Крошечные микробы играют большую роль в круговороте углерода и других ключевых элементов в нашем воздухе, воде, почве и отложениях. Микробы не только улавливают и выделяют углерод, внося свой вклад в круговорот жизни на Земле, они также выделяют соединения, которые могут изменять существующие минералы и образовывать новые, что, в свою очередь, формирует геологию окружающего нас мира.
Понимание биологических, химических и геологических процессов, в которых участвуют микробы, имеет решающее значение для понимания и прогнозирования глобального климата, выбросов парниковых газов, переноса питательных веществ и других природных явлений.
Исследователи, которые изучают эти процессы в Аргоннской национальной лаборатории Министерства энергетики (DOE), обнаружили, что на эти микробные сообщества существенно влияют типы доступных источников «пищи» углерода. Их выводы, опубликованные в журнале PLOS ONE, показывают, что тип источника углерода влияет не только на состав и активность природных микробных сообществ, но и, в свою очередь, на типы минеральных продуктов, образующихся в их среде.
«Наше исследование демонстрирует тесную связь между биологическими системами и окружающей средой, две вещи, которые большинство людей рассматривало бы по отдельности», - сказал микробиолог из Аргонны Дион Антонопулос, соавтор исследования. «Мы показали, что по мере того, как микроорганизмы изменяют свою среду, окружающая их среда влияет на тип находящихся там микроорганизмов и их активность».
Для своего анализа исследователи сосредоточились на микробных сообществах, обнаруженных под поверхностью Земли, которые осуществляют анаэробное дыхание - химический процесс высвобождения энергии из углеродных «пищевых» источников, который происходит в результате сложной серии реакций в бескислородной среде.. Бактерии поглощают углерод и выделяют в окружающую среду различные химические побочные продукты; некоторые побочные продукты этого процесса изменяют минералы, встречающиеся в окружающей среде.
Исследователи взяли эти конкретные микробные сообщества и представили им один из трех источников углерода: глюкозу, шестиуглеродный сахар; лактат, четырехуглеродное соединение; или ацетат, простое двухуглеродное соединение.
«Помимо того, что мы выбрали ацетат, лактат и глюкозу из-за их относительного диапазона сложности, мы выбрали их потому, что они представляют типы молекул углерода, в той или иной степени встречающиеся в подземных средах», - сказал физик из Аргонны. Кеннет Кемнер, соавтор исследования.
Предоставив бактериям эти три источника пищи, исследователи провели недели, отслеживая и измеряя изменения в этих системах. Среди прочего, они измерили количество и скорость, с которой глюкоза, лактат и ацетат использовались бактериями, минеральные побочные продукты, образующиеся в их среде, и типы микробов, которые присутствовали в каждый момент времени.
Изучение роста микробных сообществ - это то, на чем сосредоточились многие исследователи, но тот факт, что мы совмещаем это с изучением изменений в химическом составе этих систем, и делаем это синхронно, это то, что делает эту работу новой», - сказал аргоннский биогеохимик Эд О'Лафлин, еще один соавтор исследования.
Анализ этих данных позволил исследователям увидеть, какие типы микробов стали более или менее многочисленными при определенных условиях окружающей среды. Наложение этих данных также позволило им наблюдать, как микробные сообщества менялись вместе с изменениями условий окружающей среды с течением времени.
В прошлых исследованиях использовалось всего несколько образцов и измерялись изменения всего за несколько моментов времени, например, в начальном и конечном состоянии. В нашем случае мы собрали данные за гораздо большее количество моментов времени, что помогло лучше охарактеризовать реакцию системы с течением времени», - сказал О’Локлин.
Их анализ показал, что отчетливая серия изменений последовательно происходила, когда микробы подвергались воздействию среды, богатой лактатом или ацетатом. Однако в среде, богатой глюкозой, они наблюдали разные модели изменений.
Мы думаем, что, поскольку глюкоза представляет собой более крупное и сложное соединение, которое можно разбить на множество более простых соединений, это открывает в сообществе больше химических путей, через которые ее можно использовать, и что этот разнообразный метаболический потенциальные причины различных закономерностей, которые мы наблюдаем», - сказал О'Локлин.
«Выяснение того, какие именно параметры заставляют микробное сообщество следовать определенному образцу, - это направление для будущих исследований», - сказал он.