微生物群落如何在水力压裂页岩井中茁壮成长

在生存游戏节目中，参赛者被带到一个外国的地方，在那里他们面临着不熟悉的压力。为了留在游戏中，他们必须适应周围环境，并经常需要与其他竞争对手一起工作。事实证明，在微观水平上，例如细菌和病毒，存在于水力压裂或压裂过程中的流体中也是如此。这些深层地下环境中的条件是如此受限制科学家并不认为生命可以在那里生存，更不用说茁壮成长了。

但几年前，一小组研究人员开始密切关注这些工程世界。该团队的调查结果不仅令人惊讶，而且还为水力压裂行业提供了丰富的信息。甚至可以将这些世界视为理解微生物群落成员如何在其生态系统内相互作用的模型系统。

一些研究团队的工作是2015年设施整合用户科学合作或FICUS项目的一部分，该项目名为“深层地下页岩碳储层中生物地球化学循环的微生物控制”项目，由俄亥俄州立大学的研究人员领导。

FICUS倡议是两个能源部科学办公室用户设施的合作成果：环境分子科学实验室，或EMSL，位于华盛顿州里奇兰的太平洋西北国家实验室(PNNL)和联合基因组研究所，或JGI，位于加州核桃溪，由劳伦斯伯克利国家实验室管理。

多学科团队还包括来自科罗拉多州立大学(CSU)，新罕布什尔大学，西弗吉尼亚大学和缅因大学的研究人员。自最初的提议以来，研究人员已经改变了他们的方向，因为科学带他们一起，发表了一些高调的论文。

“这是一个新颖的系统，”EMSL生物化学家团队成员David Hoyt说。“关于这个特殊设置的好处是，对于在这种恶劣环境中存活的微生物，我们得到了许多可测试的关系，可以告诉我们生物体必须使用哪种类型的分子策略。”

极端的惊喜

水力压裂技术是一种已有数十年历史的工业技术，应用于深井，以解除页岩等岩层中的天然气和石油的开采。近年来，由于水平钻井的改进，使用该技术的情况有所增加。

一次性扰动使用高压流体在地下岩石中产生发丝裂缝或裂缝。流体主要是水与化学添加剂和沙子材料的混合物，以保持裂缝打开，因此所需的组分可以继续流出。

根据团队成员迈克尔威尔金斯(Michael Wilkins)的说法，该团队成员迈克尔威尔金斯(Michael Wilkins)是现任科罗拉多州立大学的地质微生物学教授。“这些页岩基本上是无菌的，”威尔金斯说，“并且在水力压裂过程中突然间，微生物被意外地引入页岩中。”

此时，往往超过一英里半的地下，条件苛刻。温度约为65摄氏度，盐含量是普通海水的四倍。压力大约为500个大气压 - 是人类在最深的SCUBA潜水记录中感受到的压力的15倍。

然而，一些微生物“污染物”能够生存，并且正如研究人员通过时间序列实验所了解的那样，它们的生态系统也在殖民化。

团队成员Kelly Wrighton，现在在科罗拉多州立大学的土壤微生物学教授，即使在她的微生物学背景下，也不会期望这个项目之前的生活弹性。“我们可以将一小撮细胞注入一种外来且几乎有毒的环境中，生命找到了扩散的方法并且做得非常好，”Wrighton说。“我对此感到非常震惊。”

巨型生物反应器

根据Wrighton的说法，科学家们知道这些微生物来自地表，但是他们仍在确定它们正在进行的工程过程中的确切位置。他们确实知道地下微生物群落看起来与淡水输入有很大不同。

Wrighton说，某些生物占地表微生物群落不到百分之一，可以在独特的地下环境中开花，占社区的80%以上。

在早期的自然微生物学论文中，研究小组发现，压裂后近一年内产生的液体中只存在31种不同的基因组。这些发现还表明，在阿巴拉契亚盆地相距数百英里的两个不同页岩 - 马塞勒斯和尤蒂卡 - 的井中，流线型基因组相似。

与大多数其他已知系统相比，这些微生物群落的多样性要差得多。例如，人类肠道含有大约2,000个独特的基因组。

这种简单性使研究人员能够梳理系统中发生的过程和相互作用，并破解微生物群落在恶劣条件下的持续存在。

例如，研究人员追踪了一种叫做甘氨酸甜菜碱的氨基酸衍生物，这种衍生物是由消耗液体中化学添加剂的微生物产生的。该化合物既可以防止某些微生物的高盐度，也可以作为其他微生物的能源。以它为食的细菌为其他细菌产生食物，并且循环不断。

地下深处，资源有限而且没有补充，因此微生物必须适应现有的资源。

威尔金斯说，这些循环和过程在更多不同的微生物群落中更难以解决，例如湿地和​​土壤。虽然很难跟踪这些复杂系统的动态如何随时间变化，但相对容易破碎的页岩群落的特征可以回答一些重要问题。

手牵手

为了帮助梳理这些机制，研究人员在实验室中重建了反应堆中的页岩微生物群落，如PNAS出版物中所述。在那里，他们可以通过施加在深层地下场地不可行的压力或变化来测试他们的理论。威尔金斯说，这项技术与基因组测序密切相关。

然后，研究人员可以通过现场采集数据的建模来确认他们的实验室结果。在多个组学水平上收集测量值 - 包括代谢组学和蛋白质组学 - 可以增强结果。幸运的是，EMSL拥有支持这一点的专业知识和能力。

Hoyt说，通过合作和查看不同级别的问题，“你会得到一个更强大的故事。”

这种方法帮助研究团队深入研究了自然微生物学的最新研究，在那里他们研究了寄主细菌与页岩群落中较小病毒之间的相互作用。尽管细菌的多样性很低，但病毒基因组结果显示出多种多样的病毒。

研究小组还发现，当宿主受到压力时，病毒可以感知到，然后它们会进入细胞壁并将所含的代谢物释放到周围的液体中。剩下的邻近细菌随后消耗这些代谢物。摧毁一种微生物有助于支持整个社区。

殖民知识

现在，研究团队正在扩展到北美其他页岩，并了解这些裂缝性页岩群落中的微生物群落与他们在阿巴拉契亚盆地研究的群落相比。Wrighton说，初步结果表明，尽管不是所有的微生物都是相同的，但社区过程却是如此。

这些过程可能对水力压裂行业的底线产生影响，该行业为东部沿海地区提供了大量能源。一些工艺可以产生更多的甲烷气体，而另一些工艺则会产生硫化物等副产品，这些副产品会“酸化气体”并腐蚀设备。凭借对这些工程世界的了解，该行业可能能够长期控制行业中的社区。

尽管这种特殊的微生物生态系统具有独特性，但它可以帮助推进基础科学，因为它易于处理和管理。例如，Wrighton说这个系统是开始测试研究人员对益生菌如何在人体中起作用的一些问题的好地方。

但威尔金斯提出了一个应用：“这可能是一个很好的模型系统，用于微生物生命如何在其他星球上的地下，高盐度生态系统中持续存在。”