Мхи при помощи бактерий научились питаться метаном

Торфяные болота – один из основных источников метана, который возникает при анаэробном разложении растительных остатков. Этот метан выделяется в атмосферу и становится самым зловредным парниковым газом. Другое дело, что его намного меньше, поэтому суммарный вклад в парниковый эффект от метана менее существенный, чем от углекислого газа. Последние исследования, опубликованные в журнале Nature Geoscience, объяснили, что ситуация с метаном могла быть и хуже. Однако в торфяниках он не только образуется, но и поглощается. Впитывают его сфагновые мхи, живущие в симбиозе с метанотрофными бактериями.

Команда ученых под руководством Хууба Оп ден Кампа (Huub Op den Camp), доцента Университета Неймегена (Radboud University Nijmegen) в Нидерландах, недавно обнаружила, что сфагнум на восстановленных торфяниках сожительствует с бактериями, окисляющими метан. Для окисления они используют метаносвязывающие монооксигеназы. Бактерии живут на растениях сфагнума и, по-видимому, вступают с ними в кооперацию.

Мхи со всего света

Специалисты провели глобальное исследование: они собрали образцы сфагнума на торфяных болотах Нидерландов, Великобритании, Швеции, Германии, Аргентины, а также в северных регионах России и в Восточной Сибири. В каждом болоте мхи собирали в трех разных местах: в низинах, на кочках и под водой. Скорость окисления метана несколько различалась в разных географических регионах, но везде наблюдалась закономерность: в сфагновых мхах, растущих под водой, она максимальна (80 μmol CH₄ в день на грамм сухого веса), а у наземного сфагнума значительно ниже. Кроме того, скорость окисления метана зависела от температуры: она вдвое выше при +20ºС, чем при +10ºС, а нижний предел составляет +4ºС (для сфагнумов, собранных на севере Сибири).

В болотах Аргентины экологи измерили выделение метана до и после удаления слоя сфагнового мха. Оказалось, что такая операция увеличивает эмиссию метана в пять раз. Это доказывает, что метанотрофные бактерии на сфагнуме фактически создают фильтр, снижающий поступление метана в атмосферу.

Проверка продолжилась в лаборатории. К растущему сфагнуму добавили ингибитор монооксигеназы -- ацетилен. Окисление метана сразу прекратилось, что убедительно доказывает его бактериальную природу.

Одним дом – другим углерод

Бактерии используют мох как субстрат, на котором могут удобно располагаться по градиенту метана и кислорода в болоте. Они предпочитают именно растения, а не свободную воду. А выгоду, которую получает сфагнум, ученые доказали с помощью следующих экспериментов.

Они пометили метан стабильным изотопом углерода ¹³C и культивировали сфагнум в воде в присутствии такого метана. При помощи масс-спектрометрического анализа меченый углерод обнаружили в липидах бактерий (в гопаноидах -- пентациклических веществах, сходных со стероидами), а также в фитостеролах и в хлорофилле типа А в сфагнуме. Результат свидетельствует, что углерод из метана посредством бактерий встраивается в ткань мхов.

Метан поглощается под водой

Интересно, что в контрольном эксперименте, в котором сфагнум выращивали на воздухе, меченый углерод из метана в него не попадал. Ученые предлагают такое объяснение. Мху на воздухе вполне хватает атмосферного СО₂. Но в воде, хотя концентрация СО₂ даже выше, его диффузия слишком медленна, и растение сталкивается с дефицитом углерода. Поэтому оно начинает использовать СО₂ из окисленного метана. Биологи вычислили, что примерно 35% углерода, аккумулируемого сфагнумом, метанного происхождения. Разница в метаболизме в наземных и погруженных в воду растениях мха говорит о том, что метан интенсивнее утилизируется в болотах с высоким уровнем воды.

Было интересно определить состав бактериальных сообществ, окисляющих метан в торфяниках. Для этого исследователи изучили ДНК сфагнумов из различных мест методом биочипов. Разнообразие метанотрофов во мху, говорят ученые, сравнимо с их разнообразием в почве. Это бактерии родов Methylocystis, Methylosinus, Methylomonas, Methylobacter и Methylomicrobium (последние три найдены везде, кроме Сибири).

Авторы исследования полагают, что утилизация метана в сфагновых мхах снижает его эмиссию и играет немаловажную роль в круговороте углерода и глобальном климате.