Ontdek de microben: Wat een opwarmend moeras onthult over de toekomstige koolstofbalans van de aarde

Een luchtfoto van het SPRUCE-experiment.

Tussen een derde en de helft van al het koolstof in de bodem op aarde is opgeslagen in veengebieden, zegt Joel Kostka, Tom en Marie Patton Distinguished Professor. Deze wetlands, gevormd uit lagen verrotte plantenmaterie, strekken zich uit van de Arctic tot de tropen, ondersteunen biodiversiteit en reguleren het wereldwijde klimaat.

“Veenlanden zijn essentiële koolstofopslagplaatsen, maar naarmate de temperaturen stijgen, loopt deze koolstof het risico als koolstofdioxide en methaan te worden vrijgegeven,” zegt Kostka, die ook de associate chair voor Onderzoek aan de School of Biological Sciences is en de directeur van Georgia Tech voor Georgia’s Tomorrow. Het begrijpen van de verhouding tussen koolstofdioxide en methaan is van cruciaal belang, voegt hij eraan toe, omdat, hoewel beide broeikasgassen zijn, methaan aanzienlijk krachtiger is.

Kostka is de corresponderende auteur van een nieuwe studie die onthult hoe en waarom veengebieden koolstofdioxide en methaan produceren. Het onderzoek, getiteld “Noordelijke veengebieden vertonen weerstand tegen opwarming en verwerven elektronenacceptoren uit organische stof in de bodem,” werd deze zomer gepubliceerd in Nature Communications en werd geleid door de co-eerste auteurs Borja Aldeguer-Riquelme, een postdoctorale onderzoeksmedewerker in het Environmental Microbial Genomics Laboratory, en Katherine Duchesneau, een promovenda aan de School of Biological Sciences.

De studie bouwt voort op een decennium van onderzoek aan het Spruce and Peatland Responses Under Changing Environments (SPRUCE) experiment van het Oak Ridge National Lab, een langlopend onderzoeksproject in Minnesota dat onderzoekers in staat stelt hele secties van wetlands van boomtop tot moerasbodem te verwarmen.

“In de afgelopen 10 jaar hebben we aangetoond dat opwarming in dit grootschalige klimaat experiment de productie van broeikasgassen verhoogt,” zegt Kostka. “Maar terwijl opwarming het moeras meer methaan laat produceren, observeren we nog steeds veel meer CO2-productie dan methaan. In dit artikel zetten we een belangrijke stap in het ontdekken waarom—en beschrijven we de mechanismen die bepalen welke gassen worden vrijgegeven en in welke hoeveelheden.”

Het methaanmysterie

De beperkte methaanproductie in veengebieden is een langdurig mysterie. In waterverzadigde wetlands is zuurstof schaars, maar microben moeten nog steeds ademhalen—een soort ‘ademhaling’ die hen in staat stelt energie te produceren voor metabolische functies. Zonder zuurstof gebruiken microben nitraat, sulfaat of metalen om te ademen—en stoten ze daarbij koolstofdioxide uit. Als deze ingrediënten echter niet aanwezig zijn, ‘ademen’ microben op een manier die methaan vrijgeeft.

Aangezien nitraat, sulfaat en metalen relatief zeldzaam zijn in veengebieden, zou methaanproductie de meest waarschijnlijke route moeten zijn, maar verrassend genoeg tonen waarnemingen het tegendeel aan. “Bij zowel veldwerk als laboratoriale experimenten produceren veengebieden veel meer koolstofdioxide dan methaan,” legt Kostka uit. “Het is verwarrend omdat de bodemomstandigheden methaanproductie zouden moeten domineren.”

Om dit mysterie op te lossen, gebruikte het team een reeks geavanceerde genetische tools genaamd “omics”—metagenomics (studie van DNA), metatranscriptomics (studie van RNA), en metabolomics (een techniek die wordt gebruikt om de “overblijfselen” van metabolisme te bestuderen), wat een gedetailleerd inzicht biedt in de microbiele “motor” die organische stof in wetlands cyclus. Het gaf ook een nieuw inzicht in de diversiteit van bodemmicroben in wetlands: 80% van de organismen die in de studie werden geïdentificeerd, waren nieuw op het geslacht-niveau.

‘Omics’ innovaties

Gedurende meerdere jaren verzamelde het team monsters van een veengebied dat was ingesloten in een experimentele kamer die langzaam werd verwarmd, en analyseerde vervolgens de monsters met behulp van omics om te zien hoe ze veranderden. Aanvankelijk hypotheseerden ze dat het verwarmen van de bodem ervoor zou zorgen dat microbiele gemeenschappen snel zouden veranderen.

“Microben kunnen snel evolueren en groeien,” zegt Kostka. “Maar dat gebeurde niet.”

De DNA-gebaseerde methoden toonden aan dat hoewel de microbiele gemeenschappen grotendeels stabiel bleven, het moeras wel meer broeikasgassen vrijgaf naarmate het opwarmde. Om het metabolische potentieel van de microben te beoordelen, bouwden Duchesneau en Aldeguer-Riquelme microbiele genooms, waarbij ze onderzochten hoe ze de organische stof in veengebieden afbraken en koolstof cyclus.

“We ontdekten dat de microbiele activiteit toeneemt met opwarming, maar de groeireactie van microbiele gemeenschappen achterblijft bij deze veranderingen in fysiologische of metabolische activiteit,” zegt Kostka. Hij waarschuwt dat dit niet noodzakelijk betekent dat wetlands gemeenschappen niet zullen veranderen naarmate het klimaat opwarmt—alleen dat deze verschuivingen misschien achterblijven bij metabolische veranderingen.

Een diversiteit aan ontdekkingen

En het methaan? Het team gelooft dat microben organische stof afbreken om toegang te krijgen tot de belangrijkste ingrediënten voor de productie van koolstofdioxide—nitraat, sulfaat en metalen—hoewel er momenteel meer onderzoek wordt gedaan om dit te onderzoeken.

“Dit soort geïntegreerd omics-onderzoek in bodemsystemen is nog steeds ongelooflijk moeilijk,” zegt Kostka. De uitdaging is veelzijdig: het onderzoek maakt gebruik van jarenlange experimenten, langlopende datasets, geavanceerde laboratoriumtechnieken en innovaties in veldwerk.

Bij SPRUCE zijn de experimentele kamers ongeveer 1.000 vierkante voet groot. Hoewel het een indrukwekkende experimentele opstelling is, moeten onderzoekers nog steeds voorzichtig zijn: “We moeten jarenlang bodemmonsters nemen, dus als we er te veel nemen, blijft er geen bodem over,” legt Kostka uit. “Een deel van ons onderzoek houdt in dat we betere, niet-destructieve monstermethoden ontwikkelen.”

De andere uitdaging ligt in wat deze veengebieden zo uniek maakt: het is erg moeilijk om kleine veranderingen te detecteren vanwege de enorme diversiteit aan aanwezige organismen. “Elke keer dat we dit soort onderzoek uitvoeren, leren we meer over deze ongelooflijke systemen,” zegt hij. “Er is altijd iets nieuws.”