Бактерии приходят на помощь

На нескольких объектах Министерства энергетики США (DOE) добыча, переработка и обработка урана привели к загрязнению грунтовых вод, которое сохраняется выше стандартов питьевой воды, несмотря на естественное промывание и удаление загрязненных отложений. Исследовательская группа из нескольких институтов, включая ученых из Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории (PNNL) DOE, изучает возможность использования биоремедиации для очистки подземных шлейфов урана. Исследования на площадке Integrated Field Research Challenge (IFRC) в Рифле, штат Колорадо, показали, что местные бактерии можно стимулировать для иммобилизации урана, что приводит к снижению его концентрации в грунтовых водах ниже стандарта Агентства по охране окружающей среды США.

Ключевым компонентом исследования стало использование высокопроизводительных компьютеров и детальных симуляционных кодов для лучшего понимания подземных процессов, свойств и условий, контролирующих поведение урана. Используя код, разработанный для эффективной работы на продвинутых компьютерах с большой памятью, исследователи PNNL смогли включить в модели больше процессов и взаимодействий с высокой детализацией, выполняя симуляции за часы вместо недель.

Для учета высокого пространственного и временного разрешения, а также большого числа реакционноспособных видов, минералов и микробиологически опосредованных реакций, исследователи использовали подземный симулятор PNNL eSTOMP на массово-параллельном суперкомпьютере Chinook Лаборатории экологических молекулярных наук (EMSL). Они смоделировали 110-дневный полевой эксперимент in situ и 50 дней пост-биостимуляции. Моделирование включало переменную насыщенность потока и биогеохимический реактивный транспорт через трехмерные физически и химически неоднородные отложения, а также новые данные о поведении стимулированного микробного сообщества и его взаимодействии с подземной геохимической средой. Помимо металлвосстанавливающих бактерий, катализирующих образование неподвижного урана, исследователи продемонстрировали важность учета активности сульфатвосстанавливающих бактерий, обнаружив, что биовосстановление урана наиболее эффективно, когда концентрации ацетата превышают потребность этих бактерий.

Исследователи работают над включением моделей метаболизма в геномном масштабе в полевые симуляции eSTOMP, чтобы точнее учитывать биологически опосредованные реакции и их скорости. Этот подход основан на достижениях в сборе и анализе протеомных данных, которые используются для оценки и валидации множества детальных механизмов клеточных процессов в естественных сложных полевых условиях.