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수소와 진한 산소는 다양한 지하수 생태계에서 미생물 생산성을 촉진합니다

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수소와 진한 산소는 다양한 지하수 생태계에서 미생물 생산성을 촉진합니다

Nature Communications 14권, 기사 번호: 3194(2023) 이 기사 인용 6805 135개의 Altmetric Metrics 세부 정보 액세스 인류의 약 50%가 식수원으로 지하수에 의존합니다.

Nature Communications 14권, 기사 번호: 3194(2023) 이 기사 인용

6805 액세스

135 알트메트릭

측정항목 세부정보

인류의 약 50%가 식수원으로 지하수에 의존하고 있습니다. 여기에서는 캐나다의 14개 대수층에 위치한 95개 모니터링 우물(깊이 <250m)에서 채취한 138개 지하수 샘플의 연령, 지구화학 및 미생물학을 조사합니다. 지구화학과 미생물학은 다양한 미생물 군집에 의해 수행되는 대규모 호기성 및 혐기성 수소, 메탄, 질소 및 황 순환을 암시하는 일관된 추세를 보여줍니다. 오래된 지하수, 특히 유기 탄소가 풍부한 지층이 있는 대수층에는 젊은 지하수보다 평균적으로 더 많은 세포(최대 1.4 × 107 mL−1)가 포함되어 있어 지하수 세포 풍부도에 대한 현재 추정치에 도전합니다. 우리는 전례 없는 규모로 지하 생태계의 호기성 대사를 지원하는 것으로 보이는 오래된 지하수에서 상당한 농도의 용존 산소(0.52 ± 0.12 mg L−1 [평균 ± SE], n = 57)를 관찰합니다. Metagenomics, 산소 동위원소 분석 및 혼합 모델은 미생물 불일치를 통해 현장에서 암산소가 생성된다는 것을 나타냅니다. 우리는 고대 지하수가 생산적인 공동체를 유지하고 현재와 과거 지구의 지하 생태계에서 간과되었던 산소 공급원을 강조한다는 것을 보여줍니다.

지구 수자원의 약 2%는 지하수로 발생하며, 그 중 절반은 염분수이고 나머지 절반은 담수입니다1. 이 지하 담수는 전 세계 담수 자원의 약 30%를 차지하며, 이는 모든 호수, 강, 대기를 합친 것보다 60배 더 많으며, 접근이 불가능하고 현재 여전히 얼어붙은 극지방 만년설을 능가합니다1. 대수층과 암석 균열은 지구상 전체 미생물 바이오매스의 최대 30%를 보유할 수 있으며2,3 탄소 고정에 크게 기여하고4 광범위한 생활 방식을 지닌 미배양 고세균, 박테리아 및 바이러스2,5를 높은 비율로 함유하고 있습니다6. 전 세계적으로 지하수의 발생과 그에 거주하는 바이오매스의 규모와 다양성에도 불구하고, 숨겨진 수생 생태계에 서식하는 미생물 군집의 구성과 활동에 대한 우리의 이해는 여전히 고르지 못하며 종종 몇 개의 선택된 우물이나 단일 대수층의 샘플에서 개발됩니다. 특히 공간과 시간에 걸쳐 지하수 미생물 군집을 형성하는 지구화학적, 생태학적 과정은 잘 제한되어 있지 않습니다7.

미생물 군집과 지하수의 지구화학적 특성 사이의 강력한 연결을 설정하려면 각 미생물 군집 샘플과 관련된 포괄적인 환경 목록을 갖춘 대규모 데이터 세트가 필요합니다. 이를 위해 캐나다 앨버타 환경 및 보호 지역(AEPA)이 관리하는 지하수 관측 우물 네트워크(GOWN)는 다양한 지구화학적 체제를 대표하는 다양한 대수층 및 지리적 지역의 우물을 모니터링하여 얻은 250개 이상의 지하수에 대한 지구화학적 데이터를 수집했습니다. 그리고 지하수의 나이. 각 GOWN 유정은 수십 년 동안을 포함하여 수년 동안 반복적으로 샘플링되었습니다8. 2006년부터 이 포괄적인 모니터링 프로그램은 수성 및 기체 샘플에 대한 일반 수위 및 화학적 수질 정보와 동위원소 조성을 체계적으로 수집했습니다9. 앨버타 주는 주요 석유, 가스, 석탄은 물론 황, 소금, 석회암, 백운석 매장지가 있는 서부 캐나다 퇴적분지에 위치하고 있습니다10. 얕고 깊은 지하 표면은 석유 및 석탄 탐사 및 개발의 맥락에서 광범위하게 연구되었습니다11(그림 1).

앨버타 주의 에너지 자원 맥락 내에서 연구된 지하수 우물의 위치. 색상은 각 우물의 지하수 나이를 나타냅니다(노란색: 어린 물, 빨간색: 중간 나이, 파란색: 황산염이 풍부한 오래된 물, 보라색: 황산염이 거의 없는 오래된 물). 원 크기는 104개(가장 작은 원형)부터 mL당 107개 세포(가장 큰 원)까지 지하수 샘플의 평균 미생물 세포 수를 나타냅니다. 이 지도는 Arc-GIS v10.8을 사용하여 작성되었습니다. b 표면, 수로, 기반암 퇴적물과 앨버타의 주요 지질 구조에서 물 유형의 상대적 비율은 지층의 연령이 증가함에 따라 지하수 지구화학이 진화했음을 보여줍니다. NA는 평가되지 않음, HSC 호스슈 캐니언, Gp. 그룹.

900 mg L−1) and a low Ca/Na ratio (median: 0.01). Old groundwaters were characterized by reducing conditions and contained high dissolved methane concentrations (12.8 ± 2.4 mg L−1 [mean ± SE]; median: 0.72 mg L−1, range: 0.001–74.2 mg L−1; Fig. 3a, Supplementary Data 1). These waters had elevated sodium, bicarbonate, and chloride concentrations resulting from water-rock interactions, including ion exchange, and weathering of minerals. The older groundwater samples were obtained from wells completed in buried river valleys (channels) and Paleogene and Cretaceous sedimentary bedrock formations that are often characterized by the presence of coal and/or shale13./p>1700 mg L−1) and had intermediate Ca/Na ratios (median of 0.12). Sulfate was often the most abundant anion and electron acceptor in this group of groundwaters, resulting in sulfate-rich hydrochemical facies with low methane concentrations. These groundwater samples were collected from wells completed in surficial deposits, but also from bedrock aquifers completed in clastic, often marine sedimentary rocks of the Bearpaw formation (Fig. 1b)./p>210,000 km2)./p>50% of the clades known to comprise sulfur-cycling microbes. Ca. Desulforudis are hydrogen-oxidizing, sulfate-reducing Clostridia reported to thrive in deep terrestrial aquifer ecosystems29. In samples GW3026 and GW217 we found high sequence abundances of microbes affiliating with obligately syntrophic Smithella sp. and Syntrophus sp. that live together with organisms scavenging hydrogen30,31./p>10,000 years old based on tritium and 14C data, supporting that even deep subsurface ecosystems provide niches for aerobic microorganisms67. The production of dark oxygen that we postulate in this work could provide a mechanism for previously reported isotopically light groundwater oxygen anomalies that have lacked a clear explanation thus far52,54,68,69,70,71. Microbial dark oxygen production in subsurface ecosystems may thus be relevant for the functioning and evolution of the geobiosphere, as it provides a source of oxygen independent of light, on Earth as well as potentially on other celestial bodies./p>