Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Кокколитофориды Gephyrocapsa Oceanica может стать важным поглотителем углерода , как кислотность увеличивается океан . [1]

Геомикробиология - это научная область на стыке геологии и микробиологии . Это касается роли микробов в геологических и геохимических процессах и влияния минералов и металлов на рост, активность и выживание микробов. [2] Такие взаимодействия происходят в геосфере (горные породы, минералы, почвы и отложения), атмосфере и гидросфере . [3] Геомикробиология изучает микроорганизмы, которые управляют биогеохимическими циклами Земли, опосредуют осаждение и растворение минералов, а также сорбируют и концентрируют металлы. [4]Приложения включают, например, биоремедиацию , [5] горнодобывающую промышленность , смягчение последствий изменения климата [6] и общественное снабжение питьевой водой . [7]

Камни и минералы [ править ]

Взаимодействие микробов с водоносным горизонтом [ править ]

Известно, что микроорганизмы воздействуют на водоносные горизонты , изменяя скорость их растворения. В карстовом водоносном горизонте Эдвардса микробы, заселяющие поверхности водоносного горизонта, увеличивают скорость растворения вмещающей породы. [8]

В водоносном горизонте океанической коры , самом большом водоносном горизонте на Земле [9], микробные сообщества могут влиять на продуктивность океана , химический состав морской воды, а также на геохимические циклы в геосфере . Минеральный состав горных пород влияет на состав и численность этих микробных сообществ, присутствующих под дном. [10] Посредством биоремедиации некоторые микробы могут способствовать обеззараживанию ресурсов пресной воды в водоносных горизонтах, загрязненных отходами.

Микробиологические осажденные минералы [ править ]

См. Также: биоминерализация

Некоторые бактерии используют металлические ионы в качестве источника энергии. Они переводят (или химически восстанавливают) растворенные ионы металлов из одного электрического состояния в другое. Это сокращение высвобождает энергию для использования бактериями и, как побочный продукт, служит для концентрации металлов в том, что в конечном итоге становится рудными месторождениями . Биогидрометаллургия или добыча на месте - это то, где низкосортные руды могут быть повреждены хорошо изученными микробными процессами в контролируемых условиях для извлечения металлов. Считается, что некоторые железные , медные , урановые и даже золотые руды образовались в результате действия микробов. [11]

Подземные среды, такие как водоносные горизонты, являются привлекательными местами при выборе хранилищ для ядерных отходов , диоксида углерода (см. Секвестрация углерода ) или в качестве искусственных резервуаров для природного газа . Понимание микробной активности в водоносном горизонте важно, поскольку она может взаимодействовать и влиять на стабильность материалов в подземном хранилище. [12] Взаимодействие микробов с минералами способствует биообрастанию и микробной коррозии. Микробиологическая коррозия материалов, таких как углеродистая сталь, имеет серьезные последствия для безопасного хранения радиоактивных отходов в хранилищах и контейнерах для хранения. [13]

Восстановление окружающей среды [ править ]

Микробы изучаются и используются для разложения органических и даже ядерных отходов (см. Deinococcus radiodurans ) и для помощи в очистке окружающей среды. Применение геомикробиологии - биовыщелачивание , использование микробов для извлечения металлов из шахтных отходов.

Почва и отложения: микробная ремедиация [ править ]

Основная статья: Биоремедиация
Двое ученых готовят образцы почвы, смешанной с маслом, чтобы проверить способность микробов очищать загрязненную почву.

Микробная ремедиация используется в почвах для удаления загрязняющих веществ и загрязняющих веществ. Микробы играют ключевую роль во многих биогеохимических циклах и могут влиять на различные свойства почвы, такие как биотрансформация минералов и металлов, токсичность, подвижность, осаждение минералов и растворение минералов. Микробы играют роль в иммобилизации и детоксикации различных элементов в почве , таких как металлы , радионуклиды , сера и фосфор . Тринадцать металлов считаются приоритетными загрязнителями (Sb, As, Be, Cd, Cr, Cu, Pb, Ni, Se, Ag, Tl, Zn, Hg). [2]Почвы и отложения действуют как поглотители металлов, которые происходят как из естественных источников в виде горных пород и минералов, так и из антропогенных источников в результате сельского хозяйства, промышленности, добычи полезных ископаемых, удаления отходов и прочего.

Многие тяжелые металлы, такие как хром (Cr), в низких концентрациях являются важными питательными микроэлементами в почве, однако они могут быть токсичными при более высоких концентрациях. Тяжелые металлы попадают в почвы из многих антропогенных источников, таких как промышленность и / или удобрения. Взаимодействие тяжелых металлов с микробами может увеличить или уменьшить токсичность. Уровни токсичности, подвижности и биодоступности хрома зависят от степени окисления хрома. [14] Двумя наиболее распространенными разновидностями хрома являются Cr (III) и Cr (VI). Cr (VI) очень подвижен, биодоступен и более токсичен для флоры и фауны , в то время как Cr (III) менее токсичен, более неподвижен и легко осаждается в почвах с pH > 6.[15] Использование микробов для облегчения преобразования Cr (VI) в Cr (III) - это экологически безопасный и недорогой метод биоремедиации, помогающий снизить токсичность в окружающей среде. [16]

Кислотный дренаж шахты [ править ]

Основная статья: Кислотный дренаж шахты

Еще одно применение геомикробиологии - это биовыщелачивание , использование микробов для извлечения металлов из шахтных отходов. Например, сульфатредуцирующие бактерии (SRB) производят H 2 S, который осаждает металлы в виде сульфида металла. Этот процесс удалял тяжелые металлы из шахтных отходов, что является одной из основных экологических проблем, связанных с кислотным дренажем шахт (наряду с низким pH ). [17]

Методы биоремедиации также используются для загрязненных поверхностных и грунтовых вод, часто связанных с кислотным дренажем шахт. Исследования показали, что производство бикарбоната микробами, такими как сульфатредуцирующие бактерии, увеличивает щелочность, чтобы нейтрализовать кислотность шахтных дренажных вод. [5] Ионы водорода расходуются при производстве бикарбоната, что приводит к повышению pH (снижению кислотности). [18]

Микробная деградация углеводородов [ править ]

Основная статья: Микробное биоразложение

Микробы могут влиять на качество залежей нефти и газа через свои метаболические процессы. [19] Микробы могут влиять на развитие углеводородов, присутствуя во время отложения исходных отложений или рассеиваясь через толщу породы, чтобы колонизировать пласт или литологию источника после образования углеводородов.

История ранней Земли и астробиология [ править ]

Палеоархейский (3,35–3,46 млрд лет) строматолит из Западной Австралии.

Общей областью исследований в геомикробиологии является происхождение жизни на Земле или других планетах. Различные взаимодействия рока-вода, такие как серпентинизация и воды радиолиз , [12] являются возможными источниками метаболической энергии для поддержки chemolithoautotrophic микробных сообществ на ранней Земле и на других планетарных телах , такие как Марс, Европа и Энцелад. [20] [21]

Взаимодействие между микробами и отложениями является одним из самых ранних свидетельств существования жизни на Земле. Информация о жизни на архейской Земле записана в окаменелостях бактерий и строматолитах, сохранившихся в осажденных литологиях, таких как кремни или карбонаты. [22] [23] Дополнительные свидетельства ранней жизни на суше около 3,5 миллиардов лет назад можно найти в формации Дрессер в Австралии в фации горячих источников, что указывает на то, что некоторые из самых ранних форм жизни на суше происходили в горячих источниках. [24] Осадочные образования, вызванные микробами.(MISS) встречаются в геологической летописи возрастом до 3,2 миллиарда лет. Они образуются в результате взаимодействия микробных матов и физической динамики отложений и регистрируют палеоэкологические данные, а также предоставляют доказательства ранней жизни. [25] Различные палеосреды ранней жизни на Земле также служат моделью при поисках потенциальных ископаемых форм жизни на Марсе.

Экстремофилы [ править ]

Цвета Гранд-Призматического источника в Йеллоустонском национальном парке созданы из-за скоплений термофильных бактерий . [26]

Другой областью исследований в геомикробиологии является изучение экстремофильных организмов, микроорганизмов, которые процветают в окружающей среде, обычно считающейся враждебной для жизни. Такие среды могут включать в себя чрезвычайно горячие ( горячие источники или черный курильщик в середине океанического хребта ), чрезвычайно соленые среды или даже космические среды, такие как марсианская почва или кометы . [4]

Наблюдения и исследования в условиях гиперсоленой лагуны в Бразилии и Австралии, а также в слегка засоленных водах внутренних озер на северо-западе Китая показали, что анаэробные сульфатредуцирующие бактерии могут принимать непосредственное участие в образовании доломита . [27] Это говорит о том, что изменение и замена известняковых отложений доломитизацией в древних породах, возможно, была вызвана предками этих анаэробных бактерий. [28]

В июле 2019 года научное исследование шахты Кидд в Канаде обнаружило дышащие серой организмы, которые живут на глубине 7900 футов под поверхностью и которые дышат серой, чтобы выжить. Эти организмы также примечательны тем, что поедают камни, такие как пирит, в качестве обычного источника пищи. [29] [30] [31]

См. Также [ править ]

  • Бактериальное окисление
  • Desulforudis audaxviator
  • Глубокая биосфера

Ссылки [ править ]

  1. ^ Смит, HEK; Tyrrell, T .; Charalampopoulou, A .; Dumousseaud, C .; Legge, OJ; Birchenough, S .; Pettit, LR; Garley, R .; Hartman, SE; Хартман, MC; Sagoo, N .; Дэниэлс, CJ; Ахтерберг, EP; Хайдс, ди-джей (21 мая 2012 г.). «Преобладание сильно кальцинированных кокколитофорид при низком насыщении CaCO3 зимой в Бискайском заливе» . Труды Национальной академии наук . 109 (23): 8845–8849. Bibcode : 2012PNAS..109.8845S . DOI : 10.1073 / pnas.1117508109 . PMC  3384182 . PMID  22615387 .
  2. ^ а б Гэдд, GM (2010). «Металлы, полезные ископаемые и микробы: геомикробиология и биоремедиация» . Микробиология . 156 (3): 609–43. DOI : 10.1099 / mic.0.037143-0 . PMID 20019082 . 
  3. ^ Геологическая служба США (2007). «Перед вызовами завтрашнего дня - Геологическая служба США в десятилетие 2007-2017» . Циркуляр Геологической службы США . 1309 : 58.
  4. ^ a b Конхаузер, К. (2007). Введение в геомикробиологию . Молден, Массачусетс: Blackwell Pub. ISBN 978-1444309027.
  5. ^ a b Kaksonen, AH; Пухакка, Дж. А. (2007). «Биопроцессы на основе сульфатредукции для очистки кислых шахтных стоков и извлечения металлов». Инженерия в науках о жизни . 7 (6): 541–564. DOI : 10.1002 / elsc.200720216 .
  6. ^ "Смягчение последствий изменения климата в сельском хозяйстве (MICCA) Программа | Продовольственная и сельскохозяйственная организация Объединенных Наций" . www.fao.org . Проверено 2 октября 2019 .
  7. ^ Canfield, DE; Kristensen, E .; Тамдруп Б. (2005). Водная геомикробиология (Перевод в цифровой печатной ред.). Лондон: Elsevier Acad. Нажмите. ISBN 978-0121583408.
  8. ^ Грей, CJ; Энгель, АС (2013). «Разнообразие микробов и влияние на геохимию карбонатов через меняющийся геохимический градиент в карстовом водоносном горизонте» . Журнал ISME . 7 (2): 325–337. DOI : 10.1038 / ismej.2012.105 . PMC 3555096 . PMID 23151637 .  
  9. ^ Джонсон, HP; Пруис, MJ (2003). «Потоки жидкости и тепла из резервуара океанической коры». Письма о Земле и планетологии . 216 (4): 565–574. Bibcode : 2003E и PSL.216..565J . DOI : 10.1016 / S0012-821X (03) 00545-4 .
  10. ^ Смит, АР; Фиск, MR; Thurber, AR; Флорес, GE; Mason, OU; Popa, R .; Колвелл, Ф.С. (2016). «Глубокие коровые сообщества хребта Хуан-де-Фука регулируются минералогией». Геомикробиология . 34 (2): 147–156. DOI : 10.1080 / 01490451.2016.1155001 .
  11. Перейти ↑ Rawlings, DE (2005). «Характеристики и приспособляемость микроорганизмов, окисляющих железо и серу, используемых для извлечения металлов из минералов и их концентратов» . Факт о микробных клетках . 4 (13): 13. DOI : 10,1186 / 1475-2859-4-13 . PMC 1142338 . PMID 15877814 .  
  12. ^ а б Колвелл, Ф.С. Д'Хонд, С. (2013). «Природа и масштабы глубинной биосферы». Обзоры по минералогии и геохимии . 75 (1): 547–574. Bibcode : 2013RvMG ... 75..547C . DOI : 10.2138 / rmg.2013.75.17 .
  13. ^ Rajala, Pauliina; Бомберг, Малин; Вепсалайнен, Микко; Карпен, Лина (2017). «Микробное обрастание и коррозия углеродистой стали в глубоких бескислородных щелочных грунтовых водах». Биообрастание . 33 (2): 195–209. DOI : 10.1080 / 08927014.2017.1285914 . PMID 28198664 . 
  14. ^ Cheung, KH; Гу, Джи-Донг (2007). «Механизм детоксикации шестивалентного хрома микроорганизмами и возможности применения биоремедиации: обзор». Международный биоразложение и биоразложение . 59 : 8–15. DOI : 10.1016 / j.ibiod.2006.05.002 .
  15. ^ Аль-Батташи, H; Джоши, SJ; Pracejus, B; Аль-Ансари, А (2016). «Геомикробиология загрязнения хромом (VI): микробное разнообразие и его потенциал биологической очистки» . Открытый биотехнологический журнал . 10 (Дополнение-2, M10): 379–389. DOI : 10.2174 / 1874070701610010379 .
  16. ^ Чоппола, G; Болан, Н; Парк, JH (2013). Глава вторая: Загрязнение хромом и оценка его риска в сложных экологических условиях . Успехи в агрономии . 120 . С. 129–172. DOI : 10.1016 / B978-0-12-407686-0.00002-6 . ISBN 9780124076860.
  17. ^ Луптакова, А; Кусниерова, М (2005). «Биоремедиация кислых шахтных стоков, загрязненных СРБ». Гидрометаллургия . 77 (1–2): 97–102. DOI : 10.1016 / j.hydromet.2004.10.019 .
  18. Перейти ↑ Canfield, DE (2001). «Биогеохимия изотопов серы». Обзоры по минералогии и геохимии . 43 (1): 607–636. Bibcode : 2001RvMG ... 43..607C . DOI : 10.2138 / gsrmg.43.1.607 .
  19. ^ Leahy, JG; Колвелл, Р.Р. (1990). «Микробное разложение углеводородов в окружающей среде» . Микробиологические обзоры . 54 (3): 305–315. PMC 372779 . PMID 2215423 .  
  20. ^ Макколлом, Томас М .; Кристофер, Дональдсон (2016). «Образование водорода и метана при экспериментальной низкотемпературной реакции ультраосновных пород с водой». Астробиология . 16 (6): 389–406. Bibcode : 2016AsBio..16..389M . DOI : 10.1089 / ast.2015.1382 . PMID 27267306 . 
  21. ^ Онстотт, TC; McGown, D .; Kessler, J .; Sherwood Lollar, B .; Lehmann, KK; Клиффорд, С.М. (2006). «Марсианский CH4: источники, поток и обнаружение». Астробиология . 6 (2): 377–395. Bibcode : 2006AsBio ... 6..377O . DOI : 10.1089 / ast.2006.6.377 . PMID 16689653 . 
  22. ^ Ноффк, Нора (2007). «Осадочные структуры, вызванные микробами в архейских песчаниках: новое окно в раннюю жизнь». Гондванские исследования . 11 (3): 336–342. Bibcode : 2007GondR..11..336N . DOI : 10.1016 / j.gr.2006.10.004 .
  23. ^ Бонтогнали, TRR; Сессии, AL; Allwood, AC; Фишер, WW; Grotzinger, JP; Вызов, RE; Эйлер, Дж. М. (2012). «Изотопы серы органических веществ, сохранившиеся в строматолиях возрастом 3,45 миллиарда лет, обнаруживают микробный метаболизм» . PNAS . 109 (38): 15146–15151. Bibcode : 2012PNAS..10915146B . DOI : 10.1073 / pnas.1207491109 . PMC 3458326 . PMID 22949693 .  
  24. ^ Джокич, Тара; Ван Кранендонк, Мартин Дж .; Кэмпбелл, Кэтлин А .; Уолтер, Малкольм Р .; Уорд, Колин Р. (2017). «Самые ранние признаки жизни на суше сохранились в отложениях горячих источников около 3,5 млрд лет» . Nature Communications . 8 : 15263. Bibcode : 2017NatCo ... 815263D . DOI : 10.1038 / ncomms15263 . PMC 5436104 . PMID 28486437 .  
  25. ^ Ноффке, Нора; Кристиан, Даниэль; Уэйси, Дэвид; Хейзен, Роберт М. (2013). "Осадочные структуры, вызванные микробами, регистрирующие древнюю экосистему в формации Дрессера возрастом около 3,48 миллиардов лет, Пилбара, Западная Австралия" . Астробиология . 13 (12): 1103–1124. Bibcode : 2013AsBio..13.1103N . DOI : 10.1089 / ast.2013.1030 . PMC 3870916 . PMID 24205812 .  
  26. ^ Томас Д. Брок . «Красочный Йеллоустон» . Жизнь при высоких температурах . Архивировано из оригинала на 2005-11-25.
  27. ^ Дэн, S; Донг, H; Hongchen, J; Bingsong, Y; Епископ, М. (2010). «Осаждение микробного доломита с использованием сульфатредуцирующих и галофильных бактерий: результаты из озера Куигай, Тибетское плато, северо-запад Китая». Химическая геология . 278 (3–4): 151–159. Bibcode : 2010ChGeo.278..151D . DOI : 10.1016 / j.chemgeo.2010.09.008 .
  28. ^ Диллон, Джесси (2011). Роль восстановления сульфатов в строматолитах и ​​микробных матах: древние и современные перспективы . Строматолиты: взаимодействие микробов с осадками . Клеточное происхождение, жизнь в экстремальных средах обитания и астробиология. 18 . С. 571–590. DOI : 10.1007 / 978-94-007-0397-1_25 . ISBN 978-94-007-0396-4.
  29. ^ Lollar, Гранат S .; Уорр, Оливер; Рассказывая, Джон; Osburn, Magdalena R .; Лоллар, Барбара Шервуд (2019). « « Следуй за водой »: гидрогеохимические ограничения на микробиологические исследования на глубине 2,4 км в обсерватории глубинных флюидов и глубинной жизни Кидд-Крик». Геомикробиологический журнал . 36 (10): 859–872. DOI : 10.1080 / 01490451.2019.1641770 .
  30. ^ Самые старые подземные воды в мире поддерживают жизнь благодаря химическому составу воды и горных пород , 29 июля 2019 г., deepcarbon.net.
  31. ^ Странные формы жизни, обнаруженные глубоко в шахте, указывают на обширные «подземные Галапагосы» , Кори С. Пауэлл, 7 сентября 2019 г., nbcnews.com.

Дальнейшее чтение [ править ]

  • Эрлих, Генри Лутц; Ньюман, Дайан К., ред. (2008). Геомикробиология (5-е изд.). Хобокен: ISBN Taylor & Francis Ltd. 978-0849379079.
  • Jain, Sudhir K .; Хан, Абдул Ариф; Рай, Махендра К. (2010). Геомикробиология . Энфилд, Нью-Хэмпшир: научные издательства. ISBN 978-1439845103.
  • Кирчман, Дэвид Л. (2012). Процессы в микробной экологии . Оксфорд: Издательство Оксфордского университета. ISBN 978-0199586936.
  • Лой, Александр; Мандл, Мартин; Бартон, Ларри Л., ред. (2010). Геомикробиология, молекулярная и экологическая перспектива . Дордрехт: Спрингер. ISBN 978-9048192045.
  • Нагина, Пармар; Аджай, Сингх, ред. (2014). Геомикробиология и биогеохимия . Берлин, Гейдельберг: Springer Berlin Heidelberg. ISBN 978-3642418372.

Внешние ссылки [ править ]

  • Золотые рудники могут быть образованы бактериями - файл PDF
  • Биоминерализация магнитных минералов