Vaak denken we bij klimaatopwarming aan grote, zichtbare veranderingen zoals smeltende ijskappen of stijgende zeespiegels. Maar wist je dat zelfs de kleinste organismen op aarde, microben, een enorme impact hebben op het klimaat?
Klimaatverandering wordt veroorzaakt door de toename van broeikasgassen zoals koolstofdioxide (CO₂), methaan (CH₄) en distikstofoxide (N₂O, ook gekend als lachgas) in de atmosfeer. Menselijke activiteiten zoals het gebruik van fossiele brandstoffen en massale ontbossing dragen hier sterk aan bij. Niet alleen de mens, maar ook bepaalde microben spelen een belangrijke rol.
Microben zijn eencellige organismen die overal op aarde voorkomen. Ze leven in de lucht, de zee, de bodem en zelfs in de darmen van dieren en mensen. Hoewel ze zo klein zijn dat je een microscoop nodig hebt om ze te zien, is hun impact gigantisch. Microben omvatten een diverse groep organismen: virussen, bacteriën, archaea, microalgen, parasieten en schimmels.
Ondanks hun kleine formaat spelen microben een reusachtige rol in de kringlopen van koolstof, stikstof en andere elementen die essentieel zijn voor het leven. Maar hoe beïnvloeden deze onzichtbare organismen precies ons klimaat en kunnen zij een oplossing bieden?
De klimaatboosdoeners
Een van de meest invloedrijke groepen microben met betrekking tot klimaatverandering zijn de methanogenen. Dit zijn microben die methaan produceren. Methaan is een krachtig broeikasgas dat maar liefst 25 keer meer warmte vasthoudt in de atmosfeer dan CO2. Deze methaanproduceerders leven in zuurstofvrije omgevingen zoals moerassen, rijstvelden en de magen van herkauwers zoals koeien en schapen om ze te helpen bij de vertering van gras. Het zijn dus deze microben en niet de koeien zelf die de uitstoot produceren. Het methaan dat door deze microben wordt geproduceerd, ontsnapt naar de atmosfeer en draagt bij aan de opwarming van de aarde. Verbazingwekkend genoeg zijn alleen al de microben in de darmen van koeien verantwoordelijk voor een kwart van alle door de mens veroorzaakte methaanproductie.
Naast methaan speelt ook stikstof een belangrijke rol in klimaatverandering. Bacteriën zijn de verborgen spelers in dit verhaal, omdat ze betrokken zijn bij de stikstofcyclus door processen zoals denitrificatie. Hierbij zetten ze nitraat (NO₃⁻) om in distikstofoxide (N₂O), een krachtig broeikasgas. Deze denitrificerende bacteriën gedijen vooral in natte bodems en sedimenten met weinig zuurstof. Distikstofoxide is een echte klimaattijdbom: het heeft een opwarmingspotentieel dat ongeveer 300 keer sterker is dan CO2. Zelfs kleine hoeveelheden N₂O in de atmosfeer kunnen daarom een grote impact hebben op het broeikaseffect. En alsof dat nog niet genoeg is, blijft N₂O ook nog eens lang in de atmosfeer hangen, wat zijn impact alleen maar verder versterkt.
De dubbele dreiging van permafrost
Een van de meest zorgwekkende gevolgen van klimaatverandering is het effect op de permafrost, vooral in het Noordpoolgebied waar het ijs met een ongekende snelheid smelt. Permafrost is bevroren grond die minstens twee opeenvolgende jaren niet ontdooit. Het bedekt grote delen van het Noordpoolgebied en bestaat uit een mix van bodem, gesteente, organisch materiaal en ijs. In de zomer ontdooit alleen de bovenste laag, de actieve laag genoemd, die 's winters weer bevriest. Door de opwarming van de aarde stijgt de temperatuur in het Noordpoolgebied veel sneller dan in andere delen van de wereld. In de afgelopen decennia is de temperatuur van permafrost al met ongeveer 2°C gestegen, waardoor de actieve laag dieper is geworden. Wetenschappers voorspellen dat tegen het einde van deze eeuw mogelijk tot 64 procent van de huidige permafrost zal zijn ontdooid. Dit is zorgwekkend, omdat permafrost een cruciale rol speelt bij het reguleren van de uitstoot van broeikasgassen.
Permafrostbodems zijn niet zomaar bevroren grond. Het zijn zeer diverse ecosystemen, rijk aan verschillende soorten microben, zoals bacteriën, archaea, schimmels en virussen. Een van de belangrijkste groepen microben in permafrost zijn de methanogenen. Deze microben produceren methaan uit organisch materiaal onder zuurstofarme omstandigheden. Permafrost herbergt enorme hoeveelheden organisch materiaal, zoals plantenresten, die millennia lang bevroren zijn gebleven. Wanneer permafrost ontdooit door de opwarming van de aarde, worden methanogenen actief en beginnen ze dit organische materiaal af te breken. Hierdoor komen broeikasgassen vrij, die de opwarming van de aarde verder aanwakkeren. Zo ontstaat er een vicieuze cirkel: het vrijkomen van broeikasgassen uit ontdooide permafrost versnelt de opwarming, wat weer meer permafrost doet smelten.
Naast deze methaanproducerende microben schuilt er nog een ander gevaar in de smeltende permafrost: ziekteverwekkers. Diep onder het ijs van de permafrost liggen eeuwenoude ziekteverwekkers te sluimeren, wachtend op hun kans om weer tot leven te komen. Dit is geen sciencefiction, maar een reëel risico nu de permafrost ontdooit door klimaatverandering. De mogelijke heropleving van oude pathogenen kan desastreuze gevolgen hebben voor mens en milieu. Een angstaanjagend voorbeeld is de uitbraak van miltvuur in Siberië in 2016. Toen de permafrost ontdooide, kwamen oude sporen van Bacillus anthracis, de bacterie die miltvuur veroorzaakt, weer tot leven. Dit leidde uiteindelijk tot de dood van één persoon en meer dan 2.000 besmette rendieren.
Naast bacteriën kunnen ook schimmels en virussen in de permafrost schadelijk zijn. Sommige schimmels die uit de permafrost zijn geïsoleerd, kunnen bijvoorbeeld landbouwgewassen infecteren, wat aanzienlijke economische schade kan veroorzaken. Over virussen in de permafrost weten we nog weinig, behalve dat de meeste bacteriofagen zijn, die alleen bacteriën infecteren en dus geen directe bedreiging vormen voor mensen. Maar wat gebeurt er als we een virus tegenkomen dat wel gevaarlijk is voor de mens? De ontdekking van reuzenvirussen, die na 30.000 jaar in de permafrost nog steeds hun gastheren kunnen infecteren, roept veel vragen op. Ook het feit dat bijvoorbeeld het pokkenvirus al teruggevonden is in de permafrost, is iets om rekening mee te houden. Hoewel de aantallen van deze virussen momenteel te laag zijn om een actieve bedreiging te vormen, blijft de mogelijkheid dat ze opnieuw tot leven komen een serieuze zorg.
Klimaathelpers
Moeten we ons dan maar neerleggen bij de onvermijdelijke opwarming van de aarde en alle bijhorende risico’s, zoals het vrijkomen van ziekteverwekkers uit de permafrost? Gelukkig niet. Er zijn namelijk microben die een verrassend positieve impact kunnen hebben op klimaatverandering.
Een van onze belangrijkste bondgenoten zijn de methanotrofen. Deze bijzondere bacteriën gebruiken methaan als energiebron en zetten het om in CO2 en water. Hoewel CO2 ook een broeikasgas is, is het veel minder krachtig dan methaan. Methanotrofen zijn te vinden in verschillende milieus, waaronder bodem, water en zelfs in symbiose met bepaalde planten. Symbiose is een nauwe samenwerking tussen verschillende organismen waar beide partijen voordeel bij hebben. Door methaan te consumeren, helpen methanotrofen de concentratie van dit krachtige broeikasgas in de atmosfeer te verminderen.
Er bestaan ook microben die CO₂ kunnen ‘opruimen’ door fotosynthese, een trucje dat ze later aan de planten hebben geleerd. In de uitgestrektheid van de oceanen heeft zich een ware ‘CO₂-opruimingsdienst’ ontwikkeld, bekend als de ‘biologische pomp’. Fytoplankton, een verzamelnaam voor verschillende soorten microalgen, zijn de sterren van dit verhaal. Net als planten kunnen ze CO₂ uit de atmosfeer absorberen door fotosynthese, waarbij ze dit omzetten in organische stoffen (zoals suikers), en daarbij zuurstof produceren als bijproduct. Wanneer deze microalgen sterven, zinken ze naar de diepte van de oceaan. Daar worden hun koolstofrijke overblijfselen begraven in diepzeesedimenten, waar het duizenden jaren lang kan worden opgeslagen. Dit maakt de oceaan tot een enorme koolstofopslagplaats, en een cruciale factor in de regulering van het wereldwijde koolstofbudget.
Het is tijd om microben niet alleen te zien als ziekteverwekkers, maar ook als essentiële spelers in het behoud van het delicate evenwicht van ons klimaat
Andere microben die indirect bijdragen aan koolstofvastlegging zijn de symbiotische bacteriën rhizobia, die in symbiose met planten leven. Rhizobia leven in de wortelknobbeltjes van peulvruchten en fixeren stikstof uit de lucht, wat betekent dat ze stikstofgas omzetten in een vorm die planten kunnen gebruiken. Dit stimuleert de plantengroei en draagt indirect bij aan de koolstofvastlegging in bodems, omdat grotere en gezondere planten meer koolstof kunnen opslaan.
Onzichtbare schatten in de permafrost
Het is duidelijk dat microben van onschatbare waarde zijn in de strijd tegen klimaatverandering. Een unieke omgeving die we hierbij niet over het hoofd mogen zien, is de permafrost. In deze bevroren bodems zit namelijk een gigantische hoeveelheid methanotrofen gevangen. Naarmate het ijs smelt, worden deze actiever en kunnen ze een deel van het methaan, geproduceerd door de methanogenen, consumeren voordat het in de atmosfeer terechtkomt.
Wat we momenteel weten over microben in de permafrost is slechts het topje van de ijsberg. Tot voor kort werden enkel microben bestudeerd die kunnen groeien in een laboratoriumomgeving. Slechts een minieme fractie, zo'n 2 procent van alle micro-organismen, kan überhaupt worden gekweekt in laboratoria. Voor de meest extreme permafrostbewoners zakt dit percentage zelfs naar 0,01 procent of minder. Moderne technologieën zoals DNA- en RNA-technieken werpen nieuw licht op de enorme diversiteit van de permafrostmicroben. Hoogstwaarschijnlijk wacht er nog een schat aan onontdekte en mogelijk cruciale microben in de permafrost op ons. In vergelijkbare extreme omgevingen elders op de planeet hebben wetenschappers al verbazingwekkende microben ontdekt. Neem bijvoorbeeld de bacterie Deinococcus radiodurans, ook wel bekend als ‘de onsterfelijke bacterie’, die kan overleven in stralingsniveaus die dodelijk zijn voor de meeste andere organismen. Misschien herbergt de permafrost ook wel dergelijke superbacteriën, of bacteriën die gespecialiseerde tools hebben ontwikkeld om grote hoeveelheden broeikasgassen te neutraliseren. Het is zelfs mogelijk dat we microben ontdekken die ons kunnen helpen bij het produceren van nieuwe medicijnen.
Het is tijd om microben niet alleen te zien als ziekteverwekkers, maar ook als essentiële spelers in het behoud van het delicate evenwicht van ons klimaat. Ze zijn zowel producenten als consumenten van belangrijke broeikasgassen, en hun activiteiten beïnvloeden de concentraties van methaan, distikstofoxide en koolstofdioxide in de atmosfeer. Terwijl sommige microben bijdragen aan klimaatverandering, bieden anderen ons krachtige middelen om deze te bestrijden. Hun onzichtbare, maar diepgaande invloed kan wel eens de doorslaggevende factor zijn, vooral in kwetsbare gebieden zoals de permafrost. Het verkennen van de wereld van de permafrostmicroben biedt ons ook nieuwe kansen en instrumenten in de strijd tegen klimaatverandering en opent deuren naar ongekende wetenschappelijke en medische doorbraken.
