Poden els bacteris que consumeixen metà en zones seques ajudar-nos a reduir els gasos d’efecte hivernacle?
Open PDF in new window.
Angela Lafuente 1,2, Concha Cano-Díaz1*
1 Departamento de Biología y Geología, Física y Química Inorgánica, Escuela Superior de Ciencias Experimentales y Tecnología, Universidad Rey Juan Carlos, Móstoles, Spain2 College of Forest Resources and Environmental Science, Michigan Technological University, Houghton, MI, United States, Singapore
Què és una zona eixuta? El primer que pot venir al cap és un lloc semblant a un desert on res hi pot viure ni créixer. Malgrat la manca d’aigua, els ecosistemes de zones eixutes són molt diversos i s’expandiran a causa del canvi climàtic global. La causa principal del canvi climàtic és l’augment dels gasos d’efecte hivernacle a l’atmosfera. Per resoldre això, òbviament necessitem reduir les emissions de gasos d’efecte hivernacle, però l’estudi dels microorganismes a la natura també ens dona pistes emocionants sobre com afrontar el problema del canvi climàtic. Els microorganismes viuen a tots els possibles entorns de la Terra, i afortunadament, alguns d’ells poden consumir gasos d’efecte hivernacle de l’aire com a aliment! En aquest article, descrivim la nostra recerca sobre els sòls del món per identificar bacteris que puguin consumir un dels gasos d’efecte hivernacle més potents, el metà (CH₄). I, contra el que s’esperava, hem trobat que aquests bacteris viuen a zones eixutes arreu del món!
ZONES EIXUTES: L’ECOSISTEMA TERRESTRE MÉS GRAN DE LA TERRA
Les zones eixutes es caracteritzen per una escassa precipitació, de manera que no tenen una vegetació exuberant. Tanmateix, les zones eixutes inclouen una gran varietat d’ecosistemes, des del lloc més sec de la Terra, el desert calent d’Atacama a Xile, fins als boscos d’eucaliptus de fulla perenne d’Austràlia on viuen els coales (Figura 1.1). Els ecosistemes de zones eixutes també acullen un gran nombre d’organismes, molts dels quals són plantes i animals que viuen exclusivament en zones eixutes i s’han adaptat a les condicions extremes. Les zones eixutes són l’ecosistema terrestre més gran, cobrint gairebé la meitat de la superfície terrestre de la Terra (45%) i allotjant més del 40% de la població humana. Això ens demostra per què les zones eixutes són àrees extremadament importants per a la recerca.
Els éssers vius i les substàncies no vives de l’entorn, com les plantes i l’aigua, estan íntimament connectats per cicles naturals. Aquestes substàncies no vives es coneixen com a factors abiòtics. L’aigua és crucial per a tots els processos relacionats amb la vida, des del creixement de les plantes fins al desenvolupament de les comunitats de microorganismes del sòl. Per tant, l’aigua és el factor abiòtic més important en un ecosistema. Mesurem la disponibilitat d’aigua en un ecosistema mitjançant una mesura anomenada aridesa, una relació matemàtica entre la quantitat de precipitació (pluja, boira o neu) i l’evaporació d’aigua. Com menys aigua hi hagi disponible, més eixut és un lloc (Figura 1.1).
A les zones eixutes, on l’aigua no sempre està disponible, els cicles naturals entre els éssers vius i les substàncies no vives es veuen profundament afectats. Quan no plou i la humitat baixa, els cicles del carboni (C) i el nitrogen (N) en resulten afectats, reduint l’abundància d’aquests elements al sòl, la qual cosa impacta en les plantes, animals i microorganismes. Tot això fa que les zones eixutes siguin extremadament vulnerables al canvi climàtic actual.
BACTERIS DEL SÒL I METÀ
La Terra està envoltada per una capa gasosa anomenada atmosfera, que ens protegeix de la radiació solar i ajuda a mantenir la temperatura global de la Terra. Els components principals de l’atmosfera són el nitrogen (78%) i l’oxigen (21%), però també hi ha molts altres gasos. Alguns gasos atmosfèrics, com el diòxid de carboni (CO₂) i el vapor d’aigua, són gasos d’efecte hivernacle, anomenats així perquè atrapen la calor del Sol, funcionant com el vidre d’un hivernacle. Els gasos d’efecte hivernacle deixen que la llum del Sol arribi a la superfície de la Terra, però impedeixen que la calor surti de l’atmosfera. Aquest atrapament de calor contribueix al canvi climàtic.
El gas d’efecte hivernacle més abundant causat per l’activitat humana és el CO₂, alliberat per la crema de combustibles fòssils. Tanmateix, el segon gas més important en contribuir al canvi climàtic és el metà (CH₄). El metà és una molècula senzilla formada per un àtom de carboni (C) i quatre àtoms d’hidrogen (H). L’efecte de calor d’una molècula de metà és equivalent al de 25 molècules de CO₂, el que el fa un gas d’efecte hivernacle superpotent. El metà es produeix per mitjà de metanògens, un grup de microorganismes que no necessiten oxigen per viure i per tant poden viure en entorns sense oxigen, com els camps d’arròs, els sediments lacustres i les zones humides. Els metanògens també viuen als tractes digestius dels animals, com als estómacs del bestiar i fins i tot en els humans! Els metanògens són responsables dels rots i els pets dels animals! Els metanògens també produeixen metà quan descomponen matèria orgànica, com fulles o fragments de fusta. A més de l’agricultura, altres activitats humanes, com les indústries del petroli i el gas, també alliberen grans quantitats de metà a l’atmosfera [1] (Figura 2).
El metà alliberat a l’atmosfera contribueix enormement al canvi climàtic, i només hi ha un grup d’organismes capaços de consumir-lo: els metanòtrofs. Aquest grup de microorganismes és capaç d’utilitzar el metà com a font de carboni i energia. Aquests microorganismes bàsicament mengen metà (Figura 2)! A les zones eixutes, la producció de metà és baixa a causa de la manca d’aigua (recordeu que els metanògens normalment viuen en sòls inundats i altres entorns sense oxigen). No obstant això, a causa de l’extensió de les zones eixutes i l’augment global de metà a l’atmosfera, els ecosistemes de zones eixutes podrien ser d’un gran interès si també hi ha metanòtrofs presents i abundants.
COM TROBAR I ESTUDIAR ELS METANÒTROFS
En la nostra recerca, ens interessava saber si els metanòtrofs són comuns als sòls de zones eixutes de tot el món, i si són sensibles a les condicions climàtiques i les propietats del sòl, com la majoria dels microorganismes del sòl. Primer, vam seleccionar 80 llocs de zones eixutes arreu del món (Figura 1.1). A cada lloc, vam recollir informació climàtica, com la temperatura mitjana anual, la precipitació anual i l’aridesa. També vam prendre mostres de sòl i vam analitzar propietats com la quantitat de matèria orgànica (carboni orgànic), el pH i el contingut de sorra (Figura 1.2). Un alt contingut de matèria orgànica al sòl indica que el sòl és fèrtil, és a dir, que té els nutrients que necessiten les plantes, els animals del sòl i els microorganismes per créixer. L’anàlisi de pH ens diu com d’àcid és el sòl. El pH és un dels factors més importants que regula el creixement de bacteris del sòl. Per exemple, quan els sòls són molt àcids com el vinagre, només poden viure-hi bacteris específics que siguin tolerants a l’àcid. Les partícules de sòl estan molt a prop unes de les altres, però també deixen espais perquè l’aire i l’aigua entrin. La quantitat de sorra, la partícula més gran del sòl, ens indica com són aquests espais de sòl. Així, un alt contingut de sorra vol dir que hi ha espais grans, de manera que l’aire pot entrar fàcilment als sòls, però també l’aigua i els nutrients poden drenar fàcilment.
Per estudiar els metanòtrofs a les nostres mostres de sòl, necessitem la informació genètica (ADN) d’aquests bacteris [2]. Primer, obtenim tot el ADN present a les nostres mostres de sòl, mitjançant un procés anomenat extracció****d’ADN (Figura 1.3). Aquest procés es fa al laboratori utilitzant enzims poderosos que trenquen les cèl·lules sense danyar la informació genètica. Després analitzem l’ADN extret per trobar una regió específica que només està present als metanòtrofs. Aquesta regió del DNA és un gen anomenat pmoA, que conté les instruccions per produir la proteïna que permet als metanòtrofs menjar metà atmosfèric. Saber la concentració del gen pmoA a cada mostra de sòl ens indica quants metanòtrofs vivien en aquesta mostra (Figura 1.4). Hi ha diverses espècies estretament relacionades de metanòtrofs que tenen tots la mateixa informació genètica, però diferents espècies tenen petites diferències genètiques en el seu ADN, de manera que podem utilitzar l’ADN per identificar diferents metanòtrofs, com una empremta digital (Figura 1.5).
Els nostres estudis d’ADN ens ajuden a obtenir informació sobre l’abundància (nombre total de bacteris d’un tipus determinat presents), la riquesa (nombre de tipus diferents de bacteris presents) i l’estructura de la comunitat (els diferents tipus de bacteris i l’abundància de cada tipus) dels metanòtrofs de cada mostra de sòl (Figura 3). Després, utilitzem les matemàtiques per esbrinar quines condicions de sòl o clima són les més importants per als metanòtrofs (Figura 1.6)
ON VIUEN ELS METANÒTROFS
No estàvem segurs de si trobaríem metanòtrofs a les zones eixutes, ja que aquests microorganismes necessiten metà per viure i les zones eixutes no són els ecosistemes típics per a la producció de metà. Per tant, trobar metanòtrofs en totes les nostres mostres de sòl de zones eixutes va ser un descobriment extraordinari! Ara podem afirmar que els metanòtrofs estan distribuïts a les zones eixutes de forma global. Sorprenentment, també vam trobar alguns metanòtrofs que normalment es troben en llocs humits, com Dinamarca, Escòcia o Nova Zelanda.
També vam descobrir que, a les zones eixutes, la temperatura mitjana anual i l’aridesa no són les condicions principals que influencien l’abundància i la riquesa dels metanòtrofs. L’abundància i la riquesa poden estar impulsades per altres factors com la precipitació. No obstant això, factors climatics com la temperatura mitjana anual, la precipitació, l’aridesa i les propietats del sòl, la matèria orgànica, el pH i el contingut de sorra, van afectar l’estructura de les comunitats de metanòtrofs. Per exemple, temperatures més altes van fer augmentar l’abundància de certs metanòtrofs que són resistents al calor. En altres paraules, les comunitats poden contenir més metanòtrofs resistents a la calor en zones eixutes amb temperatures més altes. Les condicions climàtiques també poden afectar les propietats del sòl, per exemple, afavorint la descomposició de les roques, la qual cosa augmenta el contingut de sorra, o modificant el pH i la matèria orgànica del sòl. Aquestes propietats del sòl afecten la quantitat d’aire que pot entrar al sòl, la qual cosa vam trobar que és molt important per a l’estructura de les comunitats de metanòtrofs.
EL QUE HEM APRÈS DELS METANÒTROFS A LES ZONES EIXUTES
Com vam descobrir, els metanòtrofs són abundants i àmpliament distribuïts a les zones eixutes de tot el món. Tant el clima com el sòl afecten les comunitats de metanòtrofs. A més, vam trobar que l’estructura de la comunitat de bacteris que mengen metà depenia en gran mesura de les condicions climàtiques, com la quantitat de precipitació i la temperatura, així com de les característiques del sòl i com el contingut orgànic del sòl.
Degut al fet que hem trobat que el clima influeix en els metanòtrofs, esperem que el canvi climàtic en curs modifiqui les comunitats de metanòtrofs en els pròxims anys, afectant el consum de metà atmosfèric. Fins ara, sabíem que els metanòtrofs vivien en llocs freds i humits, els quals probablement es veuran afectats pel canvi climàtic. La gran extensió de terreny que cobreixen les zones eixutes i els molts metanòtrofs que contenen podrien fer que aquestes àrees siguin molt importants en el futur per a consumir metà atmosfèric. En altres paraules, els bacteris de les zones eixutes poden ajudar-nos a reduir els gasos d’efecte hivernacle! Cuidar bé les zones eixutes ara i seguir estudiant les meravelles amagades que contenen és crucial per afrontar el nostre futur planeta més càlid. Els bacteris que mengen metà a les zones eixutes poden ajudar-nos!
GLOSSARI
ABIÒTIC
Factors no vius de l’entorn com la temperatura, l’aigua i la quantitat de llum.
ARIDESA
Relació matemàtica entre la quantitat de precipitació (pluja, boira o neu) i l’evaporació d’aigua. Descriu com de deficient és l’aigua en un ecosistema.
ABUNDÀNCIA
Nombre total d’un tipus determinat d’individus presents en un ambient.
METANÒGENS
Grup de microorganismes que no necessiten oxigen per viure i poden viure en entorns sense oxigen. Produeixen metà mentre descomponen matèria orgànica, com fulles o fragments de fusta.
METANÒTROFS
Grup de microorganismes que no necessiten oxigen per viure i poden viure en entorns sense oxigen. Produeixen metà mentre descomponen matèria orgànica, com fulles o fragments de fusta.
EXTRACCIÓ D’ADN
Procediment de laboratori en què es trenquen les cèl·lules per alliberar el material genètic (ADN) que contenen, sense danyar el ADN.
RIQUESA
Nombre de diferents espècies (de tipus diferents) d’organismes presents en un ambient.
ESTRUCTURA DE COMUNITAT
La combinació de riquesa i abundància en una comunitat.
ORIGINAL ARTICLE
Lafuente, A., Bowker, M. A., Delgado-Baquerizo, M., Durán, J., Singh, B. K., and Maestre, F. T. 2019. Global drivers of methane oxidation and denitrifying gene distribution in drylands. Glob. Ecol. Biogeogr. 28:1230–43. doi: 10.1111/geb.12928
REFERÈNCIES
[1] Cadena, S., Cervantes, F., Falcón, L., and García-Maldonado, J. 2019. The role of microorganisms in the methane cycle. Front. Young Minds 7:133. doi: 10.3389/frym.2019.00133
[2] Schallenberg, L., Wood, S., Pochon, X., and Pearman, J. 2020. What can DNA in the environment tell us about an ecosystem? Front. Young Minds 8:150. doi: 10.3389/frym.2019.00150
EDITOR: Rémy Beugnon, German Centre for Integrative Biodiversity Research (iDiv), Germany
SCIENCE MENTOR: Luisa Falcon
CITATION: Lafuente A and Cano-Díaz C (2021) Can Methane-Eating Bacteria in Drylands Help Us Reduce Greenhouse Gases?. Front. Young Minds. 9:556361. doi: 10.3389/frym.2021.556361
**CONFLICT OF INTEREST: **The authors declare that the research was conducted in the absence of any commercial or financial relationships that could be construed as a potential conflict of interest.
COPYRIGHT © 2021 Lafuente and Cano-Díaz. This is an open-access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution License (CC BY). The use, distribution or reproduction in other forums is permitted, provided the original author(s) and the copyright owner(s) are credited and that the original publication in this journal is cited, in accordance with accepted academic practice. No use, distribution or reproduction is permitted which does not comply with these terms.
REVISORS JOVES
SEBASTIAN, AGE: 10
M’agraden els esports, llegir, les matemàtiques i els animals.
AUTORS
ANGELA LAFUENTE
Actualment sóc investigadora postdoctoral a la Michigan Technological University, treballant en el cicle del carboni en torberes tropicals. Sóc ecòlega i m’interessa entendre com el canvi global afecta els microorganismes del sòl i els fluxos de gasos d’efecte hivernacle. En el meu temps lliure, gaudeixo de la natura fent excursions, anant en bicicleta o esquiant. *ellyon.diebrunnen@gmail.com
CONCHA CANO-DÍAZ
Sóc biòlegai estic acabant el doctorat a la Universidad Rey Juan Carlos (Espanya). La meva recerca se centra en la distribució i les preferències ecològiques dels cianobacteris del sòl. Actualment estudio els efectes del canvi climàtic i dels processos de formació del sòl en les comunitats de cianobacteris arreu del món. M’encanta fer il·lustracions científiques i, en el meu temps lliure, gaudeixo tocant l’ukulele i cantant al cor.
TRADUCTORA
SANDRA VARGA
La Sandra és Professora Associada a la Universitat de Lincoln, el Regne Unit. A part d’impartir classes en biologia, fa recerca investigant les relacions entre les plantes i el sòl per entendre com el canvi climàtic està afectant aquestes interaccions, i investiga com els microbis del sòl poden contribuir a la producció de plantes d’una manera més sostenible.
FUNDING (TRANSLATION)
The team Translating Soil Biodiversity acknowledges support of the German Centre for integrative Biodiversity Research (iDiv) Halle-Jena-Leipzig funded by the German Research Foundation (DFG FZT 118, 202548816).
CITATION (TRANSLATION)
This is an open-access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution License (CC-BY 4.0). The use, distribution or reproduction in other forums is permitted, provided the original author(s) and the copyright owner(s) are credited and that the original publication in this journal is cited, in accordance with accepted academic practice. No use, distribution or reproduction is permitted which does not comply with these terms.
Recommended citation format: Lafuente A and Cano-Díaz C (2025) Can Methane-Eating Bacteria in Drylands Help Us Reduce Greenhouse Gases? (Catalan translation: Sandra Varga). Translating Soil Biodiversity & Front. Young Minds. Originally published in 2021, doi: 10. 3389/frym.2021.556361
Figures
Figura 1: Els mètodes que seguim per trobar i estudiar els metanòtrofs. Vam seleccionar zones eixutes al voltant del món i vam agafar mostres de sòl (1). Vam analitzar les propietats d’aquest sòls, com el contingut de matèria orgànica i el pH (2). Vam extraure l’informació genètica (ADN) dels bacteris presents en el sòl (3). Estudiant l’ADN, vam obtenir informació sobre l’abundància, riquesa, i l’estructura de la comunitat dels metanòtrofs de cada mostra de sòl (4,5). Llavors, vam utilitzar les matemàtiques per trobar quines eres les condicions climàtiques i del sòl més rellevants pels metanòtrofs (6).
Figura 3: Podem descriure les comunitats microbianes utilitzant tres propietats. L’abundància és el nombre total de bacteris d’un tipus determinat present. La riquesa és el nombre de diferents tipus de bacteris presents en un entorn. L’estructura de la comunitat descriu quants tipus diferents de bacteris hi ha i com n’és d’abundant cadascun.