Frontiers for Young Minds

Frontiers for Young Minds
תפריט
תגלית חדשה פורסם: 31 במאי, 2019

האם חיידקים שחיים מתחת לאדמה יכולים לסייע בהפחתת שינויי האקלים?

תַקצִיר

שינויי אקלים מתרחשים כאשר כימיקלים שֶׁמְּכֻנִּים גזי חממה נכנסים לאטמוספירה של כדור הארץ. פחמן דו-חמצני הוא אחד מגזי החממה החשובים. טכנולוגיה חדשה להפחתת גזי החממה שנכנסים לאטמוספירה מְעָרֶבֶת אחסון כמויות גדולות של פחמן דו-חמצני מתחת לאדמה. מיקרובים, כמו למשל חיידקים, נמצאים כמעט בכל מקום על פני כדור הארץ, גם בעומק של קילומטרים רבּים מתחת לאדמה. מדענים משלבים יכולות ממיקרוביולוגיה (חֵקֶר מיקרובים), מגיאולוגיה ומכימיה כדי להבין כיצד חיידקים תת-קרקעיים יכולים לסייע בהפחתת גזי החממה באטמוספירה, ובשמירה על כדור הארץ במצב בריא.

ישנם חיידקים שחיים מתחת לאדמה ונחשפים לגזים מהאטמוספירה

אנשים זקוקים לבנזין ולחשמל כדי להסיע את המכוניות שלהם, לצפות בטלוויזיה או לשחק במשחקים בטאבלט שלהם. כימיקלים שנקראים גזי חממה מיוצרים כשאנחנו מפיקים בנזין וחשמל עבור שימושים יומיומיים. גזי חממה יכולים להיות מסוכנים כאשר הם נכנסים בכמויות גדולות לאטמוספירה של כדור הארץ, והם יכולים לגרום לבעיות סביבתיוֹת. גדילה משמעותית בכמות גזי החממה לאורך תקופת זמן קצרה יכולה לגרום לשינויים בתבניות מזג האוויר בעולם. השינויים האלה יכולים לגרום לקרחונים לְהִמֵּס ולגובה פני הים לעלות, מה שעשוי לגרום להצפה של ערים שנמצאות סמוך לים ולהותיר אנשים רבּים מחוסרי בית.

פחמן דו-חמצני (CO2) הוא גז חממה חשוב. מדענים שמו לב לגדילה בכמויות CO2 באטמוספירה כתוצאה מפעילוּת אנושית. דרך אחת שבּה מדענים יכולים לסייע בהפחתת גזי החממה באטמוספירה ידועה בתור לכידה של פחמן ואחסונו. מדענים יכולים להשתמש בציוד מיוחד כדי “ללכוד” CO2 לפני שהוא נכנס לאטמוספירה, ואז לאחסן את הגז המזיק עמוק מתחת לאדמה.

ישנם מקומות תת-קרקעיים שיכולים לאחסן כמויות גדולות של גז CO2. המקומות האלה הם חורים קטנטנים וכמעט אינסופיים בכמותם שקיימים בסלעים (איור 1). הסלעים התת-קרקעיים יוצרים שכבות שנמשכות קילומטרים רבּים בכל הכיוונים, ויכולות להיות בעובי של מטרים רבּים. השכבות האלה נקראות אַקְוִיפֶרִים. אקוויפרים מכילים מים שיכולים לנוע בסלעים באופן חופשי, דרך חורים קטנטנים. כאשר גז CO2 מוזרק לתוך אחד האקוויפרים האלה, הוא יכול להיות מיוצב כך שלא “ידלוף” חזרה אל תוך האטמוספירה. ה-CO2 מיוצב כשהוא כלוא בתוך החורים הקטנטנים שבסלעים. ניסויים גדולים הראו שהאקוויפרים האלה יכולים להישאר יציבים במשך זמן רב.

איור 1 - אקוויפרים ממוקמים עמוק מתחת לפני השטח של כדור הארץ.
  • איור 1 - אקוויפרים ממוקמים עמוק מתחת לפני השטח של כדור הארץ.
  • אקוויפר הוא שכבת סלע תת-קרקעית שמכילה מים (בכחול). האקוויפר שהשתמשו בו במחקר זה הוא בעומק של 1.4 קילומטרים מתחת לאדמה. דוגמיות מים שנאספו מאקוויפר זה נלקחו למעבדה כדי לחקור אם הזרקת CO2 לתוך האקוויפר שינתה את אוכלוסיות החיידקים שחיו שם.

אולם מעט מאוד ידוע על האופֶן שבו CO2 משפיע על מיקרובים שחיים מתחת לאדמה. מיקרובים הם אורגניזמים מיקרוסקופיים, כולל חיידקים, שהם סוג של מיקרובים שחקרנו בניסויים שלנו. חשוב להבין כיצד חיידקים מגיבים ל-CO2 מתחת לאדמה מֵאַחַר שבאמצעות חילוף החומרים שלהם החיידקים יכולים להמיר גז CO2 לגז חממה מסוכן יותר שנקרא מֵתָאן (איור 2). מדענים אינם רוצים שהחיידקים התת-קרקעיים האלה ייצרו מתאן, מאחר שמתאן יכול לברוח למעלה אל האטמוספירה ולגרום להַחְרָפָה בשינויי האקלים. לכן, מטרת המחקר שלנו הייתה להבין כיצד חיידקים שחיים מתחת לאדמה יכולים להגיב לגז CO2 שמוזרם אל תוך ה“בית” שלהם באקוויפר עמוק.

איור 2 - כיצד חיידקים מגיבים ל -CO2?
  • איור 2 - כיצד חיידקים מגיבים ל -CO2?
  • אחת השאלות המרכזיות ששאלנו במחקר שלנו הייתה: “כיצד החיידקים באקוויפר יגיבו להזרקה של CO2?” בעוד שהזרקת ה-CO2 לתוך האקוויפר עשויה להסיר את גז החממה הזה מהאטמוספירה, ייתכן שחיידקים שחיים עמוק בתוך האקוויפר יוכלו להסב את ה-CO2 לגז חממה מזיק יותר, מתאן (CH4), שעשוי להשתחרר ולהגיע אל האטמוספירה.

דנ“א מחיידקים מסייע למדענים להבין כיצד הם מגיבים ל-CO2 בעומק של קילומטרים רבּים מתחת לאדמה

ג’ון מוֹרֵאו ואנדרֶה מוּ הם חוקרים באוניברסיטת מלבורן באוסטרליה. ג’ון מתמחה בכימיה של הסביבה, בעוד שאנדרה הוא מיקרוביולוג שחוקר מיקרואורגניזמים, כולל חיידקים. יחד הם מתמחים בהבנת האופֶן שבו חיידקים מגיבים לכמויות גדולות של CO2 מתחת לאדמה. ישנן שתי דרכים עיקריות לקבוע כיצד חיידקים מגיבים ל-CO2. אנו יכולים: (1) למדוד את השינויים בכימיית המים באקוויפרים; ו-(2) להסתכל על סוגי חיידקים שונים שנוכחים לפני הזרקת גז ה-CO2 מתחת לאדמה ואחרי ההזרקה (איור 3). לעיתים קרובות קשה לגדל את החיידקים התת-קרקעיים האלה במעבדה מאחר שאיננו מבינים לחלוטין מהם תנאי הגידול הנדרשים. במקום זאת, אנו מסתכלים על דנ”א מהחיידקים האלה, שאפשר לאסוף ללא צורך לגדל אותם במעבדה. דנ“א הוא יחידת מבנה בסיסית של צורות החיים המצויות על פני כדור הארץ. מדענים יכולים להשתמש בתערובת כימיקלים, חרוזי זכוכית קטנים מאוד ומכוֹנוֹת כדי לְפָרֵק בזהירות את תאי החיידקים. לאחר מכן ה-דנ”א נאסף מהתאים האלה ונשלח לריצוּף, שהוא טכניקה שבה משתמשים כדי לזהוֹת את רֶצֶף ארבעת הכימיקלים (שֶׁמְּכֻנִּים G ,A ,T ו-C) אשר מרכיבים את ה-דנ“א (איור 3). הֲבָנַת ה-דנ”א מהדגימוֹת שלנו תיתן לנו מושג על סוגי החיידקים שחיים מתחת לאדמה. לכל חיידק יש רצף דנ“א ייחודי שאפשר להשתמש בו כדי לזהוֹת את החיידק, כמו טביעת אצבע. החיידקים שזיהינו יכולים להיות מחולקים לקבוצות. למשל, חלק מהחיידקים הם אוֹטוֹטְרוֹפִים, והם יכולים לייצר תרכובות אורגניות מורכבות מחומרים פשוטים, וחיידקים אחרים הם הֶטֶרוֹטְרוֹפִים, והם משתמשים בתרכובות המורכבות שיוצרו על-ידי החיידקים האוטוטרופים כמקור מזון/אנרגיה. חשוב להבין ששתי קבוצות החיידקים האלה מְתַקְשְׁרוֹת אחת עם השנייה במהלך אחסון של גז CO2 באקוויפרים תת-קרקעיים.

איור 3 - מה עשינו ומתי?
  • איור 3 - מה עשינו ומתי?
  • (A) אספנו דוגמיות מים מהאקוויפר לפני הזרקת ה-CO2, במהלך חודש יוני, כדי להבין את תנאי הבסיס של האקוויפר. כמויות גדולות של CO2 הוזרקו במהלך חודש יולי ושקעו מתחת לאדמה. דוגמיות לבחינה נאספו באוגוסט ובספטמבר כדי להבין מה ה-CO2 עשה למֵי האקוויפר ולחיידקים שחיים שם. (B) דנ”א נשלף מתוך דוגמיות של חיידקים על-ידי: (1) סינון דוגמיות המים לשם איסוף החיידקים; (2) שימוש בתערובת של כימיקלים וחרוזי זכוכית כדי לשלוף את ה-דנ“א; (3) ריצוף ה-דנ”א ו-(4) שימוש במחשבים כדי לסייע למדענים להבין אלה חיידקים היו נוכחים לפני הזרקת ה-CO2 ולאחר ההזרקה.

ג’ון ואנדרה שיתפו פעולה עם קבוצת מדענים מומחים בגיאולוגיה ובהנדסה כדי לבצע ניסוי גדול באגן אוֹטְוֵיי שבדרום-מערב אוסטרליה. הניסוי כָּלַל הזרקה של יותר מ-150 טונות של CO2 אל תוך אקוויפר בעומק של יותר מקילומטר מתחת לפני הקרקע. זהו כמעט אותו המרחק כמו 10 מגרשי פוטבול (בפוטבול אוסטרלי), ומשקל של יותר מ-2,000 שחקני פוטבול! מים מהאקוויפר נאספו לפני הזרקת גז ה-CO2 ולאחר ההזרקה. דוגמיות המים האלה נבחנו עבור כימיקלים ותנאים שונים, כמו למשל רמת חוּמציוּת וטמפרטורה. השתמשנו גם במחשבים חזקים כדי לחקור את ה-דנ“א של החיידקים שהיו נוכחים בשלבים שונים של הניסוי. רצינו לדעת אם אנו יכולים לראות את אותן קבוצות החיידקים, או אם קבוצות חדשות מופיעות אחרי שה-CO2 הוזרק עמוק לתוך האקוויפר.

חלק מהחיידקים מגיבים בצורה טובה להזרקה של CO2, בעוד שאחרים אינם שמחים במיוחד

שני סוגי חיידקים היו נוכחים בדוגמיות המים בכמויות קטנות מאוד לפני הזרקת גז ה-CO2. החיידקים האלה נקראים Comamonadaceae ו-Sphingomonadacea. שני סוגי החיידקים האלה נשארו במספרים קטנים עד שהוזרקו כמויות גדולות של גז CO2 לתוך האדמה. שינויים בכימיית המים התרחשו אחרי הזרקת כל גז ה-CO2, ו-41 יום אחרי הזרקת ה-CO2 מספרי ה-Comamonadaceae וה-Sphingomonadacea עלו שניהם. שני סוגי החיידקים האלה מסוגלים לייצר אוכלוסיות דמויות ג’ל שֶׁמְּכֻנּוֹת בִּיוֹפִילְמִים, אשר מְתַפְקְדוֹת כשכבת מָגֵן שמגינה על תאי חיידקים מפני שינויים בסביבה. גדילת הכמויות היחסיות של Comamonadaceae ו-Sphingomonadacea אחרי הזרקת גז ה-CO2 מציעה שהחיידקים האלה יכולים להסתגל לשינויים בכימיה של המים. מדענים מאמינים כי ביופילמים שמיוצרים על-ידי חיידקים יכולים לחסום חורים קטנים ונקודות תורפה באקוויפר, מה שמונע מגז ה-CO2 לדלוף החוצה אל האטמוספירה. דבר זה חשוב מאוד כדי ששיטה זו תהיה יעילה בהפחתה של כמויות ה-CO2 אשר גורמות לשינויי האקלים.

מצאנו בדוגמיות המים מהאקוויפר סוג נוסף של חיידקים שנקרא Carboxydocella. Carboxydocella גַדֵּל טוב בתנאים של האקוויפר, היכן שכמעט אין חמצן, הלחץ של הסלעים מלמעלה גדול פי 137 יותר ממה שאנו מרגישים על פני כדור הארץ, והטמפרטורה עומדת על כ-∘60 צלזיוס. Carboxydocella הוא גם סוג של אוטוטרופ. החיידקים האלה יכולים להמיר פחמן חד-חמצני (CO) מהסביבה ל-CO2, והם גם יכולים לייצר מולקולות מימן (H2). ה-CO2 והמימן נמצאים בשימוש על-ידי חיידקים הטרוטרופים אחרים כמקורות של אנרגיה. כשהסתכלנו על ה-דנ”א שאספנו מהדוגמיות שלנו, גילינו שאחוז ה-Carboxydocella ירד ונותר בכמויות נמוכות אחרי שגז ה-CO2 הוזרק לתוך אגן אוֹטְוֵיי. ירידה ב-Carboxydocella יכולה לשנות את הקהילה החיידקית באופָנים שמשבשים את אחסון גז ה-CO2, ועשויה להשפיע בצורה שלילית על האקוויפר. זהו תחום מחקר שצריך להיחקר בְּיֶתֶר שְׂאֵת על-ידי תכנון ניסויים מסוימים במעבדה. הניסויים האלה עשויים לכלול גידול של Carboxydocella בריכוזים שונים של גז CO2 במעבדה כדי לקבוע מה קורה לחיידקים האלה – האם הם יכולים להסתגל בהדרגה לריכוזים גדולים של CO2, או שבמקרה כזה הם ייעלמו? מה שברור אולם הוא שהחיידק Carboxydocella מְשַׂחֵק תפקיד חשוב במעגל הפחמן, ותומך בגדילה של חיידקים אחרים שחיים באקוויפר.

חיידקים עובדים יחד כצוות כדי לתמוך בקהילה

סוגים שונים של חיידקים בסביבה נוטים לעבוד יחד כצוות. חיידקים תומכים זה בזה באמצעות יצירת תרכובות שהם חולקים זה עם זה כדי להישאר בחיים. מהנתונים שלנו שִׁעַרְנו שכאשר מֵי תהום נעשים חומציים יותר כתוצאה מערבוב של CO2 בתוכם, הסביבה החומצית מקדמת את הגדילה של קבוצת חיידקים שיכולה להשתמש בתרכובת גופרית אשר נקראת סוֹלְפִיד, כמקור אנרגיה. כשהתגובה הזו משתלבת עם כימיקלים אחרים באקוויפר, התנאים התת-קרקעיים משתנים ומעודדים את הגדילה של קבוצת חיידקים אחרת שנקראת חיידקים מְחַזְּרֵי-סוּלְפָט. מחזרי-סולפט זקוקים למימן כדי לייצר אנרגיה. אוטוטרופים, כמו למשל Carboxydocella, הם גם מקור של מימן עבור מחזרי-סולפט. Carboxydocella אף יכולים לְסַפֵּק לקבוצת חיידקים מייצרי מתאן את ה-CO2 והמימן שהם צריכים כדי לייצר מתאן. הזרקת ה-CO2 אל תוך האקוויפרים עשויה לשנות את אוכלוסיית החיידקים שחיה שם. לדוגמה, Carboxydocella עשויים להיעלם. אם Carboxydocella ייעלמו, יכולת התפקוד של חיידקים מייצרי-מתאן ומחזרי-סולפט עשויה להיאבד כליל. זה עשוי לגרום לשינוי באופן שבו CO2 מאוחסן לטווח ארוך בתוך האקוויפר.

מה הלאה?

על-ידי עריכת ניסויים גדולים בסביבה אנו יכולים להבין מה קורה בעולם האמיתי. אנו יכולים להשתמש ביֶּדַע הזה כדי ליצור ניסויים פשוטים במעבדה במטרה להבין טוב יותר מה קורה לגז CO2, וכיצד חיידקים מגיבים ל-CO2 שמוזרק מתחת לאדמה. הצעדים הבאים במחקר הזה הם עריכת ניסויים במעבדה שבהם אנו מְגַדְּלִים קבוצות מסוימות של חיידקים שנמצאו באקוויפרים רבּים שונים, וחשיפתם ללחצים גבוהים, לטמפורטורות גבוהות ולכמויות גדולות של גז CO2.

באמצעות הניסויים האלה אנו לומדים כיצד ביופילמים של Comamonadaceae ושל Sphingomonadacea מגיבים ל-CO2. כשנבין טוב יותר את האופֶן שבו גז CO2 מגיב עם החיידקים האלה נוכל להתקדם מהר יותר לְעֵבֶר הפיכת הכיוון של ההשפעות המזיקות של שינויי האקלים.

מילון מונחים

גזי חממה (Greenhouse gases): גזי חממה הם סוג של גז שתורם לשינויי האקלים. פחמן דו-חמצני הוא דוגמה לגז חממה.

לכידה של פחמן ואחסונו (Carbon Capture and Storage - CCS): לכידה ואחסון של פחמן היא טכניקה שנחקרת על-ידי מדענים כדרך להפחתת ההשפעוֹת של שינויי האקלים. הטכניקה מְעָרֶבֶת “לכידה” של גזי חממה לפני כניסתם לאטמוספירה של כדור הארץ, ואחסון הגזים עמוק מתחת לאדמה.

אקוויפר (Aquifer): שכבה תת-קרקעית של סלע שמכיל מים.

חיידקים (Bacteria): חיידקים הם אורגניזמים מיקרוסקופיים, והם מכילים תא אחד בלבד בעל מבנים פשוטים.

דנ“א (DNA): דנ”א – חומצה דאוקסיריבונוקלאית – היא מולקולה שנושאת הוראות גנטיות עבור צורות החיים השוֹנוֹת על פני כדור הארץ.

הצהרת ניגוד אינטרסים

המחברים מצהירים כי המחקר נערך בהעדר כל קשר מסחרי או פיננסי שיכול להתפרש כניגוד אינטרסים פוטנציאלי.

תודות

המחבּרים מודים על תמיכתו של ארגון CO2CRC, ועל המימון של אֻמַּת אוסטרליה דרך תוכנית CO2CRC עבור ניסויי המקור.


מאמר המקור

Mu, A., Boreham, C., Leong, H. X., Haese, R. R., and Moreau, J. M. Changes in the deep subsurface microbial biosphere resulting from a field-scale CO2 geosequestration experiment. Front. Microbiol. (2014) 5:209. doi: 10.3389/fmicb.2014.00209