WikiDer > 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