Enthüllung metagenomischer Einblicke in den Kohlenstoffkreislauf

Was ist der mikrobielle Kohlenstoffkreislauf?

Die Erde kann eine erstaunliche jährliche Produktion von über 5 × 10^9 Tonnen Pflanzenrückständen vorweisen, die hauptsächlich aus Polymeren wie Cellulose, Hemicellulose, Polysacchariden und Lignin bestehen. Der Abbau dieser organischen Überreste stellt ein wichtiges Zahnrad im organischen Kohlenstoffhaushalt dar, insbesondere im Bodenorganischen Kohlenstoff (SOC) innerhalb terrestrischer Ökosysteme. SOC repräsentiert das größte Kohlenstoffvorkommen auf der Erdoberfläche, weshalb selbst geringfügige Schwankungen nicht nur Auswirkungen auf die Gemeinschaftszusammensetzung und -funktionalität haben, sondern auch auf die Emissionen von Treibhausgasen, einschließlich CO.₂ und CH₄und die daraus resultierenden globalen Klimadynamiken. Der globale Boden bis zu einer Tiefe von 1 Meter enthält schätzungsweise doppelt so viel SOC (~1550 Pg) im Vergleich zum atmosphärischen Kohlenstoffpool (~708 Pg). Folglich können selbst geringfügige Veränderungen in den globalen Bodenkohlenstoffreserven einen erheblichen Einfluss auf den atmosphärischen Kohlendioxidgehalt (CO₂) Konzentrationen und damit verbunden der Klimawandel. Zentral in diesem komplexen Szenario ist der mikrobielle Abbau von organischem Kohlenstoff im Boden, ein integraler Bestandteil des globalen Kohlenstoffkreislaufs, der die Prozesse der Kohlenstoffspeicherung und -freisetzung beeinflusst und eine entscheidende Rolle bei der Aufrechterhaltung des Kohlenstoffgleichgewichts spielt. Die Untersuchung der mikrobiellen Kohlenstoffabbauprozesse in Böden bietet Lösungen für ein verbessertes Management des organischen Kohlenstoffs im Boden, erhöhte Kohlenstoffvorräte im Boden und die Minderung des Klimawandels durch Verringerung der Kohlenstoffdioxidemissionen. Bemerkenswerterweise sind mikrobielle Kohlenstoffabbauprozesse nicht nur auf Bodenmedien beschränkt; sie erstrecken sich auch auf Gewässer, Sedimente, Deponien, in vivo Pflanzenprozesse und die komplexen Umgebungen des menschlichen und tierischen Verdauungstrakts.

Mikrobieller Kohlenstoffkreislauf. (Wang et al., 2022)

Analyse der Genabbau von Kohlenstoff durch Metagenom-Sequenzierung

Mit der raschen Entwicklung von Hochdurchsatz-Sequenzierungstechnologiekönnen Forscher nun umfassend Kohlenstoffabbau-Gene erforschen, indem sie Methoden wie MetagenomikDiese Technologie erweitert unser Verständnis des Kohlenstoffkreislaufs und der Dynamik von Ökosystemen schnell.

• Charakterisierung von Kohlenstoffabbaugenen: Wissenschaftler können nun Umweltproben untersuchen, um die Verteilung, Vielfalt und Funktion von Kohlenstoffabbaugenen in Ökosystemen zu entschlüsseln und deren Einfluss auf die Stabilität von Ökosystemen und den Kohlenstoffkreislauf zu beleuchten.
• Entdeckung unkultivierter Mikroorganismen: Die Technologie ermöglicht die Entdeckung unkultivierter Mikroorganismen mit potenziellen Kohlenstoffabbau-Funktionen aus verschiedenen Umgebungen und vertieft unser Verständnis des Kohlenstoffzyklus und der Ökosysteme.
• Erläuterung der Stoffwechselwege: Forscher können nun die Kohlenstoffabbau-Stoffwechselwege von Mikroorganismen untersuchen und die Abbaumechanismen sowie die Regulation verschiedener organischer Verbindungen aufdecken.
• Verständnis der Genregulation: Die Untersuchung der regulatorischen Mechanismen von Kohlenstoffabbau-Genen in Verbindung mit Multi-Omics-Ansätzen bietet Einblicke in die Expressionsmuster und regulatorischen Mechanismen dieser Gene und beleuchtet die Beziehung zwischen Genregulation und dem mikrobiellen Abbau verschiedener organischer Verbindungen.
• Bewertung mikrobieller Gemeinschaften: Die Technologie bietet eine Plattform zur Untersuchung des Kohlenstoffabbaupotenzials mikrobieller Gemeinschaften und bietet eine theoretische Grundlage für die Entwicklung biologisch abbaubarer Enzyme.

Fallstudie: Fortschritte im Verständnis der Kohlenstoffkreislaufmechanismen in mikrobiellen Gemeinschaften

Der Kohlenstoffkreislauf, ein herausragender biogeochemischer Prozess in Bodensystemen, bleibt auf Gemeinschaftsebene ein komplexes Rätsel. Biologische Krusten dienen als bemerkenswerte Modellsysteme für die Forschung zum biogeochemischen Kreislauf und zur Ökosystemtechnik. Während Techniken Materialkreislaufprozesse anhand der Genhäufigkeit vorhersagen können, war das Studium von Bodenmikroorganismen, die für die Kohlenstofftransformationen verantwortlich sind, aufgrund von Faktoren wie dem physiologischen Status der Mikroben, der strukturellen Komplexität der organischen Bodensubstanz und den Variationen im Redoxstatus des organischen Kohlenstoffs herausfordernd.

In einer bahnbrechenden Studie entnahmen Forscher über vier aufeinanderfolgende Jahre Proben von fünf Chargen biologischer Krusten, die sich jeweils in unterschiedlichen Sukzessionsstadien befanden, an einem typischen Feldstandort. Die Ergebnisse, die aus einer Vielzahl von metagenomische Techniken und große Datenmodellierungsanalysetools, die die mikrobiellen Kohlenstoffkreislaufmuster in biologischen Krustengemeinschaften sowie deren Interaktionen und Regulierungsmechanismen enthüllten.

Kohlenstoffkreislauf basierend auf metagenomischer Sequenzierung. (Wang et al., 2022)

Die Ergebnisse hoben hervor, dass energieverbrauchende, lichtenergiegetriebene Gene zur anorganischen Kohlenstofffixierung rar waren, während Gene, die mit energieeffizientem organischen Kohlenstoffabbau, Fermentation, aerober Atmung und CO-Oxidation assoziiert sind, reichlich vorhanden waren. Ko-Vorkommen-Analysen zeigten zudem, dass der Kohlenstoffkreislauf in Biokruste-Ökosystemen sowohl ein Assimilationsmodul ähnlich der Primärproduktion als auch ein allochthonen Modul ähnlich der Sekundärproduktion umfasst. Die Beziehung zwischen den Kreislaufwegen und der mikrobielle Gemeinschaftszusammensetzung verändert sich dynamisch mit der Sukzession, und beide Module sind durch den CBB-Zyklus, Ethanol und Propionsäurefermentation miteinander verbunden, ausgeglichen durch Trockenheit und Salinität.

Zusammenfassend bedeutet diese Studie einen riesigen Fortschritt im Verständnis der komplexen Welt des Kohlenstoffzyklus auf der Ebene mikrobieller Gemeinschaften und bietet einen vielversprechenden Weg zu einer besseren Pflege unserer Ökosysteme.

Referenz:

1. Wang, Qiong, et al. "Kohlenstoffkreislauf in den mikrobiellen Ökosystemen biologischer Bodenkrusten." Bodenbiologie und Biochemie 171 (2022): 108729.