Kaip mikroorganizmai skalūnų uolienose gamina gamtines dujas? Mokslininkai aiškinasi naują energijos šaltinį

Giliai po žeme slypinčios skalūnų uolienos vis dažniau traktuojamos ne tik kaip geologinė, bet ir kaip biologinė sistema. Jose gyvenantys mikroorganizmai gali gaminti metaną, kuris yra pagrindinė gamtinių dujų sudedamoji dalis.

Mokslininkai stengiasi suprasti, kaip šie mikroorganizmai prisitaiko prie kraštutinių sąlygų ir ar jų veiklą būtų įmanoma valdyti tvariai energijai išgauti. Nuo atsakymų į šiuos klausimus gali priklausyti būsimi žingsniai energijos transformacijoje.

Kas vyksta giliai skalūnų sluoksniuose?

Skalūnų telkiniai susiformavo iš senovinių jūrų ar ežerų dugno nuosėdų, turinčių daug organinės medžiagos. Bėgant milijonams metų ši medžiaga buvo suspausta, kaitinta ir cheminiai pakeista.

Dalį organikos per ilgą laiką suskaidė šiluma ir slėgis, tačiau dalis išliko ir tapo maisto šaltiniu mikroorganizmams. Šios mažytės gyvybės formos uolienose egzistuoja be šviesos, esant dideliam slėgiui, minimaliam vandens ir maistinių medžiagų kiekiui.

Mikrobinis metanas ir biocheminis ciklas

Metaną gali gaminti dvi pagrindinės sistemų grupės: termogeniniai procesai, kai organika suskaidoma karščio ir slėgio, ir biologiniai procesai, kuriuose dalyvauja mikroorganizmai. Pastarieji vadinami metanogenais.

Metanogenai yra archėjos, artimos bakterijoms, bet turinčios kitokią ląstelės sandarą. Jos energiją gauna paversdamos paprastas medžiagas, pavyzdžiui, vandenilį ir anglies dioksidą, į metaną ir vandenį.

Skalūnų uolienose šiame cikle dalyvauja ir kiti mikroorganizmai, kurie sudėtingą organiką suskaido į mažesnes molekules. Tik tada metanogenai gali baigti procesą ir pagaminti metaną, kaupiamą uolienų porose ir plyšiuose.

Kodėl tai domina energetikos sektorių?

Gamtinės dujos laikomos pereinamuoju kuro tipu, kuris išskiria mažiau anglies dioksido nei anglis ar nafta. Todėl ieškoma būdų, kaip išgauti dujas su mažesne aplinkos tarša.

Jeigu mikroorganizmų veiklą būtų galima skatinti ir kontroliuoti, teoriškai skalūnų telkiniai galėtų tapti tarsi „biologinėmis dujų gamyklomis“. Uoliena veiktų kaip natūralus reaktorius, kuriame organika pamažu verčiama metanu.

Tokia sistema leistų dalį vietinių, sunkiai pasiekiamų telkinių paversti ilgalaikiu, lėtai atsikuriančiu energijos šaltiniu. Vis dėlto kol kas tai yra tyrimų ir laboratorinių eksperimentų lygio idėja.

Kaip mokslininkai tiria šią nematomą ekosistemą?

Norint suprasti, kas vyksta kelių kilometrų gylyje, pirmiausia reikia gauti tikrų uolienų pavyzdžių. Tai daroma gręžinių metu, kai iškeliamas skalūnų branduolys, saugomas nuo taršos ir deguonies.

Laboratorijose šie pavyzdžiai analizuojami mikroskopais, atliekami genetiniai tyrimai, kad būtų nustatyta mikroorganizmų sudėtis. Taip pat naudojamos specialios kameros, kurios leidžia sukurti aukšto slėgio ir mažo deguonies sąlygas ir stebėti, kaip mikroorganizmai elgiasi.

Dalis tyrėjų taip pat naudoja cheminius žymenis, kad sektų, iš kokių junginių susidaro metanas. Tai padeda atskirti, kiek dujų susiformavo natūraliai, o kiek dėl mikrobinio aktyvumo.

Galimi privalumai ir ribojimai

Jei pavyktų išnaudoti mikrobinį metaną, gamtinių dujų gavyba galėtų tapti lanksčiau reguliuojama. Vietoje vienkartinio telkinio ištuštinimo būtų galima siekti nuolatinės, saikingos dujų gamybos, kol uolienose užtenka organinės medžiagos.

Be to, biologinės sistemos teoriškai gali veikti esant žemesnei temperatūrai ir mažesniam slėgiui nei tradiciniai termocheminiai procesai. Tai leistų mažinti dalį energijos sąnaudų, būtinas gavybai ir apdorojimui.

Kita vertus, mikroorganizmų procesai yra lėti ir jautrūs aplinkos pokyčiams. Mažas pH pokytis, toksinių medžiagų patekimas ar slėgio kaita gali sulėtinti metano gamybą arba ją visai sustabdyti.

Klimato ir aplinkos aspektai

Metanas yra stiprus šiltnamio efektą sukeliantis dujų komponentas, todėl bet kokia nauja technologija turi spręsti galimų nuotėkių kontrolę. Net šiek tiek padidėję metano išmetimai į atmosferą gali neutralizuoti naudą, gaunamą mažinant anglies dioksido emisijas.

Dėl to mokslininkams tenka galvoti ne tik apie tai, kaip paskatinti mikrobinę metano gamybą, bet ir kaip užtikrinti sandarų jo surinkimą ir saugojimą. Reikalingos naujos monitoringo sistemos, kurios galėtų anksti pastebėti net nedidelius nuotėkius iš gręžinių ar uolienų sluoksnių.

Taip pat kyla klausimas, kaip mikrobinė veikla keistų pačios uolienos struktūrą ir ar nesukeltų netikėtų geologinių efektų, pavyzdžiui, padidėjusių smulkių įtrūkimų, kurie palengvina dujų migraciją į paviršių.

Ar tai gali tapti atsinaujinančia energija?

Vienas iš diskusinių klausimų yra, ar mikroorganizmų gaminamos dujos galėtų būti laikomos iš dalies atsinaujinančiu energijos šaltiniu. Iš esmės metanas susidaro iš organinės medžiagos, kuri geologiškai seniai susikaupė ir nebeatsinaujina žmogaus laiko skalėje.

Tačiau kai kuriose koncepcijose svarstoma, ar būtų įmanoma į uolienas tiekti papildomą, šiuolaikinės kilmės organiką. Tokiu atveju mikroorganizmai naudotų ne tik seną, bet ir naujai įvestą žaliavą, o dalis anglies būtų cirkuliuojanti, o ne iškasama iš geologinių atsargų.

Net jei tokios sistemos pasirodytų techniškai įmanomos, reikėtų labai atidžiai vertinti energijos balansą, taršą ir ekonominę naudą. Tai daugiausia teoriniai scenarijai, kurie dar laukia praktinių bandymų didesniu mastu.

Lietuvai aktualūs mokslo klausimai

Lietuva neturi didelių skalūnų dujų gavybos tradicijų, tačiau dalis šalies teritorijos geologiškai siejama su potencialiais organinių uolienų sluoksniais. Todėl moksliniai pasiekimai šioje srityje gali būti svarbūs planuojant ateities energetikos kryptis ir tyrimų prioritetus.

Net jei tokia dujų gavyba artimiausiu metu nebūtų plėtojama, geresnis giliųjų mikroorganizmų supratimas padeda tvarkytis su kitais iššūkiais. Pavyzdžiui, tai susiję su geologiniu anglies dioksido saugojimu ar požeminio vandens apsauga.

Skirtingų šalių tyrimų rezultatai rodo, kad po žeme slypi daug sudėtingesnės ir gyvesnės ekosistemos, nei manyta anksčiau. Suprasti jas tampa ne tik akademiniu, bet ir praktiniu energetikos, klimato politikos bei aplinkosaugos klausimu.