Horľavý ľad

Energetická kríza sedemdesiatych rokov priviedla odborníkov ku kritickému rozboru globálnej energetickej situácie. Uvedomenie si, že fosílne zdroje energie (ropa, zemný plyn a rôzne druhy uhlia) sú vyčerpateľné, dokonca možno už aj v relatívne krátkej dobe, iniciovalo zintenzívnené hľadanie nových alternatívnych zdrojov energie. Vďaka svojej vynachádzavosti človek dnes disponuje viacerými energetickými alternatívami, ktoré prispievajú, prípadne pomáhajú riešiť niektoré svetové energetické problémy. Na druhej strane je potrebné zdôrazniť, že poväčšine ide len o čiastkové, mnohokrát lokálne a regionálne riešenia. Ako príklad môže poslúžiť využitie veternej, slnečnej či prílivovej energie a iných minoritných alternatívnych zdrojov. Nie je preto prekvapujúce, že všetky objavy v tomto smere vyvolávajú živý záujem nielen odbornej, ale aj laickej verejnosti.

Veľkým „energetickým šlágrom“ posledného obdobia sa stáva takzvaný „horľavý ľad“. O čo vlastne ide? Ide o hydrát metánu, ktorý bol prvýkrát spozorovaný vo vysokotlakovom potrubí prepravujúcom zemný plyn. Kontaminácia plynového potrubia vodou viedla k vytvoreniu hydrátu metánu. Kombinácia vysokého tlaku plynu a stabilizačného efektu metánu na molekuly vody umožnila vznik „horiacej ľadovej hmoty“, ktorá horí pri teplote nad bodom tuhnutia vody. Sprvoti sa tento objav považoval za kuriozitu. V sedemdesiatych rokoch sa ale geológom podarilo podobnú látku objaviť aj v sedimentoch oceánov. Možno by toto všetko mohlo ostať ako kuriozita a zapadnúť do zabudnutia, keby prieskum morských sedimentov na viacerých miestach neukázal, že nejde o izolovaný a ojedinelý jav a keby predbežné kalkulácie výskytu metán-hydrátu na základe prieskumu na viacerých miestach neboli naznačili, že množstvo takto uloženého metánu predstavuje približne 250 triliónov kubických metrov. Je potrebné zdôrazniť, že plynový hydrát, čo je synonymum metán-hydrátu, môže vznikať len v miestach, kde oceán dosahuje hĺbku viac ako 500 m, teda tam, kde výška vodného stĺpca zabezpečuje dostatočne vysoký hydrostatický tlak. Je zrejmé, hlavne z hľadiska perspektívnej využiteľnosti týchto zásob, že veľké hĺbky, kde hydrát metánu môže vznikať, prinášajú so sebou závažný technologický problém (ťažbu z veľkých hĺbok), ktorého riešenie si bezpochyby v budúcnosti vyžiada veľké investície.

Všetky tieto zistenia majú však pre človeka neobyčajnú hodnotu. Podľa odhadov je takýmto spôsobom uložený viac ako dvojnásobok energie v porovnaní so všetkými ostatnými zásobami fosílnych palív.

Jednou z logických otázok, ktorá sa v súvislosti s hydrátom metánu vynára, je otázka jeho pôvodu. Ukázalo sa, že aj tento typ metánu je produktom prírodného procesu mikrobiálnej aktivity striktných anaeróbov – metanogénov (pozri Vesmír 79, 253, 2000/5 a Vesmír 79, 323, 2000/6).

Už v 18. storočí Allessandro Volta opísal existenciu „spáliteľného vzduchu“, o ktorom sa neskôr jednoznačne preukázalo, že ide o zmes metánu a oxidu uhličitého, ktorá vzniká ako terminálny produkt mikrobiálnej degradácie biologických polymérov v anaeróbnych podmienkach.

Je dôležité pripomenúť, že každý rok vyprodukujú metanogény až miliardu ton metánu, čo má obrovský vplyv na existenciu človeka. Väčšina tohto metánu uniká z pôvodného anaeróbneho prostredia do aeróbnej biosféry, kde sa sčasti oxiduje na oxid uhličitý prostredníctvom mikroorganizmov vyžadujúcich kyslík. Väčšia časť metánu sa však dostáva do stratosféry, kde sa spolu s inými skleníkovými plynmi a aerosólmi podieľa na „skleníkovom efekte“, ktorého priamym dôsledkom je otepľovanie zemského povrchu a zmeny klimatických podmienok. Navyše, v troposférickej oblasti je metán účinne oxidovaný ozónom na vodu, čoho dôsledkom je znižovanie veľkosti a hrúbky ozónovej vrstvy troposféry.

Poznávanie mikrobiálneho procesu tvorby metánu na morskom dne je zatiaľ v počiatkoch. V súčasnosti sa ukazuje, že pod oceánskym dnom je niekedy aj niekoľko stoviek metrov hrubá vrstva hydrátu metánu, ktorá vznikla spolupôsobením mikroorganizmov produkujúcich metán a vysokého hydrostatického tlaku. Nie je zatiaľ jasné, či ide o obnoviteľný proces. Objasnenie tohto procesu by mohlo čiastočne zmeniť náš pohľad na vývoj svetovej energetiky.

Môžeme oprávnene predpokladať, že sú to práve mikroorganizmy, ktoré majú kľúčovú úlohu pri kontrole globálneho cyklu metánu na Zemi, do ktorého bezpochyby treba započítať aj tvorbu a rozklad metán-hydrátu. Na jednej strane sú to tie, ktoré metán tvoria – metanogény – a na strane druhej existujú aj také mikroorganizmy, ktoré vytvorený metán konzumujú – metanotrófy. Tieto ale na svoju existenciu vyžadujú kyslík. Z hľadiska pochopenia globálneho cyklu metánu a v tej súvislosti aj premeny hydrátu metánu z morského dna bolo dôležité zistiť, či existuje možnosť oxidácie metánu aj v anaeróbnych podmienkach.

Už niekoľko desaťročí sa geochemici a mikrobiológovia takúto možnosť snažia vyjasniť. Až využitie nových meraní pomocou rádionuklidov viedlo k prekvapujúcemu, aj keď mnohými vedcami očakávanému, záveru. Ukázalo sa, že veľká časť globálne produkovaného metánu je v morských sedimentoch premieňaná na oxid uhličitý, avšak za anoxických podmienok. Len pred niekoľkými mesiacmi bolo v prominentnom vedeckom časopise Nature publikovaných viacero prác zaoberajúcich sa vysvetlením anaeróbnej oxidácie metánu na oxid uhličitý v morských sedimetoch. Ukazuje sa, že niektoré mikroorganizmy produkujúce metán – metanogény – majú určitú kapacitu obrátiť normálnu tvorbu metánu a že sú tak schopné metán oxidovať za vzniku vodíka a oxidu uhličitého podľa rovnice:

CH₄ + 2H₂O → CO₂ + 4H₂ .

Takáto obrátená metanogenéza môže z termodynamického hľadiska prebiehať len v prípade, že vznikajúci vodík je z reakčného systému rýchlo odstraňovaný. Podľa takejto predstavy by potom vodík mohol slúžiť ako zdroj energie pre inú mikrobiálnu skupinu – oxidujúcu vodík a redukujúcu sulfát:

H⁺ + 4H₂ + SO₄^2– → HS^– + 4H₂O.

Suma uvedených reakcií potom je:

CH₄ + SO₄^2– → HS^– + H₂O,

kde ide vlastne o typickú metabolickú interakciu medzi rôznymi mikrobiálnymi druhmi, nazývanú syntropia.

Len nedávno sa podarilo zistiť, že v morských sedimentoch s bohatým obsahom metán-hydrátu žije veľké množstvo mikroorganizmov zaraďovaných do ríše Archaea – mikrobiálnych symbiontov vytvárajúcich agregáty s približne 100 bunkami, ktoré sú na svojom povrchu ohraničené baktériami redukujúcimi sulfát. Tieto agregáty buniek sa vyznačujú schopnosťou redukovať sulfáty podľa uvedených rovníc. Je vysoko pravdepodobné, že práve tieto agregáty mikroorganizmov sprostredkúvávajú anaeróbnu oxidáciu metánu.

Zdá sa, že kruh sa uzatvára. Poznáme prírodných producentov metán-hydrátu a poznáme aj mikroorganizmy, ktoré sa podieľajú na jeho oxidácii aj za prísne anaeróbnych podmienok. Pokiaľ chceme uvažovať o perspektívnom využívaní metán-hydrátu, tak bude bezpochyby dôležité poznať nielen jeho producentov, ale aj konzumentov, ktorí by potenciálne mohli v prípade, povedzme, premnoženia výrazne negatívne ovplyvniť naše zámery spojené s využitím tohto cenného paliva.

Otvorenou otázkou, ktorá s týmito problémami bezprostredne súvisí, zostáva zmena klimatických pomienok, teploty svetových oceánov a podobných faktorov, ktoré by mohli výrazne ovplyvniť zmeny v zásobách hydrátu metánu. Ide však o také komplexné nelineárne problémy, že ich predikcia je v súčasnosti nemožná. Zdá sa však, že aspoň na mikrobiálnej úrovni sa podarilo (prinajmenšom čiastočne) poodhaliť jednu zo záhad premeny metánu v prírode. Zistenia mikrobiológov, ktoré viedli k identifikácii producentov a konzumentov metán-hydrátu, ale aj k porozumeniu určitým zákonitostiam premien tohto hydrátu (v aeróbnych, ale aj anaeróbnych podmienkach), môžu sa v budúcnosti ukázať ako prospešné pri voľbe technologickej stratégie využitia jeho neočakávane veľkých zásob na energetické účely.