Het Aliso Canyon-lek, die op 23 oktober begon, 2015 bij een SoCalGas-opslagfaciliteit voor aardgas en het duurde bijna vier maanden om aan te sluiten, was een van de grootste milieurampen in de Amerikaanse geschiedenis, waardoor de evacuatie van meer dan 6, 800 huishoudens in de buurt.

De plotselinge vloed van aardgas - een mengsel van voornamelijk methaan en ethaan - biedt wetenschappers een unieke kans om te bestuderen hoe de omgeving reageert. Methaan is het op één na meest voorkomende broeikasgas na koolstofdioxide (CO2) en, zoals CO2, neemt wereldwijd snel toe in concentratie in de atmosfeer. Als zodanig, wetenschappers zijn geïnteresseerd om meer te weten te komen over de mechanismen die de natuur al heeft om fluctuaties in methaanniveaus het hoofd te bieden, evenals de beperkingen van die mechanismen.

"Het Aliso Canyon-lek is een ramp, maar het is ook een kans om dit ongewone milieuverstoringsexperiment te bestuderen, " zegt Victoria Wees, James Irvine hoogleraar milieuwetenschappen en geobiologie aan Caltech. Sinds december 2015 Orphan heeft samengewerkt met Caltech associate research scientist Patricia Tavormina om de groei en samenstelling van microbiële gemeenschappen in de bodem rond het getroffen gebied te bestuderen.

Aliso Canyon heeft tientallen jaren dienst gedaan als opslagfaciliteit voor aardgas. 1938, Tidewater Associated Oil Company van J. Paul Getty ontdekte een olieveld ten noorden van de Porter Ranch-buurt van Los Angeles in de noordwestelijke San Fernando Valley. De olieproductie piekte in de jaren vijftig met ongeveer 118 actieve putten, daarna afgebouwd. Er zijn nog zo'n 32 putten over, maar vanaf de jaren zeventig werd het grootste deel van het olieveld omgebouwd tot een opslagfaciliteit voor aardgas.

geologisch, als een uitgeput olieveld, Aliso Canyon is een ideale opslagfaciliteit voor aardgas. Met de olie weggepompt, wat overblijft is een gebied van poreus gesteente ongeveer 9, 000 voet onder het oppervlak waardoor gas vrij kan stromen, bekroond door een ondoordringbare deksteen. Het is een van de grootste van dergelijke faciliteiten in de VS, het bereiken van een gemiddelde diepte van 9, 000 voet en in staat om 86 miljard kubieke voet aardgas op te slaan. SoCalGas koopt aardgas uit het hele land en verscheept het naar de locatie, waar het via 115 gasinjectieputten wordt geïnjecteerd onder het sluitstuk en in het poreuze gesteente; wanneer nodig, het gas wordt via die leidingen weer naar buiten gepompt. Tijdens het lekgebeurtenis, een van die putten, ongeveer anderhalve kilometer ten noorden van huizen in Porter Ranch, scheurde op een diepte van ongeveer 300 voet, boven het sluitstuk.

SoCalGas probeerde verschillende "top kills" om het lek te dichten, dat wil zeggen, een slurry van modder en pekel in de put injecteren in een poging deze te dichten. De topdoding is mislukt, terwijl hoge drukken in het met methaan verpakte poreuze gesteente de plug er herhaaldelijk weer uitblies. Het lek werd uiteindelijk gedicht in februari 2016, dankzij een nieuw aangelegde put waardoor SoCalGas de druk op de beschadigde put kon verlichten en het lek permanent kon dichten.

Eerder, Wees en Tavormina, in samenwerking met professor Samantha Joye aan de Universiteit van Georgia, bestudeerde de effecten van de olieramp met Deepwater Horizon in 2010, waarbij bijna 5 miljoen vaten olie in de Golf van Mexico in de buurt van de Mississippi-rivierdelta vrijkwamen, op mariene microbiële gemeenschappen.

Nu willen ze weten of en hoe microben in de bodem van Aliso Canyon kunnen overleven en zich kunnen aanpassen aan de plotselinge piek in lokale methaanniveaus. Om dit te doen, ze verzamelen eerst grondmonsters zowel rond de putmond als in de nabijgelegen gemeenschap.

Het proces van het nemen van monsters bij Aliso Canyon begint low-tech. De onderzoekers gebruiken een één meter lange polyvinylchloride (PVC) pijp die in de lengte is gespleten en vervolgens weer aan elkaar is gebonden. Ze hameren deze holle cilinder zo ver mogelijk in de grond (meestal ongeveer een halve meter) en trekken hem dan omhoog, scheid de helften, en verwijder de aarde van binnen. Tot dusver, ze hebben 63 bodemkernen genomen, waarvan ongeveer 16 direct bij de bron. Ze verwachten dat ze ten minste tot februari 2017 monsters zullen verzamelen.

De monsters worden teruggebracht naar het Caltech-lab van Orphan, waar ze worden verwerkt en geanalyseerd.

"Het eerste wat we doen is zoeken naar veranderingen in de populatie van bodemmicro-organismen. Als ik veranderingen zie door de hele populatie in ruimte of tijd, dat is een indicatie dat de bevolking reageert op het gas - de bevolking wordt gevormd, of gestructureerd, door het gas, ' zegt Tavormina.

Naast het monitoren van de veranderende demografie van de microbiële populatie, de onderzoekers tellen fysiek de meest veelbelovende bacteriesoorten - degenen die het meest op het aardgas lijken te reageren. Ze sommen op hoeveel van bepaalde bacteriën zich in deze monsters bevinden en kweken specifieke bacteriën uit de grond en vragen vervolgens wat er gebeurt als de organismen verschillende componenten van aardgas krijgen, zoals methaan.

Het is niet zo simpel als zeggen dat elke verandering in de microben wordt aangedreven door methaan, echter. Afhankelijk van de bron, aardgas bevat een wisselend percentage ethaan, die ook veranderingen in microbiële gemeenschappen zouden kunnen veroorzaken.

Verder, het proces dat microben gebruiken om methaan af te breken bestaat uit verschillende stappen, die elk de omgeving van elke andere microbe in de directe omgeving beïnvloeden. Er zijn meerdere wegen om methaan af te breken en om te zetten in energie die microben kunnen verbruiken. In het algemeen, de eerste stap zet het om in methanol, afbreken van methanol levert formaldehyde op, enzovoort. Microben bestaan ​​in complexe heterogene gemeenschappen die vaak samenwerken om verschillende stappen van het proces te voltooien.

"Stel je twee micro-organismen voor die met elkaar praten:'Ik kan je formaldehyde gebruiken. Je blijft het methaan metaboliseren, en ik zorg voor deze stap.' Dus het wordt als een lopende band, ' zegt Tavormina.

Microben die methaan consumeren, bekend als methanotrofen, doe dit met behulp van een enzym dat particulate methaanmono-oxygenase (pMMO) wordt genoemd. Het meten van pMMO-niveaus geeft onderzoekers een proxy waarmee ze het aantal methanotrofen in een monster kunnen schatten. Als zodanig, toen Orphan en Tavormina de grondmonsters van Aliso Canyon analyseerden, ze verwachtten hoge niveaus van pMMO te vinden in de buurt van de klapband.

"De meeste bodems hebben enkele methanotrofe bacteriën, maar we kregen slechts een zwak moleculair signaal voor pMMO, ', zegt Orphan. 'Je zou denken dat hoe dichter je bij de gasuitbarsting komt, je zou meer bewijs zien van methanotrofe verrijking, maar dat deden we niet, wat onverwacht was."

In plaats daarvan, ze ontdekten steeds meer van een ongewone bacteriesoort die nog niet eerder in een laboratorium was gekweekt. Deze nog niet nader genoemde microbe gebruikt een andere versie van het pMMO-enzym - een die door de bacterie wordt rondgestuurd in een cirkelvormig stuk DNA dat een plasmide wordt genoemd. Plasmiden kunnen zich onafhankelijk van de rest van het bacteriële genoom voortplanten, waardoor ze gemakkelijker kunnen worden gedeeld met andere organismen - waardoor het mogelijk wordt dat deze microbe de genen voor het verwerken van methaan deelt met andere soorten microben.

"We zien hele nieuwe soorten en groepen micro-organismen waarvan we niet dachten dat ze koolwaterstoffen consumeerden, en ontdekken dat ze zeker betrokken zijn bij het metaboliseren ervan, ' zegt Tavormina.

Langs de lijn, inzicht in hoe microben reageren op en verwerken van methaan kan toekomstige rampen helpen verminderen. Tavormina zegt dat het niet te vergezocht is om schoonmaakploegen voor te stellen die gewapend zijn met bodemmatten gevuld met methanotrofe microben die reageren op lekken.

Voor nu, Orphan en Tavormina zullen de reactie van de natuur op het lek blijven bestuderen en een licht werpen op het schijnbaar eindeloze vermogen van microben om te overleven en te gedijen onder welke omstandigheden ze ook worden geconfronteerd.