Загадочный метан: исследование решает биогеохимическую загадку со дна океана

Ученые из Бремена вместе с американским коллегой обнаружили потенциальные причины неразгаданной тайны из-под морского дна. Их исследование, опубликованное в Nature Geoscience, объясняет, почему метан в зонах его оборота в морских осадках демонстрирует необычные изотопные сигнатуры, долгое время озадачивавшие исследователей. Авторы связывают эту загадку с процессом окисления метана микроорганизмами и предполагают, что это явление может относиться и к другим низкоэнергетическим биогеохимическим реакциям в морской среде.

Анализируя изотопный состав углерода метана в морских осадках, ученые из MARUM и Института морской микробиологии Макса Планка в Бремене столкнулись с необычным феноменом. В зоне, где микроорганизмы окисляют метан, восстанавливая сульфат, не происходит ожидаемого накопления тяжелого изотопа ¹³C в оставшемся метане. Вместо этого они постоянно находят изотопно «легкий» метан, обогащенный ¹²C, в подобных зонах по всему миру. Эти сигнатуры ранее интерпретировались как следствие производства метана, но в зоне его окисления нет других биогеохимических процессов, которые могли бы его производить.

В лабораторных экспериментах, моделирующих микробное окисление метана в условиях, схожих с морским дном, ученые обнаружили ключевую деталь. При низких концентрациях сульфата, типичных для зон окисления метана, действительно происходило образование легкого, обогащенного ¹²C метана. Морские осадки содержат около 500–10 000 Гт углерода в форме метана — объем, сопоставимый с общим количеством углерода в наземной биоте, почвах, атмосфере и морской воде. Благодаря микробному окислению метана в бескислородных осадках на океаны приходится менее двух процентов его атмосферных выбросов.

Исследователи также выяснили, почему легкий метан образуется при низком содержании сульфата. Работая близко к энергетическому пределу жизни, все компоненты реакции окисления метана находятся близко к изотопному равновесию, что заставляет более легкий изотоп ¹²C возвращаться в метан. Ученые пришли к выводу, что такие низкоэнергетические реакции могут происходить и в циклах других элементов в недрах океана, что дает новое понимание адаптации архей к экстремальным условиям глубокой биосферы.