Objasněn záhadný zdroj metanu u hladin oceánů

Několik desetiletí si vědci lámali hlavy nad záhadným paradoxem. Hladiny světových oceánů jsou nasyceny metanem, ovšem dosud známé mikroorganismy, které patří mezi Archaea, metan u hladiny produkovat nemohou, protože je zde vysoká koncentrace rozpuštěného kyslíku. V tomto prostředí metanogenní Archaea nedokáží přežít, protože pro produkci metanu vyžadují striktně anoxycké (bez kyslíkaté) prostředí. Kde se tedy metan u hladin oceánů bere? Tato záhada známá jako „mořský metanový paradox“ je díky novému výzkumu zřejmě vyřešena.

Podle geochemika Daniela Repeta z Woods Hole Oceanographic Institution (WHOI) může odpověď ležet ve složitém procesu, kterým bakterie štěpí rozpuštěnou organickou hmotu, koktejl různých organických sloučenin vylučovaný do mořské vody živými organismy.

V článku, který vyšel 14 listopadu 2016 v časopise Nature Geoscience Daniel Repeta a kolegové z University of Hawaii zjistili, že velká část oceánské rozpuštěné organické hmoty je složena z nově syntetizovaných polysacharidů, které vytvářejí fototrofní bakterie žijící při hladině. Další bakterie se těmito polysacharidy živí a štěpí vazby mezi uhlíkem (C) a fosforem (P), tzv. C-P vazby. Během štěpení C-P vazeb dochází k uvolnění vedlejších produktů etylénu a propylénu, ale i metanu. Většina takto vytvořeného metanu se pak uvolňuje z hladin oceánů do atmosféry.

Obr. Nová studie určila, že velké množství rozpuštěné organické hmoty v oceánech je tvořena polysacharidy – dlouhými řetězci cukerných molekul, které vytvářejí fotosyntetické bakterie u hladiny oceánů. Další bakterie se těmito polysacharidy živí a štěpí vazby mezi uhlíkem (C) a fosforem (P). Během tohoto štěpení bakterie vytvářejí plyny metan, etylén a propylén jako vedlejší produkty. Většina takto vytvořeného metanu pak putuje do atmosféry.

Credit: Illustration by Eric Taylor, Woods Hole Oceanographic Institution

„Všechny střípky mozaiky jsme měli celou dobu přímo před očima, jen ty střípky byly „rozházeny“ mezi různé vědecké týmy a nikdo je neposkládal dohromady“, říká Repeta. „V našem novém článku se nám tyto střípky povedlo posbírat a zřejmě i zodpovědět záhadu nadměrné produkce metanu u hladin oceánů.“

Metan je významný skleníkový plyn, který ovlivňuje zásadně klima naší planety, proto je nesmírně důležité znát všechny jeho potenciální zdroje. Tým vědců ve svém článku popisuje zcela novou metabolickou dráhu, při které bakterie vytvářejí metan. Jedná se o unikátní metabolismus, který zatím nebyl popsán. Mnoho vědců včetně Dana Repeta měli již nějakou dobu podezření, že existují bakterie, které dokáží v oceánech produkovat metan i za aerobních podmínek, ale nedokázali identifikovat, které to přesně jsou.

Protože známí producenti metanu žijí v prostředích o nízké nebo nulové koncentraci kyslíku, byly i první pokusy o izolaci a identifikaci původců nadměrné produkce metanu u hladin oceánů zaměřeny na prostředí s nízkou koncentrací kyslíku jako např. trávicí ústrojí ryb a krevet, které se zde vyskytovaly. Záhy byly ale tyto zdroje vyloučeny, protože skrze trávicí ústrojí ryb i dalších mořských živočichů prochází velké množství okysličené vody, kde anaerobní metanogeni nepřežijí. Další výzkum se proto zaměřil na tzv. „mořský sníh“, což jsou částečky organické hmoty plovoucí volně v oceánech a tvoří je hlavně exkrementy živočichů a další organický materiál. Vnitřní části některých z nich poskytovaly prostředí s nižším obsahem kyslíku, ovšem měření opět prokázala, že se nejedná o významný zdroj metanu.

V roce 2009 jeden ze spoluautorů studie David Karl objevil důležitou stopu pro objasnění celé záhady. V laboratoři provedl pokus s uměle vytvořenou sloučeninou methylfosfonátem, která je bohatá na vazby mezi uhlíkem a fosforem (C-P vazby). V simulovaném experimentu přidal tuto sloučeninu do vzorku mořské vody. Do prostředí se ihned začal uvolňovat metan a tým prokázal, že to bylo vlivem mikroorganismů. Jelikož však methylfosfonát nebyl v oceánech nikdy detekován, Repeta a jeho tým začali hledat jiné, přirozeně se vyskytující sloučeniny, které specifické C-P vazby obsahují a které by tím pádem, pokud jsou rozštěpeny, mohly být potenciálním zdrojem metanu. O jaké sloučeniny by se mohlo jednat, však stále zůstávalo záhadou.

Poté, co vědci analyzovali vzorky organické hmoty z hladiny severního Pacifiku, Repeta narazil na možnou odpověď. Polysacharidy obsažené ve vzorcích organické hmoty obsahovaly vazby C-P identické těm nalezeným u methylfosfonátu. Pokud tedy bakterie dokáží podobně rozštěpit tyto vazby v polysacharidech, mohou se dostat k fosfátu jako důležitého zdroje fosforu pro buňky a jako vedlejší produkt odštěpí molekulu metanu.

Aby svůj objev potvrdili, Repeta a jeho tým inkubovali vzorky mořské vody v simulovaných podmínkách, kdy přidávali různé živiny jako glukózu, dusičnany apod. Nic však nevedlo k produkci metanu. Až když přidali polysacharidy izolované přímo ze vzorků mořské vody, nastartovali bakterie, které začaly produkovat ohromné množství metanu.

„Myslíme si, že celý proces lze rozdělit na dvě části. Jeden druh fototrofní bakterie (sinice) produkuje polysacharidy s C-P vazbami, ale nedokáže je využít a další bakterie je sice dokáže využít, ale nedokáže je produkovat. Je to tedy částečně uzavřený systém“, vysvětluje Daniel Repeta.

Repeta spolu s dalším spoluautorem Edwardem DeLongem, mikrobiálním oceánografem z University of Hawaii, začal zkoumat, jak bakterie metabolizují rozpuštěnou organickou hmotu. S využitím tzv. metagenomiky  DeLong charakterizoval všechny geny, které dokázal ve vzorku mořské vody identifikovat. Nalezl geny zodpovědné za rozštěpení C-P vazeb, které umožňují bakteriím získat velmi důležitý fosfor. V další fázi se dokonce podařilo izolovat heterotrofní bakterii z rodu Pseudomonas, schopnou rozkládat polysacharidy a tím uvolňovat metan. Pokud byl gen zodpovědný za rozštěpení C-P vazby aktivní, umožnil mikroorganismu, který ho produkoval, získat vzácnou, ale nezbytnou živinu - fosfor. V oceánu je nouze po minerální formě fosforu, která je pro mikroorganismy nejlépe dostupná. Pokud však mikroorganismy mají této formy v prostředí málo, musí si hledat alternativní zdroje v podobě organicky vázaného fosforu.

I když tato studie potvrzuje fakt, že bakterie dokáží využívat organicky vázaný fosfor a odštěpují ho z molekul polysacharidů, jedná se o velmi energeticky náročný proces. Pokud budou mít bakterie možnost vybrat si mezi rozštěpením pevných C-P vazeb nebo vzít volně rozpustný fosfát, jednoznačně sáhnou po fosfátu. Pokud však  není volný fosfát dostupný, musí hledat alternativní cestu, např. v podobě štěpení organických C-P vazeb. Mimoděk při tom bakterie vytvářejí i metan.

„Představme si to jako bufet“, vysvětluje Daniel Repeta. „Když jste mikroorganismus, anorganické živiny jako fosfát jsou něco jako ovoce, maso a všechny ty dobroty, které máme na dosah. Organické živiny jsou něco jako zbytky jater. Nechcete je moc jíst, ale když máte hlad, sníte s chutí i je. Bakteriím trvá roky, než si zvyknou jíst organický fosfor u hladin oceánů. Nevíme jistě proč tomu tak je, ale pokud jsou naše domněnky správné, objevili jsme další unikátní a dosud nepopsaný proces“, dodává Repeta.

Autor: Ing. Jiří Bárta, Ph.D.

Líbil se Vám tento článek? Doporučte jej svým známým.

Použité zdroje:

Woods Hole Oceanographic Institution. "Mysterious source of greenhouse gas methane in ocean explained." ScienceDaily. ScienceDaily, 17 November 2016. <www.sciencedaily.com/releases/2016/11/161117145241.htm>.

Daniel J. Repeta, Sara Ferrón, Oscar A. Sosa, Carl G. Johnson, Lucas D. Repeta, Marianne Acker, Edward F. DeLong, David M. Karl. Marine methane paradox explained by bacterial degradation of dissolved organic matter. Nature Geoscience, 2016; DOI: 10.1038/ngeo2837