Syväbiosfääri Suomen kallioperässä ja pohjavedessä

Lehdistötiedote 19.11.2013

VTT tutki Outokummun kallioperän mikrobeja molekyylibiologisin menetelmin

VTT on tutkinut Suomen Luonnonvarain tutkimussäätiön rahoittamassa “Syväbiosfääri Suomen kallioperässä” -hankkeessa kallioperän eri syvyyksillä esiintyviä mikrobiyhteisöjä. Päätutkimuskohteena oli Outokummun 2,5 km syvä tutkimusreikä. Hanke on osa suurempaa kokonaisuutta, jossa VTT yhdessä Geologian tutkimuskeskuksen ja Aalto-yliopiston kanssa tutkivat syvien pohjavesien ikää, alkuperää sekä syväbiosfäärin energianlähteitä ja mikrobilajistoja. Syvällä kalliopohjavesissä elävillä mikrobeilla on monia teollisuuden kannalta kiinnostavia ominaisuuksia.

Kallioperän vesitäytteisissä rakosissa ja halkeamissa elää monimuotoinen mikrobiyhteisö, jonka jäsenet tulevat toimeen ikivanhoissa, suolaisissa ja hapettomissa pohjavesissä. Kallioperästä liukenevat ravinteet ja syvältä maankuoresta kohoavat kaasut mahdollistavat mikrobien elämän. Mikrobit käyttävät niitä energianlähteinään ja solujen rakennusmateriaaleina.

VTT on tutkinut Outokummun 2,5 km syvän tutkimusreiän mikrobien DNA:ta eli perimäainesta molekyylibiologisin menetelmin, koska suurta osaa kallioperän elättämistä mikrobeista ei voi kasvattaa laboratorio-olosuhteissa nykymenetelmin. Menetelmien etuna on myös näytteiden riittävyys, sillä vaikka kallioperässä on mikrobielämää, ovat mikrobimäärät melko pieniä: millilitrassa vettä on noin 100−10 000 mikrobisolua.

Tutkimustuloksia voidaan hyödyntää mallinnettaessa kallioperän biologiaa esimerkiksi ydinjätteen loppusijoituksen näkökulmasta, sekä uusien bioaktiivisten molekyylien, kuten bioteknisesti kiinnostavien entsyymien etsinnässä.

Outokummun monimuotoisella mikrobiyhteisöllä on monia teollisesti kiinnostavia ominaisuuksia.  Niitä ovat esimerkiksi kyky toimia hapettomassa ja suolaisessa ympäristössä spesifisten mutta kuitenkin yksinkertaisten hiilen- ja energianlähteiden avulla.

Luonnonvarain tutkimussäätiön rahoittamassa tutkimuksessa havaittiin, että Outokummun tutkimusreiän veden mikrobiyhteisöt eroavat kallioperän halkeamien eli rakovyöhykkeiden mikrobiyhteisöistä, vaikka reiän vesi on muodostunut rakovyöhykkeiden vesistä.

Rakovyöhykkeen mikrobimäärät olivat 10−100 kertaa pienemmät kuin tutkimusreiän vedessä esiintyvät. Syvimmissä rakovyöhykkeissä vallitsivat klostridi- ja aktinobakteerit, kun taas matalammissa syvyyksissä suurin osa yhteisöistä koostui proteobakteereista.

Tuhannen metrin syvyydessä oleva rakovyöhyke ja sen alapuolella sijaitseva Outokumpu-esiintymä, jonka kivilajikoostumus poikkeaa muusta reiästä, näyttäisivät vaikuttavan mikrobiyhteisöihin näissä syvyyksissä niin, että yhteisöt ovat monimuotoisempia sekä lajirikkaampia.

Kallioperän mikrobiyhteisöjen toimintaa tutkittiin syöttämällä yhteisölle erilaisia energian- ja hiilenlähteitä ja tarkkailemalla yhteisön monimuotoisuuden kehittymistä. Lisäksi mikrobiyhteisöjen DNA:sta etsittiin tiettyjä toiminnallisia merkkigeenejä. Esimerkiksi mikrobiyhteisön sulfaatinpelkistäjät, metaanintuottajat tai metaanin käyttäjät, nitraatin pelkistäjät tai ammoniumin hapettajat voidaan tunnistaa etsimällä kullekin reaktiolle spesifisiä entsyymejä koodaavia geenejä.

Rikastuskokeet osoittivat, että mikrobiston valtalajit erilaistuvat ajan kuluessa riippuenyhteisölle syötetyistä substraateista. Outokummusta löytyy myös sulfaatinpelkistäjäbakteereita, joiden merkitys korostuu erityisesti pohdittaessa ydinjätteiden loppusijoitusta kallioperään. Sulfaatinpelkistäjät tuottavat vetysulfidia, joka voi syövyttää kuparia.

Outokummun vesissä on runsaasti metaanikaasua, vaikka vain pieni osa mikrobiyhteisöstä on metaania tuottavia arkkieliöitä. Metaani onkin pääasiassa muodostunut kallioperässä geologisissa prosesseissa. Metaania syöviä mikrobeja löytyi myös Outokummusta, mutta koska nämä mikrobit tarvitsevat happea, niiden lisääntyminen kallioperässä on epätodennäköistä, ja siksi niiden määrät pysyvät alhaisina.

Hankkeen tutkimustuloksia on esitelty useissa tieteellisissä kokouksissa.

Viite: FEMS Microbiology Ecology 85:2, 324-337; Purkamo et al., “Dissecting the deep biosphere: retrieving authentic microbial communities from packer-isolated deep crystalline bedrock fracture zones”.  http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/15746941.12126/full

Lisätietoja:

Tutkija Lotta Purkamo
lotta.purkamo@vtt.fi, puh. 020 722 6460

Syväbiosfääritutkimuksen vastuullinen johtaja: Johtava tutkija Merja Itävaara
merja.itavaara@vtt.fi, puh. 020 722 5172