มีเพียงสามแหล่งบนโลกที่ผลิตก๊าซมีเทนตามธรรมชาติ: ภูเขาไฟ ปฏิกิริยาระหว่างหินน้ำใต้ผิวดิน และจุลินทรีย์ ระหว่างแหล่งที่มาทั้งสามนี้ ส่วนใหญ่เกิดจากจุลชีพ ซึ่งมีก๊าซมีเทนจำนวนหลายร้อยกิกะตันตกตะกอนลงสู่พื้นทะเลลึก ที่พื้นทะเลมีเธนไหลซึม มันจะซึมเข้าสู่มหาสมุทรเปิด และชุมชนจุลินทรีย์กินก๊าซมีเทนส่วนใหญ่ก่อนที่จะถึงชั้นบรรยากาศ ตลอดหลายปีที่ผ่านมา นักวิจัยพบว่ามีเธนมากขึ้นเรื่อยๆ ใต้พื้นทะเล แต่มีน้อยมากที่ออกจากมหาสมุทรและเข้าสู่ชั้นบรรยากาศ ที่เหลือจะไปไหน?

ทีมนักวิจัยที่นำโดยเจฟฟรีย์ เจ. มาร์โลว์ อดีตนักวิจัยดุษฎีบัณฑิตสาขาชีววิทยาเชิงอินทรีย์และวิวัฒนาการที่มหาวิทยาลัยฮาร์วาร์ด ค้นพบชุมชนจุลินทรีย์ที่กินก๊าซมีเทนอย่างรวดเร็ว ป้องกันไม่ให้มันไหลเข้าสู่ชั้นบรรยากาศของโลก ผลการศึกษาที่ตีพิมพ์ในProceedings of the National Academy of Sciencesได้รวบรวมและตรวจสอบจุลินทรีย์ที่กินก๊าซมีเทนจากรอยรั่วใต้ท้องทะเลที่มีความหลากหลายทางธรณีวิทยา 7 แห่ง และพบว่าที่น่าแปลกใจที่สุดคือหินคาร์บอเนตจากสถานที่แห่งหนึ่งโดยเฉพาะโฮสต์ชุมชนจุลินทรีย์ที่มีเทนออกซิไดซ์ด้วยอัตราสูงสุด ปริมาณการใช้ก๊าซมีเทนที่วัดจนถึงปัจจุบัน

ผู้เขียนอาวุโส Peter Girguis ศาสตราจารย์ด้าน Organismic and Evolutionary Biology มหาวิทยาลัยฮาร์วาร์ดกล่าวว่า "จุลินทรีย์ในหินคาร์บอเนตเหล่านี้ทำหน้าที่เหมือนตัวกรองก๊าซมีเทนที่กินมันทั้งหมดก่อนที่มันจะออกจากมหาสมุทร นักวิจัยได้ศึกษาจุลินทรีย์ที่อาศัยอยู่ในตะกอนใต้ท้องทะเลมานานหลายทศวรรษ และรู้ว่าจุลินทรีย์เหล่านี้กำลังบริโภคก๊าซมีเทน อย่างไรก็ตาม การศึกษานี้ตรวจสอบจุลินทรีย์ที่เจริญเติบโตในหินคาร์บอเนตอย่างละเอียด

หินคาร์บอเนตที่ก้นทะเลมีอยู่ทั่วไป แต่ในบางตำแหน่ง พวกมันจะก่อตัวเป็นโครงสร้างคล้ายปล่องไฟที่ผิดปกติ ปล่องไฟเหล่านี้มีความสูง 12 ถึง 60 นิ้ว และพบเป็นกลุ่มตามพื้นทะเลที่คล้ายกับต้นไม้ยืนต้น ไม่เหมือนกับหินประเภทอื่นๆ หินคาร์บอเนตเหล่านี้มีรูพรุน ทำให้เกิดช่องทางที่เป็นที่อยู่ของชุมชนจุลินทรีย์ที่มีก๊าซมีเทนที่หนาแน่นมาก ในบางกรณี จุลินทรีย์เหล่านี้พบได้ในหินที่มีความหนาแน่นสูงกว่าในตะกอนมาก

ระหว่างการสำรวจในปี 2015 ซึ่งได้รับทุนสนับสนุนจาก Ocean Exploration Trust Girguis ได้ค้นพบแนวปะการังปล่องคาร์บอเนตนอกชายฝั่งทางตอนใต้ของรัฐแคลิฟอร์เนียที่บริเวณใต้ทะเลลึก Point Dume Girguis กลับมาในปี 2560 ด้วยเงินทุนจาก NASA เพื่อสร้างหอดูดาวพื้นทะเล เมื่อเข้าร่วมห้องทดลองของ Girguis Marlow ซึ่งปัจจุบันเป็นผู้ช่วยศาสตราจารย์ด้านชีววิทยาที่มหาวิทยาลัยบอสตัน กำลังศึกษาจุลินทรีย์ในคาร์บอเนต ทั้งสองตัดสินใจทำการศึกษาในชุมชนและรวบรวมตัวอย่างจากไซต์

"เราวัดอัตราที่จุลินทรีย์จากคาร์บอเนตกินมีเทนเมื่อเทียบกับจุลินทรีย์ในตะกอน" Girguis กล่าว "เราค้นพบว่าจุลินทรีย์ที่อาศัยอยู่ในคาร์บอเนตใช้ก๊าซมีเทนเร็วกว่าจุลินทรีย์ในตะกอน 50 เท่า เรามักจะเห็นว่าจุลินทรีย์จากตะกอนจากภูเขาไฟโคลนที่อุดมด้วยก๊าซมีเทนสามารถกินก๊าซมีเทนได้เร็วกว่า 5-10 เท่า แต่ 50 เร็วขึ้นหลายเท่าเป็นสิ่งใหม่ทั้งหมด ยิ่งกว่านั้น อัตราเหล่านี้อยู่ในกลุ่มที่สูงที่สุด ถ้าเราไม่สูงที่สุด เราได้วัดจากที่ใดก็ได้"

"อัตราการเกิดออกซิเดชันของก๊าซมีเทนหรือการบริโภคเหล่านี้ไม่ธรรมดาจริงๆ และเราเริ่มทำความเข้าใจว่าทำไม" มาร์โลว์กล่าว

ทีมงานพบว่าปล่องคาร์บอเนตสร้างบ้านในอุดมคติสำหรับจุลินทรีย์ที่จะกินก๊าซมีเทนจำนวนมากอย่างรวดเร็วจริงๆ "ปล่องไฟเหล่านี้มีอยู่เพราะก๊าซมีเทนบางส่วนในของเหลวที่ไหลออกมาจากใต้ผิวดินถูกแปลงโดยจุลินทรีย์ให้เป็นไบคาร์บอเนต ซึ่งสามารถตกตะกอนจากน้ำทะเลได้เป็นหินคาร์บอเนต" มาร์โลว์กล่าว "เรายังคงพยายามค้นหาว่าของเหลวนั้น - และมีเทนของมันมาจากไหน"

สภาพแวดล้อมจุลภาคภายในคาร์บอเนตอาจมีมีเทนมากกว่าตะกอนเนื่องจากลักษณะเป็นรูพรุน คาร์บอเนตมีช่องที่ให้น้ำแก่จุลินทรีย์อย่างต่อเนื่องด้วยก๊าซมีเทนสดและสารอาหารอื่นๆ ซึ่งช่วยให้พวกมันกินก๊าซมีเทนได้เร็วขึ้น ในตะกอน อุปทานของก๊าซมีเทนมักจะถูกจำกัด เพราะมันกระจายผ่านช่องเล็ก ๆ ที่คดเคี้ยวระหว่างเมล็ดแร่

สิ่งที่น่าตกใจก็คือ ในบางกรณี จุลินทรีย์เหล่านี้ถูกล้อมรอบด้วยไพไรต์ ซึ่งนำไฟฟ้าได้ คำอธิบายหนึ่งที่เป็นไปได้สำหรับอัตราการบริโภคก๊าซมีเทนที่สูงคือ ไพไรต์มีท่อร้อยสายไฟฟ้าที่ผ่านอิเล็กตรอนไปมา ทำให้จุลินทรีย์มีอัตราการเผาผลาญสูงขึ้นและใช้ก๊าซมีเทนอย่างรวดเร็ว

"อัตราที่สูงมากเหล่านี้ได้รับการอำนวยความสะดวกโดยคาร์บอเนตซึ่งเป็นกรอบสำหรับจุลินทรีย์ที่จะเติบโต" Girguis กล่าว "ระบบนี้คล้ายกับตลาดที่คาร์บอเนตยอมให้จุลินทรีย์จำนวนมากรวมตัวกันในที่เดียวและเติบโตและแลกเปลี่ยน ในกรณีนี้คือการแลกเปลี่ยนอิเล็กตรอน ซึ่งช่วยให้มีการบริโภคก๊าซมีเทนมากขึ้น"

มาร์โลว์เห็นด้วยว่า "เมื่อจุลินทรีย์ทำงานร่วมกัน พวกมันกำลังแลกเปลี่ยนหน่วยการสร้าง เช่น คาร์บอนหรือไนโตรเจน หรือแลกเปลี่ยนพลังงาน และวิธีหนึ่งที่จะทำได้ก็คือผ่านอิเล็กตรอน เช่น สกุลเงินของพลังงาน ไพไรต์กระจายอยู่ทั่วคาร์บอเนตเหล่านี้ หินสามารถช่วยให้การแลกเปลี่ยนอิเล็กตรอนเกิดขึ้นได้รวดเร็วและกว้างขึ้น"

ในห้องแล็บ นักวิจัยใส่คาร์บอเนตที่เก็บรวบรวมไว้ในเครื่องปฏิกรณ์แรงดันสูง และสร้างสภาพใหม่บนพื้นทะเล พวกเขาให้ก๊าซมีเทนที่ติดฉลากไอโซโทปกับคาร์บอน-14 หรือดิวเทอเรียม (ไฮโดรเจน-2) ที่เติมเพื่อติดตามการผลิตมีเทนและการบริโภค ทีมต่อไปได้เปรียบเทียบข้อมูลจาก Point Dume กับไซต์เพิ่มเติมอีก 6 แห่ง จากอ่าวเม็กซิโกไปยังชายฝั่งของนิวอิงแลนด์ ในทุกสถานที่ หินคาร์บอเนตที่รั่วซึมมีเทนมีจุลินทรีย์กินก๊าซมีเทน

"ต่อไป เราวางแผนที่จะคลี่คลายว่าส่วนต่างๆ ของคาร์บอเนตเหล่านี้ โครงสร้าง การนำไฟฟ้า การไหลของของไหล และชุมชนจุลินทรีย์ที่หนาแน่น ทำให้สิ่งนี้เป็นไปได้อย่างไร ณ ตอนนี้ เรายังไม่รู้ผลที่แน่นอนขององค์ประกอบแต่ละส่วน ” เกอร์กิสกล่าว

"ก่อนอื่น เราต้องเข้าใจว่าจุลินทรีย์เหล่านี้รักษาอัตราการเผาผลาญของพวกมันได้อย่างไร ไม่ว่าจะอยู่ในปล่องไฟหรือในตะกอน และเราจำเป็นต้องรู้สิ่งนี้ในโลกที่เปลี่ยนแปลงไปเพื่อสร้างพลังการทำนายของเรา" มาร์โลว์กล่าว "เมื่อเราชี้แจงว่าปัจจัยที่เชื่อมโยงถึงกันเหล่านี้มารวมกันเพื่อเปลี่ยนก๊าซมีเทนให้เป็นหินได้อย่างไร เราสามารถถามได้ว่าเราจะนำจุลินทรีย์ที่กินก๊าซมีเทนแบบไม่ใช้ออกซิเจนเหล่านี้ไปใช้กับสถานการณ์อื่นๆ ได้อย่างไร เช่น หลุมฝังกลบที่มีก๊าซมีเทนรั่ว"