Sông Río Tinto đỏ như máu: vi sinh vật ưa axit sống trong nước chua

Río Tinto là con sông ở vùng Andalusia, tây nam Tây Ban Nha, nước đỏ như rượu vang và chua gần bằng nước chanh, với độ pH quanh mức 2 trên phần lớn chiều dài. Thứ làm nó đỏ và chua chính là sắt hoà tan cùng hoạt động của các vi sinh vật ưa axit, sống bằng cách "ăn" khoáng chứa sắt và lưu huỳnh. Dòng sông này trở thành nơi các nhà khoa học nghiên cứu sự sống trong môi trường axit, và được coi là hình ảnh tương tự gần nhất trên Trái Đất cho một số vùng đất cổ trên sao Hoả.

Dòng sông màu đỏ

Río Tinto, nghĩa đen là "sông nhuộm màu", bắt nguồn từ vùng núi phía bắc tỉnh Huelva và chảy khoảng một trăm kilômét ra Đại Tây Dương. Dọc đường, lòng sông và bờ đá phủ những lớp cặn đỏ cam, vàng nâu, có chỗ tím sẫm. Nước trong nhưng đỏ thẫm, có đoạn đỏ như máu pha loãng, có đoạn ánh cam dưới nắng.

Nước sông chứa rất nhiều sắt hoà tan, cùng đồng, kẽm và các kim loại khác. Sắt ở dạng oxy hoá cho màu đỏ đặc trưng. Độ pH quanh 2 nghĩa là sông chua hơn nước sông suối thông thường hàng chục nghìn lần. Cá không sống được ở phần lớn dòng sông.

Nằm trên vành đai pyrit và năm nghìn năm khai mỏ

Thượng nguồn Río Tinto nằm trên Vành đai Pyrit Iberia, một trong những vùng tích tụ quặng sunfua lớn nhất thế giới. Pyrit, còn gọi là "vàng của kẻ ngốc", là khoáng sắt sunfua. Khi pyrit tiếp xúc với nước và ô-xy, nó bị oxy hoá thành axit sunfuric và sắt hoà tan.

Con người đã khai mỏ ở đây từ rất sớm. Dấu vết khai thác đồng và bạc có từ thời đồ đồng, người La Mã từng khai thác quy mô lớn, và vào cuối thế kỷ 19, một công ty Anh mua lại các mỏ và lấy luôn tên sông làm tên công ty, Rio Tinto, nay là một tập đoàn khai khoáng lớn. Vài nghìn năm đào bới, phơi quặng ra không khí và nước làm quá trình tạo axit mạnh lên rất nhiều.

Axit tự nhiên hay do khai mỏ

Một câu hỏi được tranh luận nhiều là sông chua vì con người hay vốn đã chua từ trước. Bằng chứng địa chất cho thấy trong vùng có các lớp trầm tích sắt cổ, hình thành từ nước axit giàu sắt từ trước khi có con người khai mỏ. Nhiều nhà nghiên cứu vì vậy cho rằng môi trường axit ở đây có nguồn gốc tự nhiên lâu đời, còn khai mỏ đã làm nó tăng mạnh. Một số người khác nhấn mạnh phần ô nhiễm do mỏ. Câu trả lời hợp lý nhất hiện nay là cả hai cùng góp phần, và tỷ lệ mỗi bên vẫn còn bàn.

Ai sống được trong nước chua như chanh

Thoạt nhìn Río Tinto như một dòng sông chết. Thực tế, các nhóm nghiên cứu, đặc biệt của nhà vi sinh học Ricardo Amils và đồng nghiệp ở Madrid, đã tìm thấy một cộng đồng sống phong phú bất ngờ.

Điều làm giới khoa học bất ngờ nhất là sự đa dạng của sinh vật nhân thực, tức sinh vật có nhân tế bào như tảo, nấm. Trước đó, người ta cho rằng môi trường axit đậm kim loại nặng là địa hạt của vi khuẩn. Ở Río Tinto, tảo và nấm có khi lại chiếm phần lớn sinh khối, tạo thành những thảm nhầy xanh, nâu dưới đáy sông.

Sống trong axit bằng cách nào

Bên trong tế bào, phần lớn enzyme chỉ làm việc khi môi trường gần trung tính, pH khoảng 7. Vi sinh vật ưa axit sống ở pH 2 nên phải giữ một khoảng chênh lệch rất lớn giữa trong và ngoài.

• Màng ít thấm: màng tế bào của chúng được cấu tạo để ion hydro, thứ làm nên tính axit, khó lọt vào.
• Bơm ra liên tục: ion hydro lọt vào được bơm ra ngoài bằng protein màng, tốn năng lượng.
• Đảo dấu điện trên màng: nhiều loài giữ phía trong màng tích điện dương hơn, đẩy ion dương hydro ra xa.
• Biến nghịch cảnh thành nguồn sống: chính chênh lệch axit giữa ngoài và trong là nguồn năng lượng, giống nước dồn sau đập; tế bào cho ion hydro chảy vào qua "tua bin" protein để tạo năng lượng.

Sống giữa kim loại nặng, các vi sinh vật này còn có cơ chế bơm kim loại ra ngoài hoặc giữ chúng ở dạng ít độc. Đây là những đặc điểm mà ngành khai khoáng đã tận dụng.

Từ dòng sông tới mỏ đồng: khai thác sinh học

Những vi khuẩn ăn sắt và lưu huỳnh như ở Río Tinto chính là "thợ mỏ" trong kỹ thuật lọc quặng sinh học. Người ta chất quặng đồng nghèo thành đống, tưới nước axit có vi khuẩn; vi khuẩn oxy hoá khoáng sunfua, giải phóng đồng vào dung dịch để thu hồi. Kỹ thuật này dùng cho quặng hàm lượng thấp, nơi nung chảy truyền thống không kinh tế.

Mặt trái của cùng quá trình là nước thải mỏ axit, vấn đề môi trường ở nhiều vùng khai khoáng: bãi đá thải phơi ra mưa gió, vi khuẩn tăng tốc oxy hoá pyrit, nước chảy ra chua và đầy kim loại. Một ví dụ cực đoan là mỏ Iron Mountain ở California, Mỹ, nơi nhà địa hoá học đo được nước có pH âm, chua hơn cả axit acquy, và vẫn có vi khuẩn cổ Ferroplasma sống trong đó.

Río Tinto và sao Hoả

Năm 2004, xe tự hành Opportunity của NASA tìm thấy trên sao Hoả khoáng jarosit, loại khoáng sắt sunfat hình thành trong nước axit. Jarosit cũng phổ biến ở Río Tinto. Từ đó dòng sông Tây Ban Nha được dùng làm nơi thử nghiệm: nếu sao Hoả cổ từng có nước chua giàu sắt, sự sống nếu có có thể trông giống những gì ở Río Tinto.

Đầu những năm 2000, NASA và các nhà khoa học Tây Ban Nha thực hiện dự án khoan thử ở vùng nguồn sông, tìm sự sống trong đá dưới lòng đất, đồng thời thử nghiệm thiết bị khoan tự động cho các sứ mệnh tương lai. Họ tìm thấy dấu hiệu vi sinh vật sống trong nước ngầm sâu hàng trăm mét, cho thấy cộng đồng axit không chỉ ở mặt sông.

Góc nhìn hôm nay

Río Tinto cho thấy một môi trường trông "chết" có thể là một hệ sinh thái sống động, và ranh giới giữa ô nhiễm do người và cực đoan tự nhiên đôi khi khó tách. Nó cũng là ví dụ cho việc vi sinh vật không chỉ chịu đựng môi trường mà còn tạo ra nó: chính vi khuẩn làm nước chua hơn, đỏ hơn.

Ai đến Andalusia có thể ghé khu mỏ cũ ở Minas de Riotinto, nơi có bảo tàng khai khoáng, tuyến tàu lửa du lịch chạy dọc bờ sông đỏ và hố mỏ lộ thiên khổng lồ. Ở Việt Nam, những vũng nước đỏ cam quanh bãi thải mỏ hay vùng đất phèn ở đồng bằng sông Cửu Long cũng là nơi có vi khuẩn oxy hoá sắt làm việc, với cùng nguyên lý hoá học, chỉ ở quy mô nhỏ hơn nhiều.