Metano, um composto químico com a fórmula molecular CH ₄ , não é apenas um poderoso gás de efeito estufa, mas também uma importante fonte de energia. Aquece nossas casas, e até mesmo micróbios do fundo do mar vivem disso. Os micróbios usam um processo chamado oxidação anaeróbica do metano (AOM), o que acontece comumente no fundo do mar nas chamadas zonas de transição sulfato-metano - camadas no fundo do mar onde o sulfato da água do mar encontra o metano dos sedimentos mais profundos. Aqui, microorganismos especializados, a arquea oxidante de metano ANaerobicamente (ANME), consumir o metano. Eles vivem em estreita associação com bactérias, que usam elétrons liberados durante a oxidação do metano para a redução do sulfato. Para este propósito, esses organismos formam consórcios característicos.

Este processo ocorre globalmente no fundo do mar e, portanto, é uma parte importante do ciclo do carbono. Contudo, estudar o processo de AOM é desafiador porque a reação é muito lenta. Para sua investigação, os pesquisadores costumam usar uma habilidade química:as razões de isótopos estáveis ​​no metano. Mas infelizmente, esses isótopos nem sempre se comportam como esperado, o que levou a uma séria confusão sobre o papel e a função dos micróbios envolvidos. Agora, pesquisadores do Instituto Max Planck de Microbiologia Marinha e do MARUM - Centro de Ciências Ambientais Marinhas na Alemanha, juntamente com colegas do Instituto Weizmann de Ciência em Israel, resolveram este enigma de isótopos e publicaram seus resultados no jornal Avanços da Ciência . Isso abre caminho para uma melhor compreensão do importante processo de oxidação anaeróbia do metano.

Isótopos revelam vias de reação

O quebra-cabeça e sua solução em detalhes:os isótopos são "versões" diferentes de um elemento com massas diferentes. Os isótopos de um elemento têm o mesmo número de prótons (partículas carregadas positivamente) no núcleo e, portanto, a mesma posição na tabela periódica (iso topos =grego, mesmo lugar). Contudo, eles diferem no número de nêutrons (partículas neutras) no núcleo. Por exemplo, o carbono tem dois isótopos estáveis, O isqueiro ¹² C e o mais pesado ¹³ C. Além disso, existe o familiar isótopo radioativo ¹⁴ C, uma espécie de carbono muito rara que é usada para determinar a idade de materiais portadores de carbono. Embora as propriedades químicas dos dois isótopos estáveis ​​sejam idênticas, a diferença na massa resulta em diferentes taxas de reação. Quando os compostos químicos reagem, aqueles com os isótopos mais leves são geralmente convertidos mais rápido, deixando a variante mais pesada no reagente inicial. Esta mudança na composição isotópica é conhecida como fracionamento isotópico, e tem sido usado por décadas para rastrear reações químicas. No caso da oxidação do metano, Isso significa que ¹² O C-metano é consumido principalmente, levando a um enriquecimento de 13C no metano remanescente. Por outro lado, uma produção microbiana de metano (metanogênese) resultaria em metano particularmente leve. "Realidade, Contudo, é surpreendentemente diferente, "Relatórios Gunter Wegener." Ao contrário da lógica descrita acima, frequentemente encontramos metano muito leve nas zonas de transição sulfato-metano. "

A natureza não segue o livro didático:Metano leve em zonas de transição de sulfato-metano

Este paradoxo levanta questões, tais como:O metano não é consumido lá, mas sim produzido? E quem, se não as numerosas arquéias ANME, deve ser responsável por isso? "No meu laboratório, temos a maior coleção do mundo de culturas ANME. Lá poderíamos tentar descobrir se e como os próprios oxidantes de metano poderiam ser responsáveis ​​pela formação de metano leve, "Wegener continua." Os primeiros resultados foram desinflantes:nas altas concentrações de sulfato que normalmente encontramos na água do mar, os microrganismos cultivados se comportaram de acordo com o livro didático. O metano restante foi enriquecido nos isótopos mais pesados. "No entanto, se os mesmos experimentos foram realizados com pouco sulfato, metano foi enriquecido em 12C, ficou mais claro. E isso aconteceu mesmo que o metano continuasse a ser consumido ao mesmo tempo - um efeito que à primeira vista tinha pouca lógica.

A disponibilidade de sulfato governa os efeitos dos isótopos na OMA

Então, como eles poderiam explicar o comportamento incomum dos isótopos de metano? Jonathan Gropp e seu mentor Itay Halevy do Weizmann Institute of Science em Israel passaram anos estudando os efeitos dos isótopos do metabolismo microbiano, incluindo metanogênese - uma reação que é catalisada pelas mesmas enzimas que a oxidação anaeróbica do metano (OMA). Assim, eles foram os parceiros ideais para a equipe localizada em Bremen. "Ambos os processos são baseados em uma cascata muito semelhante de sete reações, ", diz Gropp." Estudos anteriores mostraram que todas essas reações são potencialmente reversíveis, o que significa que eles podem ocorrer em ambas as direções. Cada reação também tem seus próprios efeitos isotópicos. "Com a ajuda de um modelo, Gropp foi capaz de mostrar que, dependendo de quanto sulfato está disponível, as reações parciais podem ser revertidas em vários graus. Isso pode levar à situação de que os isótopos pesados ​​não são deixados para trás como de costume, mas ficam presos na cadeia de reação, enquanto os isótopos leves são canalizados de volta para o metano. "Os micróbios querem realizar a reação, mas estão limitados a fazê-lo por causa das baixas concentrações de sulfato, "explica Gropp, acrescentando que "Nosso modelo projetado se encaixa muito bem nos experimentos de isótopos."

As longas horas no laboratório e na frente do computador valeram a pena para os pesquisadores. Com seu estudo, Wegener, Gropp e seus colegas poderiam mostrar como AOM resulta em ¹³ Metano empobrecido em C. Os experimentos com pouco sulfato em particular refletem bem as condições no habitat natural dos microorganismos, as zonas de transição sulfato-metano no fundo do mar. Lá, os microrganismos muitas vezes prosperam com apenas um pouco de sulfato, como nos experimentos com baixo teor de sulfato. "Agora sabemos que os oxidantes do metano podem ser responsáveis ​​pelo acúmulo de isótopos leves no metano nas zonas de transição sulfato-metano. A metanogênese não é necessária para isso. Como suspeitamos, o ANME são oxidantes de metano, "conclui Marcus Elvert, último autor do presente estudo. Agora os pesquisadores estão prontos para a próxima etapa e querem descobrir se outras reações mostram efeitos isotópicos semelhantes.