Исследование находит недостающий элемент биогеохимической головоломки в водоносных горизонтах

Исследование, опубликованное в журнале Science учёными из Аргоннской национальной лаборатории Министерства энергетики США, может кардинально изменить наше понимание сложного взаимодействия микробов и минералов в глубоких подземных водоносных горизонтах. Этот процесс влияет на качество грунтовых вод, миграцию загрязняющих веществ и технологии улавливания и хранения углерода.

В глубоких подземных слоях у микробов ограничен доступ к кислороду, поэтому они эволюционировали, чтобы «дышать» другими элементами, включая твёрдые минералы, такие как железо и сера. Когда микробы восстанавливают твёрдые железо и серу, они превращают их в высокореактивные растворённые ионы, которые затем активно взаимодействуют с другими веществами в водоносном горизонте. Этот процесс может медленно, но неуклонно менять состав горных пород, почвы и воды. Около пятой части населения мира полагается на грунтовые воды из водоносных горизонтов как на источник питьевой воды.

Долгое время считалось, что в таких средах микробы, способные дышать железом, должны вытеснять остальных, так как эта реакция теоретически даёт больше всего энергии. Однако многие микроорганизмы несли генетический «инструментарий» для дыхания как железом, так и серой, что эволюционно невыгодно, если сера встречается редко. Команда пересчитала энергетический баланс для щелочных условий, характерных для старых глубоких водоносных горизонтов, и обнаружила, что в такой среде извлечь энергию из железа становится сложнее, а дыхание серой, напротив, более выгодно. Эксперименты с бактерией Shewanella oneidensis в условиях, имитирующих водоносный горизонт, подтвердили: при pH около 9 бактерия могла дышать серой, но не железом.

Ключом к разгадке стала синергия между разными группами микробов. Микроорганизмы, дышащие растворимым сульфатом (который часто встречается в грунтовых водах), выделяют сульфид. Он реагирует с минералами железа, образуя твёрдую серу и реакционноспособное железо. Учёные полагают, что эта сера почти мгновенно потребляется такими бактериями, как Shewanella. Это объясняет, почему серу редко можно обнаружить в какой-либо фиксированный момент времени, несмотря на её важную роль в энергетическом цикле.

Это понимание особенно важно для технологий геологического захоронения углерода (CCS). Чтобы удерживать CO₂ под землёй, он должен вступать в реакцию с железом, образуя твёрдые минералы. Для этого железо должно быть в реакционноспособной форме, в создании которой и участвуют микроорганизмы. Таким образом, открытие роли серы и микробного сообщества, зависящего от неё, представляет собой значительный недостающий фрагмент общей биогеохимической картины.