生活在地下的细菌能否有助于应对气候变化？

温室气体进入地球大气层时，就会发生气候变化。CO₂是一种重要的温室气体。一种减少温室气体进入地球大气层的新技术是将大量的CO₂置于地下。细菌等微生物在地球上几乎随处可见，包括在地下数公里深的地方。这些地下的微生物对存置于地下的CO₂会做出不同的响应。科学家结合微生物学、地质学和化学，以了解地下细菌如何帮助减少大气中的温室气体，保持我们的地球健康。

一些生活在地下的细菌正暴露在大气的气体中

二氧化碳（CO₂）是一种重要的温室气体。由于人类活动，大气中的CO₂有所增加。减少大气中的温室气体的一种方法是"碳捕获和储存"。使用特殊设备在CO₂进入大气层之前将其 "捕捉"，然后将有害气体储存在地下深处。

地下有一些地方可以储存大量的CO₂气体。这些地方就是岩石内部无穷无尽的小孔（图1）。地下岩石形成的含水层，向四周延伸数公里，厚度可以达到好几米。含水层中的水可以通过岩石和小孔自由流动。当CO₂被注入这些含水层中时，它可以稳定下来，从而不会 "泄漏 "回大气中。大型户外实验表明，这些含水层可以长期保持稳定。

图1 - 含水层位于地球表面之下的深处。
含水层是含水的地下岩层。本研究中使用的含水层位于地球表面下1.4公里处。从这个含水层收集的水样被用于实验，研究向含水层注入二氧化碳是否会改变生活在那里的细菌数量。

然而，目前对CO₂如何影响生活在地下的微生物仍知之甚少。了解细菌对地下CO₂的反应是很重要的，因为它们通过新陈代谢可以将CO₂转变成一种更有害的温室气体，即甲烷（图2）。科学家们不希望这些地下细菌产生甲烷，因为甲烷会逸散到大气中，使气候变化更加严重。因此，我们研究的目的是了解生活在地下的细菌如何应对CO₂被注入它们在含水层的 "家"。

图2 - 细菌如何对二氧化碳做出反应？在我们的研究中，我们提出的一个关键问题是："含水层中的细菌对注入二氧化碳会有什么反应？" 虽然向含水层注入二氧化碳可能会从大气中清除这种温室气体，但生活在含水层深处的细菌也有可能将二氧化碳转化为更有害的温室气体--甲烷，然后释放到大气中。

细菌的DNA有助于了解它们如何对地下数千米的CO₂作出反应

判断地下细菌对CO₂的反应主要有两种方法。我们可以(1)测量含水层中水化学成分的变化;(2)观察注入CO₂气体前后地下细菌的不同类型(图3)。在实验室里培养这些地下细菌往往是很困难的，因为我们并不完全了解它们生长所需要的条件。因此，细菌的DNA，可以帮助我们解决这个难题。重要的是要了解这两类细菌在地下含水层储存CO₂气体的过程中是如何相互作用的。

图3--我们做了什么，什么时候做的？(A)我们在注入二氧化碳之前，于6月份从含水层中采集了水样，以了解含水层的 "基线 "状况。7月份注入了大量的CO2，并在地下沉淀。然后在8月和9月收集样本进行测试，以了解二氧化碳对含水层的水和生活在那里的细菌的影响。(B)从细菌样本中提取DNA的方法是：(1)过滤水样。(1) 过滤水样以收集细菌；(2) 使用化学品和玻璃珠的混合物提取DNA；(3) 对DNA进行测序；(4) 使用计算机帮助科学家了解二氧化碳注入前后存在哪些细菌。

一些细菌对注入的二氧化碳反应良好，而另一些细菌则不太高兴

在注入CO₂之前，水样中存在两种细菌，数量极少。这些细菌被称为丛毛单胞菌科和鞘脂单胞菌科。这两类型细菌数量一直保持在较低水平，直到大量的CO₂气体被泵入地下。注入所有CO₂气体后，水的化学成分发生了变化。CO₂注入41天后，丛毛单胞菌科和鞘脂单胞菌科的数量都有所增加。这两类细菌具有产生凝胶状群落的能力，称为生物膜，作为保护细菌细胞免受环境变化影响的屏障。这说明这些类型的细菌能够适应水化学的变化。科学家们认为，细菌产生的生物膜可以堵塞含水层中的孔洞和薄弱点，防止CO₂气体回漏到大气中，这对有效减少CO₂量确实很重要。

我们还在含水层的水样中发现了一氧化碳胞菌属。一氧化碳胞菌属在含水层的条件下生长良好，这里几乎没有氧气，上覆岩石的压力是我们在地球表面感受到的压力的137倍，温度高达60℃（140℉）。一氧化碳胞菌属是自养菌的一种。这些细菌可以将环境中的一氧化碳（CO）转化为二氧化碳，它们还可以产生H₂。然后，这些CO₂和H₂被其他异养细菌作为能源使用。观察我们从样本中收集到的DNA，发现在CO₂注入奥特威盆地后，一氧化碳胞菌属的比例下降并保持在低水平。一氧化碳胞菌属的减少会改变细菌群落，破坏CO₂的储存，可能对含水层产生负面影响。这需要通过在实验室进行具体实验来进一步探索。这些实验可能包括在实验室中不同浓度的CO₂下培养一氧化碳胞菌属，以确定这种细菌会发生什么--它们能慢慢适应高浓度的CO₂，还是会消失？然而，显而易见的是，一氧化碳胞菌属在碳循环，以及支持生活在含水层中的其他细菌的生长方面发挥着重要作用。

细菌的团队协作

环境中不同类型的细菌倾向于作为一个团队一起工作。细菌通过制造它们共享的化合物来维持生命，从而相互支持。根据实验数据推测，当地下水因与CO₂混合而变得更加酸性时，酸性环境会促进一组细菌的生长，这些细菌可以使用硫化物作为能量来源。当这种反应与含水层中的其他化学物质相结合时，地下的条件就会发生变化，并促进另一类细菌的生长，称为硫酸盐菌。硫酸盐还原菌需要H₂来制造能量。自养菌，如一氧化碳胞菌属，是硫酸盐还原菌的H₂来源。一氧化碳胞菌属还可以为甲烷菌提供制造甲烷所需的CO₂和H₂。向含水层注入CO₂可能会改变生活在那里的细菌群落。例如，一氧化碳胞菌属可能会消失。如果一氧化碳胞菌属消失，那么甲烷菌和硫酸盐还原菌的功能也可能丧失。这意味着含水层中CO₂的长期储存方式将发生变化。

下一步是什么？

通过大环境实验，我们可以了解现实世界中发生的事情。然后，我们可以利用这些知识在实验室中创建简单的实验，以更好地了解CO₂气体会发生什么，以及细菌如何应对注入地下的CO₂。接下来的研究步骤是在实验室中进行实验，我们在实验室中培养在许多不同含水层中发现的细菌，并将它们暴露在高压、高温和大量CO₂中。通过这些实验，我们将了解丛毛单胞菌科和鞘脂单胞菌科的生物膜对CO₂的反应。当我们更好地了解CO₂如何与这些细菌相互作用时，我们就能在扭转气候变化的破坏性影响方面取得更快的进展。

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