KU-forskere er stødt på nyt permafrostmysterie

Denne artikel har tidligere været bragt på videnskab.dk i onlinemagasinet ForskerZonen.

Fugtig kælder. Sure sokker. Rådne æg. Dampende komøg.

Tro det eller ej, det er sådan, vores forskning lugter.

Vores forskningsarbejde har ført os på tværs af Europas arktiske region – fra Skandinaviens allernordligste landområder til flere forskellige steder i Grønland – hvor vi undersøgte den arktiske tundras udledning af en særlig gruppe flygtige gasser fra den tøende permafrost.

I forbindelse med en forskningsekspedition bemærkede vi en stærk og meget karakteristisk lugt, da vi hjalp vores kolleger med at bore ned i den frosne jord for at udvinde en permafrostkerne.

Lugten kan bedst beskrives som emmende kokasser blandet med den friske duft af regnvåd jord

Lugten kan bedst beskrives som emmende kokasser blandet med den friske duft af regnvåd jord.

Stanken fik os til at tro, at der udledes meget mere end blot kuldioxid og metan – begge lugtfrie drivhusgasser – i atmosfæren, i takt med at permafrosten tør op.

Derfor bragte vi en klump med tilbage til vores laboratorie i København. Vi puttede jordprøverne i glasflasker og tilkoblede en ekstremt sensitiv gas-analysator for at afdække, hvilke gasser der var tale om.

Til vores store overraskelse fandt vi ikke bare et par oversete gasser, men flere hundrede forskellige gasarter sivende ud af den tøende permafrost.

Nogle af gasserne har en lugt, men i laboratoriet stødte vi også på mange, der er lige så lugtfrie, som de er usynlige.

Permafrosten huser millioner af bakterier

Hvilke gasser er der tale om? Og hvor kommer de fra? Svaret ligger gemt i permafrostens bakterieliv.

Der er tale om flygtige, organiske forbindelser, der samles under betegnelsen VOC (Volatile Organic Compounds).

Med en temperatur, som konstant er under frysepunktet, er permafrosten ikke det første sted, man frivilligt bosætter sig. Alligevel kan der gemme sig flere millioner bakterier i et enkelt gram frossen arktisk jord.

Størstedelen af bakterierne overlever ved at gå i dvale med et stærkt reduceret stofskifte, men nogle af dem har faktisk tilpasset sig de barske forhold og lever et aktivt liv.

Et eksempel på en overlevelsesmekanisme, bakterierne benytter sig af, er for eksempel at producere antifryse-proteiner, som afværger dannelsen af iskrystaller inde i cellerne ved at sænke vandets frysepunkt.

Permafrosten er faktisk vært for en stor mangfoldighed af mikrobielt liv, der trives i jordbundens flydende saltholdige ‘årer’, som løber gennem den frosne jord, hvor frysepunktet er lavere som følge af saltholdigheden.

Bakterierne kan også overleve længere oppe i permafrosten, hvor smeltevand fra den overliggende frosne jordbund siver ned.

Permafrostgasser kan hobe sig op over tid

Bakterierne oplever formentlig hverken hjertesorg eller midtvejskriser; faktisk er livet som bakterie angiveligt forholdsvist ukompliceret.

Men bakterierne kommunikerer ikke desto mindre med hinanden og deres omgivelser.

Bakterierne producerer VOC-gasserne, der fungerer som signaler, som meddeler andre bakterier, hvornår tiden er inde til reproduktion eller til at udrulle forsvarsforanstaltninger mod potentielle fjender.

Frigivelsen af andre VOC-gasser har ikke et specifikt formål. De frigives blot tilfældigt i forbindelse med stofskifte på grund af deres flygtige natur.

De permafrostgasser, vi observerede i forbindelse med vores eksperiment, var altså i bund og grund produkter af gammel bakteriel kommunikation og stofskifteaktivitet.

Selv om den bakterielle aktivitet i permafrosten er meget lav, kan gasserne hobe sig op over tid. Gasserne bliver fanget i den ældgamle permafrost – der kan være flere millioner år gammel – hvor der gradvist bliver akkumuleret en ganske anseelig mængde gasser.

Det forklarer det store, hurtige gasudslip, vi observerede i den tøende permafrost.

Klimaopvarmningen kan starte ‘lavine’

Ud af de flere hundrede VOC-gasser, vi målte, skilte især ethanol sig ud, idet det stod for 50 procent af massen frigivet af permafrosten. ‘Ethanolgas’ indikerer gærings/fermenteringsprocesser i permafrosten.

Den store mængde ethanol vidner om, hvor sårbar permafrosten er, samt hvilken effekt mængden af lagret kuldioxid kan få på atmosfærens samlede kemi.

Hvis vi ikke mindsker udledningen af drivhusgasser, vil den følgende globale opvarmning sandsynligvis være drivkraften bag 40 til 80 procent af optøningen af permafrostens øverste lag ved udgangen af dette århundrede.

Gasserne bliver fanget i den ældgamle permafrost – der kan være flere millioner år gammel

Hvis vi går ud fra, at permafrosten frigiver den samme mængde ethanol, som vi observerede, kan klimaopvarmningen føre til frigivelse af 1.000 milliarder tons ethanol.

Det svarer til frigivelsen fra trafik i Los Angeles – verdens mest trafikerede by – i 21.500 år, hvis alle bilerne brugte ethanol i stedet for benzin.

I lighed med mange mennesker indtager bakterierne også gladeligt ethanol.

Det aktive lag – permafrostens øverste del, som tør op om sommeren og fryser igen om efteråret – huser et aktivt mikrobielt samfund, der er parat til at suge permafrostens VOC-gasser til sig, i takt med at de diffunderer opad for at nå ud i atmosfæren.

Hvad sker der med VOC-gasserne?

Vi var i stand til at observere gasserne, fordi vi gravede dybt ned i permafrosten og fysisk bragte dem op til overfladen.

Men hvad vil der ske i virkeligheden, hvis gasserne ikke blev forstyrret på denne måde?

Ville de stadig nå op til overfladen, hvis de skulle diffundere op igennem jordbunden på egen hånd?

Selv om visse bakterier frigiver VOC-gasser, er de føde for andre.

Så spørgsmålet er, om permafrostens VOC-gasser ender som føde for mikroorganismer i det aktive lag og på denne måde bliver forhindret i at nå ud i atmosfæren?

Gasserne påvirker sandsynligvis atmosfæren

Det testede vi ved hjælp af et andet eksperiment, hvor vi sammenlignede frigivelsen af VOC-gasser fra glasflasker indeholdende permafrost med glasflasker indeholdende både permafrost og jord fra det aktive lag.

Vi så, at det aktive lag var koloniseret af tørstige mikroorganismer. Frigivelsen af VOC-gasser var meget lavere i de flasker, der både indeholdt permafrost og aktivt jordlag, sammenlignet med de flasker, der kun indeholdt permafrost-jord.

Betyder det så, at de VOC-gasser, som permafrosten frigiver, ikke påvirker atmosfæren?

Højst sandsynligt ikke. Arktis oplever på nuværende tidspunkt en klimatisk opvarmning, som er dobbelt så hurtig som i resten verden, og det betyder, at permafrosten tør med stigende hastighed.

Periodisk nedfrysning og optøning er kraftfulde processer, der er skyld i landskridninger, og som skubber dybere jordlag op mod overfladen.

Denne omformning af landskabet blotter permafrosten, således at den kommer i direkte kontakt med atmosfæren, og VOC-gasserne dermed kan smutte forbi de tørstige bakterier.

Optager jordbunden VOC-gasser?

Vi afdækkede også en anden afgørende proces: Bakteriernes evne til at konsumere store mængder VOC-gasser i jordbunden over permafrosten – selv ved lave temperaturer.

Ligesom bakterier bruger træer og andre planter VOC-gasser til for eksempel kommunikation og forsvar. Planternes VOC-frigivelse er faktisk 10 til 1.000 gange større end jordbundens.

VOC-gasser udledt fra vegetation hvirvler i luften tæt på jordoverfladen, før de til sidst når den øvre atmosfære. Men hvad sker der, når disse VOC-gasser kortvarigt lander på jordbunden?

Hvis jordbunden optager planteudledte VOC-gasser og dermed reducerer nettoudledningen af VOC-gasser til atmosfæren, kan det have en betydning for den samlede mængde VOC-gasser i atmosfæren.

Yderligere undersøgelser

VOC-gasser påvirker atmosfæren på en række forskellige måder – og mange forstår vi ikke helt.

Hvis VOC-gasserne eksempelvis bliver blandet med trafikudstødning, forværrer VOC-gasserne luftforureningen.

VOC-gasserne kan også klæbe sig sammen og danne bittesmå partikler – der kan føre til skydannelse – som køler kloden ned.

Derfor er vi i øjeblikket i gang med at foretage eksperimenter i laboratoriet for at afdække præcist, hvordan VOC-gasserne bliver frigivet fra permafrosten i forskellige situationer for at få en forståelse af, hvordan det muligvis vil forandre sig i fremtiden, i takt med at klimaet forsat bliver varmere.