Και όμως τα βακτήρια μπορούν να αλλάξουν το κλίμα του πλανήτη

Και όμως τα βακτήρια μπορούν να αλλάξουν το κλίμα του πλανήτη

Με την 28η διάσκεψη του ΟΗΕ για την Κλιματική Αλλαγή (COP28) στο Ντουμπάι να βρίσκεται σε εξέλιξη, το Dnews συνομιλεί αποκλειστικά με την Αμερικανίδα εξπέρ στη μικροβιολογία της κλιματικής αλλαγής Lisa Y. Stein, η οποία ήρθε για πρώτη φορά στην Ελλάδα.

«Η κλιματική αλλαγή επηρεάζει το έδαφος περισσότερο από όσο είχαμε προβλέψει», δηλώνει η Αμερικανίδα βιολόγος και Καθηγήτρια στο Πανεπιστήμιο της Αλμπέρτα στον Καναδά, Lisa Y. Stein από τη Λάρισα, όπου έδωσε μια διάλεξη για το κοινό.

«Η αγνόηση του ρόλου των μικροοργανισμών θα μπορούσε να έχει τρομερές συνέπειες όσον αφορά την κλιματική αλλαγή, για αυτό και θα πρέπει να εστιάσουμε στη μικροβιολογία αν επιθυμούμε να επιλύσουμε οποιοδήποτε από τα τεράστια προβλήματα που σχετίζονται με αυτήν», τόνισε η επιστήμονας, η οποία θεωρείται εξπέρ στη μικροβιολογία της κλιματικής αλλαγής. Η ίδια, μαζί με άλλους 30 συναδέλφους της από 9 χώρες, τον Ιούνιο του 2019, συνέταξαν τη διακήρυξη με τίτλο:

“Scientists’ warning to humanity: microorganisms and climate change” κηρύσσοντας τον πλανήτη σε κατάσταση έκτακτης κλιματικής ανάγκης. Η συζήτηση με τη βιολόγο για τους μικροοργανισμούς συνεχίστηκε λίγο αργότερα έξω από το αρχαίο θέατρο της Λάρισας. Μαζί της και ο Καθηγητής Περιβαλλοντικής Μικροβιολογίας & Βιοτεχνολογίας Δημήτρη Καρπούζα από το Εργαστήριο Βιοτεχνολογίας Φυτών & Περιβάλλοντος του Τμήματος Βιοχημείας & Βιοτεχνολογίας στο Πανεπιστήμιο Θεσσαλίας, που συνδιοργάνωσε την εκδήλωση στη Λάρισα με θέμα:

“Το μικροβίωμα του εδάφους ως ‘εργαλείο’ στην οικοτοξικολογία και στην φυτοπροστασία: προεκτάσεις που αφορούν στην κλιματική αλλαγή”, όπου μίλησε η Δρ. Στάιν. «Όταν μιλάμε για την κλιματική αλλαγή, σκεφτόμαστε τα αυτοκίνητα, τα ορυκτά καύσιμα και τη βιομηχανία, που είναι σίγουρα σχετικά», είπε η ίδια.

«Αλλά αυτό που δεν εξετάζουμε ακόμη πλήρως είναι πώς οι μικροοργανισμοί διευκολύνουν την υπερθέρμανση του πλανήτη και πώς μπορούμε να τους αξιοποιήσουμε για τον έλεγχο αυτών των αερίων του θερμοκηπίου».

Σύμφωνα με τη δρα. Στάιν, για να κατανοήσουμε πώς οι άνθρωποι και άλλες μορφές ζωής στη Γη (συμπεριλαμβανομένων εκείνων που δεν έχουμε ακόμη ανακαλύψει) μπορούν να αντέξουν στις συνθήκες που προκαλεί η ανθρωπογενής κλιματική αλλαγή, είναι ζωτικής σημασίας να λάβουμε υπόψη τις λειτουργίες και την συνεισφορά της «αόρατης μικροβιακής πλειοψηφίας», δηλαδή της πλειοψηφίας των μικροοργανισμών που βρίσκονται εκεί έξω στο περιβάλλον και που δεν τους γνωρίζουμε ακόμη λόγω της περιορισμένης ικανότητάς μας να τους απομονώσουμε και να τους μεγαλώσουμε στο εργαστήριο.

«Ο αντίκτυπος της κλιματικής αλλαγής θα εξαρτηθεί σε μεγάλο βαθμό από τις αποκρίσεις των μικροοργανισμών, οι οποίοι είναι απαραίτητοι για την διατήρηση ενός περιβαλλοντικά βιώσιμου μέλλοντος.

Οι μικροοργανισμοί επηρεάζουν και επηρεάζονται από την κλιματική αλλαγή, που σημαίνει ότι παράγουν και καταναλώνουν αέρια θερμοκηπίου. Για αυτό και ο ρόλος τους σε ένα μεταβαλλόμενο κλίμα είναι κρίσιμος», παρεμβαίνει ο Καθηγητής Καρπούζας.

Ο Καθηγητής Δημήτρης Καρπόυζας και η Δρ. Λίζα Στάιν

Τη συμπερίληψη των μικροβίων στην έρευνα για την κλιματική αλλαγή, τη βελτίωση της ευαισθητοποίησης του κοινού και την υποστήριξη της καινοτόμου τεχνολογίας ζητά και η διακήρυξη, την οποία μέσα σε 4 μήνες υπέγραψαν 11.000 επιστήμονες από 153 χώρες.

Η διακήρυξη που δημοσιεύτηκε στην επιθεώρηση Nature αποτελεί ένα παράδειγμα αυξανόμενης προθυμίας των επιστημόνων να βγουν από τα εργαστήριά τους και να πείσουν το κοινό να λάβει στα σοβαρά αυτό που τους λέει η έρευνά τους.

«Οι άνθρωποι σκεφτόμαστε μόνο τον εαυτό μας και όταν αρρωσταίνουμε γνωρίζουμε ότι αρρωσταίνουμε από παθογόνους μικροοργανισμούς κατά κύριο λόγο, τους οποίους σπεύδουμε να εξαλείψουμε με κάθε τρόπο. Για αυτό και δεν υπάρχει μια γενικότερη συζήτηση για την ωφελιμότητα των μικροοργανισμών. Μέχρι πρόσφατα δεν υπήρχε καν λεξικό για αυτούς. Πρέπει να συνειδητοποιήσουμε ότι ζούμε με τους μικροοργανισμούς και ότι ωφελούμαστε από αυτούς. Αλλά πώς να πείσεις κάποιον για την ύπαρξη ενός κόσμου τον οποίο δεν βλέπει;», αναρωτιέται η Δρ. Στάιν.

Τα ξεχασμένα στοιχεία της κλιματικής αλλαγής

Μπορεί ο άνθρακας να είναι το πιο δημοφιλές αέριο του θερμοκηπίου, αλλά η αζωτούχα ρύπανση είναι αναμφισβήτητα ένα πιο δύσκολα διαχειρίσιμο πρόβλημα. Ο κύκλος του αζώτου (N) επηρεάζεται από την ανθρώπινη δραστηριότητα πιο σοβαρά συγκριτικά με τον κύκλο του άνθρακα (C) και η δυναμική του αζώτου αφορά όλες τις πτυχές της κλιματικής κρίσης, συμπεριλαμβανομένου του μετριασμού, της προσαρμογής και των επιπτώσεων.

Σε παγκόσμιο επίπεδο, ο κύκλος του Ν είναι αυτός που επηρεάζεται ίσως περισσότερο από όλους τους σημαντικούς βιογεωχημικούς κύκλους, επιφέροντας σοβαρές επιπτώσεις στην ανθρώπινη υγεία, τη βιοποικιλότητα και την ποιότητα του νερού και του αέρα. «Τα αζωτούχα αέρια αλλά και το μεθάνιο παίζουν σημαντικό ρόλο και στην κλιματική αλλαγή.

Το υποξείδιο του αζώτου είναι το πιο ισχυρό αέριο θερμοκηπίου, καθώς είναι πάνω από 300 φορές πιο αποτελεσματικό στην παγίδευση θερμότητας στην ατμόσφαιρα από το διοξείδιο του άνθρακα. Οι ανεπιθύμητες επιδράσεις που προκύπτουν από την επιτάχυνση του κύκλου του αζώτου μπορούν να επιδεινωθούν από την κλιματική αλλαγή και το αντίστροφο», επισημαίνει ο καθηγητής Καρπούζας.

Η δρ. Στάιν στο εργαστηρίου Μικροβιολογίας της Κλιματικής Αλλαγής του Πανεπιστημίου της Αλμπέρτα στον Καναδά εξετάζει την φυσιολογία και τον οικολογικό ρόλο των μικροοργανισμών στην παραγωγή και κατανάλωση αερίων του θερμοκηπίου, κυρίως μεθανίου και υποξειδίου του αζώτου.

Σε αντίθεση με το διοξείδιο του άνθρακα, οι εκπομπές αυτών των αερίων θερμοκηπίου τα οποία η ίδια χαρακτηρίζει ως “gatekeepers” (πυλωρούς) ελέγχονται σχεδόν εξ ολοκλήρου από μικρόβια! «Παντού υπάρχει μικροβίωμα και αν νομίζουμε ότι τα μικρόβια είναι απλά συμπληρώματα αυτού του κόσμου κάνουμε λάθος.

Ζούμε σε έναν κατεξοχήν μικροβιακό κόσμο. Και όταν προσπαθούμε να διαχειριστούμε προβλήματα του πλανήτη μας σίγουρα αλληλεπιδρούμε μαζί του», ισχυρίζεται η επιστήμονας. Η ίδια στο εργαστήριό της χρησιμοποιεί ομικές (-omics) προσεγγίσεις για να διερενήσει τις μεταβολικές οδούς και τους περιβαλλοντικούς παράγοντες που ελέγχουν και επηρεάζουν τις μικροβιακές εκπομπές αερίων θερμοκηπίου.

«Στη συνέχεια χρησιμοποιούμε αυτές τις πληροφορίες για να σχεδιάσουμε, να βελτιστοποιήσουμε και να εφαρμόσουμε βιολογικές στρατηγικές για τη μείωση των εκπομπών και την αφαίρεση του ατμοσφαιρικού μεθανίου και του υποξειδίου του αζώτου.

Για παράδειγμα, έχουμε μια πλατφόρμα βιομετατροπής μεθανίου όπου τροφοδοτούμε τα βακτήρια με μεθάνιο και μεθανόλη (μεθανότροφα) και εκείνα παράγουν προϊόντα προστιθέμενης αξίας, όπως βιοπλαστικά και πρόδρομες ουσίες βιοκαυσίμων. Συνεργαζόμαστε με βιομηχανίες για την αξιοποίηση αυτών των προϊόντων.

Δοκιμάζουμε επίσης μόρια φυτικής προέλευσης για την αναστολή των μικροβιακών διεργασιών που παράγουν υποξείδιο του αζώτου από λιπάσματα που εφαρμόζονται σε γεωργικά εδάφη», εξηγεί η Αμερικανίδα επιστήμονας, η οποία αυτή τη στιγμή διαθέτει μια από τις μεγαλύτερες συλλογές μεθανότροφων βακτηρίων.

«Είμαστε εθισμένοι στο άζωτο, στα λιπάσματα που μας τρέφουν και φαίνεται τώρα ότι ο συνδυασμός της κλιματικής αλλαγής και της περιβαλλοντικής επιβάρυνσης από το άζωτο και από το μεθάνιο πολλαπλασιάζει τις δραματικές επιπτώσεις στην ποιότητα του περιβάλλοντος στο οποίο ζούμε.

Όμως με κάποιο τρόπο πρέπει να καλλιεργήσουμε περισσότερα τρόφιμα για να θρέψουμε έναν αυξανόμενο πληθυσμό, ελαχιστοποιώντας παράλληλα τα προβλήματα που σχετίζονται με τη χρήση αζωτούχων λιπασμάτων», σχολιάζει ο Έλληνας καθηγητής.

Παρεμποδιστές νιτροποίησης

Σύμφωνα με τον Οργανισμό Τροφίμων και Γεωργίας των Ηνωμένων Εθνών, η γεωργία απελευθερώνει περίπου 9,3 γιγατόνους εκπομπών CO 2 ετησίως, εκ των οποίων το μεθάνιο και το υποξείδιο του αζώτου αντιπροσωπεύουν 5,3 γιγατόνους.

Η αζωτούχος ρύπανση και η επιβράδυνση του κύκλου του αζώτου απαιτεί μια συνδυασμένη προσπάθεια για την αντικατάσταση των χημικών λιπασμάτων με αναστολείς νιτροποίησης με βιολογική προέλευση, οι οποίοι μετά από 10ετή περίοδο χρήσης θα μπορούσαν να εξαλείψουν τουλάχιστον το 30% εκπομπών αερίων του θερμοκηπίου, προστατεύοντας τις υδάτινες οδούς από τη νιτρορύπανση και τα εδάφη από περαιτέρω φθορά.

«Οι απώλειες των εφαρμοζόμενων αζωτούχων λιπασμάτων οφείλονται κυρίως στη δράση μιας συγκεκριμένης ομάδας μονοκύτταρων μικροοργανισμών (βακτηρίων και Αρχαίων) που ονομάζονται νιτροποιητές, οι οποίοι μετατρέπουν το αμμωνιακό άζωτο σε νιτρικό.

Αν επιβραδυνθούν αυτές οι μικροβιακές μετατροπές, τότε θα επιτευχθεί μια πιο αποτελεσματική διαχείριση του αζώτου στο έδαφος και θα περιοριστεί το περιβαλλοντικό αποτύπωμα των συνθετικών λιπασμάτων», εξηγεί ο Δρ. Καρπούζας. Μια σειρά από συνθετικές χημικές ενώσεις που ονομάζονται παρεμποδιστές νιτροποίησης και που χρησιμοποιούνται σε συνδυασμό με αζωτούχα λιπάσματα μπορούν να επιτύχουν αυτή την επιβράδυνση.

Πρόκειται για ένα μικρό αριθμό ενώσεων που εμφανίζουν μεγάλες διακυμάνσεις στην αποτελεσματικότητά τους (ανάλογα με το έδαφος που εφαρμόζονται) χωρίς να γνωρίζουμε πολλά για τον μηχανισμό δράσης τους, την περιβαλλοντική τους τύχη και τις πιθανές τοξικές επιδράσεις τους στο περιβάλλον.

Η ερευνητική ομάδα του Πανεπιστημίου Θεσσαλίας συνεργάζεται με την ομάδα της Λίζας Στάιν στην ανακάλυψη νέων καινοτόμων συνθετικών και βιολογικών παρεμποδιστών νιτροποίησης με προοπτική άμεσης χρήσης στην σύγχρονη γεωργική πρακτική.

Η ομάδα έχει ήδη ανακαλύψει έναν νέο συνθετικό παρεμποδιστή νιτροποίησης με εξειδικευμένη δράση έναντι των νιτρωδοποιητικών Αρχαίων και σε συνεργασία και με άλλες ερευνητικές ομάδες μελετά τον μηχανισμό δράσης του σε βιοχημικό επίπεδο.

Η ομάδα της Στάιν σε συνεργασία με την ομάδα του Πανεπιστημίου Θεσσαλίας και με άλλους συνεργάτες από την Γαλλία (University of Lyon) και την Αυστρία (University of Vienna) στοχεύει να φέρει βιολογικούς αναστολείς νιτροποίησης (BNIs) στην αγορά για να περιορίσει τη μικροβιακή μετατροπή του αζώτου του λιπάσματος σε αέρια θερμοκηπίου και άλλα τοξικά ενδιάμεσα.

«Η παγκόσμια υιοθέτηση αυτών των μορίων BNI που προέρχονται από φυτά σε συνδυασμό με βιολογικά λιπάσματα θα αύξανε σημαντικά την αποδοτικότητα χρήσης αζώτου από τις καλλιέργειες, ενώ θα μπλόκαρε την κυρίαρχη πηγή οξειδίου του αζώτου στην ατμόσφαιρα», συμπληρώνει η ίδια.

«Σήμερα γνωρίζουμε ότι ορισμένα φυτά μέσω των ριζών τους απελευθερώνουν ενώσεις που αναστέλλουν τη νιτροποίηση, οι οποίοι ονομάζονται βιολογικοί παρεμποδιστές νιτροποίησης.

Η χρήση αυτών των ενώσεων αποτελεί μια πολλά υποσχόμενη πρακτική για την επιβράδυνση του κύκλου του αζώτου και τον περιορισμό της κλιματικής αλλαγής», λέει ο Καθηγητής Καρπούζας. Εκτός από τα βιολογικά λιπάσματα και τους παρεμποδιστές νιτροποίησης, το εργαστήριο της Αμερικανίδας καθηγήτριας δραστηριοποιείται και στον περιορισμό της ρύπανσης από άζωτο, της διάβρωσης του εδάφους και της υποβάθμισης των αποθεμάτων γλυκού νερού με την ανάπτυξη βελτιωμένων μικροβιακών εμβολιασμών για αύξηση της αποδοτικότητας χρήσης αζώτου χωρίς παραγωγή αερίων θερμοκηπίου σε ενυδριοπονικές και υδροπονικές εργασίες.

Ο κύκλος του άνθρακα σε αυτά τα συστήματα μπορεί να κλείσει συμπεριλαμβάνοντας αναερόβια χώνευση στερεών αποβλήτων που ακολουθείται από μικροβιακή μετατροπή του μεθανίου σε μονοκυτταρική πρωτεΐνη για τροφή ψαριών.

Μη αναστρέψιμη η κλιματική αλλαγή

Το πώς εμείς, ως άτομα, μπορούμε να αλλάξουμε τη συμπεριφορά μας για να επιτρέψουμε στα μικρόβια να μας βοηθήσουν να φέρουμε τον πλανήτη σε ένα πιο βιώσιμο επίπεδο, απασχολεί την Αμερικανίδα βιολόγο.

«Φοβάμαι ότι η ευκαιρία μας να αποτρέψουμε ένα χειρότερο σενάριο για την κλιματική αλλαγή τελειώνει.

Δεν υπάρχει πλέον αναστροφή, ούτε αλλαγή κατεύθυνσής της, αλλά ίσως μπορούμε να επιβραδύνουμε τις επιπτώσεις. Και αυτό μόνο προσωρινά γιατί η μεγάλη ποσότητα του μεθανίου προέρχεται από το μόνιμα παγωμένο υπέδαφος (permafrost). Και εκεί δεν μπορούμε να κάνουμε κάτι.

Καλά- καλά δεν έχουμε πρόσβαση», λέει η ίδια.

«Το Permafrost περιέχει διπλάσιο άνθρακα από την ατμόσφαιρα και περίπου το 15% αυτού του αποθηκευμένου άνθρακα είναι έτοιμο να απελευθερωθεί», συμπληρώνει ο Καθηγητής Καρπούζας. Ενώ οι επιπτώσεις γίνονται πιο έντονες στο Βορρά, η απόψυξη του μόνιμου παγετού επιδρά και στο παγκόσμιο κλίμα. Οι επιστήμονες διερευνούν τώρα πώς η αυξημένη θέρμανση του Βορρά θα μπορούσε να είναι μέρος ενός φαύλου κύκλου που είναι γνωστός ως βρόχος ανάδρασης άνθρακα του μόνιμου παγετού - όσο περισσότερο θερμαίνεται το κλίμα, τόσο περισσότερο ξεπαγώνει ο μόνιμος πάγος και πιθανώς εκπέμπει περισσότερα αέρια θερμοκηπίου, γεγονός που θερμαίνει περαιτέρω το κλίμα και ξεπαγώνει περισσότερο μόνιμο πάγο. Παρά τη σημαντική συνεισφορά τους, οι μικροοργανισμοί δεν συμπεριλαμβάνονται στα κλιματικά μοντέλα και οι μικροβιολόγοι δεν έχουν θέση στο τραπέζι των συζητήσεων για την επιστήμη και την πολιτική για το κλίμα, όπως είναι η COP28.

Φυσικοί, χημικοί και επιστήμονες της ατμόσφαιρας συνήθως οδηγούν αυτές τις συζητήσεις, συμβουλεύοντας τους υπεύθυνους χάραξης πολιτικής και καθορίζοντας την ατζέντα για το κλίμα. «Αυτό οφείλεται εν μέρει σε ιστορικούς λόγους», εκτιμά η Λίζα Στάιν «Είναι κυρίως αυτοί οι άλλοι επιστήμονες που έχουν μελετήσει και μοντελοποιήσει την κλιματική αλλαγή. Μικροβιολόγοι δεν ήταν παρόντες όταν γράφονταν οι εκθέσεις της IPCC».

Αν και δεν παρευρίσκεται στη σύνοδο κορυφής στο Ντουμπάι, η Στάιν πιέζει τους επιστήμονες να δώσουν μεγαλύτερη προσοχή στον ρόλο των μικροοργανισμών στην παραγωγή και κατανάλωση μεθανίου, αυτού του βραχύβιου και ισχυρού αερίου θερμοκηπίου που ευθύνεται για περίπου το 1/3 της υπερθέρμανσης του πλανήτη. Για εκείνη το πρώτο βήμα είναι να διασφαλιστεί ότι τα μικρόβια βρίσκονται στο επίκεντρο του ενδιαφέροντος τόσο των επιστημόνων όσο και του ευρύτερου κοινού:

«Πρέπει να βελτιώσουμε τον αλφαβητισμό του κοινού σχετικά με αυτό το θέμα, τόσο για να αντιμετωπίσουμε την καταστροφική επίδραση της κλιματικής αλλαγής που βιώνουμε τώρα, σήμερα, όσο και για να ενθαρρύνουμε τις επόμενες γενιές να κατανοήσουν τον μικροβιακό μας κόσμο και να μην το φοβούνται».

Η Στάιν είναι μέλος μιας επιτροπής που συγκαλείται από τις Εθνικές Ακαδημίες Επιστημών, Μηχανικής και Ιατρικής των ΗΠΑ, η οποία επιτροπή τον επόμενο χρόνο θα κάνει συστάσεις σχετικά με το ποια έρευνα θα χρηματοδοτηθεί για την εξεύρεση λύσεων για την απομάκρυνση του μεθανίου.