Tietopankki

Työraportti 2017-11

Takaisin

Nimi:

Metabolic Pathways of Deep Groundwater Microbiomes and Sulphide Formation at Olkiluoto

Raportin kirjoittaja:

Blomberg, P., Itävaara, M., Marjamaa, K., Salavirta, H., Arvas, M., Miettinen, H., Vikman, M.

Kieli:

Englanti

Sivumäärä:

160

Tiivistelmä:

Tämä työ on osa Olkiluodon mikrobiologista paikkatutkimusta liittyen korkea-aktiivisen ydinjätteen loppusijoitukseen. Työn tavoitteena on selvittää sulfidin muodostumiseen liittyviä mekanismeja Olkiluodon syvissä pohjavesissä. Geomikrobeilla on tärkeä merkitys mineraalien globaalissa kierrossa, niiden muuntamisessa orgaanisiksi yhdisteiksi sekä hyödyntämisessä energiana hapetus/pelkistysreaktioissa. Geobiologisia kiertoja voidaan tämän vuoksi tutkia mikrobien aineenvaihdunnan ja geenien avulla. Sulfidien muodostumisen selvittämiseksi metagenomiikka- ja metatranskriptomiikkatutkimusta sovellettiin geomikrobiologisten prosessien ja aineenvaihduntareittien selvittämiseksi kahden pohjavesinäytteen (OL-KR6/125−130 m, paljon sulfaattia ja ei sulfidia; OL-KR13/405.5−414.5 m, vähän sulfaattia ja paljon sulfidia) tutkimisessa.

Syvien pohjavesien mikrobibiomassa suodatettiin, DNA ja mRNA eristettiin ja sekvensoitiin. Proteiinit ennustettiin ja aineenvaihduntareitit tutkittiin vertaamalla aktivoituneita geenejä (metatranskriptomiikka) koko genomitietoon (metagenomiikka). Monilajisen mikrobiyhteisön (mikrobiomi) aineenvaihdunta on hyvin monimutkainen. Yksittäiset mikrobit mikrobiyhteisössä ovat riippuvaisia toistensa aineenvaihdunnan tuotteista ja vallitsevista fysikokemiallisista olosuhteista sekä saatavilla olevista elektronien vastaanottajista ja luovuttajista. Työssä tutkittiin geobiokemiallisiin kiertoihin liittyviä mikrobien aineenvaihduntareittejä keskittyen erityisesti typen, rikin ja hiilen kiertoon (sisältäen metaanin ja hiilidioksidin kierron).

Aineenvaihduntareittien tarkastelussa todettiin aktiivinen sulfaatin ja typen kuljetus solujen ulkopuolelta soluihin. Typenkierrossa aktiivisin aineenvaihduntareitti oli typen fiksaatio, jossa molekulaarinen typpi muuntuu ammoniumtypeksi. Sen sijaan nitrifikaatiota ei todettu. Typen ja rikin kierto liittyvät toisiinsa ja nitriitti voi esimerkiksi kilpailla sulfaatin kanssa elektronin vastaanottajana. Tämä on erityisen merkittävää
anaerobisessa metaanin hapetuksessa, jossa metaania hapettavat ja sulfaattia pelkistävät mikrobit toimivat syntrofisesti eli vuorovaikutteisesti vastaanottaen toisiltaan elektroneja anaerobisessa metaanin hapetuksessa, jossa muodostuu sulfideja.

Biologinen sulfaatin pelkistyminen voi tapahtua useiden aineenvaihduntareittien kautta. Aktiivinen assimiloiva ja dissimiloiva sulfaatin pelkistys todettiin molemmissa näytteissä, joten molemmissa näytteissä muodostui myös sulfidia. Tämä nähtiin myös diversiteettitutkimuksessa, jossa todettiin sulfaatinpelkistäjiä molemmissa näytteissä.

Sulfidin erilainen kertyminen pohjaveteen tutkituissa näytteissä saattaa johtua useista seuraavassa esitetyistä tekijöistä. Molemmissa näytteissä todettiin suuri määrä metaanin hapettajia eli metanotrofeja. OL-KR13/405.5−414.5 m näytteessä, jossa oli suuri sulfidipitoisuus, todettiin runsaasti metaanin hapettajiin kuuluvia ANME-2 arkeoneja, joita esiintyi jonkin verran myös aerobisten metanotrofien lisäksi OL-KR6/125−130 m näytteessä. Nämä arkeonit toimivat syntrofisesti pääasiassa nitriitin pelkistäjien kanssa.
Nitriitin puutteessa arkeonit voivat käyttää sulfaatteja elektronien vastaanottajana, jolloin sulfaatti pelkistyy sulfideiksi.

Geokemian mukaan OL-KR6/125−130 m kairareiässä on enemmän vapaata rautaa ja mangaania kuin OL-KR13/405.5−414.5 m kairareiässä. Tämä voi johtaa rautasulfidin eli pyriitin saostumiseen, jolloin vapaa sulfidi poistuu vedestä. Lisäksi OL-KR6/125−130 m näytteessä sulfidit voivat hapettua mikrobiologisesti, ja/tai ne voivat muuntua polysulfidiksi ja tiosulfaatiksi, jotka varastoituvat mikrobisoluihin. Tätä tapahtui
kuitenkin molemmissa mikrobiomeissa.

Johtopäätöksenä voidaan todeta, että molemmissa näytteissä esiintyi runsaasti metaanin hapetukseen sekä reversiibeliin metanogeneesiin liittyviä aineenvaihduntareittejä. Lisäksi molemmissa näytteissä oli aktiivinen sulfaatin pelkistyminen käynnissä. Tämä voi olla osoitus siitä, että metaani toimii sekä hiilenlähteenä että elektronien luovuttajana sulfaatin pelkistymisessä sulfidiksi Olkiluodon pohjavedessä.

Avainsanat:

Sulfaatin pelkistyminen, sulfidien muodostuminen, syvät pohjavedet, geomikrobiologia, aineenvaihduntareitit, metagenomiikka, metatranskriptomiikka.

Tiedosto(t):

WR 2017-11_web (pdf) (6.6 MB)


Takaisin


Jaa artikkeli: