Понимание биологических, химических и геологических процессов, в которых участвуют микробы, имеет решающее значение для понимания и прогнозирования глобального климата, выбросов парниковых газов, переноса питательных веществ и других природных явлений.Исследователи, изучающие эти процессы в Аргоннской национальной лаборатории Министерства энергетики (DOE), обнаружили, что на эти микробные сообщества в значительной степени влияют типы доступных углеродных «пищевых» источников.
Их результаты, опубликованные в журнале PLOS ONE, показывают, что тип источника углерода влияет не только на состав и активность естественных микробных сообществ, но и, в свою очередь, на типы минеральных продуктов, которые образуются в их окружающей среде.«Наше исследование демонстрирует тесную связь между биологическими системами и окружающей средой, две вещи, которые большинство людей рассматривали бы отдельно», — сказал аргоннский микробиолог Дион Антонопулос, соавтор исследования. «Мы проиллюстрировали, что по мере того, как микроорганизмы изменяют свою среду, их среда влияет на тип микроорганизмов, которые там находятся, и на их активность».Для своего анализа исследователи сосредоточились на микробных сообществах, обнаруженных под поверхностью Земли, которые осуществляют анаэробное дыхание — химический процесс высвобождения энергии из углеродных «пищевых» источников, который происходит посредством сложной серии реакций в бескислородной среде.
Бактерии поглощают углерод и выделяют в окружающую среду различные побочные химические продукты; некоторые побочные продукты этого процесса изменяют минералы, обнаруженные в окружающей среде.Исследователи взяли именно эти микробные сообщества и представили им один из трех источников углерода: глюкозу, шестиуглеродный сахар; лактат, четырехуглеродное соединение; или ацетат, простое двухуглеродное соединение.«В дополнение к выбору ацетата, лактата и глюкозы из-за их относительного диапазона сложности, мы выбрали их, потому что они представляют типы молекул углерода, обнаруживаемых в различной степени в подземных средах», — сказал аргоннский физик Кеннет Кемнер, соавтор -автор исследования.После предоставления бактериям этих трех источников пищи исследователи провели недели, отслеживая и измеряя изменения в этих системах.
Среди прочего, они измерили количество и скорость, с которой глюкоза, лактат и ацетат использовались бактериями, минеральные побочные продукты, которые образовывались в их среде, и типы микробов, которые присутствовали каждый раз.«Изучение роста микробных сообществ — это то, на чем сосредоточились многие исследователи, но тот факт, что мы объединяем это с изучением изменений в химии этих систем, и делаем это очень синхронно, — вот что заставляет эту работу роман ", — сказал аргоннский биогеохимик Эд О’Лафлин, еще один соавтор исследования.Параллельный анализ этих данных позволил исследователям увидеть, какие типы микробов стали более или менее многочисленными при определенных условиях окружающей среды. Совпадение этих данных также позволило им наблюдать, как микробные сообщества менялись вместе с изменениями условий окружающей среды с течением времени.
«В прошлых исследованиях использовалось только несколько образцов, и измерялись изменения только в нескольких точках времени, например в начальном и конечном состоянии. В нашем случае мы собрали данные по гораздо большему количеству точек во времени, помогая лучше охарактеризовать реакцию система с течением времени ", — сказал О’Лафлин.Их анализ показал, что при воздействии на микробы среды, богатой лактатом или ацетатом, постоянно происходила определенная серия изменений.
Однако в среде, богатой глюкозой, они наблюдали различные закономерности изменений.«Мы думаем, что, поскольку глюкоза представляет собой более крупное и сложное соединение, которое можно разбить на множество более простых соединений, это открывает больше химических путей в сообществе, через которые она может быть использована, и что этот разнообразный метаболический потенциал объясняет различные — закономерности, которые мы наблюдаем, — сказал О’Лафлин.
«Выявление тех параметров, которые заставляют микробное сообщество следовать определенной схеме — это направление для будущих исследований», — сказал он.