Khoa học tự nhiên

Giải thích nguồn gốc bí ẩn của metan dưới đại dương (02/12/2016)

Trong nhiều thập kỷ qua, các nhà hóa học biển đã phải đối mặt với một nghịch lý khó giải thích: Nước mặt của các đại dương trên thế giới quá bão hòa khí nhà kính metan, nhưng hầu hết các loài vi khuẩn có thể sản sinh khí này, lại không thể sống sót trong các vùng nước mặt giàu oxy. Vậy metan bắt nguồn từ đâu? Bí ẩn lâu đời này được gọi là "nghịch lý metan trên biển", cuối cùng đã được giải thích bằng một nghiên cứu mới của Viện Hải dương học Woods Hole (WHOI).

Theo Dan Repeta, chuyên gia địa hóa học và là đồng tác giả nghiên cứu, câu trả lời có thể nằm ở cách vi khuẩn phân hủy chất hữu cơ hòa tan - hỗn hợp các chất do các sinh vật sống tiết vào nước biển.

Repeta và các cộng sự tại Trường Đại học Hawaii đã phát hiện ra rằng phần lớn chất hữu cơ hòa tan của đại dương được cấu thành từ polysaccharide, các chuỗi dài phân tử đường do vi khuẩn quang hợp tạo nên ở vùng biển nông. Vi khuẩn phân hủy chậm polysaccharide, tách các cặp nguyên tử cacbon và phốtpho (gọi là liên kết C-P) từ cấu trúc phân tử của chúng. Trong quá trình này, vi khuẩn sinh ra các sản phẩm phụ là khí metan, etylen và propylen. Hầu hết metan thải vào bầu khí quyển.

Metan là khí nhà kính mạnh và điều quan trọng là phải tìm hiểu các nguồn gốc khác nhau gây phát thải khí metan vào khí quyển. Nghiên cứu mô tả con đường mới sản sinh metan từ vi khuẩn trong môi trường, không giống tất cả các con đường quen thuộc khác.

Trước khi thực hiện nghiên cứu này, các nhà khoa học từ lâu nghi ngờ rằng vi khuẩn đã tham gia sản sinh khí metan trong đại dương, nhưng không thể xác định chính xác các vi khuẩn đó.

"Ban đầu, hầu hết các nhà khoa học đã nghiên cứu vi khuẩn sống trong môi trường tách biệt ít oxy giống như ruột cá hoặc tôm, nhưng nhanh chóng nhận ra rằng đó không thể là nguyên nhân chính. Quá nhiều nước bão hòa oxy chảy qua đó", Repeta nói. Nhiều nhà nghiên cứu cũng đã kiểm tra chất keo tụ, những mẩu phân gia súc và chất hữu cơ khác trông giống tuyết nổi trong nước biển. Bên trong một số chất là điều kiện ít oxy, nhưng cuối cùng chúng không phải là nguồn thải metan lớn.

Năm 2009, David Karl, một trong những đồng tác giả nghiên cứu, đã tìm thấy manh mối quan trọng cho bí ẩn. Trong phòng thí nghiệm, David Karl đã bổ sung một hóa chất nhân tạo được gọi là methylphosphonate chứa nhiều liên kết C-P vào trong các mẫu nước biển. Các vi khuẩn trong mẫu thí nghiệm ngay lập tức sản sinh metan, chứng tỏ vi khuẩn có thể tận dụng lợi thế của các liên kết C-P do hóa chất cung cấp. Do methylphosphonate chưa bao giờ được phát hiện trong đại dương, nên nhóm nghiên cứu lập luận rằng vi khuẩn trong tự nhiên phải tìm một nguồn khác tạo nên các liên kết C-P trong tự nhiên. Tuy nhiên, nguồn gốc cụ thể vẫn chưa được xác định.

Sau khi phân tích các mẫu chất hữu cơ hòa tan trên nước mặt ở Bắc Thái Bình Dương, các nhà khoa học đã phát hiện ra rằng các polysaccharide bên trong nó đã biến đổi để tạo các liên kết C-P giống như các liên kết trong methylphosphonate - và nếu vi khuẩn có thể phá vỡ các phân tử này, chúng sẽ tiếp cận với phốtpho chứa trong nó.

Để xác nhận ý tưởng này, nhóm nghiên cứu đã ủ vi khuẩn biển trong điều kiện khác nhau bằng cách bổ sung các chất dinh dưỡng như đường glucose và nitrat vào mỗi mẻ vi khuẩn. Vi khuẩn không thể sản sinh metan cho đến khi chúng được bổ sung polysaccharide tinh khiết được phân lập từ nước biển. Khi vi khuẩn ở trong hỗn hợp này, hoạt động của chúng tăng vọt và bắt đầu thải ra khối lượng lớn metan.

Sau đó, Repeta và Edward DeLong, đồng tác giả nghiên cứu tại trường Đại học Hawaii đã khám phá ra phương thức vi khuẩn chuyển hóa chất hữu cơ hoà tan. Sử dụng một quá trình gọi là đa hệ gen, DeLong đã phân mục tất cả các gen có thể được tìm thấy trong một mẫu nước biển ở Bắc Thái Bình Dương. Trong quá trình này, ông đã tìm thấy các gen chịu trách nhiệm phân tách liên kết C-P, cho phép vi khuẩn lấy phốtpho từ các nguyên tử cacbon. Dù chưa xác định được vi khuẩn nào trên thực tế làm được điều này, nhưng rõ ràng nếu gen họat động, thì sẽ cho phép vi khuẩn tiếp cận với chất dinh dưỡng quan trọng nhưng hiếm có trong nước biển.

Repeta cho rằng: "Giữa đại dương là một hệ thống dinh dưỡng hạn chế. Để tạo ADN, ARN và protein, bạn cần có nitơ và phốtpho, nhưng trong đại dương, các dưỡng chất đó ở nồng độ thấp gần như vô hạn". Thay vì sử dụng các chất dinh dưỡng trôi nổi tự do trong nước, nghiên cứu của DeLong đã chỉ rõ, các vi khuẩn bằng cách nào đó có thể khai thác nitơ và phốtpho ẩn sâu bên trong các phân tử hữu cơ.

Mặc dù báo cáo nghiên cứu mới nhất của Repeta khẳng định vi khuẩn có thể phá vỡ liên kết C-P, nhưng ông lưu ý đây không phải là một phương thức đặc biệt dễ dàng để tiếp cận với các chất dinh dưỡng. Với phốtpho trong các phân tử hữu cơ, vi khuẩn rất khó tiếp cận. Nếu vi khuẩn có thể tìm kiếm các nguồn dưỡng chất khác, chúng chắc chắn sẽ sử dụng các dưỡng chất này đầu tiên.

Nguồn: www.vista.gov.vn