Основы минералогии гипергенеза

В такой биокосной системе, как окисленные руды, бедной органическим веществом, широко распространены простейшие одноклеточные микроорганизмы (протисты), обычно представленные ветвью низших протистов или прокаристов. К ним относят так называемые хемолитотрофные бактерии, использующие в своих клеточных процессах энергию преобразования (окисления или восстановления) неорганического минерального вещества.

В зависимости от источников углерода, необходимого для воспроизводства биомассы (конструктивный метаболизм), хемолитотрофы делятся на автотрофы, использующие неорганический углерод, и гетеротрофы, "питающиеся" органикой. На рудных месторождениях шире распространены автотрофы, особо характерные для верхних горизонтов профилей окисленных руд.

Месторождениям сульфидных и серных руд более свойственны бактерии семейства серных или тионовых бактерий, окисляющих серу и соединения серы (сульфиды) и сульфатредуцирующие прокариоты. Их классификация и общая характеристика представлены в табл. 46. Перед кратким обзором табличных данных следует представить некоторые самые общие сведения о бактериях, их строении, способе размножения и условиях жизнедеятельности.

Бактерии принадлежат к одноклеточным микроорганизмам, чаще имеющим форму палочки. В меньшей степени распространены клетки шаровой формы (кокки), нередко собранные в цепи (стрептококки) или в скопления изометрической формы (стафилококки). Некоторые виды бактерий известны в виде запятых или завитков (спириллы и вибрионы).

Размер бактериальных клеток составляет доли микрона или микроны. Вес клетки около 4^.10^-13г, плотность - 1,055г/см³. Химический состав бактерий сложный. Главным компонентом бактериальной клетки является вода (70-85%). В сухом остатке (30-15%) содержатся

органогенные (углерод-50%, кислород-30%, азот до-12%, водород-до 8%) и зольные (натрий, калий, кальций, фосфор, магний, железо и пр. - всего около 10%) элементы, входящие в состав клеткообразующих органических (белки, углеводы, жиры и кислоты) и неорганических (фосфаты, нитраты, сульфаты и др.) соединений. Основа клетки - белки, состоящие из аминокислот. Углеводы и жиры (липиды) служат источником энергии микроорганизма. Их вид и состав зависит не только от типа бактерий, но и роста и условий их развития. Среди органических кислот клетки следует отметить нуклеиновые - дезоксирибонуклеиновую (ДНК) и рибонуклеиновую (РНК) кислоты, играющие первостепенную роль в наследственной информации клетки. Фосфатные соединения, производные адениловой кислоты - аденозинтрифосфат (АТФ), аденозиндифосфат (АДФ), аденозинмонофосфат (АМФ) и др. принадлежат к числу своеобразных запасников (аккумуляторов) энергии, служат высокими акцепторами электронов. Механизм их генерации связан с процессами окисления неорганических веществ, стимулируемый бактериальной клеткой.

Снаружи клетка Thiobacillus имеет жгутики (1-2), размещенные вдоль или поперек удлинения клетки, и реснички. Вместе они образуют аппарат движения клетки. Поверхность клетки покрыта слизистой капсулой, служащей средством захвата и прикрепления к другим особям (образование колоний) и к косному субстрату. Слизистый слой состоит из воды (98%) и органического (полисахаридного) вещества. В слизистую капсулу происходит захват минеральных частиц. В ней, начиная со смачивания минерала слизью капсулы, начинается процесс его окисления. Слизистое вещество обладает высокой ферментативной активностью.

Форму клетки сохраняет клеточная стенка, являющаяся многослойной оболочкой высокой прочности, эластичности и упругости. Клеточная стенка состоит из полимерных белковых и углеводородных комплексов (полипептидов, аминокислот, полисахаридов). Она защищает клетку от механических воздействий, а также от проникновения в нее лишней воды и солей. Синтез вещества клеточной стенки происходит на расположенной под ней еще одной многослойной оболочке клетки - цитоплазменной мембране, толщина которой всего 50-100Å . Цитоплазменная мембрана имеет очень сложное строение и выполняет важнейшие функции, обеспечивающие жизнь клетки. В ней сосредоточены окислительные ферменты, катализаторы, запасники энергии в виде АТФ, АДФ, АМФ, генерация которых (фосфорилирование) осуществляется с участием особых веществ (цитохром или гемопротеидов), представляющих собой соединения кофакторной природы, т.е. содержащие металл переменной валентности, в данном случае железо. Процесс фосфорилирования, представляющий собой синтез высокоэнергетических Fe²⁺-фосфатных связей (АТФ, АДФ и др.), протекает с участием электронов, переносимых через мембрану с помощью цитохром. Согласно современным представлениям транспорт электронов через цитоплазменную мембрану осуществляется в одном направлении, в результате чего возникает довольно высокий мембранный потенциал клетки. С цитоплазменной мембраной связан энергетический метаболизм бактерий.

Наконец, основную часть клетки составляет цитоплазма (протоплазма с диффузным ядром), заключенная в цитоплазменной мембране. В цитоплазме сосредоточен генетический аппарат клетки: здесь протекают процессы, приводящие клетку к делению, совершается конструктивный метаболизм, т.е. биохимические превращения, сопровождаемые накоплением биомассы. Размножение бактерий, происходящее делением, совершается весьма интенсивно: через 20-30 мин количество клеток обычно удваивается. За сутки одна особь дает 60-70 поколений.

Тионовые бактерии, распространенные на рудных месторождениях, принимают участие в окислении соединений с восстановленной формой серы - сульфидов, арсенидов, серы самородной, а также тиосульфатных и сульфитных образований в растворе. Большинство из них - аэробы, живущие в кислородсодержащей среде.

Универсальным микроорганизмом, окисляющим сульфиды, является бактерия Thiobacillus ferrooxidans (рис.8), которая может использовать в качестве энергетического субстрата практически все сульфидные минералы, восстановленные соединения серы (S^o, SO₃^2- и др.) и другие закисные элементы в растворе, в частности железо. Этот микроорганизм был открыт около 50 лет назад в кислой шахтной воде, которая после 2-3 дней стояния на воздухе выделяла ржавый осадок гидроксидов железа. Было доказано, что окисление сульфата закиси железа, содержащегося в шахтной воде, происходит с помощью Thiobacillus ferrooxidans.

В настоящее время хорошо изучена морфология и физиология Th. ferrooxidans. Палочковидные клетки этого организма с одним жгутиком имеют длину до 1-1,5 мкм при ширине 0,4-0,5 мкм. Размножается этот организм путем поперечного деления. Для него характерны небольшие колонии, на которых в растворе обычно возникает янтарно-желтый осадок гидроокислов железа.

Развитие Th. ferrooxidans совершается в сернокислых растворах с оптимальным значением pH 1,5-3. Окислительный потенциал раствора при этом достигает 0,75-0,80 В. Установлен прямой контакт клетки Th. ferrooxidans с минеральным субстратом, частички которого обычно проникают в слизистую капсулу клетки (Пивоварова, 1977). Источником энергии для этого микроорганизма служат процессы окисления почти всех сульфидов, самородной серы и восстановленных форм серы (например, гипосульфита), а также разных закисных металлов в водном растворе. Определено, что повышенное содержание в растворе органических веществ (глюкозы и др.) не оказывает задерживающего действия на развитие Th. ferrooxidans. Также установлено, что клетки этого организма мало проницаемы для некоторых токсичных металлов, например для меди и цинка, и отличаются сравнительно высокой адаптацией к среде. Эта культура не спорообразующая.

Рис. 8. Тиобациллы (электронные микрофотографии):a - Th. thiooxidans (х90000), b - Th. ferrooxidans (х90000), (по: Пивоварова, Головачева, 1985)

В табл. 47 приведены имеющиеся данные по распространенности Th. ferrooxidans в некоторых типах рудных месторождений. Как видно, максимальное количество клеток этого микроорганизма приходится на лучше обследованные медно-колчеданные и колчеданно-полиметаллические руды (в среднем 10⁶-10⁷ кл/г). В полиметаллических месторождениях Сев. Кавказа (Садонская группа) количество Th. ferrooxidans резко снижено до 10-10² кл/г, что, как уже отмечалось, объясняется малой кислотностью рудничных вод, нейтрализованных содержащимися в руде карбонатами.

В медно-никелевых месторождениях Норильского и Кольского районов также установлены очень низкие содержания Th. ferrooxidans (низкие окислительные потенциалы рудничных вод). Основной причиной служат холодные климатические условия. Практическое отсутствие Th. ferrooxidans в золото-арсенопиритовых рудах ряда Казахстанских месторождений (Саяк, Бакырчик и др.), размещенных в сравнительно благоприятной климатической зоне, связано с содержанием в рудничных водах токсичного для Th. ferrooxidans мышьяка (Кулебакин, 1978; и др.).

Два других тионовых микроорганизма - Th. thiooxidans и Th. thioparus - имеют также форму палочек со спиралевидным жгутиком. Оба распространены в большей мере на месторождениях серы, которую

*В ряде проб pH=3-4, Eh=0,6-0,8 и число клеток до 10⁷.

окисляют до серной кислоты. Th. thioparus, помимо серы, окисляет и H₂S. Th. thiooxidans развивается в кислых средах (оптимальная величина pH=2), а Th. thioparus - в нейтрально-щелочных условиях (pH=7-9) со слабым доступом кислорода. С деятельностью этих тиобацилл связывается образование серы в осадочных породах при наличии в них подтока сероводородных (нефтяных) вод. Обследование серных месторождений Гаурдак, Шор-Су и Раздол показало, что в 1 г руды здесь содержится до 10⁴-10⁵ клеток Th. thiooxidans. Во многих рудных месторождениях, особенно медно-колчеданных (Урал), медно-молибденовых (Узбекистан) и полиметаллических (Армения), вместе с Th. ferrooxidans обнаружены высокие концентрации клеток Th. thiooxidans (до 10⁴-10⁶ кл), участвующих в процессах окисления руд (Каравайко и др., 1972; и др.). Величины Eh и pH растворов в этих месторождениях соответственно достигают 0,6 В и 2-3. Культура Th. thioparus в количестве 10-100 кл/мл воды и 10 кл/г руды обнаружена в золото-мышьяковых месторождениях Казахстана (Гольбрайхт, 1970) и медных рудах Коунрада (Ляликова, Соколова, 1965).

Микроорганизм Thiobacillus "у" развивается преимущественно в нейтрально-щелочных условиях на галените, висмутине, антимоните и сере; является строгим автотрофом. Систематические данные по распространенности в рудах и водах месторождений Pb, Sb и Bi отсутствуют.

Очень мало данных имеется о распространенности на месторождениях таких тионовых бактерий, как Thiobacillus organoparus и Leptospirillium ferrooxidans. Th. оrganoparus - короткая, но довольно широкая палочка с поперечно расположенным жгутиком, способная в кислой среде автотрофно развиваться на сере и гетеротрофно на легко усваиваемых органических веществах. Второй отмеченный микроорганизм, представляющий длинную спиралевидную палочку, активно окисляет железистые сульфиды - пирит и марказит. На рис. 9 показана капля рудничной воды пиритизированного угольного месторождения, содержащая. Th. neapolitanus

Открытый Н. В. Ляликовой (1972) микроорганизм Stibiobacter senarmontii в количестве 10³-10⁴ кл/г обнаружен в сурьмяных месторождениях Ср. Азии (Хайдаркан, Кадамжай и др.) и Украины (Никитовка). Развиваясь в умеренно-кислой и нейтральной средах, что характерно для антимонитовых руд, обычно размещенных в карбонатных породах, Stibiobacter senarmontii окисляет Sb³⁺ до Sb⁵⁺, способствуя тем самым образованию в окисленных рудах этих месторождений окислов пятивалентной сурьмы и антимонитов (сервантит, стибиоконит, флайолотит и пр.).

Сульфатредуцирующие бактерии, известные на рудных месторождениях, объединяются в два главных рода - Desulfotomaculum (спорообразующие) и Desulfovibrio (неспорообразующие). Развиваются в условиях низкого окислительного потенциала среды (0,1-0,2 В) в нейтрально-щелочных растворах при наличии органического вещества (вымывание органики с поверхности, из вмещающих пород, поступление с нефтяными водами). Известны на больших глубинах (до 3-4 км). По типу дыхания это анаэробы, использующие углекислый газ и водород. Среди них есть типичные термофилы, выдерживающие температуру до +90^оС. Большинство этих бактерий устойчиво к высокой концентрации в водах солей (до 300 г/л). Главной жизнеобеспечивающей функцией служит стимулирование реакций восстановления сульфатной серы до сероводородной. В результате создаются условия для образования не только сероводорода, но и биогенных сульфидов (пирит, марказит и др.). На рис. 10 показаны клетки культуры Desulfovibrio.

Рис.9.Культура Th. neapolitanus в рудничной воде пиритизированного угольного месторождения (х9000)

Сульфатредуцирующие микроорганизмы установлены в пластовых водах нефтяных месторождений, водах соляных промыслов, илах морских каналов, водах устьев рек, впадающих в моря. Обычно эти воды заражены сероводородом. Число бактерий в них, как правило, составляет 10-10² кл/л.

Роль сульфатредуцирующих бактерий в рудных месторождениях пока до конца не выяснена. Местом, где она должна проявиться, являются слабоаэрируемые участки профиля зоны гипергенеза, отвечающие процессам вторичного сульфидного обогащения. Интерес вызывают данные о содержании сульфатредуцирующих бактерий в водах полиметаллических месторождений Сев. Кавказа (Садон, Уруп и др.), где в 1 мл природного раствора обнаружено до 10⁴ клеток этих бактерий, а также медных (Коунрад и Джезказган) месторождений Казахстана (до 10²-10³ кл), в которых интенсивно развиты процессы вторичного сульфидного обогащения. В обследованных пробах отмечается повышенное содержание сероводорода. Биогенные сульфиды обогащены легким изотопом серы.

Рис. 10. Клетки Desulfovibrio

Теперь обратимся к корам выветривания пород, нередко содержащих и вмещающих сульфидную минерализацию, и к прилегающим к ним почвам. Прежде всего, следует отметить слабую изученность вопросов, касающихся общей характеристики коры выветривания как биокосной системы биосферы и ее подсистемных подразделений, отвечающих различным типам пород. Мало данных о распространенности и жизнеобеспечении в них микроорганизмов, связанных преимущественно с деструкцией силикатного субстрата, со специфическим химизмом растворов, циркулирующих в различных горизонтах профиля коры, с содержанием в них заметно высоких концентраций Si, Al, Mg, аммония, во многих случаях таких "элементов жизни", как K и Na, с наличием Cr, Mn и других конституентов.

Ниже приведены самые общие сведения о микроорганизмах, "населяющих" коры выветривания пород, и еще в меньшей мере данные о почвах с высокой ролью в них специфических биоценозов и трофических взаимодействий макро- и микроорганизмов.

В деструкции силикатных минералов горных пород (полевые шпаты, хлориты, смектиты, каолинит и др.) и кварца и корообразовании участвуют слизистые бациллы Bacil. mucilagenosus (силикатные бактерии или культура Александрова), жизнедеятельность которых протекает в мало минерализованных, практически нейтральных водах. Являясь аэробами, эти бактерии обладают как автотрофным, так и гетеротрофным способом усвоения углерода. При разрушении кварца и силикатов они способствуют переходу Si в раствор в виде органических комплексов и образованию биогенного кварца, опала, аллофаноидов и других гипергенных минералов.

В ожелезненных корах выветривания локально (в участках с ограниченным доступом кислорода и при наличии органики) распространены железобактерии (культура Metallogenium personatum), окисляющие соединения с Mn²⁺ и Fe²⁺ (сидерит), более характерные для заболоченных участков коры.

Экспериментально установлена возможность деструкции серпентинитов и серпентинизированных ультрабазитов с помощью автотрофных - нитрифицирующих бактерий, которые интенсивно выщелачивают Mn и Si (в почти эквивалентных количествах), способствуют миграции Si и подкисляют растворы, снижая их pH с 8 до 5,5. Нитрифицирующие бактерии также окисляют аммоний NH₄⁺, обычно содержащийся в магматических породах в количестве до 100-150 г/т. При этом на первой стадии этого процесса нитробактерии вида Nitrosospirabriensis окисляют NH₄⁺ до нитритов c N³⁺; в последующем культура Nitrobacter winograckji окисляет нитриты до нитратов.

Вызывает интерес обнаружение анаэробной культуры Pseudomonas chromatophila, развивающейся в ультрабазитах за счет восстановления Cr⁶⁺ до Cr³⁺ и переводящей хроматный Cr в состав смектитов (волконскоит) и гидрослюд.

В трещинных зонах кор выветривания, где иногда концентрируются сульфиды (пирит, пирротин, марказит), зафиксированы тионовые бактерии, окисляющие сульфиды и участвующие в формировании контактно-карстовых рудоносных кор нередко с золотом.

В почвах наряду с уже указанными специфическими биоценозами и трофическими взаимодействиями макро- и микроорганизмов в преобразовании минерального вещества активно участвуют многие хемолитоавтотрофные бактерии. Прежде всего это серные (тионовые), окисляющие сульфидные частицы и серу, сульфатредуцирующие (восстанавливающие до H₂S серные воды), нитрифицирующие, преобразующие в ядовитые для животных и человека нитриты и нитраты содержащийся в почвах аммоний (аммиак) и участвующие в круговороте азота, наконец, водородные бактерии, ведущие брожение органических соединений и синтез белка. Для участков с болотистыми почвами характерны также железобактерии è фотосинтезирующие гетеротрофы.