Кіріспе

Микробиология мен геологияның қиылысуы

Геомикробиология – геология және микробиология ғылымдарының тоғысқан жеріндегі ғылыми сала және геобиологияның маңызды тармағы. Ол микроорганизмдердің геологиялық және геохимиялық процестердегі атқаратын рөлін, сондай-ақ минералдар мен металдардың микроорганизмдердің өсуіне, қызметіне және тірі қалуына тигізетін әсерін зерттейді. Геомикробиология Жердің биогеохимиялық циклдарын басқаратын, минералдардың түзілуі мен еріуіне қатысатын, металдарды сіңіріп алып, шоғырландыратын микроорганизмдерді зерттейді.

Микробтар мен су басулары арасындағы өзара әсерлесулер

Микроорганизмдер еріу жылдамдықтарын өзгерту арқылы сулы горизонттарға әсер ететіні белгілі. Карсттық Эдвардс сулы горизонтында, горизонт бетін мекендейтін микробтар қабылдаушы тау жыныстарының еріу жылдамдығын күшейтеді. Жердегі ең ірі сулы горизонт – мұхит қабығының сулы горизонтында микробиалды қауымдастықтар мұхиттың өнімділігіне, теңіз суының химиясына және геосферадағы геохимиялық циклға әсер ете алады. Тау жыныстарының минералды құрамы осы теңіз астындағы микробиалды қауымдастықтардың құрамы мен мөлшеріне әсер етеді. Биоремедиация арқылы кейбір микроорганизмдер қалдықтармен ластанған сулы горизонттардағы тұщы су ресурстарын залалсыздандыруға көмектеседі.

Микробиологиялық жолмен тұндырылған минералдар

Кейбір бактериялар энергия көзі ретінде металл иондарын пайдаланады. Олар еріген металл иондарын бір электр күйінен екіншісіне түрлендіреді (немесе химиялық тұрде тотықтырады). Бұл түрлендіру бактериялардың пайдалануына энергияны бөліп шығарады, ал қосалқы өнім ретінде металдарды шоғырландырып, ақырында кен орындарына айналады. Биогидрометаллургия немесе жер бетіндегі кен өндірісі – бұл төмен сапалы кендерге бақыланатын жағдайларда жақсы зерттелген микробтық процестер арқылы шабуыл жасау арқылы металдарды өндіруге мүмкіндік береді. Темір, мыс, уран және тіпті алтын кендерінің кейбіреулері микробтардың әрекеті нәтижесінде пайда болған деп саналады. Жер асты суы сияқты орталар, ядролық қалдықтарды, көмірқышқыл газын (көміртегінің тоқтатылуына қараңыз) немесе табиғи газдың жасанды резервуарларын сақтау үшін қоймаларды таңдауда тартымды орындар болып табылады. Жер асты суындағы микробтық белсенділікті түсіну маңызды, себебі ол жер асты қоймасындағы материалдардың тұрақтылығымен өзара әрекеттесе алады және оларға әсер етеді. Микробтар мен минералдардың өзара әрекеттесуі биоластануға және микробтар тудырған коррозияға әкеледі. Микробтар тудырған коррозия, мысалы, көміртекті болат сияқты материалдарға, радиоактивті қалдықтарды сақтау орындарындағы және контейнерлердегі қауіпсіз сақтауға қатысты маңызды мәселелер тудырады.

Қоршаған ортаны қалпына келтіру

Микроорганизмдер органикалық және тіпті ядролық қалдықтардың ластануын ыдырату үшін зерттеліп, қолданылады (Deinococcus radiodurans-қа қараңыз) және қоршаған ортаны тазалауға көмектеседі. Геомикробиологияның қолданылуының бір мысалы – биокөн, яғни кен қалдықтарынан металдарды алу үшін микроорганизмдерді пайдалану.

Топырақ пен шөгінді: микробтық тазалау

Микробтық қайта жаңарту топырақтағы ластағыштарды және зиянды заттарды жою үшін қолданылады. Микроорганизмдер көптеген биогеохимиялық циклдарда маңызды рөл атқарады және минералдар мен металдардың биотрансформациясы, түрленуі, уыттылығы, жылжу қабілеті, минералдық шөгінді түзілуі және минералдық ерігі сияқты топырақ қасиеттерінің әртүрлілігіне әсер ете алады. Микробтар топырақтағы металдар, радионуклидтер, күкірт және фосфор сияқты әртүрлі элементтерді бекіту және заласыздандыруда маңызды рөл атқарады. Он үш металл басым ластағыштар болып саналады (Sb, As, Be, Cd, Cr, Cu, Pb, Ni, Se, Ag, Tl, Zn, Hg). Топырақ және шөгінділер тау-кендер мен минералдар арқылы табиғи көздерден, сондай-ақ ауыл шаруашылығы, өнеркәсіп, кен өндіру, қалдықтарды кәдеге келтіру сияқты антропогендік көздерден түсетін металдарды жинақтағыш ретінде қызмет етеді. Көптеген ауыр металдар, мысалы хром (Cr), төмен концентрацияларда топырақтағы қажетті микроэлементтер болып табылады, бірақ жоғары концентрацияларда уытты болуы мүмкін. Ауыр металдар өнеркәсіп және/немесе тыңайтқыштар сияқты көптеген антропогендік көздер арқылы топыраққа қосылады. Микробтармен ауыр металдардың өзара әрекеттесуі уыттылықты арттыруы немесе азайтуы мүмкін. Хромның уыттылық деңгейі, жылжу қабілеті және биологиялық қолжетімділігі хромның тотығу күйіне байланысты. Хромның ең көп таралған екі түрі – Cr(III) және Cr(VI). Cr(VI) өте жылдам қозғалады, биологиялық тұрғыдан қолжетімді және өсімдіктер мен жануарлар әлеміне зиянды, ал Cr(III) аз зиянды, аз жылдам қозғалады және pH >6 болатын топырақта оңай шөгінді түзеді. Cr(VI)-ны Cr(III)-ға айналдыру процесін жеңілдету үшін микроорганизмдерді пайдалану – қоршаған ортадағы уыттылықты азайтуға көмектесетін экологиялық таза, төмен құнмен қолданылатын биоремедиация әдісі болып табылады.

Қышқыл шахтаның дренажы

Геомикробиологияның тағы бір қолданылуы – биоличинг, яғни микробтарды кен қалдықтарынан металдарды алу үшін пайдалану. Мысалы, сульфатты азайтатын бактериялар (SRB) H2S өндіреді, ол металдарды металл сульфиді түрінде шөктіреді. Бұл процесс тау-кен қалдықтарынан ауыр металдарды жояды, бұл қышқыл тау-кен дренажымен байланысты маңызды экологиялық мәселелердің бірі (төмен pH деңгейімен қатар). Биоремедиациялау техникалары ластанған жер беті және жер асты суларында да қолданылады, олар көбінесе қышқыл шахта дренажымен байланысты. Зерттеулер көрсеткендей, сульфатты азайтатын бактериялар сияқты микробтардың бикарбонат өндірісі, кен суларының қышқылдығын бейтараптандыру үшін сілтілік қосады. Бикарбонат өндірілгенде сутегі иондары тұтынылады, бұл pH деңгейінің жоғарылауына (қышқылдықтың төмендеуіне) алып келеді.

Көмірсутектердің микробтық ыдырауы

Микробтар метаболизм процестері арқылы мұнай және газ кен орындарының сапасына әсер ете алады. Микробтар бастапқы шөгінділердің қалыптасу кезінде болған жағдайда немесе көмірсутектер пайда болғаннан кейін тау жынысы тізбегі арқылы таралып, резервуарлық немесе көмірсутектердің түзілуіне жататын литологияларды мекендеу арқылы көмірсутектердің дамуына ықпал етеді.

Ертедегі Жер тарихы және астробиология

Геомикробиологияның маңызды зерттеу салаларының бірі – Жерде немесе басқа планеталардағы тіршіліктің пайда болуы. Микробтар мен шөгінділер арасындағы әрекеттесулер Жердегі тіршілікке қатысты ең ерте дәлелдердің бірін көрсетеді. Архея дәуіріндегі өмір туралы мәліметтер бактериялық қазбалар мен шерт немесе карбонаттар сияқты шөгінді тау жыныстарында сақталған строматолиттерде қалдырылған. 3,5 миллиард жыл бұрынғы Жер бетіндегі алғашқы өмірдің болуын растайтын қосымша дәлелдерді Австралияның Дрессер формациясындағы ыстық су бұлағының жағдайында табуға болады, бұл Жердегі ең ерте тіршіліктің кейбір түрлері ыстық су бұлақтарында пайда болғанын көрсетеді. Микробтардың әсерінен пайда болған шөгінді құрылымдар (МИСС) 3,2 миллиард жылға дейінгі геологиялық жазбаларда кездеседі. Олар микробтық қабаттар мен физикалық шөгінді динамикасының өзара әрекеттесуі нәтижесінде пайда болады және палеоэкологиялық деректерді сақтайды, сонымен қатар ерте тіршіліктің дәлелін ұсынады. Жердегі ерте тіршіліктің палеоортасы Марстағы мүмкін болатын қазба қалдықтарын іздеу кезінде үлгі ретінде пайдаланылады.

Экстремофилдер

Геомикробиологияның тағы бір зерттеу саласы – экстремофильді организмдерді зерттеу, яғни қалыпты жағдайда тіршілікке жарамсыз деп есептелетін ортада гүлденетін микроорганизмдерді зерттеу. Мұндай орталарға тым ыстық (былтырғы бұлақтар немесе мұхиттың ортасындағы қара түтін жарықтары) орталар, тым тұзды орталар, тіпті Марс топырағы немесе кометалар сияқты ғарыш орталары да кіруі мүмкін. Бразилия мен Австралиядағы аса тұзды лагуналық орталарда, сондай-ақ Қытайдың солтүстік-батысындағы тұздылығы төмен ішкі көлдердегі байқаулар мен зерттеулер анаэробты сульфатты азайтушы бактериялар доломит түзілуіне тікелей қатысатынын көрсетті. Бұл ежелгі тау жыныстарындағы әктас шөгінділерінің доломиттену арқылы өзгеруіне және алмасуына осы бактериялардың ата-тегі көмектескен болуы мүмкін екенін көрсетеді. 2019 жылдың шілдесінде Канададағы Кидд кенішінде жүргізілген ғылыми зерттеулер жер бетінен 7900 фут тереңдікте тіршілік ететін күкіртпен тыныс алатын организмдерді анықтады. Бұл организмдер күкірттің көмегімен тіршілік етумен қатар, пирит сияқты тау жыныстарын күнделікті тамақ ретінде пайдаланады, бұл оларды ерекше етеді.