Геомикробиология - Geomicrobiology

В кокколитофора Gephyrocapsa oceanica может стать важным поглотитель углерода в качестве кислотность океана увеличивается.[1]

Геомикробиология это научная область на пересечении геология и микробиология. Это касается роли микробы по геологическим и геохимический процессы и влияние минералов и металлов на рост, активность и выживание микробов.[2] Такие взаимодействия происходят в геосфера (горные породы, минералы, почвы и отложения), атмосфера и гидросфера.[3] Геомикробиология изучает микроорганизмы, которые управляют биогеохимическими циклами Земли, опосредуют осаждение и растворение минералов, а также сорбируют и концентрируют металлы.[4] Приложения включают, например, биоремедиация,[5] добыча полезных ископаемых, смягчение последствий изменения климата[6] и общественные питьевая вода запасы.[7]

Камни и минералы

Взаимодействие микробов с водоносным горизонтом

Известно, что микроорганизмы влияют на водоносные горизонты путем изменения скорости их растворения. в карстовый Эдвардс Аквифер, микробы, заселяющие поверхности водоносного горизонта, увеличивают скорость растворения вмещающей породы.[8]

в океаническая кора водоносный горизонт, самый большой водоносный горизонт на Земле,[9] микробные сообщества могут воздействовать на океан продуктивность, химический состав морской воды, а также геохимические циклы на всем геосфера. Минеральный состав горных пород влияет на состав и численность этих микробных сообществ под дном.[10] Через биоремедиация некоторые микробы могут способствовать обеззараживанию ресурсов пресной воды в водоносных горизонтах, загрязненных отходами.

Микробиологически осажденные минералы

Смотрите также: биоминерализация

Некоторые бактерии используют металл 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, в качестве побочного продукта, служит для концентрации металлов в том, что в конечном итоге становится рудные месторождения. Биогидрометаллургия или же на месте горнодобывающая промышленность - это место, где низкосортные руды могут подвергаться воздействию хорошо изученных микробных процессов в контролируемых условиях для извлечения металлов. Определенный утюг, медь, уран и даже золото Считается, что руды образовались в результате действия микробов.[11]

Подземные среды, такие как водоносные горизонты, являются привлекательными местами при выборе хранилищ для ядерные отходы, углекислый газ (Видеть связывание углерода ), или как искусственные водоемы для натуральный газ. Понимание микробной активности в водоносном горизонте важно, поскольку она может взаимодействовать и влиять на стабильность материалов в подземном хранилище.[12] Микробно-минеральные взаимодействия способствуют биообрастание и коррозия, вызванная микробами. 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

Микробы изучаются и используются для разложения органических и даже органических веществ. ядерные отходы загрязнение (см. Дейнококк радиодуранс ) и помочь в очистке окружающей среды. Применение геомикробиологии биовыщелачивание, использование микробов для извлечения металлов из мой напрасно тратить.

Почва и отложения: микробная ремедиация

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 биогеохимия циклов и может влиять на различные свойства почвы, такие как биотрансформация состава минералов и металлов, токсичности, подвижности, осаждения минералов и растворения минералов. Микробы играют роль 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).[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), при низких концентрациях существенны микроэлементы в почве, однако они могут быть токсичными при более высоких концентрациях. Тяжелые металлы добавляются в почвы из многих антропогенных источников, таких как промышленность и / или удобрения. Взаимодействие тяжелых металлов с микробами может увеличить или уменьшить токсичность. Уровни токсичности хрома, подвижности и биодоступность 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 Флора и фауна, а Cr (III) менее токсичен, более неподвижен и легко осаждается в почвах с pH >6.[15] Использование микробов для облегчения превращения Cr (VI) в Cr (III) - это экологически чистый и недорогой метод биоремедиации, помогающий снизить токсичность в окружающей среде.[16]

Кислотный шахтный дренаж

Основная статья: Кислотный шахтный дренаж

Еще одно приложение геомикробиологии: биовыщелачивание, использование микробов для извлечения металлов из мой напрасно тратить. Например, сульфатредуцирующие бактерии (SRB) производят H2S, который осаждает металлы в виде сульфида металла. Этот процесс удалил 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 на загрязненных Поверхность воды и грунтовые воды часто ассоциируется с кислотным дренажем шахт. Исследования показали, что производство бикарбонат микробами, такими как сульфатредуцирующие бактерии, добавляет щелочность для нейтрализации кислотности шахтных дренажных вод.[5] Ионы водорода потребляются при производстве бикарбоната, что приводит к увеличению pH (снижению кислотности).[18]

Микробное разложение углеводородов

Основная статья: Микробное биоразложение

Микробы могут повлиять на качество нефть и газ отложения через их метаболические процессы.[19] Микробы могут влиять на развитие углеводородов, присутствуя во время отложения исходных отложений или рассеиваясь через толщу породы для колонизации пласта или литологии источника после образования углеводородов.

История ранней Земли и астробиология

Палеоархей (3,35–3,46 миллиарда лет) строматолит из Западной Австралии.

Общей областью исследований в геомикробиологии является происхождение жизни на Земле или других планетах. Различные взаимодействия породы и воды, такие как серпентинизация и вода радиолиз,[12] являются возможными источниками метаболической энергии для поддержки хемолитоавтотрофных микробных сообществ на ранней Земле и на других планетных телах, таких 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 во время Архейский Земля записана в окаменелостях бактерий и строматолиты сохраняется в осажденных литологиях, таких как кремни или карбонаты.[22][23] Дополнительное свидетельство 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 структуры, 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 поиске потенциальных ископаемых форм жизни на Марсе.

Экстремофилов

Цвета Великий призматический источник в Йеллоустонский Национальный Парк из-за циновок теплолюбивый бактерии.[26]

Еще одно направление геомикробиологии - изучение экстремофил организмы, микроорганизмы, которые процветают в окружающей среде, обычно считающейся враждебной для жизни. Такие среды могут включать очень горячие (горячие источники или же Срединно-океанский хребет черный курильщик ) среды, чрезвычайно физиологический раствор среды, или даже космические среды, такие как Марсианин почва или кометы.[4]

Наблюдения и исследования в гипер-физиологическом растворе лагуна среды в Бразилия и Австралия а также слабосоленые, внутренние озера на северо-западе Китай показали, что анаэробный сульфатредуцирующие бактерии может принимать непосредственное участие в формировании доломит.[27] Это предполагает переделку и замену известняк отложения доломитизация в древних породах, возможно, помогли предки этих анаэробных бактерий.[28]

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

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Smith, H.E.K .; Tyrrell, T .; Charalampopoulou, A .; Dumousseaud, C .; Legge, O.J .; Birchenough, S .; Pettit, L.R .; Garley, R .; Hartman, S.E .; Hartman, M. C .; Sagoo, N .; Daniels, C.J .; Achterberg, E.P .; Хайдс, Д. Дж. (21 мая 2012 г.). «Преобладание сильно кальцинированных кокколитофоридов при низкой насыщенности CaCO3 зимой в Бискайском заливе». Труды Национальной академии наук. 109 (23): 8845–8849. Bibcode:2012PNAS..109.8845S. Дои:10.1073 / pnas.1117508109. ЧВК  3384182. PMID  22615387.
  2. ^ а б Гадд, GM (2010). «Металлы, минералы и микробы: геомикробиология и биоремедиация». Микробиология. 156 (3): 609–43. Дои:10.1099 / мик.0.037143-0. PMID  20019082.
  3. ^ Геологическая служба США (2007). «Перед вызовами завтрашнего дня - наука Геологической службы США в десятилетие 2007-2017 гг.». Циркуляр Геологической службы США. 1309: 58.
  4. ^ а б Конхаузер, К. (2007). Введение в геомикробиологию. Молден, Массачусетс: Blackwell Pub. ISBN  978-1444309027.
  5. ^ а б Kaksonen, A.H .; Пухакка, J.A (2007). «Биопроцессы на основе сульфатредукции для очистки кислых шахтных стоков и извлечения металлов». Инженерия в науках о жизни. 7 (6): 541–564. Дои:10.1002 / elsc.200720216.
  6. ^ "Программа по смягчению последствий изменения климата в сельском хозяйстве (MICCA) | Продовольственная и сельскохозяйственная организация Объединенных Наций". www.fao.org. Получено 2019-10-02.
  7. ^ Canfield, D.E .; Kristensen, E .; Тамдруп Б. (2005). Водная геомикробиология (Перевод в цифровую печать ред.). Лондон: Elsevier Acad. Нажмите. ISBN  978-0121583408.
  8. ^ Gray, C.J .; Энгель, А. (2013). «Разнообразие микробов и влияние на геохимию карбонатов через меняющийся геохимический градиент в карстовом водоносном горизонте». Журнал ISME. 7 (2): 325–337. Дои:10.1038 / ismej.2012.105. ЧВК  3555096. PMID  23151637.
  9. ^ Johnson, H.P .; Пруис, М.Дж. (2003). «Потоки жидкости и тепла из резервуара океанической коры». Письма по науке о Земле и планетах. 216 (4): 565–574. Bibcode:2003E и PSL.216..565J. Дои:10.1016 / S0012-821X (03) 00545-4.
  10. ^ Smith, A.R .; Фиск, М.Р .; Thurber, A.R; Флорес, G.E .; Mason, O.U .; Popa, R .; Колвелл, Ф. (2016). «Глубокие коровые сообщества хребта Хуан-де-Фука регулируются минералогией». Геомикробиология. 34 (2): 147–156. Дои:10.1080/01490451.2016.1155001.
  11. ^ Роулингс, Д. (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. Дои:10.1186/1475-2859-4-13. ЧВК  1142338. PMID  15877814.
  12. ^ а б Colwell, F.S .; Д'Хонд, С. (2013). «Природа и масштабы глубинной биосферы». Обзоры по минералогии и геохимии. 75 (1): 547–574. Bibcode:2013RvMG ... 75..547C. Дои:10.2138 / RMG.2013.75.17.
  13. ^ Раджала, Паулиина; Бомберг, Малин; Вепсалайнен, Микко; Карпен, Лина (2017). «Микробное загрязнение и коррозия углеродистой стали в глубоких бескислородных щелочных грунтовых водах». Биообрастание. 33 (2): 195–209. Дои:10.1080/08927014.2017.1285914. PMID  28198664.
  14. ^ Cheung, K.H .; Гу, Джи-Донг (2007). «Механизм детоксикации шестивалентного хрома микроорганизмами и возможности применения биоремедиации: обзор». Международный биодестерирование и биоразложение. 59: 8–15. Дои:10.1016 / j.ibiod.2006.05.002.
  15. ^ Аль-Батташи, H; Джоши, С.Дж .; Pracejus, B; Аль-Ансари, А (2016). «Геомикробиология загрязнения хромом (VI): разнообразие микробов и потенциал их биоремедиации». Открытый биотехнологический журнал. 10 (Дополнение-2, M10): 379–389. Дои:10.2174/1874070701610010379.
  16. ^ Чоппола, G; Болан, Н; Парк, JH (2013). Глава вторая: Загрязнение хромом и оценка его риска в сложных экологических условиях. Достижения в агрономии. 120. С. 129–172. Дои: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. Дои:10.1016 / j.hydromet.2004.10.019.
  18. ^ Кэнфилд, Д.Э (2001). «Биогеохимия изотопов серы». Обзоры по минералогии и геохимии. 43 (1): 607–636. Bibcode:2001RvMG ... 43..607C. Дои:10.2138 / gsrmg.43.1.607.
  19. ^ Leahy, J. G .; Колвелл, Р. Р. (1990). «Микробное разложение углеводородов в окружающей среде». Микробиологические обзоры. 54 (3): 305–315. ЧВК  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. Дои:10.1089 / ast.2015.1382. PMID  27267306.
  21. ^ Onstott, T.C .; McGown, D .; Kessler, J .; Sherwood Lollar, B .; Lehmann, K.K .; Клиффорд, С. (2006). «Марсианский CH4: источники, поток и обнаружение». Астробиология. 6 (2): 377–395. Bibcode:2006AsBio ... 6..377O. Дои:10.1089 / ast.2006.6.377. PMID  16689653.
  22. ^ Ноффке, Нора (2007). «Осадочные структуры, вызванные микробами в архейских песчаниках: новое окно в раннюю жизнь». Исследования Гондваны. 11 (3): 336–342. Bibcode:2007ГондР..11..336Н. Дои:10.1016 / j.gr.2006.10.004.
  23. ^ Bontognali, T. R. R .; Сессии, А.Л .; Allwood, A.C .; Fischer, W. W .; Grotzinger, J. P .; Summons, R.E .; Эйлер, Дж. М. (2012). «Изотопы серы органического вещества, сохранившиеся в строматолиях возрастом 3,45 миллиарда лет, обнаруживают микробный метаболизм». PNAS. 109 (38): 15146–15151. Bibcode:2012PNAS..10915146B. Дои:10.1073 / pnas.1207491109. ЧВК  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 земле сохранились в отложениях горячих источников примерно 3,5 млрд лет». Nature Communications. 8: 15263. Bibcode:2017НатКо ... 815263D. Дои:10.1038 / ncomms15263. ЧВК  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. Дои:10.1089 / аст.2013.1030. ЧВК  3870916. PMID  24205812.
  26. ^ Томас Д. Брок. «Красочный Йеллоустон». Жизнь при высоких температурах. Архивировано из оригинал на 2005-11-25.
  27. ^ Дэн, S; Донг, H; Hongchen, J; Bingsong, Y; Епископ, М. (2010). «Микробное осаждение доломита с использованием сульфатредуцирующих и галофильных бактерий: результаты из озера Куигай, Тибетское плато, северо-запад Китая». Химическая геология. 278 (3–4): 151–159. Bibcode:2010ЧГео.278..151Д. Дои: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. Дои:10.1007/978-94-007-0397-1_25. ISBN  978-94-007-0396-4.
  29. ^ Lollar, Garnet S .; Уорр, Оливер; Рассказывая, Джон; Osburn, Magdalena R .; Лоллар, Барбара Шервуд (2019). "'Следуй за водой »: гидрогеохимические ограничения на микробиологические исследования. 2,4 км под поверхностью в обсерватории глубинных флюидов и глубинной жизни Кидд-Крик». Журнал геомикробиологии. 36 (10): 859–872. Дои: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, найденные глубоко в шахте, указывают на огромные `` подземные Галапагосы '', Кори С. Пауэлл, 7 сентября 2019 г., nbcnews.com.

дальнейшее чтение

  • Эрлих, Генри Лутц; Ньюман, Дайан К., ред. (2008). Геомикробиология (5-е изд.). Хобокен: Taylor & Francis Ltd. ISBN  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.

внешняя ссылка