Углеводороды и нефть-почти синонимы в науке об окружающей среде. В конце концов, запасы нефти составляют почти все углеводороды, с которыми мы сталкиваемся. Но те немногие углеводороды, которые прослеживают свое происхождение до биологических источников, могут играть большую экологическую роль, чем первоначально предполагали ученые.

Группа исследователей из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре и океанографического института Вудс-Хоул исследовала эту ранее забытую область океанографии на предмет признаков упущенного глобального цикла. Они также проверили, как его существование может повлиять на реакцию океана на разливы нефти.

"Мы продемонстрировали, что в океане происходит массивный и быстрый цикл углеводородов, и что он отличается от способности океана реагировать на поступление нефти", - сказал профессор Дэвид Валентайн, занимающий президентское кресло Норриса в отделе наук о Земле Калифорнийского университета. Исследование, проведенное его аспирантами Элеонорой Аррингтон и Коннором Лавом, появилось в журнале Nature Microbiology.

В 2015 году международная группа под руководством ученых из Кембриджского университета опубликовала исследование, демонстрирующее, что углеводородный пентадекан был получен морскими цианобактериями в лабораторных культурах. Исследователи экстраполировали, что это соединение может быть важным в океане. Молекула, по-видимому, снимает напряжение в изогнутых мембранах, поэтому она обнаруживается в таких вещах, как хлоропласты, где плотно упакованные мембраны требуют экстремальной кривизны, объяснил Валентайн. Некоторые цианобактерии все еще синтезируют это соединение, в то время как другие океанские микробы охотно потребляют его для получения энергии.

Валентайн написал двухстраничный комментарий к статье вместе с Крисом Редди из Вудс-Хоул и решил продолжить тему с Аррингтон и Лав. Они посетили Мексиканский залив в 2015 году, а затем западную Атлантику в 2017 году, чтобы собрать образцы и провести эксперименты.

Команда брала пробы морской воды из бедного питательными веществами района Атлантики, известного как Саргассово море, названного так в честь плавучих водорослей саргасса, принесенных из Мексиканского залива. Это прекрасная, чистая, голубая вода с бермудским привкусом посередине, сказал Валентайн.

Получение образцов было, по-видимому, довольно сложной задачей. Поскольку пентадекан является обычным углеводородом в дизельном топливе, команде пришлось принять дополнительные меры предосторожности, чтобы избежать загрязнения самого корабля. Они попросили капитана повернуть корабль против ветра, чтобы выхлопные газы не испортили образцы, и они проанализировали химическую сигнатуру дизеля, чтобы убедиться, что это не источник пентадекана, который они нашли.

Более того, никто не мог курить, готовить или рисовать на палубе, пока исследователи собирали морскую воду. - Не знаю, бывали ли вы когда-нибудь на корабле подолгу, но вы рисуете каждый день. Это как мост Золотые ворота: вы начинаете с одного конца, и к тому времени, когда вы доберетесь до другого конца, пришло время начать все сначала."

Меры предосторожности сработали, и команда извлекла нетронутые образцы морской воды. "Стоя перед газовым хроматографом в Вудс-Хоул после экспедиции 2017 года, было ясно, что образцы были чистыми без каких-либо признаков дизельного топлива", - сказал соавтор исследования Лав. "Пентадекан был безошибочно узнаваем и уже показывал четкие океанографические узоры даже в первых двух образцах, которые мы пробовали."

Из-за их огромного количества в мировом океане, продолжал Лав, "только два типа морских цианобактерий добавляют в океан в 500 раз больше углеводородов в год, чем сумма всех других видов нефти, поступающих в океан, включая естественные просачивания нефти, разливы нефти, сброс топлива и сток с суши." Эти микробы в совокупности производят 300-600 миллионов метрических тонн пентадекана в год, количество, которое затмевает 1,3 миллиона метрических тонн углеводородов, выделяемых из всех других источников.

Хотя эти цифры впечатляют, они немного вводят в заблуждение. Авторы указывают, что пентадекановый цикл охватывает 40% или более поверхности Земли, и более одного триллиона квадриллионов нагруженных пентадеканом цианобактериальных клеток подвешены в залитой солнцем области мирового океана. Однако жизненный цикл этих клеток обычно составляет менее двух дней. В результате исследователи подсчитали, что океан содержит только около 2 миллионов метрических тонн пентадекана в любой момент времени.

Это быстро вращающееся колесо, объяснил Валентайн, поэтому фактическое количество, присутствующее в любой момент времени, не особенно велико. -Каждые два дня вы производите и потребляете весь пентадекан в океане, - сказал он.

В будущем исследователи надеются связать геномику микробов с их физиологией и экологией. У команды уже есть последовательности генома для десятков организмов, которые размножались, чтобы потреблять пентадекан в своих образцах. "Количество информации, которая там есть, невероятно,-сказал Валентайн, - и я думаю, показывает, как много мы не знаем об экологии многих организмов, потребляющих углеводороды."

Подтвердив существование и масштабы этого биогидроуглеродного цикла, группа попыталась решить вопрос о том, может ли его присутствие заставить океан расщеплять разлитую нефть. Ключевой вопрос, объяснил Аррингтон, заключается в том, служат ли эти обильные микроорганизмы, потребляющие пентадекан, активом при очистке нефтяных разливов. Чтобы исследовать это, они добавили пентан—нефтяной углеводород, похожий на пентадекан,—в морскую воду, отобранную на различных расстояниях от естественных нефтяных просачиваний в Мексиканском заливе.

Они измерили общее дыхание в каждом образце, чтобы увидеть, сколько времени требуется микробам, питающимся пентаном, чтобы размножиться. Исследователи предположили, что если пентадекановый цикл действительно заставляет микробов потреблять и другие углеводороды, то все образцы должны развиваться с одинаковой скоростью.

Но это было не так. Образцы из ближних нефтяных просачиваний быстро развиваются цветками. -Примерно через неделю после добавления пентана мы увидели, как развивается многочисленная популяция, - сказал Валентайн. "И это становится все медленнее и медленнее, чем дальше вы уходите, пока, когда вы находитесь в Северной Атлантике, вы можете ждать месяцами и никогда не увидеть цветения". На самом деле, Аррингтон пришлось остаться после экспедиции на объекте в Вудс-Хоул, штат Массачусетс, чтобы продолжить эксперимент с образцами из Атлантики, потому что эти цветы так долго не появлялись.

Интересно, что команда также обнаружила доказательства того, что микробы, принадлежащие к другой области жизни, археи, также могут играть определенную роль в пентадекановом цикле. "Мы узнали, что группа загадочных, широко распространенных во всем мире микробов, которые еще не были одомашнены в лаборатории, может питаться пентадеканом в поверхностном океане",—сказал соавтор исследования Аррингтон.

Полученные результаты заставляют задаться вопросом, почему наличие огромного пентадеканового цикла, по-видимому, не оказывает никакого влияния на распад нефтехимического пентана. - Нефть отличается от пентадекана, - сказал Валентайн, - и вам нужно понять, в чем разница, и какие соединения на самом деле составляют нефть, чтобы понять, как океанские микробы будут реагировать на нее."

В конечном счете, гены, обычно используемые микробами для потребления пентана, отличаются от генов, используемых для пентадекана. "Микроб, живущий в чистых водах у берегов Бермудских островов, гораздо реже сталкивается с нефтехимическим пентаном по сравнению с пентадеканом, производимым цианобактериями, и поэтому менее вероятно, что он несет гены потребления пентана", - сказал Аррингтон.

Различные виды микроорганизмов могут потреблять пентадекан, но это не означает, что они могут потреблять и другие углеводороды, особенно учитывая разнообразие углеводородных структур, существующих в нефти. Существует менее десятка распространенных углеводородов, которые производят морские организмы, включая пентадекан и метан. Между тем нефть состоит из десятков тысяч различных углеводородов. Более того, теперь мы видим, что организмы, способные расщеплять сложные нефтепродукты, как правило, живут в большем изобилии вблизи естественных нефтяных просачиваний.

Валентайн называет это явление "биогеографическим праймингом"—когда микробная популяция океана обусловлена определенным источником энергии в определенной географической области. "И то, что мы видим в этой работе, - это различие между пентадеканом и нефтью, - сказал он, - которое важно для понимания того, как различные океанские регионы будут реагировать на разливы нефти."

Бедные питательными веществами круги, такие как Саргассово море, составляют впечатляющие 40% поверхности Земли. Но, игнорируя землю, это все еще оставляет 30% планеты для изучения других биогидроуглеродных циклов. Валентайн считает, что процессы в регионах с более высокой производительностью будут более сложными и, возможно, обеспечат большую подпитку для потребления нефти. Он также отметил, что план природы по биологической добыче углеводородов обещает усилия по развитию следующего поколения зеленой энергии.

ИСТОЧНИК