Введение

Пересечение микробиологии и геологии

Геомикробиология – это научная область на стыке геологии и микробиологии, являющаяся важной областью геобиологии. Она изучает роль микробов в геологических и геохимических процессах, а также влияние минералов и металлов на рост, активность и выживание микроорганизмов. Геомикробиология исследует микроорганизмы, которые управляют биогеохимическими циклами Земли, опосредуют осаждение и растворение минералов, а также сорбцию и концентрацию металлов.

Взаимодействие микробов с водоносными системами

Известно, что микроорганизмы влияют на водоносные горизонты, изменяя скорость их растворения. В карстовом водоносном горизонте Эдвардса микробы, колонизирующие поверхности водоносного горизонта, усиливают скорость растворения вмещающих пород. В океаническом водоносном горизонте земной коры, крупнейшем водоносном горизонте на Земле, микробные сообщества могут оказывать влияние на продуктивность океана, химический состав морской воды, а также на геохимические циклы во всей геосфере. Минеральный состав пород влияет на состав и численность этих микроорганизмов, обитающих под морским дном. С помощью биоремедиации некоторые микробы могут способствовать очистке пресных водных ресурсов в водоносных горизонтах, загрязненных отходами.

Микробиологически осажденные минералы

Некоторые бактерии используют ионы металлов в качестве источника энергии. Они преобразуют (или химически восстанавливают) растворенные ионы металлов из одного электрического состояния в другое. Это восстановление высвобождает энергию, которую бактерии используют, а в качестве побочного продукта способствует концентрации металлов, формируя в конечном итоге рудные месторождения. Биогидрометаллургия или кучное выщелачивание – это процесс, при котором низкосортные руды подвергаются воздействию хорошо изученных микробных процессов в контролируемых условиях для извлечения металлов. Считается, что некоторые железные, медные, урановые и даже золотые руды образовались в результате деятельности микроорганизмов. Подземные среды, такие как водоносные горизонты, привлекательны при выборе мест для захоронения ядерных отходов, углекислого газа (см. секвестрацию углерода) или в качестве искусственных резервуаров для природного газа. Понимание микробной активности в водоносных горизонтах важно, поскольку она может взаимодействовать с материалами и влиять на их стабильность в подземном хранилище. Взаимодействие микроорганизмов с минералами способствует биообрастанию и микробиологической коррозии. Микробиологическая коррозия материалов, таких как углеродистая сталь, имеет серьезные последствия для безопасного хранения радиоактивных отходов в хранилищах и контейнерах.

Реабилитация окружающей среды

Микробы изучаются и используются для разложения органических и даже ядерных отходов (см. Deinococcus radiodurans) и способствуют очистке окружающей среды. Одним из применений геомикробиологии является биовыщелачивание – использование микробов для извлечения металлов из горнодобывающих отходов.

Почва и осадочные отложения: микробная реабилитация

Микробная ремедиация используется в почвах для удаления загрязнителей и вредных веществ. Микробы играют ключевую роль во многих биогеохимических циклах и могут влиять на различные свойства почвы, такие как биотрансформация минералов и изменение форм металлов, токсичность, подвижность, осаждение минералов и растворение минералов. Микробы участвуют в иммобилизации и детоксикации различных элементов, таких как металлы, радионуклиды, сера и фосфор, в почве. Тринадцать металлов считаются приоритетными загрязнителями (Sb, As, Be, Cd, Cr, Cu, Pb, Ni, Se, Ag, Tl, Zn, Hg). Почвы и донные отложения служат накопителями металлов, поступающих как из природных источников – горных пород и минералов, так и из антропогенных источников – сельского хозяйства, промышленности, горнодобывающей деятельности, утилизации отходов и других. Многие тяжелые металлы, такие как хром (Cr), в низких концентрациях являются необходимыми микроэлементами в почве, однако в более высоких концентрациях они могут быть токсичными. Тяжелые металлы поступают в почву из различных антропогенных источников, таких как промышленность и/или удобрения. Взаимодействие тяжелых металлов с микробами может усиливать или ослаблять токсичность. Степень токсичности, подвижности и биодоступности хрома зависит от его степени окисления. Два наиболее распространенных соединения хрома – Cr(III) и Cr(VI). Cr(VI) обладает высокой подвижностью, биодоступностью и большей токсичностью для флоры и фауны, в то время как Cr(III) менее токсичен, менее подвижен и легко осаждается в почвах с pH > 6. Использование микробов для ускорения превращения Cr(VI) в Cr(III) является экологически безопасным и экономически выгодным методом биоремедиации, способствующим снижению токсичности в окружающей среде.

Кислотный дренаж шахты

Еще одно применение геомикробиологии – биовыщелачивание, использование микробов для извлечения металлов из шахтных отходов. Например, сульфатредуцирующие бактерии (SRB) производят H2S, который осаждает металлы в виде сульфидов металлов. Этот процесс удаляет тяжелые металлы из шахтных отходов, что является одной из основных экологических проблем, связанных с кислыми шахтными водами (наряду с низким pH). Методы биоремедиации также применяются для очистки загрязненных поверхностных и грунтовых вод, часто связанных с образованием кислых шахтных вод. Исследования показали, что выработка бикарбоната микробами, такими как сульфатредуцирующие бактерии, повышает щелочность, нейтрализуя кислотность шахтных вод. В процессе потребляются ионы водорода и образуется бикарбонат, что приводит к увеличению pH (снижению кислотности).

Микробиологическая деградация углеводородов

Микроорганизмы могут влиять на качество нефтяных и газовых залежей посредством своих метаболических процессов. Микроорганизмы могут оказывать влияние на формирование углеводородов, присутствуя в момент отложения материнских пород или распространяясь по разрезу для колонизации коллекторских или материнских литологий после генерации углеводородов.

Ранняя история Земли и астробиология

Общим направлением исследований в геомикробиологии является происхождение жизни на Земле или других планетах. Различные взаимодействия между горными породами и водой, такие как серпентинизация и радиолиз воды, а также взаимодействия между микробами и осадочными породами, представляют собой одни из самых ранних свидетельств жизни на Земле. Информация о жизни в Архейском периоде Земли зафиксирована в бактериальных окаменелостях и строматолитах, сохранившихся в осадочных литологиях, таких как херт или карбонаты. Дополнительные свидетельства ранней жизни на суше, датируемые примерно 3,5 миллиардами лет назад, можно найти в формации Дрессер в Австралии в отложениях горячих источников, что указывает на то, что некоторые из самых ранних форм жизни на Земле возникли в горячих источниках. Микробно-индуцированные осадочные структуры (MISS) встречаются в геологической летописи на протяжении всего периода до 3,2 миллиардов лет. Они формируются в результате взаимодействия микробных матов и физической динамики осадка и фиксируют палеоэкологические данные, а также служат доказательством ранней жизни. Палеоокружения ранней жизни на Земле также используются в качестве моделей при поиске потенциальных ископаемых остатков жизни на Марсе.

Экстремофилы

Еще одной областью исследований в геомикробиологии является изучение экстремофильных организмов – микроорганизмов, которые процветают в средах, обычно считающихся враждебными для жизни. К таким средам могут относиться чрезвычайно горячие (горячие источники или гидротермальные жерла в срединно-океанических хребтах), чрезвычайно соленые среды или даже космические среды, такие как марсианская почва или кометы. Наблюдения и исследования в гиперсоленых лагунах Бразилии и Австралии, а также в слабосоленых внутренних озерах на северо-западе Китая показали, что анаэробные сульфатредуцирующие бактерии могут быть непосредственно вовлечены в образование доломита. Это позволяет предположить, что изменение и замещение известняковых отложений доломитизацией в древних породах, возможно, облегчалось предками этих анаэробных бактерий. В июле 2019 года научное исследование шахты Кидд в Канаде обнаружило организмы, дышащие серой, которые живут на глубине 7900 футов под поверхностью и используют серу для поддержания жизнедеятельности. Эти организмы также примечательны тем, что питаются такими минералами, как пирит, в качестве регулярного источника пищи.