Микробиологическое разрушение горных пород и минералов

Исследования В.И. Вернадского, Б.Б. Полынова и их последователей убедительно раскрыли значение биологических факторов в протекающем на поверхности земной коры процессе выветривания горных пород. Как известно, интенсивность выщелачивания химических элементов из горных пород и минералов неравномерна и зависит от свойств элементов.

 

Согласно накопленным к настоящему времени данным, биологические процессы по масштабности и глубине осуществляемых реакций занимают ведущее положение в процессах выветривания - превращениях элементов в земной коре, в разрушении первичных минералов и горных пород. Многочисленные исследования в самых разных регионах Земли показали, что в естественных условиях все горные породы и минералы (причем не только на поверхности Земли, но и на значительной (до нескольких километров), глубине, в подповерхностных слоях населены разнообразными микроорганизмами, которые при возникновении благоприятных условий разрушают их с выщелачиванием отдельных элементов.

Разрушение горных пород и минералов может идти под влиянием как прямого, так и косвенного воздействия микроорганизмов и продуктов их жизнедеятельности. Известно несколько механизмов такого воздействия - непосредственное окисление переменно-валентных элементов, действие биогенных кислот и щелочей, хелатообразование и биосорбция.

Переменно-валентные элементы, которые находятся в минералах и горных породах в восстановленном состоянии, способны служить источником энергии для автотрофных бактерий, переходя в окисленную форму. Среди различных групп минералов эти бактерии наиболее легко окисляют сульфиды. В результате окислительной деятельности бактерий двухвалентная сера сульфидов переходит в шестивалентную форму сульфатов, из которых затем возникают разнообразные вторичные сульфатные минералы, характерные для многих почв.

Кроме серы, источником энергии для автотрофных бактерий служат Fe, Мп, Sb, Си, Mo, U и некоторые другие элементы. В процессе биологического выветривания содержащие данные элементы минералы разрушаются, превращаясь в иные минералы, присутствующие в почве.

Кислотность (щелочность) определяется органическими и минеральными кислотами и щелочами биологического происхождения и также является одним из ведущих факторов преобразования минералов и первичного почвообразования. Способностью к продуцированию кислот и щелочей обладают все микроорганизмы, но наиболее активны автотрофные бактерии
и микроскопические грибы. Автотрофные бактерии-нитри- фикаторы образуют азотную и азотистую кислоты, серные бактерии - серную и сернистую кислоты.

Многие бактерии выделяют сероводород, а микроорга- низмы-аммонификаторы образуют аммиак, которые выступают в роли активных геохимических агентов. Микроскопические грибы продуцируют органические кислоты: уксусную, щавелевую, янтарную, лимонную и другие, под действием которых разрушаются горные породы и минералы. Микроскопические грибы - один из основных компонентов лишайников- пионеров при заселении горных пород.

В биологическом выветривании важно хелатообразование. Металлоорганические комплексы образуются и действуют одновременно с биогенными кислотами, щелочами и другими микробными метаболитами. Считается, что хелатообразование является основным механизмом деградации горных пород и минералов при развитии гетеротрофных микроорганизмов.

Биосорбция - еще один путь воздействия микроорганизмов на химические элементы в природных средах, что отмечал еще В.И. Вернадский. Многие бактерии и микроскопические грибы накапливают различные элементы в своей биомассе, концентрируют элементы в местах массового развития или скопления этих организмов. В основе биосорбции лежит взаимодействие химических элементов с поверхностными структурами клеток микроорганизмов, микробными метаболитами. Биосорбция некоторых металлов (Au, U, Си, Cd) микроорганизмами применяется в современной биогеотехнологии. Установлено активное участие микроорганизмов в деградации (выветривании) минералов всех основных групп - силикатов и алюмосиликатов, сульфидов и их аналогов, арсенатов и их аналогов, оксидов и гидроксидов.

Разные микроорганизмы, относящиеся к различным систематическим группам, участвуют также в деградации основных алюмосиликатов, способствуя выносу катионов металлов и разрушению силоксанной и алюмокислородной связи, лежащих в основе их кристаллической структуры. При этом один из главных механизмов действия микроорганизмов — окисление ими элементов с переменной валентностью, входящих в состав силикатных горных пород и минералов.

Окисление или восстановление элементов с переменной валентностью могут осуществляться как автотрофными, так и гетеротрофными микроорганизмами. Усиление микробиологической активности в почве давно используется человеком в сельском хозяйстве: большинство агротехнических приемов (вспашка, внесение органических удобрений и пр.) направлено на повышение скорости биологического круговорота химических элементов и увеличение их доступности сельскохозяйственным растениям. Осушение торфяников, компостирование, силосование кормов и прочее также способствуют ускорению микробиологического использования химических элементов.