Основы минералогии гипергенеза

Смектитовые минералы (монтмориллонит, нонтронит и др.) слагают многие гипергенные образования, входят в состав глин, почв, кор выветривания, бокситов, особенно осадочного типа, обогащенного глинистым веществом. В своем составе они фиксируют до 50% SiO₂, до 20% Al₂O₃ и до 20% H₂O. В процессе выветривания пород эти силикаты нередко являются промежуточными продуктами, в дальнейшем (прежде всего при изменении щелочности-кислотности среды) замещающимися минералами кремнезема (опалом, кристобалитом, кварцем), бемитом или гиббситом, гидроксидами железа.

Природное разрушение смектитовых минералов совершается в кислых растворах путем гидролизации связей Si и Al с кислородом. При этом особо уязвим мостиковый кислород, содержащий кремнекислородный и алюмокислородный тетраэдры в тетраэдрических сетках смектитовой структуры. Деструктирование смектита можно также представить в виде процесса окисления его электронной структуры в условиях кислотно-основного или донорно-акцепторного взаимодействия минерала с кислым раствором - акцептором электронов, в котором он выступает в роли основания или донора электронов. При этом чем выше электрохимический потенциал смектита, т.е. чем выше его кислотные свойства и, следовательно, работа выхода электрона из структуры, тем труднее должен разрушаться (выветриваться) данный смектит (Ракчеев, 1989; Яхонтова, 1987).

В последнее время появились исследования механизма и кинетики окисления структур силикатов (биотита, авгита, роговой обманки и др.) в кислородсодержащих водных растворах при 25^оС, позволяющие рассматривать выветривание силикатов в виде процесса выноса (транспорта) электронов из структуры силиката, расходуемых в растворе на восстановительные реакции. При этом окисляющийся (выветрившийся) минерал оценивается как донор электронов, увеличивающих степень и скорость восстановительных реакций в природных растворах (White, Yee, 1985).

В качестве разрушителей (деструктаторов) смектита, помимо традиционного природного акцептора - иона водорода, - могут действовать бактерии, в частности силикатные. Бактериальное разрушение смектита вызывает большой научный интерес не только при рассмотрении природных процессов, но также в связи с возможностями бактериального обескремнивания (обогащения) высококремнистых (нередко смектитсодержащих) бокситов.

В настоящей работе впервые проведено исследование разрушаемости смектитовых минералов с помощью силикатных бактерий. Для экспериментов использованы четыре образца смектита из месторождения глин Аскани: бентонит (обр. 1), аскангель (обр. 2), Н⁺-монтмориллонит (обр. 5), и Сa-монтмориллонит (обр. 6). Образцы детально изучены химическим (количественные анализы), рентгеновским и электронографическим (размеры элементарных ячеек и блоков когерентного рассеяния рентгеновских лучей, совершенство структуры и фазовое состояние) методами. В табл. 57, где показаны результаты этого излучения, порядок образцов (6, 2, 1, 5), определенный степенью структурного совершенства минералов, совпал с рядом увеличения их электрохимического потенциала, рассчитанного по известной методике с использованием химизма минералов (Ракчеев, 1989) и свидетельствующего об увеличении кислотных свойств и, следовательно, упорности проб в процессе выветривания (разрушения) в полученном ряду.

В числе дополнительных характеристик смектита, способствующих стойкости этого минерала при выветривании, следует отметить: 1) постепенное уменьшение в минералах ряда содержания тетраэдрического Al, определяющего, - как показано выше, - интенсивность выветривания алюмосиликатов; 2) увеличение в пробах смектитового ряда примеси конечных высокоэнтропийных продуктов выветривания - кремнеземных фаз, затрудняющих процесс выветривания; 3) относительное уменьшение в составе смектита К и Са - важнейших жизнеобеспечивающих элементов, что имеет особое значение при выветривании силикатов посредством бактерий; 4) величину размеров блоков когерентного рассеяния (БКР) рентгеновских лучей относительно возрастающую в полученном ряду минералов, что пока остается на заметке.

Как видно, до проведения экспериментов были установлены структурно-кристаллохимические, энергетические и фазовые параметры и состояния проб, которые предопределяли интенсивность их разрушения.

Эксперименты по бактериальному выщелачиванию смектитовых проб проводились в течение трех недель при 25^оС с начальной концентрацией силикатных бактерий 10⁸ кл/мл, адаптированных к кварцу. Бактериальная культура обновлялась еженедельно и поддерживалась в концентрации 10⁸ кл/мл. Органические вещества в раствор не вносились. Исходная величина рН растворов, близкая к 7, в конце недели несколько повышалась (8). Также повышался и окислительный потенциал культурального раствора - от исходных 380 до 390-415 мВ. Состав раствора определяли обычные добавки питательных солей - сульфатов Mg и NH₄, хлорида и фосфата К. Параллельно проводились холостые (контрольные) опыты.

В табл. 58 представлены результаты выщелачивания SiO₂ и Al₂O₃ из образцов смектита. Как видно, полученный ряд выщелачивания детально исследованных смектитовых минералов полностью совпал с ранее выведенными структурно-кристаллохимическими (степень упорядоченности структуры, размер БКР, количество тетраэдрического Al) и "энергетическим" (ЭхП) рядами этих минералов, а также с характером фазового состояния проб.

Полученные результаты свидетельствуют о том, что силикатные бактерии заметно интенсивнее разрушают те минералы смектитовой группы, которые обладают фазовой однородностью и наиболее высокоупорядоченной структурой, содержащей максимальную концентрацию тетраэдрического Al, т.е. являются алюмосиликатами.

Эти данные полностью согласуются с результатами бактериального выщелачивания различных силикатов. Они подтверждают и существенно дополняют сложившуюся научную концепцию, согласно которой взаимоотношение живой бактериальной клетки с частицей минерала

микроорганизма, с минерала-основания (донора электронов)) на микро сводится прежде всего к биохимическому окислению электронной структуры неорганического субстрата (силиката) с транспортом электронов с более низкопотенциальной (анодной) системы (с частицы минерала) на более высокопотенциальную (катодную) систему (органические структуры организм-кислоту (акцептор электронов), т.е. имеет жизнеобеспечивающий смысл. В пользу такого представления говорят и величины электрохимических потенциалов исследованных минералов - наиболее интенсивно разлагающиеся разности смектита (обр. 6, 2) имели наименьшие величины ЭхП (5,17 и 5,26 эВ) и были в большей степени основаниями, т.е. донорами электронов, чем кислотами (акцепторами электронов). Акцепторами электронов во всех случаях были бактерии ("живые" кислоты), осуществляющие с участием приобретенных электронов конструктивный и энергетический метаболизм клетки. Высокая упорядоченность структуры минерала-силиката и наличие в ней тетраэдрического Al составляют благоприятную основу для выщелачивания, в том числе и с участием бактерий, интенсифицирующих этот процесс ферментативно.

Результаты проведенного исследования имеют большое значение также при разработке минералогических аспектов биотехнологии силикатного сырья, в первую очередь в организации бактериального обескремнивания (обогащения) высококремнистых каолинит- и смектитсодержащих бокситов, когда зная минеральный состав этих руд и имея химическую, структурную и "энергетическую" характеристику слагающих их минералов, можно организовать процесс их обогащения с помощью бактерий, а также управлять этим процессом.