תמונה של אדמה עם תקריב של חיידק והמסלולים התאיים המעורבים בייצור פחמן דו חמצני. מצעים זמינים מחומר אורגני בקרקע מעובדים דרך מסלולים ספציפיים עם כמות שונה של שטף פלט פחמן דו חמצני. קרדיט: Aristilde Lab/Northwestern University
מחקר חדש מסייע בהבהרת תפקידם של חיידקים במחזור הפחמן העולמי.
כאשר חיידקי אדמה אוכלים חומר צמחי, המזון המעוכל עובר אחד משני מסלולים. או שהחיידק משתמש במזון כדי לבנות את הגוף שלו, או שהוא נושם את הארוחה שלו כפחמן דו חמצני (CO2) לתוך האווירה.
כעת, צוות מחקר בראשות אוניברסיטת נורת'ווסטרן עקב לראשונה אחר המסלולים של תערובת של פסולת צמחית בזמן שהיא עוברת דרך חילוף החומרים של חיידקים כדי לתרום ל-CO באטמוספרי.2. החוקרים גילו שחיידקים נושמים פי שלושה מכמות CO2 מפחמי ליגנין (יחידות ארומטיות שאינן סוכר) לעומת פחמי תאית (יחידות סוכר), שגם מוסיפים מבנה וגם תמיכה לדפנות התא של הצמחים.
ממצאים אלה מסייעים לנתק את תפקידם של חיידקים במחזור פחמן בקרקע – מידע שיכול לעזור לשפר את התחזיות כיצד פחמן באדמה ישפיע על שינויי האקלים.
המחקר פורסם לאחרונה בכתב העת מדעי הסביבה וטכנולוגיה.
"בריכת הפחמן המאוחסנת באדמה היא בערך פי 10 מהכמות שיש באטמוספרה", אמר האוניברסיטה הצפון מערביתלודמילה אריסטילדה, שהובילה את המחקר. "למה שקורה למאגר הזה תהיה השפעה עצומה על כדור הארץ. כי חיידקים יכולים לפתוח את הפחמן הזה ולהפוך אותו לCO אטמוספרי2, יש עניין עצום בהבנה כיצד הם מבצעים חילוף חומרים של פסולת צמחית. ככל שהטמפרטורות עולות, יותר חומר אורגני מסוגים שונים יהפוך זמין באדמה. זה ישפיע על כמות CO2 שנפלט מפעילות מיקרוביאלית".
מומחית לדינמיקה של אורגניקה בתהליכים סביבתיים, אריסטילדה היא פרופסור חבר להנדסה אזרחית וסביבתית בבית הספר להנדסה ב-Northwestern McCormick וחברה במרכז לביולוגיה סינתטית ובמכון פאולה מ. טרייננס לקיימות ואנרגיה. קרול מנדונקה, לשעבר Ph.D. מועמד במעבדה של אריסטילדה, הוא המחבר הראשון של העיתון. המחקר כולל משתפי פעולה מה- אוניברסיטת שיקגו.
"לא כל המסלולים נוצרים באותה מידה"
המחקר החדש מתבסס על עבודה מתמשכת במעבדה של אריסטילדה כדי להבין כיצד אדמה אוגרת – או משחררת – פחמן. למרות שחוקרים קודמים עקבו בדרך כלל אחר האופן שבו תרכובות מפורקות מחומר צמחי נעות בנפרד דרך חיידקים, הצוות של אריסטילדה השתמש במקום זאת בתערובת של תרכובות אלה כדי לייצג את מה שהחיידקים נחשפים אליו בסביבה הטבעית. לאחר מכן, כדי לעקוב אחר האופן שבו עברו נגזרות צמחיות שונות בחילוף החומרים של חיידק, החוקרים תייגו אטומי פחמן בודדים עם תוויות איזוטופים.
"סימון איזוטופים אפשר לנו לעקוב אחר אטומי פחמן ספציפיים לכל סוג תרכובת בתוך התא", אמר אריסטילדה. "על ידי מעקב אחר נתיבי הפחמן, הצלחנו לתפוס את הנתיבים שלהם בחילוף החומרים. זה חשוב כי לא כל המסלולים נוצרים באופן שווה מבחינת ייצור פחמן דו חמצני".
פחמני סוכר בתאית, למשל, עברו דרך מסלולים גליקוליטים ופנטוז-פוספט. מסלולים אלה מובילים לתגובות מטבוליות הממירות חומר מעוכל לפחמן לייצור DNA וחלבונים, שבונים את הביומסה של החיידק עצמו. אבל פחמנים ארומטיים שאינם סוכרים מליגנין עברו במסלול אחר – דרך הטריקרבוקסילי. חוּמצָה מחזור.
"מחזור החומצות הטריקרבוקסיליות קיים בכל צורות החיים", אמר אריסטילדה. "זה קיים בצמחים, חיידקים, בעלי חיים ובני אדם. בעוד שמחזור זה מייצר גם מבשרים לחלבונים, הוא מכיל מספר תגובות המייצרות CO2. רוב ה-CO2 שנושם מחילוף החומרים מגיע מהמסלול הזה".
הרחבת הממצאים
לאחר מעקב אחר מסלולי חילוף החומרים, אריסטילדה וצוותה ביצעו ניתוח כמותי כדי לקבוע את כמות ה-CO2 מיוצר מסוגים שונים של חומר צמחי. לאחר צריכת תערובת של חומר צמחי, חיידקים הנשמו פי שלושה מכמות CO2 מפחמנים שמקורם מליגנין לעומת פחמנים שמקורם מתאית.
"למרות שחיידקים צורכים את הפחמנים הללו בו-זמנית, כמות ה-CO2 הנוצר מכל סוג פחמן אינו פרופורציונלי", אמר אריסטילדה. "זה בגלל שהפחמן מעובד באמצעות שני מסלולים מטבוליים שונים."
בניסויים הראשוניים, אריסטילדה וצוותה השתמשו Pseudomonas putida, חיידק אדמה נפוץ עם חילוף חומרים רב תכליתי. סקרנים לראות אם הממצאים שלהם חלים על חיידקים אחרים, החוקרים חקרו נתונים מניסויים קודמים בספרות מדעית. הם מצאו את אותו הקשר שגילו בין חומר צמחי, חילוף חומרים ו-CO2 מתבטא בחיידקי אדמה אחרים.
"אנו מציעים פרספקטיבה חדשה מונחית מטבוליזם לחשיבה על האופן שבו מעובדים מבני פחמן שונים הנגישים לחיידקי קרקע", אמר אריסטילדה. "זה יהיה המפתח בסיוע לנו לחזות מה יקרה עם מחזור הפחמן בקרקע עם אקלים משתנה."
המחקר נתמך על ידי הקרן הלאומית למדע (מספרי המענק CBET-1653092 ו-CBET-2022854).
