Образование полезных ископаемых с помощью бактерий

Ископаемые бактерии и их роль в природе {

Regnum BACTERIA (греч. bacterion — палочка) Бактерии представляют собой микроорганизмы, размер которых обычно около 1 -5 мкм. В океанах рядом с «чёрными» и «белыми» курильщиками обнаружены гигантские бактерии размером до 1 см. Достоверные находки бактерий известны из кремнистых пород возрастом около 3, 5 млрд лет. Проблематичные находки датируются с уровня 3, 8 млрд лет.

В последнее десятилетие интенсивно развивается новая область палеонтологии – наука об ископаемых бактериях. Оказалось, что в камне сохраняются не только останки крупных скелетов динозавров или моллюсков, но и разнообразные остатки микроорганизмов. Именно эти находки рассказывают нам о самых ранних проявлениях земной жизни, о том, какой была наша планета два миллиарда лет назад.

О том, что микроорганизмы, и прежде всего археи и бактерии, играют огромную роль в геологических процессах, ученые догадывались давно. Не вызывало сомнений огромное значение микроорганизмов в процессах выветривания (разрушения) горных пород, в формировании месторождений полезных ископаемых, разрушении нефтей, переотложении некоторых пород и полезных ископаемых и т. д. Последние 15 -20 лет можно считать временем, весьма значимым для начала осознания многих эволюционных, седиментологических и биосферных вопросов в связи с развитием геомикробиологии, т. е. науки о взаимодействии микроорганизмов с различными материалами, включая горные породы (Banfiеld, Nealson, 1997), интенсивным изучением цианобактериальных матов (Заварзин, 1994) и более простых биопленок и, наконец, становлением бактериальной палеонтологии (Розанов, Заварзин, 1997). Именно в процессе бактериально-палеонтологических исследований стало ясно, что микроорганизмы, и особенно бактерии, очень часто прекрасно фоссилизируются и великолепно сохраняются в ископаемом состоянии. Начало было положено Т. С. Баргхурном, его коллегами и учениками (Barghoorn, Tylor, 1965; Sсhopf, 1983), но долгое время считалось, что перкрасная сохранность характерна для микроорганизмов только в кремнистых породах.

Рис. 1. Современные (а) и раннекембрийские (б) цианобактерии.

Биоплёнка — множество (конгломерат) микроорганизмов, расположенных на какой-либо поверхности, клетки которых прикреплены друг к другу. Обычно клетки погружены в выделяемое ими внеклеточное полимерное вещество (внеклеточный матрикс) — слизь. Развитие биоплёнки, а иногда и саму биоплёнку также называют биообрастанием. Термин «биоплёнка» определяется по-разному, но в целом можно сказать, что биоплёнка — обладающее пространственной и метаболической структурой сообщество (колония) микроорганизмов, расположенных на поверхности раздела сред. и погружённых во внеклеточный полимерный матрикс. Обычно биоплёнки образуются в контакте с жидкостями при наличии необходимых для роста веществ. Поверхность, к которой прикреплена биоплёнка, может быть как неживой (камни), так и поверхностью живого организма (стенки кишечника, зубы). Считается, что 95 -99% всех микроорганизмов в естественной среде существует в виде биоплёнки.

Что же касается более просто устроенных биопленок, то они распространены повсеместно, прежде всего на всех поверхностях и особенно там, где имеется любая степень смачиваемости. Их толщина может измеряться всего лишь первыми десятками нанометров. Основная масса биопленок состоит из полисахаридов, продуцируемых отдельными клетками обычно микронной размерности, но нередко и размером в первые сотни нанометров (так называемые нанобактерии) (Falk and Lynch, 1997). При этом фоссилизация тончайших биопленок тоже происходит стремительно, и они также могут хорошо сохраняться в ископаемом состоянии (рис. 2).

Рис. 2. Современные (а) и ископаемые (б) биопленки. Толщина биопленок несколько десятков нанометров.

Значение бактерий при формировании минералов и пород обсуждалось неоднократно и породило множество интереснейших результатов. Более 20 лет назад Г. Ловенштам и С. Вейнер (Lowenstam, Weiner, 1989) указали в своей сводке около 20 минералов, образующихся при активном участии бактерий. Это могут быть образования внутри клеток, такие как магнетит или сульфиды железа у магнетотактических бактерий (Kirshvink et al. , 1985; Devouagard et al. , 1998; Posfai et al. , 1998 ), в чехлах, как фосфатные и другие минералы (Герасименко и др. , 1999; Zhegallo et al. , 2000), а иногда одновременно и внутри, и снаружи клетки (Westall et al. , 1995), проходя через оболочку, как в случае с марганцевыми минералами (Tebo et al. , 1997). Несомненно, что маты и биопленки могут служить фильтром и таким образом накапливать те или иные элементы (Жмур и др. , 1994). Несомненна также роль гликокаликса (или полисахаридов в пленках) как катализатора. Сегодня описано уже более 100 минералов, образование которых может быть связано с деятельностью бактерий (Tazaki et al. , 1997; Banfield and Nealson, 1997; American Mineralogist, 1998; Fortin et al. , 1998; Герасименко и др. , 1999). Особенно интересно обнаружение среди них кварца, кристобалита, барита, полевого шпата, слоистых силикатов (глинистых минералов), многочисленных минералов железа и марганца, доломита (Vasconcelos et al. , 1995) и даже форстерита (Gorbushina et al. , 2001). Результаты изучения ископаемых бактерий показывают, что минералообразование под влиянием бактерий или с их участием – процесс, который происходил на Земле всегда (Бактериальная палеонтология, 2002; Ponomarenko, 2002; Rozanov, 2002; Simakova, 2002).

Естественен, однако, вопрос: почему, зная все это, седиментологи (специалисты, занимающиеся изучением закономерности осадкообразования) мало уделяли внимания роли микроорганизмов? Здесь две основные причины. Первая — это то, что только в последнее время после внедрения сканирующего электронного микроскопа и выяснения практически мгновенной скорости окаменения бактерий стали доступны их непосредственные наблюдения. А вторая причина состоит в том, что актуалистические модели седиментации (процесса осадкообразования) не могут в полной мере объяснить закономерности седиментации прошлого. Дело в том, что сегодняшнее обилие суши с резкими контрастными глубинами океанов и высотой гор (высокое стояние материков) является достаточно уникальным в истории Земли. Гораздо чаще материки в значительной мере были покрыты морями, аналогов которых по своим параметрам практически сегодня нет. Эти бассейны у геологов называются эпиконтинентальными. Точно так же до определенного времени, вероятно, не было столь глубоких огромных океанов. Особенно не схожая с современностью картина была в палеозое (кембрий, ордовик, силур, девон, карбон и пермь). На палеогеографических картах можно хорошо видеть, сколь обширные участки современных континентов были заняты морями.

Теперь кратко остановимся на специфике эпиконтинентальных бассейнов прошлого. Прежде всего отметим, что их аналогов бассейнов в настощее время практически нет. Это были огромные по площади мелководные бассены, занимавшие часто большую часть кратонов (рис. 3). Дно этих бассейнов находилось преимущественно в пределах фотической зоны. Это приводило к тому, что вся водная масса и донные осадки были буквально напичканы бактериями или, точнее, микроорганизмами. В отличие от эпиконтинентальных морей, современные океанические бассейны имеют насыщенный бактериальный мир только в приповерхностном и придонном слоях. Насыщенность воды и осадка микроорганизмами и полисахаридами способствовала сохранению в ископаемом состоянии следов ряби и деликатных по строению организмов.

Рис. 3. Распределение эпиконтиненталь ных бассейнов в раннем кембрии (а), раннем ордовике (б) и позднем девоне (в) по Розанову, 1999. Обозначения: 1 – суша, 2 – море.

Основной вывод из всех работ таков: бактерии и биопленки сохраняются очень хорошо в ископаемом состоянии, они присутствуют во всех осадочных породах, поскольку очень быстро фоссилизируются (обычно всего за несколько часов). Такое положение вещей вполне соответствует тому, что сегодня бактерии встречаются везде, в любых средах и на любых поверхностях, и без их участия не обходится ни выветривание, ни перенос материала, ни седиментация, ни диагенез осадков.

Важнейшие функции бактерий Бактерии —преобразователи биомассы. Мёртвые организмы как растительного, так и животного происхождения подвергаются усердной обработке бактериями, которые превращают мёртвые клетки организмов в почву и удобрения, таким образом поддерживая «круговорот биомассы» в природе. Бактерии — поглотители азота. Только бактериям под силу ассимилировать азот, который затем поступает в качестве удобрения в почву. Бактерии — поставщики кислорода и углекислого газа. Бактерии постоянно пополняют атмосферу Земли кислородом. Бактерии — создатели полезных ископаемых. Многие полезные ископаемые создаются веками и тысячелетиями из биомассы при участии воздуха, воды, почв и бактерий.

Благодарю за внимание

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.