Глубоко под землей микробы не имеют большого доступа к кислороду. Таким образом, они разработали способы дышать другими элементами, включая твердые минералы, такие как железо и сера.
Что интересует ученых, так это то, что когда микробы вдыхают твердое железо и серу, они превращают их в высокореактивные растворенные ионы, которые с гораздо большей вероятностью будут взаимодействовать с другими минералами и растворенными материалами в водоносном горизонте. Этот процесс может медленно, но верно привести к резким изменениям состава породы, почвы и воды.«Это означает, что то, как эти микробы дышат, влияет на то, что происходит с загрязняющими веществами — независимо от того, путешествуют они или остаются на месте — а также на качество грунтовых вод», — сказал Тед Флинн, ученый из Аргоннского и вычислительного института Чикагского университета и ведущий специалист. автор исследования.Примерно пятая часть населения мира полагается на подземные воды из водоносных горизонтов для обеспечения их питьевой водой, а многие другие зависят от сельскохозяйственных культур, орошаемых водоносными горизонтами.
На протяжении десятилетий ученые думали, что, когда железо присутствовало в этих типах глубоких водоносных горизонтов, микробы, которые могли дышать им, вытеснили бы тех, кто не может. Существует общепринятая иерархия того, чем микробы предпочитают дышать, в зависимости от того, сколько энергии теоретически может дать каждая реакция. (Кислород считается лучшим в целом, но он редко находится глубоко под поверхностью.)Согласно этим расчетам, из элементов, которые действительно обнаруживаются в этих водоносных горизонтах, вдыхание железа теоретически дает больше всего энергии микробам.
Железо часто входит в число наиболее распространенных минералов во многих водоносных горизонтах, в то время как твердая сера почти всегда отсутствует.Но что-то сложилось не так. Многие микроорганизмы дышали железом и серой.
Для этого требуются два совершенно разных ферментативных механизма, и для микробов с эволюционной точки зрения дорого хранить гены, необходимые для выполнения обоих процессов. Зачем им беспокоиться, если сера так редко используется?
Команда решила повторить расчеты энергии, предполагая щелочную среду — «Более старые и глубокие водоносные горизонты обычно более щелочные, чем поверхностные воды с нейтральным pH», — сказал соавтор Аргонны Кен Кемнер, — и обнаружила, что в щелочной среде становится сложнее и труднее получить энергию из железа.«С другой стороны, вдыхание серы становится еще более благоприятным в щелочных условиях», — сказал Флинн.
Команда подтвердила эту гипотезу в лаборатории с бактериями в смоделированных условиях водоносного горизонта. Бактерии Shewanella oneidensis в норме могут вдыхать и железо, и серу. Однако когда pH достигал 9, он мог дышать серой, но не железом.По-прежнему оставался вопрос, где такие микроорганизмы, как Shewanella, могут найти серу в своей естественной среде обитания, где она, по-видимому, была дефицитной.
Ответ пришел от другой группы микроорганизмов, которые дышат другой растворимой формой серы, называемой сульфатом, которая обычно встречается в грунтовых водах наряду с минералами железа. Эти микробы выделяют сульфид, который вступает в реакцию с минералами железа с образованием твердой серы и химически активного железа. Команда считает, что эта сера почти сразу же потребляется Шеванеллой и ее родственниками.
«Это объясняет, почему мы не видим много серы в любой фиксированный момент времени, но количество энергии, циркулирующей через нее, может быть огромным», — сказал Кемнер.Действительно, когда команда поместила бактерии, дышащие железом, в сильно щелочную лабораторную среду без серы, бактерии не вырабатывали восстановленное железо.«Эта гипотеза противоречит преобладающей теории, согласно которой микроорганизмы конкурируют, стиль выживания наиболее приспособленных и один тип организмов оказывается доминирующим», — сказал Флинн. Скорее, дышащие железом и дышащие сульфатом микробы зависят друг от друга, чтобы выжить.
Понимание этого сложного взаимодействия особенно важно для связывания углерода. Идея состоит в том, что для того, чтобы не допустить попадания вредного углекислого газа в атмосферу, мы сжимаем его и закачиваем в глубокие подземные водоносные горизонты. Теоретически углерод вступит в реакцию с железом и другими соединениями, запирая его в твердые минералы, которые не просачиваются на поверхность.
Железо является одним из основных игроков в этом сценарии, и оно должно быть в реактивном состоянии, чтобы углерод мог взаимодействовать с ним и образовывать твердый минерал. Микроорганизмы необходимы для создания всего этого реактивного железа.
Следовательно, понимание того, что сера — и зависимые от нее микробы играют роль в этом процессе, — это значительная часть головоломки, которой не хватало до сих пор.