Образование полезных ископаемых с помощью бактерий

Геологическая деятельность бактерий

Бактерии способны осуществлять процессы, приводящие к разрушению или образованию месторождений полезных ископаемых, минералов и горных пород, а также к миграции отдельных элементов. Изучение этих процессов важно для наших теоретических представлений о круговороте элементов на Земле. Кроме того, многие микробиологические процессы имеют значение для добычи полезных ископаемых.

На большую роль микроорганизмов в перемещении, концентрации и рассеянии химических элементов в биосфере указывал В.И.Вернадский.

Благодаря трудам С. И. Виноградского, М. Беиеринка, А. Клюйвера, Ван-Ниля, Б.Л.Исаченко была выяснена роль бактерий в круговороте азота, серы и некоторых других элементов.

В круговороте углерода участвуют разные группы бактерий; в перемещении, концентрации химических элементов в месторождениях полезных ископаемых (таких, как сера или сульфидные руды) основное значение имеют автотрофные бактерии; большую роль в образовании сульфидов на нефтяных месторождениях играют сульфатредуцирующие бактерии.

Бактерии ускоряют образование зоны окисления на сульфидных месторождениях. Окислительные процессы, которые ведут микроорганизмы на серных месторождениях, могут привести к потерям тысяч тонн руды. Образование сероводорода на нефтяных месторождениях вызывает коррозию нефтяного оборудования и портит качество нефти и горючего газа. О масштабах, каких может достигнуть деятельность микроорганизмов в природе, говорит, например, тот факт, что только в реку Огайо в США за 1932 г. поступило Змлн. т серной кислоты. А по мнению исследователей, около 3/4 серной кислоты, образующейся в угольных шахтах, имеет биологическое происхождение.

В природе широко распространены гетеротрофные микроорганизмы, которые воздействуют на минералы и горные породы.

Распространение различных сапрофитных групп бактерий изучал Н. А. Красильни к о в, который установил, что поверхность базальтов и туфов в горах Армении покрыта продуктами выветривания до глубины около 5 мм. Количество сапрофитов, принимающих, вероятно, участие в процессе выветривания, исчислялось сотнями тысяч на 1 г и снижалось по мере углубления слоя.

Скалы Северной Шотландии, по данным Д. М. Вебли, богаты лишайниками, грибами и бактериями, 70—96% которых могут растворять силикаты.

Микроорганизмы действуют на силикаты и алюмосиликаты, образуя кислые или щелочные метаболитические продукты. Некоторые бактерии и водоросли выделяют слизи, которые способны образовывать комплексные соединения с рядом элементов.

Вебли, добавляя в культуры псевдомонад нерастворимые силикаты, заметил, что кристаллическая решетка силикатов к концу опыта разрушалась. Вероятно, этот процесс происходит в результате образования кетоглюконовой кислоты.

Из органических кислот заметным действием на силикаты обладают также щавелевая и лимонная, а из щелочных продуктов — фенолы. Например, фенолы микробного происхождения способны образовывать комплекс с кремнием.

Бактерии, разрушающие горные породы, используют добываемый ими из силикатов калий для питания. Показано, что псевдомонады растут в присутствии нефелина на среде без калия и натрия, извлекая эти вещества из минерала. Нефелин при этом разрушается.

Из приведенных примеров видно, что даже такие стойкие минералы, как силикаты, могут разрушаться микроорганизмами.

2. Участие микроорганизмов в образовании и разрушении горючих пород

По своим свойствам и происхождению горючие породы разделяются на две большие группы: гумусовые и сапропелевые (битуминозные).

К гумусовым (humus – земля) относятся: гумус (почвенный перегной), торф, бурый уголь, каменный уголь, антрацит. Все они очень богаты углеродом, но бедны кислородом и водородом и очень трудно поддаются воздействию крепких кислот.

К сапропелевым (сапрос – гнилой, пелос – ил) относятся: природный газ, нефть, асфальт, горючие сланцы. Они состоят почти исключительно из жидких и твердых углеводородов.

Все эти породы органического происхождения. Они образовались из остатков растений и отчасти животных. Образование их происходило при участии микроорганизмов. Они участвовали в разложении растительных и животных остатков, а также в превращении их составных частей в органические вещества этих горючих пород. Образование каменных углей шло в палеозойской эре и в значительной части мезозойской, особенно в каменноугольном и пермском периодах, во время наибольшего расцвета папоротникообразных растений. Образование бурых углей происходило в третичный период кайнозойской эры в сырых лесах в теплом климате. Основные запасы торфа образовались в четвертичный период в умеренно холодном климате из мхов, болотной растительности. Образование торфа продолжается и в настоящее время в болотах, зарастающих осокой, камышом, мхом, кустарником. Отмирающие растения опускаются на дно и подвергаются действию бактерий и грибов.

В торфе, как наиболее молодом образовании, много полуразложившихся растительных остатков и мало гуминовых веществ. В каменных углях с увеличением их возраста больше гуминовых веществ и меньше полуразложившихся остатков.

Образование гумуса, или перегноя, можно наблюдать и в настоящее время, например, в лесу. В нижних слоях лесной подстилки, состоящей из листьев, травяных стеблей, веток и пр., идет разложение их при недостаточном притоке воздуха, поэтому оно протекает медленно и не доходит до полного распада растительных остатков. Кроме того, при этом разложении бактерии синтезируют ряд веществ. Остается буроватый остаток – продукт неполного разложения стойких веществ клеточных оболочек растений, особенно древесных, и частичного синтеза ряда веществ. Этот остаток и есть гумус.

Образование каменных углей и торфа происходило, по В. О. Таусону, в две фазы. В первой, биологической, фазе шло сравнительно быстрое в аэробных условиях разложение нестойких растительных остатков и накопление устойчивых соединений и продуктов (лигнин, кутни, суберин и др.). Во второй фазе – медленное превращение образовавшихся устойчивых соединений в еще более стойкие продукты, например превращение легко растворимых в щелочах гуминовых кислот в совершенно не растворимые ни в чем гуминовые вещества каменных углей. Вторая фаза биогенна для торфа и абиогенна для каменных углей (большие давления покрывающих пород и сравнительно высокая температура).

Какие же микроорганизмы участвовали во всех этих процессах? Это были предки микроорганизмов, которые теперь участвуют в разложении растительных и животных остатков и которые были рассмотрены в главе о круговороте веществ. В основном это были клетчаткоразлагающие, пектиноразлагающие, масляно-кислые и другие сапрофитные микробы.

Многочисленные микроскопические исследования углей различной давности дают доказательства, что разнообразные группы сапрофитных микроорганизмов – бактерий, грибов, дрожжей, актиномицетов – жили и развивались в них во все геологические времена образования горючих ископаемых пород.

Нефть, представляющая собой смесь различных углеводородов, образовывалась в осадочных породах всех геологических эр начиная с протерозойской.

Имеются различные теории образования нефти. Большинство ученых придерживаются теории органического образования нефти. Особенно много для развития этой теории сделал акад. И. М. Губкин. Нефть образовывалась из разложившихся илов, богатых остатками мельчайшего планктона, состоявшего главным образом из водорослей, бактерий, а также простейших. Накопление такого органического вещества протекало в теплых застойных бассейнах (прибрежных лагунах, заливах, лиманах, мелких озерах). В них происходило обильное разложение планктона и исключалась возможность разноса вещества на большие расстояния.

Отмершие остатки смешанного планктона из верхних слоев воды опускались на дно моря. Там они подвергались воздействию анаэробных бактерий (гнилостных, целлюлозоразлагающих, сульфатвосстанавливающих и др.). В результате такого разложения образовывался гнилой ил, или сапропель.

Нефтеобразование, начавшись в сапропелевых илах, непрерывно продолжалось и после погребения ила наносными напластованиями осадочных пород под воздействием бактерий, а в дальнейшем под влиянием все возрастающих давлений вышележащих пород и относительно высокой температуры.

Нефть обладает текучестью. Образовавшиеся капли нефти благодаря большому давлению вышележащих осадочных слоев выдавливались водой в рыхлые песчанистые породы или в трещиноватые известняки и собирались в складках из пористых пластов, в так называемых “ловушках”, в залежи разной величины. В ловушках нижним слоем является вода, затем над ней лежит слой нефти, а выше – слой газа. Таким образом, залежи нефти и газа находятся не там, где произошло нефтеобразование.

Анаэробные бактерии обнаружены во всех продуктивных толщах нефтяных и газовых месторождений, это указывает на то, что после погребения органического осадка деятельность бактерий не прекращается, а продолжается в течение всего периода преобразования органического вещества в углеводородные соединения.

Надо полагать, что нефтеобразование происходит и в настоящее время. Нефть и вода, которая выходит с нефтью, всегда содержат сероводород. Это заставляет предполагать, что причина его образования в нефтеносных пластах та же, что и в сапропелях, т. е. деятельность сульфатвосстанавливающих бактерий. Действительно, эти бактерии в нефтяных пластах и водах были найдены на различных глубинах в тысячу и более метров. Там же были найдены и другие анаэробы – целлюлозные, гнилостные. Горючие сланцы образовались в пресноводном гнилом иле, в котором не было полных анаэробных условий. Образование горючих сланцев длилось меньше времени, чем образование нефти. Иногда процесс приостанавливался, не доходя до конца. Материалом, из которого образовались сланцы, был тот же планктон, но, кроме того, здесь играли роль травянистые и древесные растения.

Таким образом, микроорганизмы принимали непосредственное участие в создании тех громадных запасов горючих ископаемых, которые имеются в земной коре. Недаром некоторые ученые называют эти запасы наследством микробов, живших в давно минувшие геологические времена.

Сапропелевые и гумусовые породы не только создаются, но и разрушаются микроорганизмами. Эти породы, совершенно непригодные для питания растений и животных, могут разлагаться микробами и служить им пищей. Мы уже знаем, что есть микробы, окисляющие парафин, бензин, толуол, асфальт, причем разлагаются они разными специфическими микробами. Поэтому понятно, почему быстро исчезают пятна нефти, пролитые на землю или воду. Эти микробы, главным образом бактерии, развиваются при обильном притоке кислорода воздуха. Подсчитано, что микроорганизмы могут за год разлагать на каждый квадратный метр поверхности 640 г нефти, а в хранилищах нефти с площадью в 1000 кв. м – 640 кг, т. е. более полутонны в год.

Микроорганизмы, однако, могут разрушать нефть не только на поверхности земли, но и глубоко под землей. На это указывает постоянное присутствие углеводородных газов в нефтяных месторождениях. Здесь возможно образование метана и других газов при анаэробном разрушении нефти. Было получено много культур бактерий, которые выделяли газ в среде, где единственным источником органического вещества была стерильная нефть. Газы могут выделять и сульфатвосстанавливающие бактерии, которых находят на большой глубине в анаэробных условиях, где они в качестве органического вещества могут использовать только нефть.

Нефтяные газы, находясь под большим давлением, могут проникать через покрывающие осадочные породы к земной поверхности, и здесь идет их окисление пропано-метаноокисляющими бактериями. Считают, что над нефтяными месторождениями ежегодно бактерии окисляют 150 куб. м углеводородных газов на площади в 1 кв. км.

По наличию бактерий, окисляющих углеводороды, в поверхностных почвах можно ориентировочно определить нефте- и газоносность нижележащих слоев. Углеводородные бактерии находят и используют самые ничтожные количества газа, наличие которого даже при химическом анализе невозможно определить.

Многочисленные опыты и наблюдения показали, что и гумусовые породы разлагаются аэробными бактериями, усваивающими их как углеродистый источник питания.

Есть бактерии, которые питаются такими ядовитыми для них веществами, как фенол, нафталин, правда, в очень слабой концентрации. Эти микробы начинают использоваться при очистке сточных вод коксохимических заводов, для удаления фенола и других ядовитых веществ.

В настоящее время можно говорить о новой отрасли микробиологии – геологической микробиологии. Геологическая микробиология изучает роль микроорганизмов в происхождении разных видов полезных ископаемых. Задачей ее также является исследование микробиологических процессов, происходящих в современных осадках, водоемах, в подземных водах и в коре выветривания. Изучаются свойства специфических микроорганизмов, принимающих участие в геохимических процессах.

Те данные, которые уже имеются, позволяют микробиологам и геологам производить опыты по усилению полезной деятельности микроорганизмов или подавлению их вредной деятельности при разработке полезных ископаемых. Ниже приводится несколько примеров таких мероприятий.

Наличие сероводорода в нефтяных пластовых водах вызывает сильную коррозию штанг, седел, шариков глубинных насосов. Сероводород образуется сульфатредуцирующими бактериями при наличии сульфатов в воде. Эти бактерии можно убить формальдегидом в количестве 10-50 мг/л. Были проведены полевые опыты по подавлению деятельности этих бактерий. В скважины, через которые накачивается вода для обводнения пласта, вводился формалин в количестве 2,5-25 т. После такой накачки сульфатвосстанавливающие бактерии не были обнаружены в воде в течение двух недель, содержание сероводорода уменьшилось и снизилось количество аварий вследствие коррозии.

В США одна компания получила патент на извлечение меди из бедной руды при помощи культуры Th. ferrooxydans.

В СССР разработана микробиологическая разведка нефтяных и газовых залежей. Образцы грунта отбираются с глубины 2 м из подпочвенного горизонта, вносятся в стаканчики с минеральной средой и выдерживаются в термостате в атмосфере метана и воздуха, а затем определяется наличие роста углеводородокисляющих бактерий. Метод дешевый, он должен применяться до проведения дорогой разведки физическими методами и бурением.

косметика бабор купить в москве