Исследование обнаружило недостающий элемент биогеохимической головоломки в водоносном горизонте

Исследование, опубликованное в журнале Science учёными из Национальной лаборатории Аргонн Министерства энергетики США и Технологического института Джорджии, может кардинально изменить наше понимание сложного взаимодействия микробов и минералов в глубоких подземных водоносных горизонтах. Этот процесс влияет на качество грунтовых вод, судьбу загрязняющих веществ и развивающуюся науку о секвестрации углерода.

В глубоких недрах микробам практически недоступен кислород, поэтому они эволюционировали, чтобы "дышать" другими элементами, включая твёрдые минералы, такие как железо и сера. Когда микробы восстанавливают твёрдые формы железа и серы, они превращают их в высокореактивные растворённые ионы, которые затем активно взаимодействуют с другими веществами в водоносном горизонте. Это медленно, но неуклонно меняет состав горных пород, почвы и воды. "То, как эти микробы дышат, влияет на поведение загрязнителей — будут ли они перемещаться или оставаться на месте — а также на качество грунтовых вод", — пояснил ведущий автор работы Тед Флинн из Аргонн и Чикагского университета.

Долгое время считалось, что в глубоких водоносных горизонтах, где присутствует железо, микробы, способные его восстанавливать, имеют преимущество, так как этот процесс теоретически даёт больше всего энергии. Однако учёные обнаружили противоречие: 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 горизонтов, и обнаружила, что в такой среде извлечь энергию из железа становится сложнее, а дыхание серой, напротив, более выгодно. Гипотеза подтвердилась в лаборатории на бактерии Shewanella oneidensis: при pH=9 она могла восстанавливать серу, но не железо.

Ключом к разгадке стало открытие симбиоза между двумя группами микробов. Одни, восстанавливая распространённый в воде сульфат, производят сульфид, который реагирует с минералами железа, образуя твёрдую серу. Другие, включая Shewanella, почти мгновенно используют эту серу для дыхания. "Это объясняет, почему мы не видим много серы в любой фиксированный момент времени, но количество энергии, проходящей через этот цикл, может быть огромным", — отметил соавтор Кен Кемнер. Таким образом, вместо конкуренции микробы, дышащие железом и сульфатом, оказались взаимозависимы.

Это открытие особенно важно для технологии подземного захоронения углекислого газа (CO₂). Для связывания CO₂ в твёрдые минералы необходимо реакционноспособное железо, которое как раз производят микробы. Понимание ключевой роли серы и связанных с ней микроорганизмов в этом процессе заполняет значительный пробел в знаниях. "Биогеохимическая связь между бактериями, восстанавливающими железо и серу, важна для выживания микробных сообществ в современных подземных средах, а также даёт ключи к пониманию эволюции древних метаболических процессов на бескислородной ранней Земле", — заключил профессор Томас ДиКристина из Технологического института Джорджии.