Metano, un composto chimico con la formula molecolare CH ₄ , non è solo un potente gas serra, ma anche un'importante fonte di energia. Riscalda le nostre case, e persino i microbi dei fondali marini ci guadagnano da vivere. I microbi utilizzano un processo chiamato ossidazione anaerobica del metano (AOM), che accade comunemente nel fondo marino nelle cosiddette zone di transizione solfato-metano, strati nel fondo marino dove il solfato dell'acqua di mare incontra il metano dal sedimento più profondo. Qui, microrganismi specializzati, gli archea anaerobicamente ossidanti il ​​metano (ANME), consumare il metano. Vivono in stretta associazione con i batteri, che utilizzano gli elettroni rilasciati durante l'ossidazione del metano per la riduzione del solfato. Per questo scopo, questi organismi formano consorzi caratteristici.

Questo processo avviene a livello globale nel fondo marino e quindi è una parte importante del ciclo del carbonio. Però, studiare il processo AOM è impegnativo perché la reazione è molto lenta. Per la sua indagine, i ricercatori usano spesso un talento chimico:i rapporti isotopici stabili nel metano. Ma sfortunatamente, questi isotopi non si comportano sempre come previsto, che ha portato a una seria confusione sul ruolo e sulla funzione dei microbi coinvolti. Ora i ricercatori del Max Planck Institute for Marine Microbiology e del MARUM—Center for Marine Environmental Sciences in Germania, insieme ai colleghi del Weizmann Institute of Science in Israele, hanno risolto questo enigma degli isotopi e hanno pubblicato i loro risultati sulla rivista Progressi scientifici . Questo apre la strada a una migliore comprensione dell'importante processo di ossidazione anaerobica del metano.

Gli isotopi rivelano le vie di reazione

Il puzzle e la sua soluzione nel dettaglio:Gli isotopi sono diverse "versioni" di un elemento con masse diverse. Gli isotopi di un elemento hanno lo stesso numero di protoni (particelle cariche positivamente) nel nucleo e quindi la stessa posizione nella tavola periodica (iso topos =greco, stesso posto). Però, differiscono per il numero di neutroni (particelle neutre) nel nucleo. Per esempio, il carbonio ha due isotopi stabili, l'accendino ¹² C e il più pesante ¹³ C. Inoltre, c'è il noto isotopo radioattivo ¹⁴ C, una specie di carbonio molto rara che viene utilizzata per determinare l'età dei materiali contenenti carbonio. Sebbene le proprietà chimiche dei due isotopi stabili siano identiche, la differenza di massa si traduce in diverse velocità di reazione. Quando i composti chimici reagiscono, quelli con gli isotopi più leggeri di solito vengono convertiti più velocemente, lasciando la variante più pesante nel reagente iniziale. Questo cambiamento nella composizione isotopica è noto come frazionamento isotopico, ed è stato utilizzato per decenni per monitorare le reazioni chimiche. In caso di ossidazione del metano, ciò significa che ¹² Il C-metano viene consumato principalmente, portando ad un arricchimento di 13C nel restante metano. Al contrario, una produzione microbica di metano (metanogenesi) comporterebbe metano particolarmente leggero. "Realtà, però, è sorprendentemente diverso, " Riferisce Gunter Wegener. "Contrariamente alla logica sopra descritta, spesso troviamo metano molto leggero nelle zone di transizione solfato-metano".

La natura non segue il libro di testo:metano leggero nelle zone di transizione solfato-metano

Questo paradosso solleva interrogativi, come ad esempio:il metano non viene consumato lì, ma piuttosto prodotto? E chi, se non i numerosi archaea ANME, dovrebbe essere responsabile di questo? "Nel mio laboratorio, abbiamo la più grande collezione al mondo di culture ANME. Lì potremmo provare a scoprire se e come gli stessi ossidanti del metano potrebbero essere responsabili della formazione di metano leggero, " Continua Wegener. "I primi risultati sono stati sgonfianti:alle alte concentrazioni di solfato che normalmente troviamo nell'acqua di mare, i microrganismi coltivati ​​si sono comportati secondo il libro di testo. Il restante metano è stato arricchito negli isotopi più pesanti." Tuttavia, se gli stessi esperimenti fossero condotti con poco solfato, il metano si è arricchito di 12C, è diventato più leggero. E questo è successo anche se il metano ha continuato a essere consumato allo stesso tempo, un effetto che a prima vista aveva poca logica.

La disponibilità di solfato governa gli effetti degli isotopi in AOM

Quindi come potrebbero spiegare il comportamento insolito degli isotopi del metano? Jonathan Gropp e il suo mentore Itay Halevy del Weizmann Institute of Science in Israele hanno trascorso anni a studiare gli effetti isotopici del metabolismo microbico, inclusa la metanogenesi, una reazione catalizzata dagli stessi enzimi dell'ossidazione anaerobica del metano (AOM). Così, erano i partner ideali per il team di Brema. "Entrambi i processi si basano su una cascata molto simile di sette reazioni, " dice Gropp. "Studi precedenti hanno dimostrato che tutte queste reazioni sono potenzialmente reversibili, il che significa che possono avvenire in entrambe le direzioni. Ogni reazione ha anche i suoi effetti isotopici." Con l'aiuto di un modello, Gropp è stato in grado di dimostrare che, a seconda della quantità di solfato disponibile, le reazioni parziali possono essere invertite a vari livelli. Ciò potrebbe quindi portare alla situazione in cui gli isotopi pesanti non vengono lasciati indietro come al solito ma sono bloccati nella catena di reazione, mentre gli isotopi leggeri vengono ricondotti al metano. "I microbi vogliono eseguire la reazione, ma sono limitati a farlo a causa delle basse concentrazioni di solfato, " spiega Gropp, aggiungendo che "Il nostro modello progettato si adatta molto bene agli esperimenti sugli isotopi".

Le lunghe ore in laboratorio e davanti al computer hanno ripagato i ricercatori. Con il loro studio, Wegener, Gropp e i loro colleghi potrebbero mostrare come risulta l'AOM ¹³ Metano C-impoverito. Gli esperimenti con poco solfato in particolare riflettono bene le condizioni nell'habitat naturale dei microrganismi, le zone di transizione solfato-metano nel fondale marino. Là, i microrganismi spesso prosperano solo con poco solfato, come negli esperimenti a basso contenuto di solfati. "Ora sappiamo che gli ossidanti del metano possono essere responsabili dell'accumulo di isotopi leggeri nel metano nelle zone di transizione solfato-metano. La metanogenesi non è necessaria per questo. Come sospettavamo, gli ANME sono ossidanti di metano, "conclude Marcus Elvert, ultimo autore del presente studio. Ora i ricercatori sono pronti per il prossimo passo e vogliono scoprire se altre reazioni mostrano effetti isotopici simili.