wichtig sind – sich alle ähnlich verhalten könnten. Zu ihrer Überraschung wirkten die Metalle jedoch in ähnlichen Situationen unterschiedlich.
“Das bedeutet, dass sich die Bioverfügbarkeit bestimmter Metalle mit den Jahreszeiten ändert”, sagte Sharma. “Das verdeutlicht die extreme Komplexität natürlicher Systeme”.
Um diese Komplexität zu erfassen, bedarf es einer Vielzahl von Spezialisten und Partnern.
“Wir sind Umweltingenieure, wir denken immer: Warum ist das wichtig? Was wird das für das Klima bedeuten? Was kann getan werden?'” sagte Giammar. “Aber wir haben auch mit dem Hauptforscher Jeffrey Catalano zusammengearbeitet”, was der Arbeit eine starke geochemische Perspektive gab.
Neben der Finanzierung und dem Zugang zu Wassereinzugsgebieten durch die DOE-Laboratorien trägt diese Forschung auch zur Wissensbasis des DOE bei.
Sie liefert ein weiteres Teil des Puzzles der “Wassereinzugsgebietsfunktion”, der Untersuchung der biogeochemischen Funktionen von Wassereinzugsgebieten und ihrer Bewohner. Inzwischen tun andere Forscher in anderen Bereichen dasselbe.
Gemeinsam können diese Erkenntnisse die Art und Weise verändern, wie die Menschen die Beziehung zwischen Wassereinzugsgebiet und Klima verstehen.
“Wir haben festgestellt, dass die Kupfereinschränkung eine größere Rolle spielt, als wir dachten”, so Giammar. “Deshalb denke ich, dass es wichtig ist, sich mit dieser Umweltkomplexität zu befassen.
Datum: Juni 15, 2022
Quelle: Universität Washington in St. Louis
Journal Reference:
- Neha Sharma, Elaine D. Flynn, Jeffrey G. Catalano, Daniel E. Giammar. Copper availability governs nitrous oxide accumulation in wetland soils and stream sediments. Geochimica et Cosmochimica Acta, 2022; 327: 96 DOI: 10.1016/j.gca.2022.04.019