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 (Demény et al., 2016a). 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 (Demény et al., 2016b). 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.

Laboratóriumban tenyésztett baktériumok felszínén létrejött karbonátkiválás (fekete nyilak).

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.

Az Atommagkutató Intézet Thermo Scientific™ 253 Plus tömegspektrométere és a hozzá kapcsolt Thermo Scientific™ Kiel IV automata feltáró egység.

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.

A Baradla-barlangban elhelyezett germicid lámpa és a mintavevő. (Fotó: Berentés Ágnes)

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.

Biofilmmel borított, rendezetlen formájú karbonátkiválás (balra) és abiogén kalcitkristályok (jobbra)

Publikációk

Demény, A., Czuppon, Gy., Kern, Z., Leél-Őssy, Sz., Németh, A., Szabó, M., Tóth, M., Wu, Ch-Ch., Shen,Ch.-Ch., Molnár, M., Németh, T., Németh, P., Óvári, M. (2016a): Recrystallization-induced oxygen isotope changes in inclusion-hosted water of speleothems – Paleoclimatological implications. Quaternary International, 415, 25-32.

Demény, A., Németh, P., Czuppon, Gy., Leél-Őssy, Sz., Szabó, M., Judik, K., Németh, T., Stieber, J. (2016b) Formation of amorphous calcium carbonate in caves and its implications for speleothem research. Scientific Reports, 6:39602, DOI: 10.1038/srep39602

Demény, A., Rinyu, L., Németh, A., Czuppon, Gy., Enyedi, N., Makk, J., Leél-Őssy, Sz., Kesjár, D., Kovács, I. (2021) Bacterial and abiogenic carbonates formed in caves – no vital effect on clumped isotope compositions. PloS ONE 16(1): e0245621.

Enyedi, N.T., Makk, J., Kótai, L., Berényi, B., Klébert, S., Sebestyén, Z., Molnár, Z., Borsodi, A.K., Leél-Őssy, S., Demény, A., Németh, P. (2020) Cave bacteria-induced amorphous calcium carbonate formation. Scientific Reports 10, 8696.