Как микробные сообщества выживают в сланцевых скважинах после гидроразрыва пласта
Исследователи обнаружили, что микробы, случайно занесенные в глубокие подземные сланцевые пласты в процессе гидроразрыва (фрекинга), не только выживают в экстремальных условиях, но и формируют устойчивые сообщества.
Экстремальная среда
- Гидроразрыв — это техника для добычи природного газа и нефти из сланцевых пород.
- В "нетронутых" сланцах активная микробная жизнь не обнаруживается.
- Микроорганизмы попадают в пласт случайно с закачиваемой жидкостью.
- Условия на глубине более 2,4 км экстремальны:
- Температура около 65 °C.
- Соленость в 4 раза выше, чем у морской воды.
- Давление около 500 атмосфер.
Упрощенные сообщества и адаптация
- Сообщество микробов в недрах значительно отличается от поверхностного.
- Организмы, составлявшие менее 1% на поверхности, могут становиться доминирующими (>80%).
- В Nature Microbiology сообщалось, что через год после ГРП в жидкости обнаруживалось всего 31 различных генома.
- Это гораздо меньше, чем, например, в кишечнике человека (~2000 уникальных геномов).
- Низкое разнообразие позволяет ученым детально изучать взаимодействия.
- Микробы адаптируются к ограниченным ресурсам, создавая циклы. Например, производное аминокислоты глицинбетаин служит защитой от солености для одних и источником энергии для других.
Методы исследования
Ученые используют комплексный подход:
- Геномное секвенирование (совместно с Joint Genome Institute, JGI).
- Лабораторные реакторы для воссоздания сообщества и тестирования гипотез (PNAS).
- Моделирование на основе полевых данных.
- Мульти-омиксные измерения (метаболомика, протеомика) в Environmental Molecular Sciences Laboratory (EMSL).
Роль вирусов
В недавнем исследовании (Nature Microbiology) обнаружено:
- При низком разнообразии бактерий вирусные геномы показали высокое разнообразие.
- Вирусы могут "чувствовать" стресс хозяина, разрушать клетку и высвобождать метаболиты.
- Эти метаболиты потребляются соседними бактериями, поддерживая все сообщество.
Значение и перспективы
- Для индустрии: Микробные процессы могут влиять на выход метана или вызывать коррозию оборудования ("закисление" газа). Управление сообществами может быть экономически выгодным.
- Для фундаментальной науки: Эта система — управляемая модель для изучения взаимодействий в микробных сообществах.
- Для будущего: Может служить моделью для понимания того, как жизнь могла бы сохраняться в подповерхностных соленых экосистемах на других планетах.
Исследования продолжаются в других сланцевых бассейнах Северной Америки. Предварительные данные показывают, что хотя виды микробов различаются, основные процессы в сообществах схожи.