Геомикробиология
Геомикробиология — это научная область на стыке геологии и микробиологии , важнейшая часть геобиологии . Речь идет о роли микробов в геологических и геохимических процессах, а также о влиянии минералов и металлов на рост, активность и выживание микробов. [2] Такие взаимодействия происходят в геосфере (горные породы, минералы, почвы и осадки), атмосфере и гидросфере . [3] Земли Геомикробиология изучает микроорганизмы, которые управляют биогеохимическими циклами , участвуют в осаждении и растворении минералов, а также сорбируют и концентрируют металлы. [4] Приложения включают, например, биоремедиацию , [5] горнодобывающая промышленность , смягчение последствий изменения климата [6] и общественное снабжение питьевой водой . [7]
Камни и минералы
[ редактировать ]Взаимодействие микробов и водоносного горизонта
[ редактировать ]Известно, что микроорганизмы влияют на водоносные горизонты , изменяя скорость их растворения. В карстовом водоносном горизонте Эдвардс микробы, колонизирующие поверхность водоносного горизонта, увеличивают скорость растворения вмещающей породы. [8]
В водоносном горизонте океанической земной коры , самом большом водоносном горизонте на Земле, [9] микробные сообщества могут влиять на продуктивность океана , химический состав морской воды, а также на геохимический цикл в геосфере . Минеральный состав пород влияет на состав и численность присутствующих на морском дне микробных сообществ. [10] Благодаря биоремедиации некоторые микробы могут помочь в очистке ресурсов пресной воды в водоносных горизонтах, загрязненных отходами.
Микробиологически осажденные минералы
[ редактировать ]Некоторые бактерии используют металлов ионы в качестве источника энергии. Они переводят (или химически восстанавливают) растворенные ионы металлов из одного электрического состояния в другое. Это восстановление высвобождает энергию для использования бактериями и, в качестве побочного продукта, служит для концентрации металлов в том, что в конечном итоге становится рудными месторождениями . Биогидрометаллургия или добыча полезных ископаемых на месте – это то, где низкосортные руды могут подвергаться воздействию хорошо изученных микробных процессов в контролируемых условиях для извлечения металлов. Считается, что некоторые железные , медные , урановые и даже золотые руды образовались в результате деятельности микробов. [11]
Подземные среды, такие как водоносные горизонты, являются привлекательными местами при выборе хранилищ для ядерных отходов , углекислого газа (см. Связывание углерода ) или в качестве искусственных резервуаров для природного газа . Понимание микробной активности в водоносном горизонте важно, поскольку она может взаимодействовать и влиять на стабильность материалов в подземном хранилище. [12] Взаимодействие микробов и минералов способствует биообрастанию и микробной коррозии. Микробная коррозия материалов, таких как углеродистая сталь, имеет серьезные последствия для безопасного хранения радиоактивных отходов в хранилищах и контейнерах для хранения. [13]
Восстановление окружающей среды
[ редактировать ]Микробы изучаются и используются для разложения органических и даже ядерных отходов (см. Deinococcus radiodurans ) и содействия очистке окружающей среды. Применением геомикробиологии является биовыщелачивание — использование микробов для извлечения металлов из шахт отходов .
Почва и отложения: микробная ремедиация
[ редактировать ]
Микробная очистка почвы используется для удаления загрязнений и загрязняющих веществ. Микробы играют ключевую роль во многих биогеохимических циклах и могут влиять на различные свойства почвы, такие как биотрансформация минералов и металлов, токсичность, подвижность, осаждение минералов и растворение минералов. Микробы играют роль в иммобилизации и детоксикации различных элементов, таких как металлы , радионуклиды , сера и фосфор , в почве. Приоритетными загрязнителями считаются тринадцать металлов (Sb, As, Be, Cd, Cr, Cu, Pb, Ni, Se, Ag, Tl, Zn, Hg). [2] Почвы и отложения выступают в качестве поглотителей металлов, которые происходят как из природных источников (горные породы и минералы), так и из антропогенных источников (сельское хозяйство, промышленность, горнодобывающая промышленность, удаление отходов и т. д.).
Многие тяжелые металлы, такие как хром (Cr), в низких концентрациях являются важными микроэлементами в почве, однако в более высоких концентрациях они могут быть токсичными. Тяжелые металлы попадают в почву из многих антропогенных источников, таких как промышленность и/или удобрения. Взаимодействие тяжелых металлов с микробами может увеличить или уменьшить токсичность. Уровни токсичности, подвижности и биодоступности хрома зависят от степени окисления хрома. [14] Двумя наиболее распространенными видами хрома являются Cr(III) и Cr(VI). Cr(VI) высокоподвижен, биодоступен и более токсичен для флоры и фауны , тогда как 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) является экологически чистым и недорогим методом биоремедиации, помогающим снизить токсичность в окружающей среде. [16]
Кислотный дренаж шахт
[ редактировать ]Другое применение геомикробиологии — биовыщелачивание , использование микробов для извлечения металлов из шахт отходов . Например, сульфатвосстанавливающие бактерии (SRB) производят H 2 S, который осаждает металлы в виде сульфидов металлов. Этот процесс удаляет тяжелые металлы из отходов шахт, что является одной из основных экологических проблем, связанных с кислым дренажем шахт (наряду с низким уровнем pH ). [17]
Методы биоремедиации также используются в отношении загрязненных поверхностных и грунтовых вод, часто связанных с кислыми дренажными водами шахт. Исследования показали, что производство бикарбоната микробами, такими как сульфатвосстанавливающие бактерии, повышает щелочность для нейтрализации кислотности дренажных вод шахт. [5] Ионы водорода расходуются при образовании бикарбоната, что приводит к повышению pH (снижению кислотности). [18]
Микробная деградация углеводородов
[ редактировать ]Микробы могут влиять на качество месторождений нефти и газа посредством своих метаболических процессов. [19] Микробы могут влиять на выработку углеводородов, присутствуя во время отложения исходных отложений или рассеиваясь по толще горных пород, колонизируя литологию коллектора или источника после образования углеводородов.
Ранняя история Земли и астробиология
[ редактировать ]
Распространенной областью исследований геомикробиологии является происхождение жизни на Земле и других планетах. Различные взаимодействия породы и воды, такие как серпентинизация и радиолиз воды , [12] являются возможными источниками метаболической энергии для поддержки хемолитоавтотрофных микробных сообществ на ранней Земле и на других планетарных телах, таких как Марс, Европа и Энцелад. [20] [21]
Взаимодействия между микробами и отложениями являются одними из самых ранних свидетельств существования жизни на Земле. Информация о жизни во время архейской Земли зафиксирована в бактериальных окаменелостях и строматолитах, сохранившихся в осажденных литологиях, таких как кремни или карбонаты. [22] [23] Дополнительные свидетельства ранней жизни на суше около 3,5 миллиардов лет назад можно найти в формации Дрессер в Австралии в фациях горячих источников, что указывает на то, что некоторые из самых ранних форм жизни на суше возникли в горячих источниках. [24] Микробно-индуцированные осадочные структуры (MISS) встречаются во всей геологической летописи возрастом до 3,2 миллиарда лет. Они образуются в результате взаимодействия микробных матов и физической динамики отложений и фиксируют палеоокружающие данные, а также служат свидетельством ранней жизни. [25] Палеосреда ранней жизни на Земле также служит моделями при поиске потенциальной ископаемой жизни на Марсе.
Экстремофилы
[ редактировать ]
Еще одной областью исследований в геомикробиологии является изучение экстремофильных организмов, микроорганизмов, которые процветают в средах, которые обычно считаются враждебными для жизни. Такие среды могут включать чрезвычайно жаркую среду ( горячие источники или срединно-океанический хребет «Черный курильщик »), чрезвычайно соленую среду или даже космическую среду, такую как марсианская почва или кометы . [4]
Наблюдения и исследования в гиперсоленой лагун среде в Бразилии и Австралии, а также в слабосоленой среде внутренних озер на северо-западе Китая показали, что анаэробные сульфатредуцирующие бактерии могут быть непосредственно вовлечены в образование доломита . [27] Это предполагает, что изменению и замене известняковых отложений путем доломитизации древних пород, возможно, способствовали предки этих анаэробных бактерий. [28]
В июле 2019 года научное исследование шахты Кидд в Канаде обнаружило дышащие серой организмы , которые живут на глубине 7900 футов под поверхностью и дышат серой, чтобы выжить. Эти организмы также примечательны тем, что поедают такие камни, как пирит, в качестве постоянного источника пищи. [29] [30] [31]
См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ Смит, HEK; Тиррелл, Т.; Харалампопулу, А.; Дюмуссо, К.; Легг, О.Дж.; Бирченаф, С.; Петтит, ЛР; Гарли, Р.; Хартман, SE; Хартман, MC; Сагу, Н.; Дэниелс, CJ; Ахтерберг, ЕП; Хайдс, диджей (21 мая 2012 г.). «Преобладание сильно кальцинированных кокколитофоров при низком насыщении CaCO3 зимой в Бискайском заливе» . Труды Национальной академии наук . 109 (23): 8845–8849. Бибкод : 2012PNAS..109.8845S . дои : 10.1073/pnas.1117508109 . ПМК 3384182 . ПМИД 22615387 .
- ^ Jump up to: а б Гэдд, генеральный директор (2010). «Металлы, минералы и микробы: геомикробиология и биоремедиация» . Микробиология . 156 (3): 609–43. дои : 10.1099/mic.0.037143-0 . ПМИД 20019082 .
- ^ Геологическая служба США (2007). «Навстречу завтрашним вызовам – наука Геологической службы США в десятилетии 2007-2017 гг.» . Циркуляр Геологической службы США . 1309 : 58.
- ^ Jump up to: а б Конхаузер, К. (2007). Введение в геомикробиологию . Молден, Массачусетс: Паб Blackwell. ISBN 978-1444309027 .
- ^ Jump up to: а б Каксонен, А.Х.; Пухакка, Дж. А. (2007). «Биопроцессы на основе сульфатредукции для очистки кислых шахтных дренажей и извлечения металлов». Инженерное дело в науках о жизни . 7 (6): 541–564. дои : 10.1002/elsc.200720216 . S2CID 95354248 .
- ^ «Программа смягчения последствий изменения климата в сельском хозяйстве (MICCA) | Продовольственная и сельскохозяйственная организация Объединенных Наций» . www.фао.орг . Проверено 2 октября 2019 г.
- ^ Кэнфилд, Делавэр; Кристенсен, Э.; Тамдруп, Б. (2005). Водная геомикробиология . Том. 48 (Переведено в цифровую печатную изд.). Лондон: Эльзевир Акад. Нажимать. стр. 1–599. дои : 10.1016/S0065-2881(05)48017-7 . ISBN 978-0121583408 . ПМИД 15797449 .
{{cite book}}:|journal=игнорируется ( помогите ) - ^ Грей, CJ; Энгель, А.С. (2013). «Микробное разнообразие и влияние на геохимию карбонатов в условиях меняющегося геохимического градиента в карстовом водоносном горизонте» . Журнал ISME . 7 (2): 325–337. дои : 10.1038/ismej.2012.105 . ПМК 3555096 . ПМИД 23151637 .
- ^ Джонсон, HP; Прюис, MJ (2003). «Потоки жидкости и тепла из резервуара океанической земной коры». Письма о Земле и планетологии . 216 (4): 565–574. Бибкод : 2003E&PSL.216..565J . дои : 10.1016/S0012-821X(03)00545-4 .
- ^ Смит, Арканзас; Фиск, MR; Тербер, Арканзас; Флорес, GE; Мейсон, Огайо; Попа, Р.; Колвелл, Ф.С. (2016). «Сообщества глубокой коры хребта Хуан-де-Фука определяются минералогией». Геомикробиология . 34 (2): 147–156. дои : 10.1080/01490451.2016.1155001 . S2CID 131278563 .
- ^ Роулингс, Делавэр (2005). «Характеристика и адаптивность железо- и сероокисляющих микроорганизмов, используемых для извлечения металлов из полезных ископаемых и их концентратов» . Заводы по производству микробных клеток . 4 (13): 13. дои : 10.1186/1475-2859-4-13 . ПМЦ 1142338 . ПМИД 15877814 .
- ^ Jump up to: а б Колвелл, Ф.С.; Д'Ондт, С. (2013). «Природа и размеры глубокой биосферы». Обзоры по минералогии и геохимии . 75 (1): 547–574. Бибкод : 2013RvMG...75..547C . дои : 10.2138/rmg.2013.75.17 .
- ^ Раджала, Паулина; Бомберг, Малин; Вепсалайнен, Микко; Карпен, Лина (2017). «Микробное обрастание и коррозия углеродистой стали в глубоких бескислородных щелочных грунтовых водах». Биологическое обрастание . 33 (2): 195–209. дои : 10.1080/08927014.2017.1285914 . ПМИД 28198664 . S2CID 3312488 .
- ^ Чунг, К.Х.; Гу, Цзи-Донг (2007). «Механизм детоксикации шестивалентного хрома микроорганизмами и возможности его применения в биоремедиации: обзор». Международная биопорча и биодеградация . 59 : 8–15. дои : 10.1016/j.ibiod.2006.05.002 .
- ^ Аль-Батташи, Х; Джоши, С.Дж.; Працеюс, Б; Аль-Ансари, А. (2016). «Геомикробиология загрязнения хромом (VI): микробное разнообразие и потенциал его биоремедиации» . Открытый биотехнологический журнал . 10 (Приложение-2, М10): 379–389. дои : 10.2174/1874070701610010379 .
- ^ Чоппола, Дж; Болан, Н; Парк, Дж. Х. (2013). Глава вторая: Загрязнение хромом и оценка риска в сложных условиях окружающей среды . Том. 120. стр. 129–172. дои : 10.1016/B978-0-12-407686-0.00002-6 . ISBN 9780124076860 .
{{cite book}}:|journal=игнорируется ( помогите ) - ^ Луптакова А; Кусниерова, М (2005). «Биоремедиация кислых шахтных дренажей, загрязненных СРБ». Гидрометаллургия . 77 (1–2): 97–102. doi : 10.1016/j.гидромет.2004.10.019 .
- ^ Кэнфилд, Делавэр (2001). «Биогеохимия изотопов серы». Обзоры по минералогии и геохимии . 43 (1): 607–636. Бибкод : 2001RvMG...43..607C . дои : 10.2138/gsrmg.43.1.607 .
- ^ Лихи, Дж. Г.; Колвелл, Р.Р. (1990). «Микробная деградация углеводородов в окружающей среде» . Микробиологические обзоры . 54 (3): 305–315. дои : 10.1128/мр.54.3.305-315.1990 . ПМЦ 372779 . ПМИД 2215423 .
- ^ Макколлом, Томас М.; Кристофер, Дональдсон (2016). «Генерация водорода и метана при экспериментальной низкотемпературной реакции ультраосновных пород с водой». Астробиология . 16 (6): 389–406. Бибкод : 2016AsBio..16..389M . дои : 10.1089/ast.2015.1382 . ПМИД 27267306 .
- ^ Онстотт, Калифорния; Макгоун, Д.; Кесслер, Дж.; Шервуд Лоллар, Б.; Леманн, К.К.; Клиффорд, С.М. (2006). «Марсианский CH4: источники, поток и обнаружение». Астробиология . 6 (2): 377–395. Бибкод : 2006AsBio...6..377O . дои : 10.1089/ast.2006.6.377 . ПМИД 16689653 .
- ^ Ноффке, Нора (2007). «Микробно-индуцированные осадочные структуры в архейских песчаниках: новое окно в раннюю жизнь». Исследования Гондваны . 11 (3): 336–342. Бибкод : 2007GondR..11..336N . дои : 10.1016/j.gr.2006.10.004 .
- ^ Бонтоньяли, TRR; Сешнс, Алабама; Оллвуд, AC; Фишер, WW; Гротцингер, JP; Вызов, RE; Эйлер, Дж. М. (2012). «Изотопы серы органического вещества, сохранившиеся в строматоли возрастом 3,45 миллиарда лет, свидетельствуют о микробном метаболизме» . ПНАС . 109 (38): 15146–15151. Бибкод : 2012PNAS..10915146B . дои : 10.1073/pnas.1207491109 . ПМЦ 3458326 . ПМИД 22949693 .
- ^ Джокич, Тара; Ван Кранендонк, Мартин Дж.; Кэмпбелл, Кэтлин А.; Уолтер, Малкольм Р.; Уорд, Колин Р. (2017). «Самые ранние признаки жизни на суше сохранились в отложениях горячих источников возрастом около 3,5 млрд лет» . Природные коммуникации . 8 : 15263. Бибкод : 2017NatCo...815263D . дои : 10.1038/ncomms15263 . ПМЦ 5436104 . ПМИД 28486437 .
- ^ Ноффке, Нора; Кристиан, Дэниел; Уэйси, Дэвид; Хейзен, Роберт М. (2013). «Микробно-индуцированные осадочные структуры, фиксирующие древнюю экосистему формации Дрессер возрастом около 3,48 миллиардов лет, Пилбара, Западная Австралия» . Астробиология . 13 (12): 1103–1124. Бибкод : 2013AsBio..13.1103N . дои : 10.1089/ast.2013.1030 . ПМК 3870916 . ПМИД 24205812 .
- ^ Томас Д. Брок . «Красочный Йеллоустоун» . Жизнь при высоких температурах . Архивировано из оригинала 25 ноября 2005 г.
- ^ Дэн, С; Донг, Х; Хунчен, Дж; Бингсонг, Ю; Бишоп, М. (2010). «Микробное осаждение доломита с использованием сульфатредуцирующих и галофильных бактерий: результаты из озера Куйгай, Тибетское нагорье, северо-запад Китая». Химическая геология . 278 (3–4): 151–159. Бибкод : 2010ЧГео.278..151Д . doi : 10.1016/j.chemgeo.2010.09.008 .
- ^ Диллон, Джесси (2011). «Роль сульфатредукции в строматолитах и микробных матах: древние и современные перспективы». Ин Тевари, В.; Зекбах, Дж. (ред.). СТРОМАТОЛИТЫ: Взаимодействие микробов с осадками . Клеточное происхождение, жизнь в экстремальных средах обитания и астробиология. Том. 18. стр. 571–590. дои : 10.1007/978-94-007-0397-1_25 . ISBN 978-94-007-0396-4 .
- ^ Лоллар, Гранат С.; Уорр, Оливер; Рассказываю, Джон; Осберн, Магдалена Р.; Лоллар, Барбара Шервуд (2019). « Следуй за водой: гидрогеохимические ограничения на микробные исследования на глубине 2,4 км под поверхностью в Обсерватории глубоких жидкостей и глубокой жизни Кидд-Крик». Геомикробиологический журнал . 36 (10): 859–872. дои : 10.1080/01490451.2019.1641770 . S2CID 199636268 .
- ↑ Старейшие в мире подземные воды поддерживают жизнь благодаря химическому составу воды и горных пород. Архивировано 10 сентября 2019 г. в Wayback Machine , 29 июля 2019 г., deepcarbon.net.
- ↑ Странные формы жизни, обнаруженные глубоко в шахте, указывают на огромные «подземные Галапагосские острова» , Кори С. Пауэлл, 7 сентября 2019 г., nbcnews.com.
Дальнейшее чтение
[ редактировать ]- Эрлих, Генри Лутц; Ньюман, Дайан К., ред. (2008). Геомикробиология (5-е изд.). Taylor & Francisco Ltd. Хобокен: ISBN 978-0849379079 .
- Джайн, Судхир К.; 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). Молекулярная и экологическая перспектива геомикробиологии . Дордрехт: Спрингер. ISBN 978-9048192045 .
- Нагина, Пармар; Аджай, Сингх, ред. (2014). Геомикробиология и биогеохимия . Берлин, Гейдельберг: Springer Berlin Heidelberg. ISBN 978-3642418372 .
Внешние ссылки
[ редактировать ]- Золотые рудники могут быть образованы бактериями - PDF-файл
- Биоминерализация магнитных минералов. Архивировано 11 января 2007 г. в Wayback Machine.
| Обзоры |  | |
|---|---|---|
| История геологии | ||
| Состав и структура | ||
| Историческая геология | ||
| Динамическая Земля | ||
| Вода | ||
| Геодезия | ||
| Геофизика | ||
| Приложения | ||
| Занятия | ||
| Базы данных органов управления : Национальные |
|---|
