6.4.2. Некоторые силикаты и кварц
Вопрос о существенной роли микроорганизмов в разрушении минералов класса силикатов в природной обстановке постоянно возникает перед минералогами, геохимиками и микробиологами при изучении гипергенных процессов в почво- и корообразовании (работы Вернадского, Виноградова, Аристовской, Глазовской, Лукашева, Полынова и др.).
За последние годы получен обширный экспериментальный материал по исследованию деструкции минералов накопительными культурами микроскопических грибов и водорослей, нитрофицирующих и силикатных бактерий, который частично обобщен в сводной работе (Silverman, 1979). Бактериальному разложению подвергались кварц, полевые шпаты, нефелин, слоистые силикаты (мусковит, биотит, глауконит, вермикулит и др.), роговая обманка, пироксены, эпидот, гранаты и другие силикаты. Во всех случаях при сравнении с абиогенным процессом отмечается высокая интенсивность биогенного выщелачивания силикатов и даже весьма трудно разлагаемого кварца.
Процесс бактериального разрушения силикатов большинством исследователей рассматривается как совершающийся под воздействием активных продуктов жизнедеятельности микроорганизмов-энзимов (ферментов), органических и неорганических кислот, а также формирующихся при этом кислых или щелочных растворов. Большое место отводится совместному воздействию на минерал биогенных и чисто химических факторов, совокупность которых существенно интенсифицирует деструкцию минерального субстрата. Существует также представление о непосредственном контакте микроорганизмов (в частности, силикатных бактерий) с частицами минералов, которые захватываются слизистой капсулой бактериальных клеток и энзиматически разрушаются (Александров, Зак, 1950; Аристовская, 1980).
Сопоставление имеющихся экспериментальных результатов между собой, даже относящихся к одному минералу, оказалось весьма затруднительным. К примеру, выщелачивание алюминия из мусковита оценивается в 3% за 5 сут. (Аристовская, 1980) и в 0,3% за 49 сут. (Александров, Зак, 1950), а для калия по тем же источникам указываются 10% (8 сут.), 27% (18 сут.) и 3% (49 сут.). Причины несопоставимости многообразны и в основном связаны с использованием в опытах различных культур микроорганизмов. Но одну из них следует отметить особо. Она состоит в том, что не учитываются тонкие конституционные особенности минералов. На примере биогенной деструкции (окисления) сульфидов показано, что характер этого процесса определяется химическим составом, наличием дефектов, типом химических связей и полупроводниковыми свойствами минералов (Яхонтова, Нестерович, 1983). Подобные данные появились и для силикатов - это эксперименты по микробиологическому разложению каолинита с различной степенью упорядоченности (Любарская и др., 1981).
В настоящей работе на примере полевых шпатов и кварца различной упорядоченности и кристалличности, "тройки" дистен-андалузит-силлиманит с разнокоординационным алюминием, слоистых силикатов и таумасита с шестикоординационным кремнием сделана попытка рассмотреть значение некоторых химико-структурных особенностей минералов в процессе их бактериального выщелачивания.
Все эксперименты проведены в одних и тех же условиях с использованием силикатных бактерий (Bacillus mucilaginosus), в свое время обоснованных и детально изученных (Александров, Зак, 1950). Штамм силикатных бактерий выделен из руд Керченского месторождения и выращен известным способом на жидкой питательной среде А-54. Минералы, предварительно детально исследованные, использовались в виде тонких порошков (фр.<
0,1 мм) массой 1г и частично небольшими пластинками, погруженными в постоянно перемешиваемый культурный раствор с рН 7
0,2. Параллельно проводились холостые опыты (в абиогенной водной среде с рН
7). Мерой выщелачивания минералов явились количественные определения кремнезема, который накапливался в растворе за неделю. Продолжительность экспериментов для различных серий образцов составила 4-15 недель. Длительные опыты проведены с целью оценки процесса выщелачивания во времени. К концу опытов величина рН культурального раствора постепенно снижалась до 5-4,5.
Бактериальное выщелачивание полевых шпатов. Опыты выполнены на пяти образцах плагиоклазов (табл. 54). Состав образцов (содержание анортитового минала) определен рентгеновским и иммерсионным методами, а структурное состояние (упорядоченность и индекс упорядоченности) оценивалось по данным дифрактометрии с использованием величины и известных диаграмм (Slemmons, 1962).
В ходе экспериментов необходимо было выяснить роль состава, степени упорядоченности и фазовой однородности плагиоклазов в процессе их бактериальной деструкции. Известно, что в абиогенных системах с участием водородного иона анортит выщелачивается значительно интенсивнее альбита, т.е. первостепенное значение в этом процессе имеет содержание в каркасном силикате тетраэдрического алюминия (связей Si-О-Al) (Куркина и др., 1980; Матвеева, 1974; Педро, 1971).
В проведенных экспериментах, с одной стороны, представлены плагиоклазы упорядоченной серии низкий альбит-анортит (обр. 1, 2, 4, 5), в которых алюминий концентрируется в тетраэдрах Т10, сгруппированных вдоль определенного направления структуры (ориентировочно плоскость 113). Образцы этой серии неоднородны, так как соответствуют интервалам состава плагиоклазов, имеющих ламелярное строение с определенной ориентировкой разных по составу ламелей, характеризующих структуру распада твердого раствора (Клифер и др., 1979). С другой стороны, в опытах использован разупорядоченный (высокий) альбит (обр. 3) - по составу аналог обр. 2, который отличается фазовой однородностью и отсутствием в структуре определенных направлений размещения алюминиевых тетраэдров.
Таблица 54
Результаты выщелачивания плагиоклазов в течение 15 недель (Яхонтова и др., 1983)
N
об-разца |
Содержание анортитового минала |
ng¢
np¢
|
![](http://images.geo.web.ru/pubd/2001/11/23/0001161842/image49.gif)
|
Структурное состояние. Индекс |
Содержание SiO2 в 1г навески |
Выщелачивание SiO2 в раствор |
|
|
|
|
упорядочен-ности, % |
|
мг/г |
% от со-держания |
1 |
An6 |
1,538
1,529 |
1,10 |
Упорядочен-ный, 100 |
680 |
35 |
5 |
2 |
An6 (низкий альбит) |
1,540
1,531 |
1,07 |
То же |
660 |
32 |
5 |
3 |
An6 (высокий альбит) |
1,538
1,530 |
1,94 |
Разупорядо-ченный, 7*
|
660 |
40 |
6 |
4 |
An58 |
1,567
1,557 |
1,77 |
Упорядочен-ный, 100 |
530 |
46 |
8 |
5 |
An93 |
1,583
1,572 |
2,23 |
То же |
440 |
75 |
17 |
Типичный холостой опыт |
То же |
680-440 |
10 |
1,5-1,0 |
*Разупорядочен путем прокаливания обр. 2 при Т=1050o
С в течение 27 сут
Холостые опыты показали практически один результат: за время
эксперимента (15 недель) в воде с рН около 7 суммарное выщелачивание SiO2
из проб плагиоклазов составило не более 1,5-2% содержания в них кремнезема.
При этом какая-либо дифференциация проб на более или менее выщелачиваемые
не наблюдалась.
При участии бактерий разложение плагиоклазов протекало в
среднем в 3-10 раз интенсивнее по сравнению с абиогенным процессом. В этом
случае определилась четкая прямая зависимость между номером плагиоклаза, т.е.
содержанием в нем тетраэдрического алюминия, и количеством выщелоченного кремнезема
(табл. 54). Немаловажное значение, очевидно, имела фазовая неоднородность
образцов упорядоченной серии полевых шпатов, составившая благоприятную основу
для их выщелачивания. Что касается значения в этом процессе степени упорядоченности
плагиоклазов, то первые данные, полученные для кислой ветви изоморфного ряда
(обр. 2, 3), свидетельствуют о небольшой, но усиливающей роли беспорядка при
бактериальной деструкции плагиоклазов. Не исключено, что в разупорядоченном
альбите усиливающий выщелачивание фактор фазовой неоднородности исчезает,
а действующий в том же направлении фактор "доступности" бактериям
алюминиевых тетраэдров при их статистическом распределении в каркасе плагиоклаза
усиливается.
Характер биовыщелачивания кремнезема из альбита (обр. 1)
и анортита (обр. 5) в течение времени эксперимента (15 недель) показан на
рис. 16. Как видим, процесс в обоих случаях развивался сравнительно равномерно,
практически с сохранением начальной скорости. Альбит по сравнению с анортитом
разрушается вдвое медленнее.
![](http://images.geo.web.ru/pubd/2001/11/23/0001161842/image50.gif) |
Рис. 16. Графики бактериального выщелачивания SiO2
из альбита (1) и анортита (2)
|
В специальном опыте проведено бактериальное выщелачивание
пластинки альбитизированного микроклина со сколотыми поверхностями. В порошковом
варианте за 15 недель этот образец показал результаты, очень близкие к данным,
полученным для альбита (обр. 1). Пластинка также испытывалась в контрольных
(абиогенных) условиях. Эти опыты ставили своей задачей исследование выщелоченной
поверхности образца. Наблюдения выполнены под растровым электронным микроскопом.
Вид поверхности пластинок под растровым микроскопом после
абиогенного и биогенного опытов показан на рис. 17. В первом случае наблюдается
мало измененная, почти исходная поверхность образца альбитизированного микроклина.
На ней видны слегка корродированные границы между отдельными кристаллитами.
Вид пластинок после деятельности бактерий сильно изменился - вся их поверхность
покрыта ажурным агрегатом, состоящим из шаров диаметром около 0,002-0,005
мм, сочлененных друг с другом. При этом видна многоярусность (объемность)
образованной "конструкции". Качественное исследование шаров с помощью
рентгеноспектрального анализа обнаружило в их составе кремний, алюминий, калий,
натрий и кальций, т.е. все элементы полевых шпатов.
Опыты с пластинками полевых шпатов примечательны тем, что
удалось увидеть продукты бактериального разрушения алюмосиликатов - совместно
скоагулированные гидрогели кремния и алюминия, видимо, аллофаноидной природы,
сорбировавшие щелочи и щелочные земли. Эти опыты показали неполноту сведений
об интенсивности бактериальной деструкции алюмосиликатов, получаемых с помощью
учета результатов химического изучения формирующихся растворов. Большое количество
деструктированного SiO2 (и Al2O3) оседает
на поверхности частиц минерала. Очевидно, полную картину разрушения можно
выявить только количественным фазовым анализом твердого остатка.
![](http://images.geo.web.ru/pubd/2001/11/23/0001161842/image51.jpg)
(а)
(б)
![](http://images.geo.web.ru/pubd/2001/11/23/0001161842/image53.jpg)
(в) |
Рис. 17. Вид пластинки альбитизированного
микроклина: а - после холостого опыта, б, в - после бактериального выщелачивания |
Выщелачивание других силикатов. В следующих опытах
исследовался характер биовыщелачивания породообразующих силикатов и алюмосиликатов
островной, ленточно-цепочечной и слоистой структур. Менее традиционен таумасит.
Минералы в этих опытах специально не изучались. Использованы ставшие в ряде
случаев эталонами музейные образцы, а диагностические уточнения проведены
иммерсионным и рентгеновским методом. Полученные результаты приведены в табл.
55
Первую серию образцов составил ряд дистен-андалузит-силлиманит,
в котором при одинаковом содержании SiO2 переменна координационная
позиция алюминия. Как и следовало ожидать, интенсивность выщелачивания возрастала
от дистена к силлиманиту пропорционально изменению координационного числа
алюминия от 6 до 4. Как и прежде, структура силикатов с тетраэдрическим алюминием
силикатными бактериями разрушена сильнее.
Среди слоистых силикатов и алюмосиликатов наиболее разлагаемыми
оказались алюмосиликаты. Интенсивность биовыщелачивания наиболее высокая у
шамозита и глауконита, кристаллическая структура которых мало совершенна,
химический состав переменен и, как правило, нестехиометричен. Наиболее устойчив
в процессе бактериальной деструкции оказался тальк, слоистая структура которого,
особенно тетраэдрические безглиноземистые сетки, наиболее идеальна, а магний
не замещен ни алюминием, ни железом* .
Таблица 55
Результаты биовыщелачивания островных, цепочечных и слоистых
силикатов в течение 15 недель
Минерал и его формула |
Место отбора образца |
Структур-ные осо-бенности, координа- |
Содер-жание SiO2 в |
Количество выщелочен-ного SiO2 |
|
|
ционное число алю-миния |
1 г, мг |
мг/г |
% от содер-жания |
Дистен Al2[SiO4]O |
Таганай, Урал |
Субцепо-чечный, 6 |
370 |
27 |
7 |
Андалузит Al2[SiO4]O |
Семиз-Бугу, Казахстан |
Субслоис-тый, 6 и 5 |
370 |
32 |
8 |
Силлиманит Al[AlSiO6] |
Не известно |
Ленточ-ный, 6 и 4 |
370 |
40 |
11 |
Таумасит*
Ca3[Si(OH)6][SO4][CO3].9H2O |
Кодинский массив, Якутия |
Цепочеч-ный (Al от-сутствует), Si=6 |
100 |
50 |
50 |
Шамозит e4(Fe,Al)2(Si,Al)2Si2O10].(OH)8 |
Висловское место-рождение, КМА |
6 и 4 |
250 |
90 |
35 |
Глауконит K0,8(Fe1,43+Mg0,5Al0,1). (OH)2[Al0,3Si3,7O10] |
Бахчисарай, Крым |
6 и 4 |
500 |
80 |
16 |
Мусковит KAl2(OH)2[AlSi3O10] |
Мамское месторож-дение Иркутской области |
6 и 4 |
460 |
54 |
12 |
Каолинит Al4(OH)8[Si4O10] |
Просяновское мес-торождение Днепро-петровской области |
6 |
460 |
54 |
12 |
Монтмориллонит
Al2(OH)2[Si4O10].2H2O |
Аскани, Грузия |
6 |
600 |
52 |
9 |
Тальк Mg3(OH)2[Si4O10] |
Афганистан |
|
620 |
28 |
4 |
*Длительность опыта четыре недели.
Особый интерес представляет деструкция с помощью бактерий таумасита, в составе которого при полном отсутствии алюминия кремний шестикоординационный. Силикатный мотив структуры таумасита, подобно гидрогелям кремниевой кислоты (Мицюк, Горогоцкая, 1980), характеризуется удлиненными и существенно ослабленными связями Si-OH. В условиях деструктирующего действия на минерал водных, особенно близнейтральных растворов, эти связи, очевидно, остаются химически инертными. Абиогенное разрушение таумасита должно происходить в сильно кислых средах, при действии водородных ионов на связи Ca-O-S и Ca-O-C, характеризующих сульфатный и карбонатный мотивы структуры этого минерала.
Через четыре недели бактериального выщелачивания таумасит был разрушен почти полностью. Об этом свидетельствовало быстрое уменьшение количества исходной пробы и активное развитие бактерий. Опыт был остановлен. В накопленном фильтрате оказалось 50% SiO2, содержащегося в минерале перед экспериментом. Таким образом, в данном случае решающую роль в разрушении силиката играли его структурные особенности.
Для экспериментов было подготовлено пять образцов
-кварца, охарактеризованных в табл. 56. Среди них три образца представляют крупнокристаллический кварц, один из которых (обр. 3) окрашен в дымчатый цвет, имеет повышенное количество алюминия и компенсирующих отрицательный заряд на тетраэдре AlO4 калия и натрия (центры O-Al), а два другие (обр. 1, 2) - горный хрусталь; остальные образцы (4, 5) - типичный халцедон. Для сравнения один эксперимент поставлен с рентгеноаморфным опалом.
За основу структурной характеристики кварца принята степень его кристалличности (размер микроблоков - кристаллитов и их однородность по размеру), которая оценена через индекс кристалличности (К), определенный методом ИКС по интенсивности дублета полос поглощения в области 800-780 см-1 (Плюснина, 1978). Исследованные образцы ранжировались в ряду понижения К следующим образом: 1(10)-2(9)-3(7)-4 и 5(5). Линейный размер кристаллитов у первых трех проб составлял около 4-5 мкм, у двух других находился в пределе 1,0-0,1 мкм.
Предполагалось, что более мелкозернистый кварц, характеризующийся большой площадью взаимных контактов слагающих его кристаллитов, обеспечивающей высокую степень их химического взаимодействия, а также концентрирующей на контактной поверхности активные "концевые" группы структуры (Si-OH, Si-O-Men+, Men+-OH и др.), дислокации и дефекты, должен выщелачиваться интенсивнее. В связи с возрастанием адсорбционной и химической активности поверхности тонкодисперсного минерала "атака" на него со стороны деструктатора (воды, ионов H+ и ОН-
, других анионов раствора и микроорганизмов) становится более результативной. В связи с этим для кварца ожидалось совпадение показанного выше ряда кристалличности этого минерала с рядом выщелачивания SiO2.
Таблица 56
Результаты биовыщелачивания кварца в течение четырех недель
N обр. |
Общая характе-ристика образца. Месторождение |
Плот-ность
(
0,005) |
Показатель преломления |
Содержание примесей, % |
Индекс крис-талличности. Структурная упорядочен-ность |
Коли-чество выще-лочен-ного SiO2
(% от содер-жания) |
|
|
|
ne |
no |
|
|
|
1 |
Горный хрусталь |
2,645 |
1,553 |
1,544 |
CaO, Fe2O3, (0,18-0,20) |
10,9 |
0,8 |
2 |
Крупноблочный, бесцветный, полупрозрачный. Ахалцихе, Грузия |
2,625 |
1,553 |
1,543 |
Al2O3 (0,08-0,10); K2O и Na2O (0,04-0,07) |
Крупные кристаллиты, структурно упорядочен-ные |
0,7 |
3 |
Дымчатые, прозрачные, дипирамидальные кристаллы. Тырныауз |
2,615 |
1,552 |
1,542 |
Al2O3 (1,4), K2O (0,9) и Na2O (0,25) |
7
Сравнительно крупные, упо-рядоченные кристаллиты |
1,4 |
4 |
Зернистый, слабо фиолетовый хал-цедон. Ахалцихе, Грузия |
2,605 |
1,537 |
1,532 |
|
5 |
0,9 |
5 |
Зернистый, серый халцедон, Ступино Московской области |
2,505 |
nср. около 1,539 |
Заметно уве-личено содер-жание слабо связанной воды (0,25-0,30) |
Весьма мел-кие слабо упорядочен-ные кристал-литы |
1,0 |
Опыты по бактериальному выщелачиванию кварца проводились
четыре недели. В абиогенном растворе за это время все образцы разлагались
очень слабо и однотипно. На рис.18 показаны графики накопления SiO2
в культуральном растворе. Обращает на себя внимание сохранение высокой скорости
процесса в конце экспериментального времени.
![](http://images.geo.web.ru/pubd/2001/11/23/0001161842/image54.gif) |
Рис.18. Графики бактериального
выщелачивания SiO2 из образцов кварца разной кристалличности.
Номера графиков соответствуют номерам образцов (см. табл. 55) |
Наибольшей интенсивностью бактериальной деструкции обладает
обр. 3 - кварц высокой степени кристалличности, затем следуют пробы халцедона,
а за ними - горный хрусталь с наиболее совершенной структурой в изученном
ряду. Таким образом, "нарушителем" ряда оказался кварц, хотя и достаточно
кристалличный (К=7), но содержащий структурные дефекты, обязанные замещению
Si-Al в тетраэдре. На опале силикатные бактерии не развивались - минерал практически
не выщелачивается.
Полученные результаты позволили сделать следующие выводы:
1) с помощью силикатных бактерий кварц разрушается даже в нейтральном растворе;
2) наиболее интенсивно выщелачивается кварц с примесными дефектами - тетраэдрическим
алюминием; 3) для интенсивности изученного процесса более благоприятна низкая
степень кристалличности образцов; 4) аморфные разновидности SiO2
с высокой энтропийной сорбцией бактерии не разрушали.
Известно (Диков и др., 1979; Матвеева, 1974; Мицюк, Горогоцкая,
1980), что наиболее прочными связями в силикатах и кварце являются ковалентные
связи Si-O-Si кремнекислородного тетраэдра. Мостиковый кислород вследствие
максимального использования обоих неподеленных пар электронов в 3sp3-
и 3d орбиталях кремния и частичной двоесвязанности делает кремнекислородный
тетраэдр в структуре кварца и силикатов весьма устойчивым и химически инертным.
При замене Si4+ на Al3+ мостиковый кислород поставляет
для связи с алюминием лишь одну неподеленную пару электронов. В результате
на кислороде возникают делокализованные электроны, создающие на тетраэдре
AlO4 избыток отрицательного заряда. Связь Al-O по сравнению с Si-O
становится более удлиненной и ослабленной. По самым простым расчетам ее прочность
уменьшается в 1,5-1,7 раза, а степень ковалентности снижается с 60 до 40%
(Волькенштейн, 1981).
Наиболее активный деструктор алюмосиликатов - ион Н+,
обладающий электроноакцепторным свойством и огромной способностью проникать
в электронную сферу мостикового кислорода с образованием связей Al-OH-Si,
которые дополнительно удлиняются и ослабляются. Вслед за водородным ионом
в "атаку" на структуру кварца вовлекаются также ионы Н3O+
и OH-, увеличивающие координацию кремния и алюминия и совершающие
полный разрыв мостиковых связей. Конечными продуктами разрыва являются гидраты
Si(OH)4 и Al(OH)3.
Таким образом, прочность кварца связана прежде всего со степенью
его структурного совершенства - чем меньше ослабленных Si-О-Al связей, т.е.
дефектных тетраэдров, тем труднее разрушается минерал. Степень кристалличности
кварца в процессе деструкции отодвигается на второй план. При этом, хотя в
абиогенном и биогенном вариантах разрушения минерала действуют общие принципы
и закономерности, бактериальный фактор, способствуя более интенсивному развитию
процесса, осуществляет его даже в малоблагоприятных для абиогенной системы
близнейтральных условиях. Силикатные бактерии развиваются лишь на кристаллическом
минеральном субстрате.
В последнее время с помощью ЭПР-спектроскопии удалось определить
в уже исследованном кварце содержание дефектов, связанных с изоморфной примесью
Al по Si в тетраэдрической позиции (лаборатория ЭПР-спектроскопии кафедры
минералогии МГУ). Полученный ряд увеличения количества дефектов оказался следующим
(в скобках показана концентрация дефектов в виде количестваатом (ат.) Al на
106 ат. Si): обр. 2 (19) - обр.1 (24) - обр.4 (126) - обр.5 (147)
- обр.3 (194) и полностью совпал с рядом увеличения степени бактериального
выщелачивания проб.
Таким образом, контроль за биовыщелачиванием кварца следует
вести, опираясь на данные по концентрации в минерале Al-дефектов.
Обсуждение результатов. Проведенная экспериментальная
работа по длительному выщелачиванию кварца и некоторых силикатов с помощью
силикатных бактерий показала высокую интенсивность этого процесса, намного
превышающую скорость и интенсивность разрушения исследованных минералов в
абиогенном водном растворе с рН 5-7.
Получены следующие ряды снижения устойчивости кварца, силикатов
и алюмосиликатов при биогенном выщелачивании (в скобках отмечены относительные
индексы устойчивости; индекс 10 имеет наиболее, а индекс 1 - наименее устойчивый
минерал в данном ряду): горный хрусталь (10-9) - халцедон (7-6) - кварц с
Al-O-центрами (1); альбит упорядоченный (10) - альбит разупорядоченный (8,5)
- лабрадор (7) - анортит (1); дистен (10) - андалузит (8) - силлиманит (1);
тальк (10) - монтмориллонит (9) - каолинит (8) - мусковит (8) - глауконит
(6) - шамозит (1).
В показанных рядах деструкция (разрушение) минералов усиливается
с увеличением роли в их кристаллических структурах четырехкоординационного
алюминия, т.е. с ослаблением связи мостикового кислорода в кремнекислородных
тетраэдрах. Для кислых плагиоклазов наметилось определенное (усиливающее)
значение разупорядоченного состояния при биовыщелачивании. Благоприятными
для процесса бактериальной деструкции минералов являются дефекты (электронно-дырочные)
центры, изоморфные замещения в катионной части минералов, общие несовершенства
кристаллической структуры последних.
Особенно интересны результаты биовыщелачивания пластинок
полевых шпатов и наблюдение на их выщелоченной поверхности накопления аллофаноидных
продуктов разрушения алюмосиликатов. Эти данные говорят о некорректности использования
в качестве критерия разрушения минералов количества перешедшего в раствор
минерального вещества. Они ставят также ряд новых проблем в развивающейся
биотехнологии силикатного сырья.
Полученные результаты выдвигают вопрос о причинах и механизме
деструкции силикатов микроорганизмами. Ни один из компонентов силикатов и
алюмосиликатов практически не усваивается силикатными бактериями (Александрова,
Зак, 1950; Аристовская, 1980), а развитие живых гетеротрофных клеток на силикатном
субстрате происходит так же успешно, как на органической основе. На основании
изложенного складывается такое представление - процесс разрушения минералов
силикатными бактериями интенсифицируется, несомненно, ферментативно (энзиматически)
и по аналогии с другими микроорганизмами (например, тионовыми бактериями)
является так же жизнеобеспечивающими.
Как отмечалось, в кислых абиогенных растворах находящиеся
в избытке ионы водорода, обладающие высокой электроноакцепторной способностью,
легко проникают в участки кристаллической структуры алюмосиликатов с избыточным
ЭП, в места структуры с делокализованными электронами. В результате протонизация
мостикового кислорода в ковалентной связи Si-O-Al и образование новой ковалентной,
но уже ослабленной связи Si-OH-Al становится активным началом дальнейших "атак"
со стороны компонентов воды на минерал.
В случае бактериальной системы разрушение алюмосиликатов
начинается также с наиболее уязвимых в их структуре алюминиевых тетраэдров,
с участков, которые обеспечивают легкость электронных переходов, т.е. разрушение
ковалентных связей в силикатной структуре. Совершается этот процесс, очевидно,
не в результате гидролизации связей, так как с его развитием величина рН раствора
снижается (с 7 до 5), а благодаря действию окислительно-восстановительных
ферментов бактериальных клеток с целью их жизнеобеспечения.
Силикатные бактерии пока изучены слабо. Будучи гетеротрофами,
они активно развиваются на органических (углеводных) соединениях - сахарозе,
глюкозе и др., разрушая их до CO2 и H2O. Последний процесс
в соответствии с современным представлением об энергетике живой клетки является
биохимическим (электрохимическим) окислением (Волькенштейн, 1981). Примером
его осуществления может служить окисление отдельного функционального фрагмента
углеводов, которое с позиций современной биохимии описывается следующей электрохимической
реакцией окисления (Майрановский, 1975; Страдынь, Гиллер, 1975): -CH2-CH2-
-CH=CH- + -2 +2Н.
Электроны этой реакции, высвобождающиеся при перестройке химических связей,
поступают в систему окислителя (кислород, живая клетка) и расходуются на синтез
биомассы микроорганизма, совершаемый в форме восстановительного процесса.
При отсутствии органического "питания" силикатные
бактерии существуют и размножаются на кристаллических силикатах (кварце, нефелине,
полевых шпатах и т.д.). Пока трудно описать достаточно точно процесс их жизнеобеспечения
за счет разрушения структур силикатов, но кажется, что фундаментальную основу
развития живой клетки и в этом случае составляет процесс биохимического окисления
неорганического субстрата, который, определяя энергетический и конструктивный
метаболизм клетки, протекает с участием транспорта электронов с более низкопотенциальной
системы (силикаты или углеводы) на более высокопотенциальную (органические
структуры самого микроорганизма). Подобные представления все более уверенно
внедряются в микробиологию со стороны современной биофизики (Волькенштейн,
1981) и уже нашли свое развитие при рассмотрении жизнеобеспечения тионовых
бактерий, деструктирующих сульфиды.
При указанном подходе к проблеме следует признать, что начало
разрушения силикатов связано с прямым ферментативным взаимодействием клетки
на частицу, захваченную в имеющуюся у нее слизистую капсулу, т. е. в условиях
прямого контакта минерала с микроорганизмом. В образующейся системе и осуществляется
сложнейший процесс разрушения электронной структуры силиката, чему благоприятствуют
различные дефекты последней, в первую очередь заселение кислородных тетраэдров
алюминием, приводящее к ослаблению ковалентных связей в тетраэдрах. Несомненно,
"в атаку" на минерал подключаются и компоненты водного раствора,
прежде всего ионы-гидролизаторы ОН-, Н+ и Н3О+.
Высказанная идея требует приложения определенных усилий для
выполнения исследований, которые будут способствовать полному раскрытию сущности
процессов, совершающихся на контакте живой и неживой материи.
Проблема, связанная с выяснением роли живого вещества (микроорганизмов)
в деструкции силикатов, приобретает особо актуальное значение, как прямо соотносящаяся
с вопросами формирования кор выветривания горных пород и с развитием нового
направления в технологии силикатного сырья, рассчитанного на использование
бактерий в обогащении и извлечении полезных компонентов. Важнейшим минералогическим
аспектом этой проблемы становится определение значения конституции породообразующих
минералов в их разрушении с помощью микроорганизмов.
|