В недрах Сибири обнаружены микробы, производящие метан

В глубоком водоносном горизонте Томской области найден новый вид архей, который активно производит метан из водорода и углекислого газа. Исследование показало, что этот микроорганизм доминирует в подземном сообществе и может играть ключевую роль в круговороте углерода.

Изучение микробной жизни в недрах Земли сопряжено с серьёзными трудностями: глубина, высокая стоимость бурения и риск загрязнения образцов поверхностной микрофлорой. Однако артезианские скважины, из которых вода выходит под давлением, создают естественный барьер для проникновения посторонних микроорганизмов. Именно такой объект — скважина 3П, расположенная на берегу Оби вблизи посёлка Парабель, — стал моделью для исследования почти трёхкилометрового водоносного горизонта Западно-Сибирского бассейна.

В феврале 2020 года температура воды на устье скважины достигала 57 °C, среда была восстановительной (Eh = −270 мВ), а метан составлял около 70% газовой фазы. Скорость водородотрофного метаногенеза, измеренная с помощью радиоактивного трассера ¹⁴C-бикарбоната, составила 5,45 нмоль CH₄ на литр в сутки — величина, сопоставимая с активностью метаногенов в донных отложениях поверхностных водоёмов.

Профилирование гена 16S рРНК выявило, что археи составляют 25,8% от общего числа последовательностей, причём на долю одного филотипа рода Methanothermobacter приходится 25,54%. Это означает, что почти всё архейное сообщество представлено единственным доминирующим видом, который, судя по метагеномным данным, отвечает за основную часть продукции метана в горизонте.

Из метагенома воды скважины 3П был собран геном 3П-20-051, отнесённый к роду Methanothermobacter. Сравнение с ближайшими описанными видами показало среднюю идентичность нуклеотидных последовательностей (ANI) 92,66% с M. marburgensis, что ниже порога вида. Параллельно из обогащённой культуры была выделена чистая культура штамма K4^T, геном которого оказался практически идентичен метагеномному (ANI 99,96%).

Новый микроорганизм представляет собой неподвижные длинные тонкие палочки размером 2,0–5,4 × 0,25–0,40 мкм, окрашивающиеся как грамположительные. Штамм K4^T растёт исключительно на смеси H₂ и CO₂, не используя формиат, метанол, ацетат или другие субстраты. Оптимальная температура роста — 60 °C, pH — 7,5, а минимальное время удвоения составляет 6,5 часа. Культура устойчива к ряду антибиотиков, включая метициллин и ванкомицин.

Анализ генома подтвердил наличие всех ключевых генов метаногенеза, включая комплекс CODH/ACS и энергопреобразующую гидрогеназу Eha. При этом отсутствуют гены, необходимые для использования формиата в качестве единственного субстрата, что согласуется с физиологическими данными. Филогенетический анализ на основе конкатената 49 генов домашнего хозяйства подтвердил, что штамм K4^T образует отдельную ветвь в пределах рода Methanothermobacter.

На основании морфологических, физиологических и геномных различий исследователи предложили название Methanothermobacter tomskensis sp. nov. Открытие показывает, что в глубоких водоносных горизонтах доминируют хемолитоавтотрофные метаногены, а не гетеротрофные бактерии, которые ранее выделялись из тех же вод. Это меняет представление о том, какие микроорганизмы определяют круговорот углерода в глубинной биосфере.