Bakteryjne procesy utleniania kopalnych węglowodorów i ich znaczenie w przemianach kerogenu i bituminu łupków miedzionośnych z monokliny przedsudeckiej

Znacząca część węgla organicznego występującego na Ziemi jest zdeponowana w litosferze w postaci kopalnej materii organicznej. Jej najważniejszym rezerwuarem w litosferze są skały łupkowe bogate w materię organiczną występującą w formie kerogenu i bituminu. Jednym z najciekawszych przykładów tych skał jest permski łupek miedzionośny z monokliny przedsudeckiej. Przypuszcza się, że kopalny węgiel może zostać włączony do globalnego obiegu dzięki aktywność metabolicznej mikroorganizmów zdolnych do degradacji kopalnych węglowodorów. Celem niniejszej pracy było poznanie roli bakterii litobiontycznych zasiedlających podziemną skałę łupkową w długoterminowych przemianach kopalnej materii organicznej. Materiał badawczy pobrano w podziemnych kopalniach miedzi z profili utworzonych w wyniku eksploatacji górniczej. Przeprowadzone badania obejmowały m.in. poznanie składu taksonomicznego mikrobiocenozy, detekcję genów i enzymów kluczowych w przemianach węglowodorów oraz charakterystykę geochemiczną kerogenu i bituminu skał łupkowych zasiedlonych przez bakterie. Wykazano, że bakterie zasiedlające skałę łupkową reprezentują 23 typy. Wśród nich dominują heterotrofy z typu Proteobacteria, Firmicutes i Actinobacteria. W metaproteomie i metagenomie podziemnej mikrobiocenozy wykryto odpowiednio, enzymy oraz kodujące je geny, uczestniczące w tlenowej degradacji węglowodorów alifatycznych i aromatycznych. Wykazano, że aktywność metaboliczna bakterii powoduje utlenienie i odwodornienie kerogenu. Skutkuje to zmianą jego typu z ropotwórczego kerogenu typu II na gazotwórczy kerogen typu III lub pozbawiony macierzystości w stosunku do generowania węglowodorów kerogen typu IV. Proces ten powoduje również mobilizację kopalnego węgla z makrocząsteczki kerogenu w postaci łatwiej asymilowanego przez bakterie bituminu, który także ulega bioutlenieniu. W składzie bituminu wykryto utlenione związki organiczne, takie jak alkohole, aldehydy, ketony, kwasy karboksylowe i estry, które mogą stanowić produkty pośrednie tlenowej degradacji węglowodorów. Przemiany biogeochemiczne kopalnej materii organicznej zidentyfikowane w próbkach skały pochodzących z kopalni potwierdzono częściowo w długoterminowym eksperymencie laboratoryjnym, w czasie którego skałę łupkową inkubowano przez rok z konsorcjum bakterii heterotroficznych wyizolowanych z tej skały. Uzyskane wyniki badań geomikrobiologicznych potwierdzają rolę bakterii litobiontycznych w przemianach kerogenu i bituminu i wskazują, że procesy mikrobiologiczne, obok procesów abiotycznych, mogą mieć istotne znaczenie w postdiagenetycznej transformacji kopalnej materii organicznej. Dodatkowo, konsekwencją aktywności bakterii jest mobilizacja węgla organicznego zdeponowanego od setek milionów lat w skałach łupkowych, co może mieć wpływ na skład ziemskiej atmosfery i podziemnej hydrosfery.

A significant part of organic carbon occurring on Earth is deposited in the lithosphere in the form of fossil organic matter. Its most important reservoir in the lithosphere are shale rocks enriched in organic matter occurring in the form of kerogen and bitumen. One of the most interesting examples of these rocks is the Permian copper-bearing shale from the Fore-Sudetic Monocline. It is believed that fossil carbon can be included in the global circulation due to the metabolic activity of microorganisms capable of degrading fossil hydrocarbons. The aim of this work was to understand the role of lithobiontic bacteria inhabiting the subsurface shale rock in long-term transformations of fossil organic matter. The research material was collected in underground copper mines from profiles created as a result of mining activity. The studies included detection of the taxonomic composition of microbial community, identification of genes and key enzymes in hydrocarbon transformations, and geochemical characteristics of kerogen and bitumen of shale rocks inhabited by bacteria. It has been shown that 23 phyla of bacteria inhabit shale rock. Among them, heterotrophs belonging to Proteobacteria, Firmicutes and Actinobacteria phyla predominate. In the metaproteome and metagenome of subsurface microbial community, enzymes and genes encoding them, involved in the oxidative degradation of aliphatic and aromatic hydrocarbons, were detected respectively. It has been shown that the metabolic activity of the bacteria causes oxidation and dehydrogenation of the kerogen. This results in a change of its type from oil-prone type II to gas-prone kerogen III or non-productive, residual and hydrogen-free kerogen IV. This process also contributes to the mobilization of fossil carbon from the kerogen macromolecule in the form of bitumen that is more easily assimilated by bacteria, which also undergoes biooxidation. In the composition of bitumen, oxidized organic compounds such as alcohols, aldehydes, ketones, carboxylic acids and esters have been detected, which may be intermediates of aerobic degradation of hydrocarbons. Biogeochemical transformations of fossil organic matter identified in rock samples from the mine were confirmed partly in a long-term laboratory experiment, during which the shale rock was incubated for a year with a consortium of heterotrophic bacteria isolated from this rock. The obtained results of the geomicrobiological analysis confirm the role of lithobiontic bacteria in the transformations of kerogen and bitumen and indicate that microbiological processes, besides these abiotics, may be significant in the post-diagenetic changes of fossil organic matter. In addition, the consequence of bacterial activity is the mobilization of organic carbon deposited for hundreds of millions of years in shale rocks, which may affect the composition of the Earth's atmosphere and the underground hydrosphere.