Metano, un compuesto químico con la fórmula molecular CH ₄ , no es solo un poderoso gas de efecto invernadero, pero también una importante fuente de energía. Calienta nuestras casas e incluso los microbios del fondo marino se ganan la vida con él. Los microbios utilizan un proceso llamado oxidación anaeróbica de metano (AOM), lo que ocurre comúnmente en el lecho marino en las llamadas zonas de transición de sulfato-metano, capas en el lecho marino donde el sulfato del agua de mar se encuentra con el metano del sedimento más profundo. Aquí, microorganismos especializados, las arqueas ANaeróbicamente oxidantes de metano (ANME), consumir el metano. Viven en estrecha asociación con bacterias, que utilizan electrones liberados durante la oxidación del metano para la reducción del sulfato. Para este propósito, estos organismos forman consorcios característicos.

Este proceso tiene lugar a nivel mundial en el lecho marino y, por lo tanto, es una parte importante del ciclo del carbono. Sin embargo, estudiar el proceso de AOM es un desafío porque la reacción es muy lenta. Para su investigación, Los investigadores a menudo usan una habilidad química:las proporciones de isótopos estables en el metano. Pero desafortunadamente, estos isótopos no siempre se comportan como se esperaba, lo que llevó a una seria confusión sobre el papel y la función de los microbios involucrados. Ahora, investigadores del Instituto Max Planck de Microbiología Marina y el Centro MARUM de Ciencias Ambientales Marinas en Alemania, junto con colegas del Instituto de Ciencias Weizmann en Israel, han resuelto este enigma isotópico y han publicado sus resultados en la revista. Avances de la ciencia . Esto allana el camino para una mejor comprensión del importante proceso de oxidación anaeróbica del metano.

Los isótopos revelan vías de reacción

El rompecabezas y su solución en detalle:Los isótopos son diferentes "versiones" de un elemento con diferentes masas. Los isótopos de un elemento tienen el mismo número de protones (partículas con carga positiva) en el núcleo y, por lo tanto, la misma posición en la tabla periódica (iso topos =griego, mismo lugar). Sin embargo, difieren en el número de neutrones (partículas neutras) en el núcleo. Por ejemplo, el carbono tiene dos isótopos estables, el encendedor ¹² C y el más pesado ¹³ C. Además, existe el conocido isótopo radiactivo ¹⁴ C, una especie de carbono muy rara que se utiliza para determinar la edad de los materiales que contienen carbono. Aunque las propiedades químicas de los dos isótopos estables son idénticas, la diferencia de masa da como resultado diferentes velocidades de reacción. Cuando los compuestos químicos reaccionan, los que tienen los isótopos más ligeros generalmente se convierten más rápido, dejando la variante más pesada en el reactivo inicial. Este cambio en la composición isotópica se conoce como fraccionamiento isotópico, y se ha utilizado durante décadas para rastrear reacciones químicas. En el caso de la oxidación del metano, esto significa que ¹² El C-metano se consume principalmente, lo que conduce a un enriquecimiento de 13C en el metano restante. En cambio, una producción microbiana de metano (metanogénesis) resultaría en metano particularmente ligero. "Realidad, sin embargo, es sorprendentemente diferente, "Reporta Gunter Wegener". Contrariamente a la lógica descrita anteriormente, a menudo encontramos metano muy ligero en las zonas de transición de sulfato-metano ".

La naturaleza no sigue el libro de texto:metano ligero en zonas de transición de sulfato-metano

Esta paradoja plantea preguntas, tales como:¿No se consume metano allí? sino más bien producido? Y quien, si no las numerosas arqueas ANME, debería ser responsable de esto? "En mi laboratorio, tenemos la colección de culturas ANME más grande del mundo. Allí podríamos intentar averiguar si los propios oxidantes de metano podrían ser responsables de la formación de metano ligero y cómo, "Wegener continúa." Los primeros resultados fueron desalentadores:a las altas concentraciones de sulfato que normalmente encontramos en el agua de mar, los microorganismos cultivados se comportaron de acuerdo con el libro de texto. El metano restante se enriqueció en los isótopos más pesados ​​". Sin embargo, si se llevaran a cabo los mismos experimentos con poco sulfato, el metano se enriqueció en 12C, se volvió más ligero. Y esto sucedió a pesar de que se siguió consumiendo metano al mismo tiempo, un efecto que a primera vista tenía poca lógica.

La disponibilidad de sulfato gobierna los efectos de los isótopos en la OMA

Entonces, ¿cómo podrían explicar el comportamiento inusual de los isótopos de metano? Jonathan Gropp y su mentor Itay Halevy del Instituto de Ciencias Weizmann en Israel han pasado años estudiando los efectos isotópicos de los metabolismos microbianos, incluida la metanogénesis, una reacción que es catalizada por las mismas enzimas que la oxidación anaeróbica del metano (AOM). Por lo tanto, eran los socios ideales para el equipo ubicado en Bremen. "Ambos procesos se basan en una cascada muy similar de siete reacciones, "dice Gropp." Estudios anteriores han demostrado que todas estas reacciones son potencialmente reversibles, lo que significa que pueden tener lugar en ambas direcciones. Cada reacción también tiene sus propios efectos isotópicos ". Con la ayuda de un modelo, Gropp pudo demostrar que, dependiendo de la cantidad de sulfato disponible, las reacciones parciales se pueden invertir en diversos grados. Esto podría llevar a la situación de que los isótopos pesados ​​no se queden atrás, como es habitual, sino que se atascan en la cadena de reacción. mientras que los isótopos ligeros se canalizan de regreso al metano. "Los microbios quieren realizar la reacción, pero están limitados a hacerlo debido a las bajas concentraciones de sulfato, "explica Gropp, agregando que "Nuestro modelo diseñado se ajusta muy bien a los experimentos de isótopos".

Las largas horas en el laboratorio y frente a la computadora dieron sus frutos a los investigadores. Con su estudio, Wegener, Gropp y sus colegas pudieron mostrar cómo la AOM da como resultado ¹³ Metano empobrecido en C Los experimentos con poco sulfato en particular reflejan muy bien las condiciones en el hábitat natural de los microorganismos, las zonas de transición de sulfato-metano en el fondo marino. Allí, los microorganismos a menudo prosperan con solo un poco de sulfato, como en los experimentos con bajo contenido de sulfato. "Ahora sabemos que los oxidantes de metano pueden ser responsables de la acumulación de isótopos ligeros en el metano en las zonas de transición de sulfato-metano. No se requiere metanogénesis para eso. Como sospechábamos, los ANME son oxidantes de metano, "concluye Marcus Elvert, último autor del estudio actual. Ahora los investigadores están listos para el siguiente paso y quieren saber si otras reacciones muestran efectos isotópicos similares.