Новый род бактерий обнаружен в скважинах гидроразрыва пласта

Исследователи, анализируя геномы микроорганизмов, обитающих в сланцевых нефтяных и газовых скважинах, обнаружили свидетельства формирования там устойчивых экосистем. Часть их населения составляет никогда ранее не виданный род бактерий, получивший название «Frackibacter».

Этот новый род — один из 31 представителя микробного сообщества, обнаруженного в двух независимых скважинах гидроразрыва пласта (ГРП), как сообщают исследователи из Университета штата Огайо и их коллеги в онлайн-выпуске журнала Nature Microbiology от 5 сентября.

Несмотря на то что скважины находились в сотнях миль друг от друга и были пробурены в разных типах сланцевых формаций, микробные сообщества внутри них оказались почти идентичными.

Почти все обнаруженные микробы были ранее известны из других мест, и многие, вероятно, попали из поверхностных водоёмов, которые компании используют для заполнения скважин. Но это не относится к новообнаруженному Candidatus Frackibacter, который может быть уникальным для мест гидроразрыва.

В биологической номенклатуре «Candidatus» указывает, что новый организм изучается впервые с помощью геномного подхода, а не выделен в лабораторной культуре. Род назвали «Frackibacter» как отсылку к слову «fracking» (гидроразрыв).

Candidatus Frackibacter процветал вместе с микробами, попавшими с поверхности, формируя сообщества в обеих скважинах, которые сохранялись почти год.

«Мы считаем, что микробы в каждой скважине могут формировать самоподдерживающуюся экосистему, где они сами создают свои источники пищи», — пояснила Келли Райтон. — Бурение скважины и закачка жидкости ГРП создают экосистему, но микробы адаптируются к новой среде таким образом, чтобы поддерживать систему в течение долгого времени».

Путём отбора проб жидкости из двух скважин в течение 328 дней исследователи восстановили геномы бактерий и архей, живущих в сланце. К их удивлению, в обеих скважинах — одна в сланце Ютика, другая в сланце Марселлус — развились почти идентичные микробные сообщества.

Кроме того, скважины принадлежат разным энергетическим компаниям, использовавшим разные технологии ГРП. Два типа сланца залегают на глубине более полутора миль, формировались с разницей в миллионы лет и содержат разные формы ископаемого топлива. Тем не менее одна бактерия, Halanaerobium, стала доминировать в сообществах обеих скважин.

«Мы ожидали увидеть некоторые одинаковые типы бактерий, но степень сходства была настолько высокой, что это поразительно. Это говорит о том, что на эти экосистемы больше влияет процесс гидроразрыва, чем inherent различия в сланцах», — отметила Райтон.

Исследователи пока не уверены на 100% в происхождении микробов. Некоторые почти наверняка попали из водоёмов. Но другие бактерии и археи, включая Candidatus Frackibacter, могли жить в породе ещё до начала бурения.

Жидкость ГРП, которую закачивают для разрушения породы, обычно представляет собой запатентованную смесь на основе воды с добавлением химикатов. Попав в скважину, она становится солёной из-за выщелачивания солей из сланца.

Микроорганизмы в сланце должны выдерживать высокую температуру, давление и солёность, но это исследование предполагает, что солёность, вероятно, является наиболее важным стрессовым фактором. Она заставляет микробов синтезировать органические соединения — осмопротекторы, чтобы не лопнуть. Когда клетки умирают, осмопротекторы высвобождаются в воду, где другие микробы могут использовать их для защиты или съесть как пищу. Таким образом, солёность заставила микробов генерировать устойчивый источник пищи.

Помимо физических ограничений, микробы должны защищаться от вирусов. Исследователи восстановили геномы вирусов в скважинах и нашли генетические свидетельства того, что некоторые бактерии становятся жертвами вирусов, умирают и высвобождают осмопротекторы в воду.

Анализ геномов показал, что осмопротекторы потреблялись Halanaerobium и Candidatus Frackibacter. В свою очередь, эти бактерии обеспечивали пищей других микробов — метаногенов, которые в конечном итоге производили метан.

Чтобы подтвердить полевые данные, исследователи вырастили те же микробы в лаборатории в сходных условиях. Лабораторные микробы также производили осмопротекторы, которые превращались в метан, — подтверждение правильности понимания процессов в скважинах.

Одно из следствий исследования — возможность того, что метан, производимый микробами в сланцевых скважинах, мог бы дополнять энергетическую отдачу скважин.

Райтон и Дейли охарактеризовали количество производимого микробами метана как, вероятно, ничтожное по сравнению с объёмом добываемой из сланца нефти и газа даже через год после ГРП. Однако они указывают на прецедент в смежной отрасли добычи метана из угольных пластов, где микробы используют с большей пользой.

«В угольных системах показано, что можно стимулировать микробную жизнь и увеличить выход метана», — сказала Райтон. — По мере того как система со временем становится менее продуктивной, вклад биогенного метана в сланцевых скважинах может стать значительно выше. Мы ещё не дошли до этой точки, но такая возможность существует».

Параллельно исследования под руководством соавтора Майкла Уилкинса используют геномную информацию для выращивания Candidatus Frackibacter в лаборатории и дальнейшего тестирования его способности выдерживать высокое давление и солёность.