Как древние микробы извлекают важные металлы из окружающей среды

Новое исследование учёного из Университета штата Монтана углубляет знания о древней форме жизни и её уникальных экологических процессах. Статья "Methanogens acquire and bioaccumulate nickel during reductive dissolution of nickelian pyrite" опубликована 13 октября в журнале Applied and Environmental Microbiology.

Авторы — профессор Эрик Бойд, бывший постдокторант Рэйчел Спитц и нынешний постдокторант Девон Пейн. Лаборатория Бойда находится на кафедре микробиологии и клеточной биологии.

Ключевой объект исследования — микроорганизмы метаногены. Это древние формы жизни, которые существуют до сих пор. Их уникальность в том, что они:

  • Не используют солнечный свет для метаболизма.
  • Отравляются кислородом.
  • Используют химические вещества из окружающей среды, часто разрушая горные породы и минералы.
  • В процессе производят метан (природный газ).

Понимание того, как именно метаногены это делают, может дать ответы на вопросы, уходящие в прошлое более чем на 3 миллиарда лет.

"На ранней Земле не было кислорода, а в атмосфере было гораздо больше метана и водорода — во многом благодаря метаногенам, которые реагируют с водородом и CO2, образуя метан", — говорит Бойд. — Затем, около 2,4 миллиарда лет назад, метан начал уменьшаться, а кислород — увеличиваться. Почему?"

Новое исследование рассматривает конкретный тип метаногена, который может изолировать и биоаккумулировать никель из окружающей среды, используя минералы как источник питательных веществ. Эти выводы помогают различить две конкурирующие гипотезы о сокращении атмосферного метана миллиарды лет назад:

  1. Изменение условий среды усилило конкуренцию метаногенов с другими организмами.
  2. Изменения вулканической активности привели к снижению доступности никеля, что вызвало "голод" у метаногенов, зависимых от этого элемента.

Ключевое открытие: метаногенам, зависящим от никеля, нужно гораздо меньше никеля для выживания, чем считалось ранее. Их способность накапливать никель внутри себя позволяет выживать даже при его дефиците.

Методология: команда выращивала метаногенов в средах с разным содержанием никеля, наблюдая за их реакцией. Измеряя количество производимого микробами метана, они оценивали рост и выживаемость. С помощью спектроскопических методов определяли, сколько никеля запасают клетки.

Три особых аспекта исследования:

  1. Показано, что клетки могут получать никель из минерала (ранее не демонстрировалось).
  2. Они могут получать его при экстремально низких концентрациях.
  3. Они его накапливают (биоаккумуляция), что логично для организма, критически зависящего от этого элемента.

Более широкие последствия:

  • Понимание "биодобычи" (biomining) может помочь разработать технологии добычи с меньшим воздействием на окружающую среду.
  • Работа напрямую связана с фундаментальными вопросами о том, как Земля обрела пригодную для жизни среду. Переход от метановой атмосферы к кислородной был критическим для эволюции сложной жизни, включая человека.

"Понимание экологического прошлого, того, как оно изменилось и позволило развиться сложной жизни, важно не только для понимания того, как мы сюда попали, но и того, куда мы идём", — заключает Бойд.