Újszerű módon vizsgálták a cseppkőképződés mechanizmusát

A földtudomány, a mikrobiológia és a fizika kutatóinak összefogásával újszerű módon vizsgálták a cseppkőképződés mechanizmusát. Az Eötvös Loránd Kutatási Hálózat, az Eötvös Loránd Tudományegyetem és a Pannon Egyetem kutatóinak együttműködése újabb publikációt eredményezett a világ egyik vezető multidiszciplináris folyóiratában, a PLOS ONE-ban.

Demény Attila akadémikus, az ELKH Csillagászati és Földtudományi Kutatóközpont Földtani és Geokémiai Intézetének (CSFK FGI) igazgatója és kutatócsoportja néhány évvel ezelőtt figyelt fel egy furcsa jelenségre a cseppkövek stabilizotóp-geokémiai adatainak, a cseppkövekbe zárt oldatzárványok hidrogén- és oxigénizotópos arányainak tanulmányozása közben.

Azt találták, hogy a cseppkövek apró, néhány mikrométer nagyságú üregeibe zárt oldatok nem őrzik meg a csepegővízre jellemző ¹⁸O/¹⁶O arányt, hanem jelentős ¹⁶O-dúsulást mutatnak. A kutatók szerint a csepegővíz összetételétől való eltérést egy korábban fel nem ismert karbonáttípus, az amorf kalcium-karbonát („ACC") kiválása okozza, ami a kristályszerkezettel rendelkező kalcium-karbonáttá, kalcittá történő átkristályosodás során a bezárt oldat H₂O molekuláival kicseréli a ¹⁸O és ¹⁶O izotópokat. A jelenség megértésében a következő kérdés az volt, hogy vajon mi hozza létre az amorf kalcium-karbonát kiválását, és hogy az miért marad hetekig, vagy akár hónapokig stabil a cseppkő felületén, miközben a laboratóriumi körülmények között kicsapatott amorf karbonát percek alatt kikristályosodik?

Ekkor találtak egymásra a földtudomány és a biológia kutatói, mivel felmerült annak a lehetősége, hogy a cseppkövek felületén élő baktériumok lehetnek felelősek az amorf anyag kiválásáért.

Az NKFI FK123871-es projekt keretében Enyedi Nóra és Makk Judit, az Eötvös Loránd Tudományegyetem Mikrobiológiai Tanszékének kutatói, illetve Németh Péter, a Természettudományi Kutatóközpont Anyag- és Környezetkémiai Intézetének kutatója részletesen vizsgálta a Baradla-barlangból gyűjtött baktériumtörzseket, valamint a mikrobiológiai laboratóriumban tenyésztett baktériumok által kiválasztott karbonát ásványtani jellemzőit.

A karbonát morfológiai és szerkezeti elemzése mellett a mikrobiológiai vizsgálatok látványosan mutatják a zsírsavakban gazdag bakteriális szerves burok stabilizáló hatását.

A kutatócsoport a Nature folyóiratcsaládhoz tartozó Scientific Reports folyóiratban publikálta az eredményeket.

Forrás: ELKH

A barlangi karbonátképződményekkel foglalkozó szerteágazó kutatómunka egy másik aspektusát a „kapcsolt izotópok" geokémiája jelenti, amely a karbonátképződmények keletkezésének hőmérsékletét adhatja meg. A karbonát vizes oldatból történő kiválása során az oldatban levő oldott szén iontípusai (oldott CO₂, H₂CO₃, CO₃₂–, HCO₃–) egymással dinamikus egyensúlyba kerülnek, az ^₁₈O és ¹⁶O izotópok kicserélődésével elméletileg az adott hőmérsékletre jellemző megoszlás áll be a különböző komponensek között. A termodinamikai egyensúllyal szemben viszont a szén és az oxigén nehéz izotópjai (₁₃C és ₁₈O) preferenciálisan kapcsolódnak össze, és a könnyű izotópokhoz képest fennálló nagyobb kötéserősség miatt nem válnak szét.

Minél nagyobb a képződési hőmérséklet, annál könnyebbé válik a molekulák szétválása, és annál könnyebben áll be a termodinamikai egyensúly.

A California Institute of Technology kutatói 2006-ban jöttek rá a nehéz izotópok összekapcsolódásának hőmérsékletfüggésére, amely egy új tudományterületet, a „kapcsolt izotópok geokémiáját" („clumped isotope geochemistry") indította útjára. A debreceni ELKH Atommagkutató Intézet (ATOMKI) egy GINOP projekt („IKER" projekt) keretében hozott létre a kapcsolt izotópok mérésére alkalmas laboratóriumot.

A CSFK FGI és az ELKH ATOMKI között együttműködés kezdődött a hazai cseppkövek vizsgálatára, majd következő lépésként a fent ismertetett bakteriális karbonátkiválás és a kapcsolt izotópok összetétele közötti összefüggés elemzésére. A cseppköveken végzett mérések eredményei jelentősen eltértek a várt összetételektől, ami arra utalt, hogy a bakteriális karbonát kiválása befolyásolhatta a nehéz izotópok összekapcsolódásának a mértékét. A földtudomány és a mikrobiológia kutatói ekkor a Baradla-barlangot mint természetes laboratóriumot használták, és az Aggteleki Nemzeti Park engedélyével és közreműködésével a helyszínen kivált karbonátot mintázták és elemezték. Mivel a barlangi munkák alapvető feltétele a barlangi kutatási engedéllyel rendelkező szakemberek részvétele, Leél-Őssy Szabolcs, az ELTE oktatója kapcsolódott be a projektbe.

Forrás: ELKH

A baktériumok karbonát képződésre gyakorolt hatásának a kimutatására egy mintavételi ponton germicid (sejtpusztító) lámpával világították meg a mintavételi felszínt, egy kontrollpont pedig végig sötétben volt. A begyűjtött karbonátminták mikromorfológiai jellemzői drasztikusan eltértek, a biogén karbonát rendezetlen formájú, biofilmmel burkolt megjelenésével szemben az UV-val kezelt felszínen szépen formált kalcitkristályok csapódtak ki a csepegővízből. A kapcsolt izotópok ezzel szemben nem mutattak szisztematikus összefüggést az UV-kezeléssel. A cseppkövek különleges összetétele így a csepegővíz szivárgási útvonalán végbemenő izotópfrakcionációs folyamatoknak a következménye, ez pedig a cseppkövek paleoklimatológiai alkalmazhatóságára nézve ad alapvető információkat (lásd a kutatócsoport PLOS ONE folyóiratban megjelent publikációját).

A kutatás folytatódik: a barlangi baktériumok hatásának vizsgálata genetikai elemzésekkel egészül majd ki, közben a világ más régióiban is megkezdődik a mintavételezés. Mindez láthatóan új tudományos kapcsolatokat hoz. A Magyar Tudományos Akadémia által indított és az Eötvös Loránd Kutatási Hálózat által 2020-ban is finanszírozott Kiválósági Együttműködési Program „NANOMIN" projektje (KEP-1/2020) a kutatóintézeti és egyetemi szféra összekapcsolása mellett az interdiszciplináris kutatásban is áttörést eredményezett, és eddig fel nem tárt együttműködési területeket nyitott meg.