Mikroba Purba Arktik Mulai Bangkit dan Bisa Mempercepat Pemanasan

Mengapa mikroba purba penting saat ini

Di tanah beku di seluruh Arktik, mikroba yang terakhir kali memakan tumbuhan dan hewan purba puluhan ribu tahun lalu mulai bangkit kembali. Eksperimen laboratorium menggunakan sampel permafrost dari pedalaman Alaska menunjukkan bahwa komunitas mikroba dorman, beberapa di antaranya berusia hingga 40.000 tahun, dapat aktif kembali dalam hitungan bulan jika kondisi tetap hangat dan basah. Setelah aktif, mikroba itu menguraikan materi organik yang telah lama membeku dan melepaskan karbon dioksida serta metana, dua gas yang memerangkap panas. Proses ini menambah dorongan bagi iklim yang menghangat dan meningkatkan risiko pencairan permafrost semakin cepat dalam siklus yang saling memperkuat.

Permafrost adalah tanah yang tetap beku setidaknya selama dua tahun berturut-turut. Ketebalannya bisa hanya satu meter atau mencapai ratusan meter, mengunci karbon purba dari ekosistem tundra dan hutan boreal yang telah lama lenyap. Lapisan atasnya sering mencair pada musim panas, tetapi lapisan yang lebih dalam tetap tersegel sejak zaman es terakhir. Penelitian baru menunjukkan bahwa jika musim panas berlangsung lebih lama dan musim aktif meluas hingga musim semi dan gugur, mikroba yang jauh di dalam permafrost pun dapat menjadi bagian sementara dari siklus karbon modern.

Waktu terjadinya proses ini sangat penting. Arktik menghangat sekitar dua kali lebih cepat daripada rata-rata global, dan musim pencairan semakin panjang. Para ilmuwan telah mengukur peningkatan emisi gas rumah kaca dari bentang alam utara pada musim gugur, dingin, dan semi, saat tanaman sebagian besar tidak aktif. Jika emisi di luar musim tanam ini ikut dihitung, dalam banyak tahun terakhir kawasan tersebut tampak menjadi sumber karbon bersih bagi atmosfer. Kebangkitan mikroba purba akan menambah beban itu.

Temuan dari terowongan permafrost Alaska

Untuk mengkaji kecepatan kebangkitan mikroba, para peneliti mengumpulkan inti tanah beku dari Terowongan Penelitian Permafrost dekat Fairbanks, Alaska. Terowongan itu berada sekitar 50 kaki di bawah permukaan dan membentang lebih dari 350 kaki ke dalam tanah beku yang menyimpan catatan terperinci tentang bentang alam Pleistosen Akhir. Tempat ini langka karena memungkinkan para ilmuwan mengambil sampel tanah dan es purba yang utuh dan tetap beku selama ribuan tahun.

Alaska merupakan wilayah penelitian yang ideal karena permafrost menutupi sebagian besar negara bagian itu. Dinding terowongan yang membeku memperlihatkan lapisan lanau, pasir, dan tanah kaya bahan organik, serta es tanah yang terbentuk saat tanah membeku. Banyak lapisan tersebut menyimpan sisa tumbuhan dan hewan yang terkubur dan sebagian besar belum diuraikan mikroba. Ketika pencairan menghadirkan air dalam bentuk cair dan suhu di atas titik beku, komunitas yang lama tidak aktif itu memperoleh bahan yang dibutuhkan untuk memulai kembali metabolisme.

Bagaimana ilmuwan membangkitkan mikroba zaman es

Di laboratorium, potongan kecil permafrost purba dibasahi dan diinkubasi pada suhu yang dipilih untuk mewakili musim panas Alaska saat ini dan pada masa mendatang. Para peneliti menggunakan air yang diperkaya deuterium, bentuk hidrogen yang lebih berat, sehingga setiap pertumbuhan mikroba baru akan menyertakan jejak atom yang dapat dideteksi. Setelah satu bulan, hanya sebagian kecil sel yang menunjukkan tanda aktivitas, yang mengindikasikan proses awal yang lambat. Setelah enam bulan pada suhu yang lebih hangat, hasilnya berubah drastis. Komunitas mikroba mengalami penyusunan ulang, biofilm yang terlihat muncul, dan mikroba yang bangkit kembali berperilaku mirip dengan mikroba modern.

Kebangkitan perlahan yang dilacak atom demi atom

Metode pelabelan deuterium memungkinkan ilmuwan melacak pertumbuhan tanpa menebak-nebak. Saat mikroba membentuk membran sel baru atau molekul lain, mereka menambahkan atom hidrogen. Jika atom itu berupa deuterium, instrumen dapat mendeteksi jejak yang lebih berat dan memastikan bahwa pertumbuhan berasal dari eksperimen, bukan kontaminasi. Data dari Alaska menunjukkan bahwa kebangkitan tidak terjadi seketika. Banyak mikroba tampaknya menyesuaikan diri selama berminggu-minggu, lalu menyusun ulang diri dan berkembang hanya setelah mendapat kehangatan dalam waktu lama. Jeda ini menegaskan mengapa musim pencairan yang lebih panjang dapat lebih berpengaruh daripada satu periode panas singkat.

Yang terjadi setelah berbulan-bulan dalam kondisi hangat

Temuan utama penelitian ini adalah rentang waktu kebangkitan. Eksperimen menunjukkan jeda sekitar satu hingga enam bulan antara pencairan dan aktivitas penuh pada beberapa komunitas purba. Dalam iklim saat ini, sebagian wilayah Arktik sudah menghabiskan waktu selama itu di atas titik beku setiap tahun. Proyeksi iklim menunjukkan musim pencairan akan semakin panjang. Periode hangat yang lebih lama memberi mikroba cukup waktu untuk membangun kembali membran, memperbaiki kerusakan akibat pembekuan, dan mengaktifkan enzim yang diperlukan untuk mencerna karbon kompleks. Setelah perangkat biologis itu siap, mikroba dapat dengan cepat mengubah materi organik beku menjadi gas karbon.

Waktu ini juga membantu menjelaskan pola lebih luas yang terlihat dalam pengukuran lapangan. Banyak lokasi tundra menyerap karbon dioksida selama musim tanam musim panas yang singkat, saat tanaman aktif. Namun, penyerapan itu semakin banyak diimbangi oleh pelepasan karbon selama sisa tahun, ketika mikroba terus berespirasi. Kehadiran mikroba yang baru bangkit dan menguraikan karbon purba memperbesar pelepasan di luar musim tanam dan dapat mendorong bentang alam menjadi sumber emisi bersih.

Dari penyimpanan karbon beku menjadi emisi gas rumah kaca

Permafrost kerap digambarkan sebagai gudang karbon raksasa. Permafrost terbentuk karena kondisi dingin mencegah sisa tumbuhan dan hewan terurai sepenuhnya, sehingga sisa-sisa itu menumpuk lalu membeku. Pencairan membuka gudang tersebut. Di tanah kaya oksigen, mikroba terutama melepaskan karbon dalam bentuk karbon dioksida (CO2). Di lingkungan tergenang atau miskin oksigen seperti lahan gambut, lahan basah, dan dasar danau yang mencair, mikroba khusus yang disebut metanogen menghasilkan metana (CH4).

CO2 dibandingkan metana

Metana memerangkap jauh lebih banyak panas daripada karbon dioksida dalam kurun beberapa dekade, meskipun gas ini lebih cepat terurai di atmosfer. Karbon dioksida lebih lemah daya pemanasannya per molekul, tetapi bertahan selama berabad-abad. Keseimbangan antara CO2 dan metana dari tanah yang mencair bergantung pada kondisi setempat. Tanah yang lebih kering dan berdrainase baik cenderung melepaskan lebih banyak CO2. Tanah jenuh air dan danau yang mencair cenderung melepaskan lebih banyak metana. Penelitian terbaru di Alaska dan Kanada bagian barat menunjukkan bahwa hutan dapat menyerap sedikit lebih banyak CO2 daripada yang dilepaskan selama masa produktif. Namun, penyerapan itu diimbangi oleh metana dari lahan basah dan danau, kebakaran, serta respirasi pada musim dingin. Secara keseluruhan, anggaran gas rumah kaca kawasan itu masih menunjukkan adanya tambahan pemanasan dalam beberapa dekade mendatang.

Seberapa besar pelepasan karbon yang mungkin terjadi

Tanah di kawasan permafrost utara menyimpan karbon organik dalam jumlah sangat besar, sekitar 1.460 hingga 1.600 miliar ton metrik. Jumlah itu kira-kira dua kali lipat karbon yang kini berada di atmosfer. Sebagian besar simpanan itu berada di tiga meter lapisan teratas, tetapi sebagian besar lainnya terletak lebih dalam, terperangkap dalam sedimen kaya es dan endapan loes purba yang dikenal sebagai Yedoma. Perkiraan simpanan karbon di endapan Yedoma dalam itu berkisar antara 327 hingga 466 miliar ton. Delta sungai Arktik menyimpan sekitar 96 miliar ton lagi. Pencairan bertahap dari permukaan ke bawah akan membuka banyak cadangan di dekat permukaan seiring waktu. Pencairan mendadak terjadi ketika tanah kaya es runtuh dan membentuk lubang serta danau termokarst, sehingga dapat memobilisasi lapisan yang lebih dalam dalam satu musim.

Pengukuran fluks menunjukkan bahwa kumpulan karbon raksasa ini sudah mulai menambah karbon di atmosfer. Pengamatan regional dan musim dingin terbaru menunjukkan bahwa ekosistem kawasan permafrost melepaskan karbon bersih sebesar 0,3 hingga 0,6 miliar ton per tahun dalam bentuk karbon dioksida jika kehilangan pada musim dingin turut dihitung. Kampanye pengukuran menggunakan pesawat di Alaska memperkirakan bahwa tundra secara konsisten menjadi sumber karbon, sementara hutan boreal berkisar dari hampir netral hingga menjadi penyerap dalam jumlah sedang, bergantung pada kebakaran dan cuaca. Dalam beberapa analisis, estimasi emisi musim dingin direvisi naik dua hingga tiga kali lipat setelah semakin banyak sensor menangkap periode dingin yang panjang, saat tanaman tidak aktif tetapi mikroba tetap bekerja. Hasil ini sejalan dengan gagasan bahwa umpan balik dari pencairan permafrost sudah mulai berlangsung.

Dapatkah tanaman dan musim dingin mengimbangi emisi ini

Setiap musim panas, tanaman di tundra dan hutan boreal menyerap karbon dioksida melalui fotosintesis dan menyimpan sebagian karbon itu sebagai biomassa serta bahan organik tanah baru. Di tegakan hutan dan lahan basah yang sehat, penyerapan tersebut dapat berlangsung kuat. Masalahnya, musim dingin di Arktik sangat panjang. Respirasi mikroba berlanjut dengan laju rendah selama sebagian besar tahun, bahkan di bawah salju. Selama 250 hari atau lebih, kehilangan kecil setiap hari itu dapat mengimbangi sebagian besar atau seluruh penyerapan pada musim panas.

Fleksibilitas mikroba menambah tantangan. Penelitian di Svalbard dan lokasi Arktik lainnya menunjukkan bahwa mikroba di lapisan atas yang mencair secara musiman telah beradaptasi dengan baik terhadap kondisi dingin. Mikroba tersebut menghasilkan enzim yang bekerja efisien pada suhu rendah dan dapat memanfaatkan beragam senyawa karbon. Dalam kondisi tertentu, sebagian bahkan dapat menyerap CO2 secara langsung, meskipun jalur ini kecil dibandingkan besarnya pelepasan karbon dari proses penguraian. Lahan basah dan lahan gambut dapat tetap menjadi penyerap karbon bersih berdasarkan berat, dengan menumpuk gambut selama berabad-abad, tetapi tetap melepaskan metana yang berdampak kuat pada pemanasan. Secara keseluruhan, data terbaru menunjukkan bahwa penyerapan oleh tanaman di seluruh kawasan tidak sepenuhnya mengimbangi meningkatnya kehilangan akibat respirasi dan metana dari tanah yang mencair.

Mengapa waktu, bukan hanya suhu, mengubah risikonya

Temuan laboratorium baru itu menyoroti pentingnya panjang musim. Mikroba yang tertidur selama ribuan tahun mungkin memerlukan waktu berminggu-minggu hingga berbulan-bulan untuk memperbaiki dan menyusun ulang diri sebelum tumbuh. Musim pencairan yang lebih panjang memberi mereka waktu tersebut. Hari-hari panas saja tidak terlalu menentukan dibandingkan pencairan musim semi yang datang lebih awal dan pembekuan musim gugur yang datang lebih lambat. Catatan iklim menunjukkan bahwa pergeseran tersebut sudah berlangsung di banyak lokasi Arktik.

Sinar matahari juga berperan mempercepat pelepasan karbon setelah permafrost terganggu. Pencairan dapat membawa karbon tanah ke sungai dan danau, tempat karbon itu terpapar sinar matahari. Reaksi fotokimia melemahkan molekul organik kompleks sehingga lebih mudah dikonsumsi mikroba. Eksperimen menunjukkan bahwa komunitas mikroba mengubah perangkat metabolisme mereka untuk memanfaatkan karbon yang telah dilemahkan sinar matahari, lalu mengubah lebih banyak karbon itu menjadi CO2. Hidrologi, cahaya, dan biologi bekerja bersama untuk menggerakkan karbon purba di dalam sistem setelah pencairan dimulai.

Faktor lain juga berpengaruh. Tanah yang lebih hangat sering disertai perubahan kelembapan, dan terkadang tambahan nitrogen dari deposisi atmosfer atau sumber setempat. Eksperimen pada tanah lahan gambut permafrost menunjukkan bahwa pemanasan meningkatkan emisi CO2 dan dapat meningkatkan aktivitas metanogen serta kelompok mikroba lainnya. Tambahan nitrogen dapat semakin mengubah komunitas mikroba dan fluks gas, termasuk dinitrogen oksida, gas rumah kaca kuat lainnya. Interaksi ini menunjukkan bahwa respons tanah yang mencair bukanlah satu proses tunggal, melainkan sekumpulan proses yang saling terkait dan berbeda-beda menurut bentang alam.

Hal yang masih belum diketahui para ilmuwan

Mikroba adalah mesin yang mengubah karbon permafrost menjadi gas, tetapi perilakunya pada masa mendatang masih sulit diprediksi dalam skala besar. Permafrost menutupi wilayah yang luas dan beragam, mulai dari dataran tinggi kering hingga lahan gambut tergenang, serta dari tanah mineral hingga lapisan organik tebal, dengan kondisi yang dapat berbeda hanya dalam jarak beberapa meter. Penelitian molekuler selama satu dekade telah mengungkap keanekaragaman yang luar biasa, tetapi menerjemahkan katalog gen menjadi perkiraan emisi gas yang andal masih merupakan tantangan. Para peneliti sedang mengembangkan model yang menggabungkan aliran panas, kelembapan tanah, hidrologi, dan metabolisme mikroba untuk menggambarkan keseluruhan proses dari pencairan hingga emisi. Banyak model masih kesulitan menyimulasikan pencairan mendadak, pergerakan air dan karbon secara lateral, serta jeda waktu yang terlihat dalam eksperimen kebangkitan baru tersebut.

Pengukuran juga masih terbatas pada musim dan lokasi yang sulit dijangkau. Metode dari bawah ke atas yang memperkirakan skala regional berdasarkan menara pengukur fluks lokal dapat berbeda dari estimasi dari atas ke bawah yang menggunakan satelit dan pesawat. Perbedaan itu sering kali disebabkan kurangnya data musim dingin, ketidakpastian tentang lahan basah dan danau, serta dampak kebakaran hutan yang berubah-ubah. Integrasi berbagai pendekatan yang lebih baik sedang memperjelas gambaran, tetapi kisaran perkiraan emisi masih lebar.

Ada satu kekhawatiran lain di luar anggaran iklim. Gagasan membangkitkan mikroba purba secara alami menimbulkan pertanyaan tentang keselamatan. Penelitian yang membangkitkan mikroba menggunakan sampel kecil dan terkontrol serta menerapkan prosedur laboratorium standar. Skala pekerjaan laboratorium sangat kecil dibandingkan luas permafrost yang mencair secara alami setiap musim panas. Risiko iklim berasal dari gas rumah kaca yang dihasilkan mikroba di alam liar, bukan dari galur mikroba di laboratorium. Kenyataan ini mengarahkan perhatian pada pemantauan dan pengurangan pemanasan agar lebih sedikit tanah beku yang melewati ambang pencairan musiman.

Hal yang Perlu Diketahui

• Mikroba purba Arktik dapat bangkit setelah satu hingga enam bulan dalam kondisi hangat dan lembap, lalu melepaskan CO2 dan metana saat menguraikan materi organik yang telah lama membeku.
• Tanah di kawasan permafrost menyimpan sekitar 1.460 hingga 1.600 miliar ton karbon organik, kira-kira dua kali jumlah karbon di atmosfer.
• Terowongan Penelitian Permafrost dekat Fairbanks, Alaska, menyediakan sampel purba yang menunjukkan kebangkitan mikroba dramatis setelah enam bulan diinkubasi dalam kondisi hangat.
• Pemanasan Arktik memperpanjang musim pencairan, yang lebih penting bagi kebangkitan mikroba daripada lonjakan panas singkat.
• Pengamatan terbaru menunjukkan kawasan permafrost utara sudah menjadi sumber karbon bersih bagi atmosfer jika kehilangan pada musim dingin ikut dihitung.
• Danau dan lahan basah mendorong emisi metana, sedangkan tanah yang lebih kering cenderung melepaskan lebih banyak CO2; kedua gas ini menambah pemanasan dalam rentang waktu yang berbeda.
• Dalam penelitian terbaru, estimasi kehilangan karbon pada musim dingin direvisi naik sehingga mengimbangi sebagian besar penyerapan karbon oleh tanaman pada musim panas.
• Sinar matahari membuat karbon dari permafrost yang mencair lebih mudah dikonsumsi mikroba, sehingga mempercepat pelepasan CO2 di sungai dan danau.
• Ketidakpastian masih besar karena komunitas mikroba dan kondisi tanah sangat beragam, sementara model masih kesulitan menggambarkan pencairan mendadak dan dinamika musiman.
• Risiko utama bagi masyarakat adalah pemanasan iklim akibat peningkatan gas rumah kaca, bukan penanganan mikroba purba di laboratorium yang dilakukan dalam skala kecil dan dengan pengawasan ketat.