Lompat ke konten Lompat ke sidebar Lompat ke footer

Ilmuwan Menjelaskan Paradoks Isotop Metana Misterius di Dasar Laut

 Mengapa isotop karbon metana di laut dalam berperilaku sangat berbeda dari yang diharapkan.

Jauh di dasar laut, mikroba anaerobik mengonsumsi metana dalam jumlah besar, gas rumah kaca yang kuat ketika memasuki atmosfer. Meskipun proses ini merupakan elemen penting dari siklus karbon global, proses ini masih kurang dipahami.

IMAGES
Gambar: assets.atlasobscura.com

 

Gunter Wegener dari Institut Max Planck untuk Mikrobiologi Kelautan dan MARUM, Pusat Ilmu Lingkungan Kelautan, Bremen, Jerman, dan Jonathan Gropp dari Institut Sains Weizmann di Rehovot, Israel, kini menemukan solusi untuk teka-teki lama dalam hal ini. proses: mengapa isotop karbon metana berperilaku sangat berbeda dari yang diharapkan. Dalam upaya bersama dengan rekan-rekan mereka Heidi Taubner, Itay Halevy, dan Marcus Elvert mereka hadir jawaban dalam jurnal Sains Ad-vance.

Metana, senyawa kimia dengan rumus molekul CH 4, tidak hanya merupakan gas rumah kaca yang kuat, tetapi juga merupakan sumber energi yang penting. Ini memanaskan rumah kita, dan bahkan mikroba dasar laut mencari nafkah darinya. Mikroba menggunakan proses yang disebut oksidasi anaerobik metana (AOM), yang umumnya terjadi di dasar laut di zona transisi yang disebut sulfat-metana – lapisan di dasar laut di mana sulfat dari air laut bertemu dengan metana dari sedimen yang lebih dalam. Di sini, mikroorganisme khusus, archaea ANaerobically MEthane-oxidizing (ANME), mengkonsumsi metana. Mereka hidup dalam hubungan dekat dengan bakteri, yang menggunakan elektron yang dilepaskan selama oksidasi metana untuk reduksi sulfat. Untuk tujuan ini, organisme ini membentuk konsorsium karakteristik.

Proses ini terjadi secara global di dasar laut dan karenanya merupakan bagian penting dari siklus karbon. Namun, mempelajari proses AOM sangat menantang karena reaksinya sangat lambat. Untuk penyelidikannya, para peneliti sering menggunakan keahlian kimia: rasio isotop stabil dalam metana. Namun sayangnya, isotop-isotop ini tidak selalu berperilaku seperti yang diharapkan, yang menyebabkan kebingungan serius tentang peran dan fungsi mikroba yang terlibat. Sekarang para peneliti dari Institut Max Planck untuk Mikrobiologi Kelautan dan MARUM – Pusat Ilmu Lingkungan Kelautan di Jerman bersama dengan rekan-rekan dari Institut Sains Weizmann di Israel telah memecahkan teka-teki isotop ini dan mempublikasikan hasilnya di jurnal Science Advances. Ini membuka jalan bagi pemahaman yang lebih baik tentang proses penting oksidasi metana anaerobik.

Isotop mengungkapkan jalur reaksi

Teka-teki dan solusinya secara rinci: Isotop adalah "versi" yang berbeda dari sebuah elemen dengan massa yang berbeda. Isotop suatu unsur memiliki jumlah proton yang sama (partikel bermuatan positif) di dalam nukleus dan oleh karena itu posisinya sama dalam tabel periodik (iso topos = Yunani, tempat yang sama). Namun, mereka berbeda dalam jumlah neutron (partikel netral) dalam nukleus. Misalnya, karbon memiliki dua isotop stabil, yang lebih ringan 12 C dan yang lebih berat 13 C. Selain itu, ada isotop radioaktif 14 yang sudah dikenal.C, spesies karbon yang sangat langka yang digunakan untuk menentukan usia bahan pembawa karbon. Meskipun sifat kimia dari dua isotop stabil itu identik, perbedaan massa menghasilkan laju reaksi yang berbeda. Ketika senyawa kimia bereaksi, senyawa dengan isotop yang lebih ringan biasanya dikonversi lebih cepat, meninggalkan varian yang lebih berat dalam reaktan awal. Perubahan komposisi isotop ini dikenal sebagai fraksinasi isotop, dan telah digunakan selama beberapa dekade untuk melacak reaksi kimia. Dalam kasus oksidasi metana, ini berarti bahwa 12 C-metana dikonsumsi terutama, yang mengarah ke pengayaan 13C dalam metana yang tersisa. Sebaliknya, produksi mikroba metana (metanogenesis) akan menghasilkan metana ringan. “Kenyataannya, bagaimanapun, sangat berbeda,” lapor Gunter Wegener. “Berlawanan dengan logika yang dijelaskan di atas, kita sering menemukan metana yang sangat ringan di zona transisi sulfat-metana.”

Alam tidak mengikuti buku teks: Metana ringan di zona transisi sulfat-metana

Paradoks ini menimbulkan pertanyaan, seperti: Apakah metana tidak dikonsumsi di sana, melainkan diproduksi? Dan siapa, jika bukan banyak ANME archaea, yang harus bertanggung jawab untuk ini? “Di lab saya, kami memiliki koleksi budaya ANME terbesar di dunia. Di sana kami dapat mencoba mencari tahu apakah dan bagaimana oksidator metana itu sendiri dapat bertanggung jawab atas pembentukan metana ringan,” lanjut Wegener. “Hasil pertama mengempis: Pada konsentrasi sulfat tinggi yang biasanya kita temukan di air laut, mikroorganisme yang dibudidayakan berperilaku sesuai dengan buku teks. Metana yang tersisa diperkaya dengan isotop yang lebih berat.” Namun, jika percobaan yang sama dilakukan dengan sedikit sulfat, metana diperkaya dalam 12C, menjadi lebih ringan. Dan ini terjadi meskipun metana terus dikonsumsi pada saat yang sama – efek yang sekilas tidak masuk akal.

Ketersediaan sulfat mengatur efek isotop di AOM

Jadi bagaimana mereka bisa menjelaskan perilaku yang tidak biasa dari isotop metana? Jonathan Gropp dan mentornya Itay Halevy dari Weizmann Institute of Science di Israel telah menghabiskan waktu bertahun-tahun mempelajari efek isotop metabolisme mikroba, termasuk metanogenesis – reaksi yang dikatalisis oleh enzim yang sama dengan oksidasi anaerobik metana (AOM). Dengan demikian, mereka adalah mitra ideal untuk tim yang berlokasi di Bremen.

 “Kedua proses tersebut didasarkan pada rangkaian tujuh reaksi yang sangat mirip,” kata Gropp. “Penelitian sebelumnya telah menunjukkan bahwa semua reaksi ini berpotensi reversibel, artinya dapat terjadi di kedua arah. Setiap reaksi juga memiliki efek isotopnya sendiri.” Dengan bantuan model, Gropp mampu menunjukkan bahwa, tergantung pada berapa banyak sulfat yang tersedia,reaksi parsial dapat dibalik ke berbagai derajat. Ini kemudian dapat mengarah pada situasi bahwa isotop berat tidak seperti biasanya tertinggal tetapi terjebak dalam rantai reaksi, sementara isotop ringan disalurkan kembali ke metana. 

“Mikroba ingin melakukan reaksi tetapi terbatas untuk melakukannya karena konsentrasi sulfat yang rendah,” jelas Gropp, menambahkan bahwa “Model yang kami rancang sangat cocok dengan eksperimen isotop.”menambahkan bahwa "Model yang kami rancang sangat cocok dengan eksperimen isotop."menambahkan bahwa "Model yang kami rancang sangat cocok dengan eksperimen isotop."

Berjam-jam di laboratorium dan di depan komputer terbayar bagi para peneliti. Dengan penelitian mereka, Wegener, Gropp dan rekan-rekan mereka dapat menunjukkan bagaimana AOM menghasilkan 13C-depleted metana. Eksperimen dengan sedikit sulfat khususnya dengan baik mencerminkan kondisi di habitat alami mikroorganisme, zona transisi sulfat-metana di dasar laut. Di sana, mikroorganisme sering berkembang biak hanya dengan sedikit sulfat, seperti dalam eksperimen rendah sulfat. “Sekarang kita tahu bahwa pengoksidasi metana dapat bertanggung jawab atas pembentukan isotop ringan dalam metana di zona transisi sulfat-metana. Methanogenesis tidak diperlukan untuk itu. Seperti yang kami duga, ANME adalah pengoksidasi metana, ” simpul Marcus Elvert, penulis terakhir dari studi ini. Sekarang para peneliti siap untuk langkah selanjutnya dan ingin menemukan apakah reaksi lain menunjukkan efek isotop serupa.

 

Powered By NagaNews.Net