Арктические микроорганизмы ускорили образование железомарганцевых отложений
Российские ученые выяснили, что железомарганцевые конкреции, или округлые минеральные образования, залегающие на шельфе Карского моря, населены уникальными микробными сообществами, вероятно, ускоряющими процесс их формирования. При этом состав микробных сообществ, использующих железомарганцевые конкреции в качестве своей среды обитания и «убежища» для защиты от суровых условий арктических морей, во многом зависит от химического состава конкреций.
Образование полиметаллических руд в Мировом океане — уникальное природное явление. К таким рудам относятся в том числе и железомарганцевые конкреции, представляющие собой шарообразные минеральные образования. Железомарганцевые конкреции обогащены металлами, необходимыми для широкого спектра новейших высокотехнологичных и экологически чистых энергетических разработок. Конкреции считаются потенциальным источником минерального сырья, запасы которого по оценкам составляют более 300 миллиардов тонн. При этом механизмы образования полиметаллических руд являются дискуссионной темой в научном сообществе. Очевидным остается факт, что их формирование происходит в сложной взаимосвязанной системе химических, физических и микробиологических процессов на океаническом дне.
Обширные скопления железомарганцевых конкреций обнаружены в глубоководных районах Тихого и Индийского океанов. Исследования показали, что в этих местах скорость роста рудных образований составляет миллиметры в миллион лет. В то же время на морском шельфе, то есть на значительно меньших глубинах, формирование и рост конкреций происходит в тысячу раз быстрее. На примере глубоководных конкреций Тихого океана было показано, что в формировании железомарганцевых отложений участвуют микроорганизмы, способные окислять железо и марганец, а видовой состав этих сообществ может влиять на скорость роста конкреций. Однако специалисты из разных стран только начинают детально исследовать данный вопрос.
Ученые из Института океанологии имени П.П. Ширшова РАН (Москва), Института микробиологии имени С.Н. Виноградского РАН (Москва), Института геохимии и аналитической химии имени В.И. Вернадского РАН (Москва) с зарубежными коллегами изучили строение, химический состав и микробные сообщества в образцах железомарганцевых конкреций, образованных на Арктическом шельфе. Авторы отобрали образцы в трех отличающихся по условиям районах Карского моря. В зависимости от географического положения и гидродинамического режима в химическом составе конкреций преобладали соединения железа или марганца. При этом концентрации этих металлов были сопоставимы с таковыми в глубоководных конкрециях, имеющих промышленную ценность.
Анализ показал, что внутри конкреций присутствовали обширные колонии микроорганизмов, имеющих форму палочек и кокков (шарообразные клетки). Поверхность клеток была покрыта оксидами железа и марганца, образующими своеобразный панцирь. Чтобы определить вид микроорганизмов, авторы впервые выделили из арктических конкреций ДНК и сравнили ее с известными генетическими последовательностями в базах данных. Оказалось, что только 20% обнаруженных микроорганизмов были общими для всех изученных образцов. Этих «космополитов» ученые отнесли к семействам Kiloniellaceae, Hyphomicrobiaceae и Pirellulaceae. В богатых железом отложениях также были широко распространены представители Rhizobiales, Coxiellaceae и Cyclobacteriaceae, которые способны окислять железо. В обогащенных марганцем конкрециях преимущественно обитали те семейства, которые для получения энергии способны использовать марганец — Magnetospiraceae, Scalinduaceae и Woeseiaceae. Именно благодаря этим микробным семействам, отчасти уникальным для каждого из изученных образцов, могут ускоряться процессы формирования пористого матрикса железомарганцевых конкреций.
«Мы показали, что в условиях Арктики внутри железомарганцевых конкреций создается благоприятная среда для жизнедеятельности микроорганизмов, которые восстанавливают, окисляют или накапливают в себе металлы. В таких "укрытиях" метаболическая активность микроорганизмов способствует ускоренному росту железомарганцевых конкреций. Дальнейшее комплексное изучение арктических конкреций поможет понять процессы шельфового рудогенеза и глобальных биогеохимических циклов», — рассказывает руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, Наталья Шульга, кандидат геолого-минералогических наук, старший научный сотрудник Лаборатории химии океана Института океанологии имени П. П. Ширшова РАН.