在生存游戲節(jié)目中，參賽者被帶到一個外國的地方，在那里他們面臨著不熟悉的壓力。為了留在游戲中，他們必須適應周圍環(huán)境，并經(jīng)常需要與其他競爭對手一起工作。事實證明，在微觀水平上，例如細菌和病毒，存在于水力壓裂或壓裂過程中的流體中也是如此。這些深層地下環(huán)境中的條件是如此受限制科學家并不認為生命可以在那里生存，更不用說茁壯成長了。

但幾年前，一小組研究人員開始密切關(guān)注這些工程世界。該團隊的調(diào)查結(jié)果不僅令人驚訝，而且還為水力壓裂行業(yè)提供了豐富的信息。甚至可以將這些世界視為理解微生物群落成員如何在其生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)相互作用的模型系統(tǒng)。

一些研究團隊的工作是2015年設施整合用戶科學合作或FICUS項目的一部分，該項目名為“深層地下頁巖碳儲層中生物地球化學循環(huán)的微生物控制”項目，由俄亥俄州立大學的研究人員領(lǐng)導。

FICUS倡議是兩個能源部科學辦公室用戶設施的合作成果：環(huán)境分子科學實驗室，或EMSL，位于華盛頓州里奇蘭的太平洋西北國家實驗室(PNNL)和聯(lián)合基因組研究所，或JGI，位于加州核桃溪，由勞倫斯伯克利國家實驗室管理。

多學科團隊還包括來自科羅拉多州立大學(CSU)，新罕布什爾大學，西弗吉尼亞大學和緬因大學的研究人員。自最初的提議以來，研究人員已經(jīng)改變了他們的方向，因為科學帶他們一起，發(fā)表了一些高調(diào)的論文。

“這是一個新穎的系統(tǒng)，”EMSL生物化學家團隊成員David Hoyt說。“關(guān)于這個特殊設置的好處是，對于在這種惡劣環(huán)境中存活的微生物，我們得到了許多可測試的關(guān)系，可以告訴我們生物體必須使用哪種類型的分子策略。”

極端的驚喜

水力壓裂技術(shù)是一種已有數(shù)十年歷史的工業(yè)技術(shù)，應用于深井，以解除頁巖等巖層中的天然氣和石油的開采。近年來，由于水平鉆井的改進，使用該技術(shù)的情況有所增加。

一次性擾動使用高壓流體在地下巖石中產(chǎn)生發(fā)絲裂縫或裂縫。流體主要是水與化學添加劑和沙子材料的混合物，以保持裂縫打開，因此所需的組分可以繼續(xù)流出。

根據(jù)團隊成員邁克爾威爾金斯(Michael Wilkins)的說法，該團隊成員邁克爾威爾金斯(Michael Wilkins)是現(xiàn)任科羅拉多州立大學的地質(zhì)微生物學教授。“這些頁巖基本上是無菌的，”威爾金斯說，“并且在水力壓裂過程中突然間，微生物被意外地引入頁巖中。”

此時，往往超過一英里半的地下，條件苛刻。溫度約為65攝氏度，鹽含量是普通海水的四倍。壓力大約為500個大氣壓 - 是人類在最深的SCUBA潛水記錄中感受到的壓力的15倍。

然而，一些微生物“污染物”能夠生存，并且正如研究人員通過時間序列實驗所了解的那樣，它們的生態(tài)系統(tǒng)也在殖民化。

團隊成員Kelly Wrighton，現(xiàn)在在科羅拉多州立大學的土壤微生物學教授，即使在她的微生物學背景下，也不會期望這個項目之前的生活彈性。“我們可以將一小撮細胞注入一種外來且?guī)缀跤卸镜沫h(huán)境中，生命找到了擴散的方法并且做得非常好，”Wrighton說。“我對此感到非常震驚。”

巨型生物反應器

根據(jù)Wrighton的說法，科學家們知道這些微生物來自地表，但是他們?nèi)栽诖_定它們正在進行的工程過程中的確切位置。他們確實知道地下微生物群落看起來與淡水輸入有很大不同。

Wrighton說，某些生物占地表微生物群落不到百分之一，可以在獨特的地下環(huán)境中開花，占社區(qū)的80%以上。

在早期的自然微生物學論文中，研究小組發(fā)現(xiàn)，壓裂后近一年內(nèi)產(chǎn)生的液體中只存在31種不同的基因組。這些發(fā)現(xiàn)還表明，在阿巴拉契亞盆地相距數(shù)百英里的兩個不同頁巖 - 馬塞勒斯和尤蒂卡 - 的井中，流線型基因組相似。

與大多數(shù)其他已知系統(tǒng)相比，這些微生物群落的多樣性要差得多。例如，人類腸道含有大約2,000個獨特的基因組。

這種簡單性使研究人員能夠梳理系統(tǒng)中發(fā)生的過程和相互作用，并破解微生物群落在惡劣條件下的持續(xù)存在。

例如，研究人員追蹤了一種叫做甘氨酸甜菜堿的氨基酸衍生物，這種衍生物是由消耗液體中化學添加劑的微生物產(chǎn)生的。該化合物既可以防止某些微生物的高鹽度，也可以作為其他微生物的能源。以它為食的細菌為其他細菌產(chǎn)生食物，并且循環(huán)不斷。

地下深處，資源有限而且沒有補充，因此微生物必須適應現(xiàn)有的資源。

威爾金斯說，這些循環(huán)和過程在更多不同的微生物群落中更難以解決，例如濕地和??土壤。雖然很難跟蹤這些復雜系統(tǒng)的動態(tài)如何隨時間變化，但相對容易破碎的頁巖群落的特征可以回答一些重要問題。

手牽手

為了幫助梳理這些機制，研究人員在實驗室中重建了反應堆中的頁巖微生物群落，如PNAS出版物中所述。在那里，他們可以通過施加在深層地下場地不可行的壓力或變化來測試他們的理論。威爾金斯說，這項技術(shù)與基因組測序密切相關(guān)。

然后，研究人員可以通過現(xiàn)場采集數(shù)據(jù)的建模來確認他們的實驗室結(jié)果。在多個組學水平上收集測量值 - 包括代謝組學和蛋白質(zhì)組學 - 可以增強結(jié)果。幸運的是，EMSL擁有支持這一點的專業(yè)知識和能力。

Hoyt說，通過合作和查看不同級別的問題，“你會得到一個更強大的故事。”

這種方法幫助研究團隊深入研究了自然微生物學的最新研究，在那里他們研究了寄主細菌與頁巖群落中較小病毒之間的相互作用。盡管細菌的多樣性很低，但病毒基因組結(jié)果顯示出多種多樣的病毒。

研究小組還發(fā)現(xiàn)，當宿主受到壓力時，病毒可以感知到，然后它們會進入細胞壁并將所含的代謝物釋放到周圍的液體中。剩下的鄰近細菌隨后消耗這些代謝物。摧毀一種微生物有助于支持整個社區(qū)。

殖民知識

現(xiàn)在，研究團隊正在擴展到北美其他頁巖，并了解這些裂縫性頁巖群落中的微生物群落與他們在阿巴拉契亞盆地研究的群落相比。Wrighton說，初步結(jié)果表明，盡管不是所有的微生物都是相同的，但社區(qū)過程卻是如此。

這些過程可能對水力壓裂行業(yè)的底線產(chǎn)生影響，該行業(yè)為東部沿海地區(qū)提供了大量能源。一些工藝可以產(chǎn)生更多的甲烷氣體，而另一些工藝則會產(chǎn)生硫化物等副產(chǎn)品，這些副產(chǎn)品會“酸化氣體”并腐蝕設備。憑借對這些工程世界的了解，該行業(yè)可能能夠長期控制行業(yè)中的社區(qū)。

盡管這種特殊的微生物生態(tài)系統(tǒng)具有獨特性，但它可以幫助推進基礎科學，因為它易于處理和管理。例如，Wrighton說這個系統(tǒng)是開始測試研究人員對益生菌如何在人體中起作用的一些問題的好地方。

但威爾金斯提出了一個應用：“這可能是一個很好的模型系統(tǒng)，用于微生物生命如何在其他星球上的地下，高鹽度生態(tài)系統(tǒng)中持續(xù)存在。”