Что изучает геологическая микробиология
Геологическая деятельность микроорганизмов
Бактерии способны осуществлять процессы, приводящие к разрушению или образованию месторождений полезных ископаемых, минералов и горных пород, а также к миграции отдельных элементов. Изучение этих процессов важно для наших теоретических представлений о круговороте элементов на Земле. Кроме того, многие микробиологические процессы имеют значение для добычи полезных ископаемых.
На большую роль микроорганизмов в перемещении, концентрации и рассеянии химических элементов в биосфере указывал В.И.Вернадский.
Благодаря трудам С. И. Виноградского, М. Беиеринка, А. Клюйвера, Ван-Ниля, Б.Л.Исаченко была выяснена роль бактерий в круговороте азота, серы и некоторых других элементов.
В круговороте углерода участвуют разные группы бактерий; в перемещении, концентрации химических элементов в месторождениях полезных ископаемых (таких, как сера или сульфидные руды) основное значение имеют автотрофные бактерии; большую роль в образовании сульфидов на нефтяных месторождениях играют сульфатредуцирующие бактерии.
Бактерии ускоряют образование зоны окисления на сульфидных месторождениях. Окислительные процессы, которые ведут микроорганизмы на серных месторождениях, могут привести к потерям тысяч тонн руды. Образование сероводорода на нефтяных месторождениях вызывает коррозию нефтяного оборудования и портит качество нефти и горючего газа.
МИКРОБИОЛОГИЯ ГЕОЛОГИЧЕСКАЯ — раздел микробиологии, посвященный изучению роли микроорганизмов в круговороте веществ в биосфере, в образовании и разрушении г. п., м-ний полезных ископаемых. Роль отдельных гр. микроорганизмов в геохим. процессах весьма различна: многие геохим. реакции в условиях биосферы практически не происходят без участия микроорганизмов. К таким относится большинство реакций разложения, окисления и брожения орг. веществ, осуществляемых разл. гетеротрофными микроорганизмами; фиксация атмосферного азота;
научная статья по теме ГЕОЛОГИЧЕСКАЯ МИКРОБИОЛОГИЯ Биология
Цена:
Авторы работы:
Научный журнал:
Год выхода:
Текст научной статьи на тему «ГЕОЛОГИЧЕСКАЯ МИКРОБИОЛОГИЯ»
МИКРОБИОЛОГИЯ, 2004, том 73, № 5, с. 581-597
© 2004 г. М. В. Иванов, Г. И. Каравайко
Институт микробиологии им. С.Н. Виноградского РАН, Москва Поступила в редакцию 20.05.2004 г.
1. ИСТОРИЯ ГЕОЛОГИЧЕСКОЙ МИКРОБИОЛОГИИ
В истории развития геологической микробиологии как самостоятельной науки можно выделить три основных направления, каждое из которых доминировало на разных временных отрезках и каждое из которых в большей или меньшей степени будет иметь продолжение.
Принцип элективных сред был по достоинству оценен и современниками С.Н. Виноградского и его многочисленными заочными учениками. Практически сразу вслед за описанием С.Н. Ви-ноградским анаэробных азотфиксаторов и нитри-фикаторов последовали многочисленные открытия других специализированных групп микроор-
ганизмов, а к середине XX века основные группы микроорганизмов, участвующих в круговороте биогенных элементов и металлов, уже были известны микробиологам.
Это направление физиолого-биохимической инвентаризации микробного мира продолжилось и во второй половине века, что привело к открытию новых геохимически значимых микробных процессов, особенно в мире анаэробных организмов. В качестве примера можно указать на расшифровку процессов микробного восстановления железа и марганца при сопряженном анаэробном потреблении органического вещества или водорода, на процессы авто-трофной и гетеротрофной сероредукции, на анаэробное окисление закисного железа в процессе бактериального фотосинтеза.
Однако, несмотря на столетние усилия мирового сообщества микробиологов, изучение физи-олого-биохимических особенностей микроорганизмов далеко от завершения. По самым оптимистическим оценкам мы умеем культивировать (а, следовательно, и иметь возможность детально исследовать) не более 10% микроорганизмов, обитающих в биосфере. Поэтому поиск микроорганизмов с новыми функциями безусловно составляет одну из ключевых задач микробиологии XXI в.
Второе, эколого-географическое направление, активно развивалось советскими микробиологами со второй четверти XX столетия. Уже в предвоенные годы было показано глобальное распространение микроорганизмов во всех наземных, водных и подземных экосистемах. Более того, в таких специфических природных объектах, как подземные воды и анаэробные экосистемы сообщества микроорганизмов оказывались единственными живыми организмами. В лучших работах этого направления исследователи не ограничивались использованием только микробиологических методов. Одновременно с отбором проб для выделения культур микроорганизмов проводилось тщательное исследование физико-химических условий среды и делались попытки количественной оценки активности микроорганизмов in situ.
Так, например, уже в первой книге С.И. Кузнецова «Роль микроорганизмов в круговороте веществ в озерах» [8], опубликованной в 1952 г., мы видим первые попытки системного подхода к
оценке деятельности микроорганизмов в озерах. Речь идет о многочисленных примерах количественных оценок деятельности микроорганизмов, основанных на мониторинге химического состава озерных вод, в частности, на результатах сезонных изменений содержания растворенного кислорода.
Главным итогом работ по эколого-географи-ческому направлению является вывод о том, что из всех живых существ, обитающих на нашей планете, именно микроорганизмы обладают максимальной приспособляемостью к любым неблагоприятным для человека, животных и растений условиям окружающей среды (экстремально высокие и низкие температуры и величины рН, высокое давление и т.д.).
Таким образом, уже к середине 1950-х гг. стало очевидным, что микроорганизмы, обладающие разнообразными ферментными системами и очень легко приспосабливающиеся к изменяющимся условиям окружающей среды, должны играть важную роль в круговороте как органических, так и неорганических соединений в биосфере. Однако большинство этих результатов было получено с использованием искусственных питательных сред, состав которых, как правило, сильно отличается от природных сред, в которых функционируют «дикие» микроорганизмы.
В середине 1950-х гг. наиболее критически мыслящие микробиологи и геологи стали понимать непригодность использования только микробиологических методов для объяснения биосферных процессов, вызываемых микроорганизмами.
Поиски возможностей количественных оценок природных процессов диктовались в середине 1950-х гг. и существенным ухудшением качества воздуха и воды, особенно в крупных городах и промышленных регионах. Первые подсчеты масштабов загрязнения показали, что в атмосферу планеты в результате сжигания ископаемых топ-лив ежегодно выбрасывается около 20 млрд. тонн углекислого газа, обладающего так называемым парниковым эффектом, и более 200 млн. тонн окислов серы, превращающихся в серную кислоту, которая в составе кислотных дождей возвращается на поверхность планеты [9].
Эти огромные цифры произвели шокирующее впечатление на обывателей, однако, научному сообществу было очевидно, что для реальной оценки опасности увеличения потоков веществ техногенного характера необходимо иметь полную количественную модель глобальных циклов основных элементов с тем, чтобы оценить, какую долю в этих потоках составляет техногенная составляющая.
Среди ведущих советских ученых, понимавших необходимость разработки и широкого использования количественных методов оценки природных биологических процессов, был С.И. Кузнецов. В 1953 г. он впервые в мире использовал радиоак-
тивно меченый бикарбонат для оценки скорости хемосинтеза в условиях, максимально приближенных к условиям in situ [10]. В течение последующих 5 лет учениками С.И. Кузнецова были разработаны количественные методы оценки скоростей микробных процессов круговорота серы, которые сразу же стали широко использоваться при изучении цикла серы в пресных и морских водоемах [11, 12]. В эти же годы началось количественное изучение микробных процессов круговорота серы в подземных водах нефтяных и серных месторождений [13, 14].
Несколько позже, в начале 1970-х гг. радиоизотопная технология изучения скоростей микробных процессов в условиях in situ была применена и для количественных оценок скоростей круговорота метана [15].
Прежде чем закончить обзор методологических подходов, используемых при современных геомикробиологических исследованиях, следует кратко охарактеризовать возможности использования результатов изучения распределения стабильных изотопов биогенных элементов в природных соединениях биологического и абиогенного генезиса. Было обнаружено, что практически все природные соединения углерода и серы, образованные при участии живых организмов, заметно обогащены легкими изотопами 12С и 32S. Экспериментальные исследования фотосинтеза и метаболизма ряда чистых культур микроорганизмов показали, что при этих процессах происходит фракционирование стабильных изотопов, причем продукты метаболизма обогащаются легкими изотопами, а в остаточном субстрате накапливаются более тяжелые изотопы 13С и 34S [16].
Важно подчеркнуть, что изотопный состав минералов биологического происхождения не изменяется с течением времени, благодаря чему стало возможным исследовать процессы круговорота элементов, проходившие в биосфере прошлых геологических эпох [9].
2. МИКРОБНЫЕ ПРОЦЕССЫ ЦИКЛА УГЛЕРОДА
Движущей силой биосферных процессов является цикл углерода.
Большинство перечисленных выше методов позволяет судить о геохимической активности отдельных функциональных групп микроорганизмов. Однако по мере накопления фактических данных все яснее становится, что в природных условиях действуют сложно организованные сообщества микроорганизмов, в составе которых функционирование одних участников теснейшим образом зависят от других партнеров. В обобщенном виде взаимодействие функциональных групп микроорганизмов круговорота углерода и серы показано на рис. 1 [17].
В аэробной обстановке, господствующей как в континентальной, так и в океанической части
Анаэробная минерализация органического вещества проходит в несколько этапов, причем на каждом из них участвуют отдельные специали
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.
МИКРОБИОЛОГИЯ ГЕОЛОГИЧЕСКАЯ
МИКРОБИОЛОГИЯ ГЕОЛОГИЧЕСКАЯ
— раздел микробиологии,
посвященный изучению роли микроорганизмов в круговороте веществ в биосфере,
в образовании и разрушении г. п.,
м-ний полезных ископаемых. Роль отдельных гр. микроорганизмов в геохим.
процессах весьма различна: многие геохим. реакции в условиях биосферы практически не происходят без участия микроорганизмов.
К таким относится большинство реакций разложения,
окисления и брожения орг. веществ,
осуществляемых разл. гетеротрофными микроорганизмами; фиксация атмосферного азота; образование сероводорода из сульфатов,
осуществляемое сульфатредуцирующими бактериями и др. Некоторые геохим.
реакции (напр.,
окисление закисного железа и сероводорода) происходят и без микроорганизмов,
но при участии железобактерий и серобактерий,
скорость их значительно увеличивается. Продукты жизнедеятельности микроорганизмов также оказывают косвенное влияние на миграцию и концентрацию ряда элементов.
Подкисление среды,
происходящее за счет микробиологического образования углекислоты или при окислении серы тионовыми бактериями,
приводит к миграции Аl и Fe,
а образование сероводорода вызывает осаждение металлов в водоемах и зонах вторичного обогащения сульфидных м-ний.
Наконец,
все микроорганизмы выступают в качестве одного из мощных факторов изменения величины окислительно-восстановительного потенциала в разл.
природных средах. Важнейший раздел М. г. представляет собой изучение роли микроорганизмов в образовании и разрушении м-ний полезных ископаемых.
Деятельность микроорганизмов оказывает существенное влияние на генезис и метаморфизацию м-ний нефти,
торфа,
самородной серы,
сульфидов металлов,
Fe,
Mn,
минер. вод и др. полезных ископаемых. Ряд микробиологических процессов (сульфатредукция в заводняемых нефтяных м-ниях,
окисление серы тионовыми бактериями) отрицательно влияет на эксплуатацию м-ний.
С другой стороны,
процессы микробиологического окисления углеводородов в грунтовых водах послужили основой для разработки микробиологического метода поисков м-ний нефти и газа,
а деятельность бактерий Th. ferrooxidans оказалось возможным использовать для получения некоторых цветных и редких металлов из бедных сульфидных руд.
М. В. Иванов.
ГЕОЛОГИЧЕСКАЯ ДЕЯТЕЛЬНОСТЬ БАКТЕРИЙ
Полезное
Смотреть что такое «ГЕОЛОГИЧЕСКАЯ ДЕЯТЕЛЬНОСТЬ БАКТЕРИЙ» в других словарях:
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА БАКТЕРИЙ И АКТИНОМИЦЕТОВ — Бактерии (от слова bacterion палочка) это наиболее широко распространенная в природе группа микроорганизмов, представляющих собой большой и чрезвычайно разнообразный мир микроскопических существ. Клетки наиболее мелких шаровидных бактерий … Биологическая энциклопедия
Роль бактерий в образовании и разрушении месторождений сульфидных руд — Большинство месторождений сульфидных руд образовалось путем отложения сульфидов металлов из горячих водных растворов, выделившихся из магмы. Но существует целый ряд месторождений другого происхождения. Эти месторождения обычно занимают… … Биологическая энциклопедия
МИКРОБИОЛОГИЯ ГЕОЛОГИЧЕСКАЯ — раздел микробиологии, посвященный изучению роли микроорганизмов в круговороте веществ в биосфере, в образовании и разрушении г. п., м ний полезных ископаемых. Роль отдельных гр. микроорганизмов в геохим. процессах весьма различна: многие геохим.… … Геологическая энциклопедия
Организмы — (геологическая их деятельность). Своей жизнедеятельностью растительные и животные О. могут весьма сильно влиять на изменение поверхностных пород земной коры, а после смерти своими остатками доставляют материал для образования громадных толщ… … Энциклопедический словарь Ф.А. Брокгауза и И.А. Ефрона
Вода — С древнейших времен стали понимать великое значение воды не только для людей и всяких животных и растительных организмов, но и для всей жизни Земли. Некоторые из первых греческих философов ставили воду даже во главе понимания вещей в природе, и… … Энциклопедический словарь Ф.А. Брокгауза и И.А. Ефрона
Реки — Вода, выпадающая в виде дождя, немедленно после ее падения, а выпавшая в виде снега, крупы, града после их таяния, течет частью по поверхности почвы, частью просачивается в почву и выходит наружу в виде родников (источников, ключей). Та и другая… … Энциклопедический словарь Ф.А. Брокгауза и И.А. Ефрона
СССР. Естественные науки — Математика Научные исследования в области математики начали проводиться в России с 18 в., когда членами Петербургской АН стали Л. Эйлер, Д. Бернулли и другие западноевропейские учёные. По замыслу Петра I академики иностранцы… … Большая советская энциклопедия
Земля — (Earth) Планета Земля Строение Земли, эволюция жизни на Земле, животный и растительный мир, Земля в солнечной системе Содержание Содержание Раздел 1. Общая о планете земля. Раздел 2. Земля как планета. Раздел 3. Строение Земли. Раздел 4.… … Энциклопедия инвестора
Земля (планета) — Земля (от общеславянского зем пол, низ), третья по порядку от Солнца планета Солнечной системы, астрономический знак Å или, ♀. I. Введение З. занимает пятое место по размеру и массе среди больших планет, но из планет т. н. земной группы, в… … Большая советская энциклопедия
Земля — I Земля (от общеславянского зем пол, низ) третья по порядку от Солнца планета Солнечной системы, астрономический знак ⊕ или, ♀. I. Введение З. занимает пятое место по размеру и массе среди больших планет, но из планет т … Большая советская энциклопедия
Геология и микробиология
Геология и микробиология находятся сегодня в тесной взаимосвязи. Микробов, к примеру, используют в ходе тестов, для определения того, есть ли в конкретном месте полезные ископаемые того или иного вида. Если микробы активно растут только в том случае, если в среде есть вещество, под названием «х» и в исследуемой среде тоже наблюдается их рост, можно с уверенностью сказать, что в этом образце оно содержится со 100% вероятностью. Благодаря этому явлению в современной геологии сформировалось два наиболее популярных микробиологических подхода, которые и используются достаточно часто и широко в процессе осуществления геологической разведки. Bacillus cereus, это те микроорганизмы, присутствие которых свидетельствует о том, что в руде находятся следы золота.
Также, эти бактерии находятся в местах, где можно найти медь и некоторые другие полезные металлы. Второй подход состоит в том, что на образцах минералов стремятся вырастить тестовые колонии микроорганизмов. Их активный рост будет свидетельствовать о том, что в этом веществе содержится тот минерал, который вам так нужен. Для того, чтобы вероятность обнаружения полезных ископаемых стала еще большей, микробиология в геологии используется в полном объеме, то есть применяются комбинированно два подхода, о которых мы говорили выше. Конечно, методы микробиологии, не единственный способ определения содержания в образце тех или иных химических соединений, но, зачастую, именно применение микробиологического подхода позволяет в полной мере определить то, какой состав имеет исследуемый образец, есть ли там то, что интересует геологов в первую очередь. Ведь для бурения даже одной разведочной скважины, потребуются огромные вложения денег. Один день бурения может обойтись предприятию суммы в один миллион долларов.
Поэтому, когда у геологов появляется возможность для получения любых сведений о том, что в исследуемом месторождении есть искомое вещество, они с радостью берутся за менее дорогостоящие варианты диагностики. И микробиология в геологии зачастую действует значительно более быстро, эффективно и экономно, в сравнении с остальными видами разведки и геофизических исследований. Мы можем предположить, к примеру, что вот обнаружено нефтяное месторождение и на географическую карту нанесли новое изображение с буровой вышкой, но надо помнить, что современные условия таковы, что обнаружить нефтяное месторождение, в котором нефть будет действительно бить фонтаном, очень сложно. Для того чтобы выкачать нефть из глубинных горизонтов необходимо применять целую систему сложных устройств, в числе которых и сверхмощные насосы. Сегодня у геологов наблюдается такая ситуация, что им приходится выкачивать нефть даже из тех пластов, которые ранее не использовались в разработке, они состоят из пористых пород, а сама нефть находится в капиллярной сети, которая и пронизывает все эти пласты. Для того, чтобы определить, возможно, ли извлечение нефти из глубины в таких условиях, необходимо точно знать, насколько нефть связана с составными элементами пласта, а во-вторых, нужно определить и то, какова в этой местности сила поверхностного натяжения в том месте, где проходит граница между нефтью и водяным слоем. Последняя позиция зависит от такого свойства нефти, как ее вязкость.
Если значительно снизить вязкость нефти, то ее добыча из пласта будет происходить значительно проще. Если бы толщина нефтяной пленки в стенках песчаных пород была бы снижена на величину в 0,000002 мм, то нефть можно было бы добывать с эффективностью большей на 10 процентов. Конечно, можно вводить в пласт специальные активные вещества, которые будут снижать поверхностное натяжение, но только этим методом проблему добычи нефти из пористых пластов не решить. Что же можно предпринять в этом случае, не выкапывать же весь пласт и там, на поверхности устраивать ему промывку для того, чтобы извлечь всю нефть без остатка. Это будет не очень эффективно, да и экономически неоправданно. Эту проблему смогли решить с применением микробиологии.
Кроме того, можно решать и проблемы со снижением избыточного давления в нефтяной скважине с применением тех же культур микроорганизмов. Их, вместе с питательной средой можно закачать в нефтеносный пласт и законсервировать скважину на пару дней. После консервации, скважину опять открывают, а микроорганизмы, попавшие в благоприятную ситуацию, начинают интенсивно размножаться, образуя при этом большие объемы углекислого газа. И в скважине создается тот уровень избыточное давление, которое необходимо нефтяникам. После этого процент прироста добычи в этом случае составляет порядка 20 или 200 процентов по сравнению с теми показателями, которые были ранее. В геологии микроорганизмы тоже не используются исключительно для увеличения отдачи нефти из месторождения. В других технологических целях тоже используются микроорганизмы. Бесконечное множество микроорганизмов, это большой объем работ для ученых, чтобы определить тех, кто сможет наиболее интенсивно вырабатывать углекислый газ.
Конечно, для большинства геологов и микробиологов главной задачей всегда оставалось извлечение и обнаружение наиболее дорогостоящих элементов, таких как золото, серебро. Интересно, что золото, которое так ценится человечеством в большом количестве растворено в океанских водах. Если рассматривать объем в 1 кубический километр, то там может содержаться золота на 5-25 миллионов долларов. И только способности микробиологии позволят «вытаскивать золото на поверхность с меньшими расходами.