Микроорганизмы, растворяющие карбонаты, могут стать ключом к устойчивой биоэнергетике

Исследователи из Университета Небраски-Линкольна определили новых микроскопических участников глобального углеродного цикла. Это открытие проясняет картину потока углерода в окружающей среде и предоставляет ключевую информацию для устойчивого развития источников биоэнергии.

Исследование, опубликованное в Communications Earth & Environment, является одним из первых, показывающих, что метаногены — микроорганизмы, повсеместно встречающиеся в бедных кислородом средах, таких как озёра, водно-болотные угодья, водоносные горизонты, пресноводные местообитания, различные почвы и даже вечная мерзлота — могут стимулировать свой рост, потребляя водород и растворяя карбонат кальция (CaCO₃), один из самых распространённых минералов на Земле. Этот метаболический процесс производит метан (CH₄), который является одновременно биотопливом и мощным парниковым газом.

Команда под руководством профессора Карри Вебер и лектора Николь Фиоре показала, что микробное растворение карбоната кальция возможно при более высоком уровне pH, что бросает вызов преобладающему мнению о стабильности карбонатных минералов (содержащих около 80% углерода Земли) в таких условиях. Это означает, что в определённых местах — где есть подземный углерод, захороненный в виде карбонатов, и условия, поддерживающие микробную жизнь, — захваченный углерод может быть преобразован в метан, особенно в подземных резервуарах водородной энергии.

Исследование началось с образца грязи из щелочного засоленного водно-болотного угодья в Линкольне. Учёные создали специальные условия культивирования с водородом и карбонатом кальция, чтобы отсеять микроорганизмы, неспособные использовать карбонат. Выжившее небольшое микробное сообщество, включавшее метаногены и пять типов бактерий, было изучено с помощью метода genome-resolved метагеномики. С помощью микроскопа CARS (coherent anti-Stokes Raman scattering) команда визуализировала микробов, прикреплённых к поверхности карбонатного минерала.

Важным отличием от других исследований стал строгий контроль уровня pH в культуре, что позволило однозначно связать растворение минерала с метаболизмом микроорганизмов, а не с изменением химии среды.

Это открытие имеет последствия для биоэнергетики. По мере роста интереса к использованию природного водорода в качестве чистого топлива важно определить, в какой степени микробные процессы могут влиять на подземные водородные резервуары. Также исследуется возможность использования производимого метаногенами метана в качестве альтернативного природного газа.

Следующим шагом будет определение, какие другие карбонатные материалы способны растворять метаногены, и поиск биосигнатур, подтверждающих, что этот процесс происходит в естественной среде, а не только в лаборатории. Команда полагает, что это явление распространено по всему миру, поскольку карбонаты и метаногены такого типа часто находятся бок о бок во многих местах.