Взаимодействие минералов и микроорганизмов играет важную роль в геологических и экологических процессах

В статье, опубликованной в журнале National Science Review, международная группа учёных обобщает основные достижения в изучении взаимодействия минералов и микроорганизмов, включая молекулярные механизмы и макроскопические проявления таких взаимодействий в течение геологического времени. Определены ключевые вызовы и перспективы будущих исследований.

Минералы являются фундаментальными компонентами Земли, а микроорганизмы занимают большую часть древа жизни. В приповерхностных средах они сосуществуют и активно взаимодействуют. Исследования этих взаимодействий активно развиваются последние два десятилетия, поскольку они управляют важнейшими геологическими событиями и во многом определяют обитаемость нашей планеты. Команда под руководством доктора Хайляна Донга из Китайского университета геонаук (Пекин) провела критический обзор взаимодействий минералов и микробов и их совместной эволюции, предложив основные направления для будущих исследований.

Минералы и микроорганизмы взаимодействуют на всех пространственных и временных масштабах. Одни минералы обеспечивают защиту, питательные вещества и энергию для роста и метаболизма микробов, в то время как другие могут высвобождать биотоксичные вещества и активные формы кислорода (ROS), подавляя или даже убивая микроорганизмы. В свою очередь, микробы активно растворяют, осаждают и трансформируют минералы в процессе метаболизма, что может оставлять специфические биосигнатуры в геологической летописи.

На протяжении истории Земли и минералы, и микроорганизмы увеличивали своё видовое разнообразие и функциональную сложность. В добиотическом мире минералы катализировали синтез биологических молекул, сыграв ключевую роль в возникновении жизни. Впоследствии эволюция минералов, через изменение их физико-химических свойств, стимулировала инновации в микробном мире. Эволюция микробов, в свою очередь, вела к диверсификации минералов благодаря их уникальному метаболизму. Таким образом, развивающиеся взаимодействия минералов и микроорганизмов сыграли критическую роль в таких крупных геологических событиях, как Великое кислородное событие и формирование крупных рудных месторождений.

Взаимодействия минералов и микроорганизмов имеют множество биотехнологических применений, включая биовыщелачивание драгоценных металлов, производство минеральных удобрений, ремедиацию загрязнений тяжёлыми металлами и органическими соединениями, биосинтез новых материалов и секвестрацию CO₂. Несмотря на прогресс, авторы выделяют несколько ключевых вопросов для будущих исследований.

Во-первых, роль минералов в поддержании микробной экологии в настоящее время признаётся лишь качественно. Традиционные питательные среды не рассматривают минералы как важный источник питательных веществ и энергии, что может быть одной из причин низкой эффективности получения чистых культур. Использование сред на минеральной основе позволит выявить больше микробных ресурсов.

Во-вторых, остаётся сложной задачей отличить биогенные минералы от абиогенных. Более надёжным признаком для поиска биологических следов в геологической летописи и на других планетах является сингенетическая ассоциация минералов, сочетающая морфологические, структурно-текстурные и геохимические свидетельства.

В-третьих, необходимо устанавливать связь между лабораторными исследованиями механизмов и полевыми наблюдениями. С помощью итеративного подхода можно реконструировать взаимодействия минералов и микробов в прошлом.

В-четвёртых, управление этими взаимодействиями может принести пользу человечеству в таких областях, как секвестрация CO₂ для смягчения эффекта глобального потепления, извлечение ресурсов, защита окружающей среды и создание новых материалов.