Ignorer kommandoer på båndet
Gå til hovedindhold
Naviger op
Log på
> Forside > Om GEUS > Fakta om GEUS > Årsberetninger > Årsberetning 1997 > Mikrobiologi og geologi - et ekspanderende forskningsområde

Mikrobiologi og geologi - et ekspanderende forskningsområde

 
Specialartikler. Mikrobiel diversitet. Hvordan undersøger GEUS diversiteten af bakterier i jord? Mikrobiel adaptation. Adaptation af enkeltorganismer i underjorden. Adaptation af bakterielle samfund til nedbrydning af pesticider. Mikrobiel autøkologi kan hjælpe os til at forstå effektiviteten af omsætningen af pesticider
Fra Årsberetning 1997

Carsten Suhr Jacobsen csj@geus.dk

Hjemtag (download) pdf-fil:
55-62.pdf (269 Kb)

PDF-filer (Portable Document Format)
kan læses med Acrobat Reader.
Acrobat Reader er gratis
og kan hjemtages fra Adobes websted

Et fredeligt landskab strækker sig fra stranden op i landet. I jordbunden er der imidlertid et myldrende liv. Foruden mange forskellige insekter, orme mv. findes en kolossal mængde af mange forskellige mikroorganismer; i et gram jord er der alene mindst 4000 forskellige bakteriearter. Vejrhøj set fra Nekselø Bugt. Vejrhøj set fra Nekselø Bugt

Der findes et stort antal forskellige mikroorganismer i jord og i de sedimenter, hvor grundvandet findes. GEUS har sat sig for at undersøge om nogle af de pesticider, og for så vidt også andre miljøgifte der anvendes på jordoverfladen, vil kunne nedbrydes, før de udgør en trussel mod grundvandet.
Den mikrobielle nedbrydning af pesticider og andre fremmedstoffer undersøges af GEUS- mikrobielt økologiske gruppe, der beskæftiger sig med mikrobiologien i jord og i reservoirsedimenter. Gruppen er i det seneste år vokset kraftigt og omfatter nu 14 ph.d. og specialestuderende ud over de fastansatte.> Arbejdsområdet i den mikrobielt økologiske gruppe på GEUS fordeler sig på følgende tre felter:
Mikrobiel diversitet: Hvor stor er mangfoldigheden af de bakterier, der findes i overjord og dybere jordlag, og er den påvirket af anvendelsen af pesticider og andre miljøgifte?
Mikrobiel adaptation: Hvordan er bakteriernes evne til at tilpasse sig ekstreme levesteder og fødekilder, og kan vi bruge denne viden til at forudsige noget om de mikrobielle samfunds evne til at tilpasse sig nedbrydning af pesticider og andre miljøgifte?
Mikrobiel autøkologi: Hvilke begrænsninger i livsvilkårene findes i jordmiljøet for de enkelte fremmedstofnedbrydende mikroorganismer, og har det betydning for omsætningen af pesticider og andre fremmedstoffer?

Mikrobiel diversitet
Begrebet mikroorganismer dækker over en enorm mangfoldighed. Mikroorganismer udgør 15 af de 24 riger, som livet på jordkloden inddeles i. Til sammenligning udgør dyrene kun ét (dyreriget).

Mikroorganismerne er i stand til at tilpasse sig ekstreme levesteder og fødekilder, og denne evne betyder, at de findes stort set overalt på jordens overflade og også dybere nede i jorden.

Nyere resultater fra forskningsprogrammer, finansieret blandt andet af USAs "Department of Energy" (US-DOE), har vist, at det er muligt at dyrke mikroorganismer, der stammer fra dybtliggende geologiske formationer, hvor temperaturen konstant er over 75°C. Man ved endnu ikke så meget om disse bakteriers funktion, men man er foreløbig mest tilfreds med, at man mener at have udviklet en prøvetagningsmetodik, hvor man har undgået at tilføre forureninger fra overfladen, f. eks. via boremudder.

Bakterier fra DOEs stammesamling tilhører en lang række ukendte typer. Men der findes også typer, der minder om bakterier, som er aktive i forurenet jord. GEUS har modtaget et udvalg af bakterier, der i den systematiske beskrivelse minder om organismer fra bakterieslægten Pseudomonas , som vi har isoleret fra en overfladejord i København. Grundige beskrivelser af udbredelsen af bakterier ved anvendelse af moderne automatiserede taksonomiske værktøjer kan forventes at give nye informationer om mikroorganismernes rolle også i de dybe jordlag.

De bakterielle samfund, der findes i en almindelig overfladejord, er overordentligt diverse. Ved at analysere kompleksiteten af DNA ved vi, at der alene i ét gram jord findes mindst 4000 forskellige bakteriearter. En bakterieart er her defineret som bakterier, hvis DNA-sekvens har mindst 70% lighed. Til sammenligning er der hele 99 % lighed mellem en chimpanses og et menneskes DNA.

Den mikrobielle diversitet er derfor enorm, og kendskabet til diversitet blandt mikroorganismer, der nedbryder fremmedstoffer, er nødvendig, når vi skal generalisere om hvordan fremmedstoffer bliver nedbrudt i jord og grundvandssediment.

Hvordan undersøger GEUS diversiteten af bakterier i jord?
Vi benytter to principielt forskellige typer af analyser, der i begge tilfælde er baseret på kendt viden om nogle bakterier.

Den første indgang er kendskabet til de dyrkbare bakterier fra forskellige jordlag. Fra mange forskellige steder, bl.a. et jordprofil ved Fladerne Bæk i Jylland, har vi igangsat en isolering af bakterier, der hører til en bestemt familie af bakterier, de tidligere omtalte Pseudomonas . Denne gruppe bakterier er hyppige repræsentanter blandt de bakterier, der gennem de sidste 10 år har været isoleret, karakteriseret og publiceret som fremmedstofnedbrydende bakterier.

Renkulturerne af Pseudomonas bliver testet for deres evne til at udnytte en række forskellige kulstofkilder. På dette grundlag samt på basis af et genetisk fingeraftryk af de enkelte bakterier, er vi i stand til at danne os et skøn over deres diversitet ned gennem et jordprofil.

Der er imidlertid en væsentlig forskel på sammensætningen af de bakterier, der kan isoleres fra jord ved anvendelse af agarmedier (dvs. dyrkning på bakterielle næringssubstrater), og sammensætningen af det totale antal bakterier, der findes i jorden.

For at løse dette problem har vi gennemført analyser af DNA isoleret direkte fra jord for at kunne beskrive sammensætning af alle bakterier. Gennem udviklingen af denne teknik har vi vist, at sammensætningen af Pseudomonas i en bestemt jordprøve bestemt ved analyse af DNA var i god overensstemmelse med analyser af de dyrkbare Pseudomonas . Vi forventer at DNA-teknikken kan blive særlig interessant i jordprøver fra dybere beliggende jordlag, hvor det er vist, at der kun er få procent af de tilstedeværende bakterier, der kan dyrkes på agarmedier.

Mikrobiel adaptation
Sammenlignet med andre mikrobielle samfund er den høje diversitet af mikrobielle samfund i jord helt og aldeles enestående. Der findes ganske enkelt ikke andre steder, hvor der er så mange forskellige mikroorganismer. Dette skyldes især to forhold:
1) mikroorganismernes evne til at tilpasse sig livet under de mest ekstreme forhold
2) den meget langsomme omsætning i visse dele af jordmiljøet, der virker konserverende.
Det første punkt er med andre ord udviklende for dannelsen af forskelligartede mikroorganismer, mens det andet punkt nærmere kan kaldes bevarende. Tilsammen kan det forklare den særligt store diversitet, der findes i jordmiljøet sammenlignet med mange andre miljøer.

Der findes spændende eksempler på, at mikroorganismer tilvænner sig forskellige livsforhold gennem adaptation (evnen til tilpasning). Dette kan f. eks. være forbedring af evnen til at nedbryde nogle bestemte miljøgifte.

Den konserverende effekt beror på mangel på næringsstoffer og dermed på de farer en mikroorganisme er udsat for; nemlig at blive fødeemne for protozoer (prædation) eller blive angrebet af virus (parasitisme). De mikrobielle samfund i jord adskiller sig fra ganske mange andre mikrobielle samfund f.eks. i frie vandmasser - eller i dyrs tarme, hvor der sker en hurtig selektion gennem en løbende rigelig næringsforsyning og en samtidig kraftig prædation eller parasitisme. Den generelt lave forsyning med næringsstoffer i jorden betyder, at de fleste af de typisk 10 millioner bakterier, der findes i et gram jord, ikke foretager sig noget: Manglen på aktivitet betyder igen, at det er begrænset, hvor mange nye medlemmer, der kommer til i indeværende år eller i det næste år.

I jorden findes en række mikronicher, hvor næringsstrømmen er mere begrænset end i resten af jorden, og hvor det ikke er muligt for prædatorer som f.eks. amøber og flagellater at komme til at æde deres bytte. Denne sultsituation fører til, at de fleste bakterier skrumper ind fra deres sunde størrelse på et par mikrometer ned til en procent af denne størrelse. De slår med andre ord livsprocesserne på "standby" og venter på bedre tider. Andre bakterier har udviklet deciderede hvileformer, f.eks. er en række "gram-positive" bakterier i stand til at danne sporer, en tilstandsform, hvor bakterien ikke skrumper så meget, men indkapsler sig med noget næring i behold.

I jordlagene under dyrkningslaget er hovedparten af de mikrobielle populationer præget af disse tilstandsformer; målt i absolutte tal er der faktisk næsten lige så mange bakterier som i muldlaget, men hvis man bestemmer den mikrobielle biomasse (målt som f.eks. kulstof) udgør den typisk kun nogle få procent af den biomasse, der findes i de øverste jordlag. Man kan her spørge, om de mikrobielle populationer, der findes i jordlag under pløjelaget, overhovedet er aktive? Der er meget, der tyder på, at dele af dem er, mens andre populationer ikke er aktive. Men vi ved ikke særlig meget om, hvilke bakterier der er aktive og spiller en rolle, og hvilke der ikke er aktive på stedet.

Adaptation af enkeltorganismer i underjorden
Når mikroorganismerne, så som bakterier, har vist sig i stand til at kolonisere snart sagt enhver niche på og under jorden, er det fordi de har en stor evne til at tilpasse sig skiftende levevilkår. Denne adaptation kan bl.a. give sig udtryk i de bakterielle samfunds evne til at nedbryde sprøjtemidler. Vi har ofte set, at evnen til at nedbryde sprøjtemidler og andre kemiske forureninger er båret af små cirkulære stykker DNA, der kan spredes livligt mellem bakterier i jord. Disse "plasmider" kan være bærere af hele den genetiske information til nedbrydning af et stof, og hvis en bakterie kan optage plasmidet, vil det sætte bakterien i stand til at nedbryde det fremmedstof, der er tale om.

Gennem denne spredning af plasmider kan de bakterielle samfund hele tiden tilpasses skiftende forhold. En god grund for bakterier til at tilegne sig særlige egenskaber til at nedbryde f.eks. pesticider er, at de er i stand til at anvende de stoffer de nedbryder som nærings- og energikilde. Hermed vil bakterien kunne klare sig bedre i konkurrencen om næring i jorden gennem udnyttelse af den fødeniche som fremmedstoffet udgør. Hvis stoffet kun giver et beskedent udbytte, bliver det mindre interessant for bakterien at have optaget plasmidet. Den enkeltstående begivenhed, at der er skabt en ny bakterie gennem optagelse af plasmidet, vil ikke nødvendigvis give sig udtryk i en stor familie med masser af efterkommere.

Adaptation af bakterielle samfund til nedbrydning af pesticider
Ligesom de enkelte bakterier kan tilpasse sig nedbrydning af bestemte stoffer kan hele det bakterielle samfund tilpasse sig nedbrydning af pesticider. Dette kan f.eks. finde sted ved, at der sker en vækst af de bakterier, som er i stand til at få et energiudbytte ved nedbrydningen af sprøjtemidlerne. Nedbrydning af sprøjtemidler i jord er meget forskellig fra middel til middel. Nogle pesticider giver ophav til adaptation af de bakterielle samfund til nedbrydning, mens andre ikke gør.

Interessant nok ser det ud til, at det især er stoffer, der hører til "phenoxysyre-herbiciderne", der lettest kan nedbrydes blandt de stoffer vi indtil nu har undersøgt. Phenoxysyre-herbiciderne 2,4-D og MCPA er blandt de stoffer, der hurtigt nedbrydes i jord med et forløb, der er parallelt til vækst af de bakterier, der kan nedbryde stofferne. Dette sker både i dyrkningszonen, men også længere nede i jorden, i hvert tilfælde er nedbrydningshastigheden noget stærkere for disse stoffer end for en række andre stoffer nede i jorden.
Denne viden kan udnyttes til at forstå hvorfor nogle sprøjtemidler, selvom de måske i første omgang udvaskes fra dyrkningszonen, kun i mere begrænset omfang dukker op i vores drikkevand.

Mikrobiel autøkologi kan hjælpe os til at forstå effektiviteten af omsætningen af pesticider
Vi ved, at der er en stor spredning på omsætningen af pesticider i overjord og denne spredning overføres til en vis grad dybere ned i jorden. Således fandt vi, at omsætningen af atrazin og glyphosat skete kraftigst i en jord der samtidig modtog tilførsel af organisk stof.

Hovedparten af de udbragte pesticider skal nedbrydes i jorden for ikke at overskride de tilladte udvaskningsmængder. Selv med en anvendelse af de såkaldte minimidler, hvor der udbringes få gram pr. hektar, skal der ske en kraftig reduktion af stofferne for ikke at overskride udvaskningsgrænserne. Stofferne skal nemlig reduceres fra den anbefalede dosering, der modsvarer mellem 10 kg og 20 g pr. hektar, ned til under 0,2 g pr. hektar.
Ved at introducere bakterier, vi véd kan nedbryde forskellige pesticider, kan vi undersøge hvilke faktorer i jorden, der evt. kan begrænse nedbrydningen af pesticiderne.

Mikrobiel autøkologi er en relativ ny forskningsdiciplin indenfor jordbundsmikrobiologi. Den følger den enkelte bakteries vækst, overlevelse og aktivitet i jordbundens sammensatte miljø; på samme måde som det har været skik blandt biologer, der arbejder med (store) dyr. Forskningen er oftest afhængig af molekylære "rapportører", eller sagt på en anden måde at bakterierne er udstyret med et lille kryds på ryggen, så vi kan skelne dem fra de andre bakterier.

Fornyligt har vi undersøgt overlevelsen af en atrazinnedbrydende bakterie. Pseudomonas ADP blev introduceret til et atrazin forurenet grundvandsmagasin og en hurtigt nedbrydning af atrazin blev påvist. Pseudomonas ADP anvender atrazin som kvælstofkilde til sin vækst. Det overraskende var, at stammen også ville nedbryde stoffet under denitrificerende forhold, hvor der er rigeligt kvælstof til stede i form af nitrat.

I de fremtidige undersøgelser af mikroorganismernes rolle i omsætningen af fremmedstoffer i jordprofiler, vil vi integrere de tre omtalte forskningsområder. Eksempelvis vil vi øge satsningen på anvendelse af molekylære værktøjer til at forklare, hvilke gener der er involveret i omsætningen af fremmedstofferne.

GEUS- satsning på kombinationer af et integreret miljøkemisk og molekylær mikrobiologisk laboratorium har skabt en unik forskningbasis for dette arbejde. Gennem en øget forståelse af de komplekse samspil i de mikrobielle samfund i jorden, vil vi kunne forudsige, hvordan jordes og grundvandsmagasiners evne til at nedbryde forskellige fremmedstoffer udvikles. Denne viden kan bidrage til forståelsen af, hvilke af de hidtil anvendte og fremtidige stoffer, der evt. kan være et problem for vores grundvandskvalitet.

Mikrobiologi og geologi - et ekspanderende forskningsområde