Роль бактерий в образовании и разрушении самородной серы

Биогенной теории образования серы придерживался В. И. Вернадский, указывая, что накопление серы происходит в местах, где обитают серобактерии. Более полно гипотеза биогенного образования месторождений серы была разработана Б. Л. Исаченко.

Исследования М. В. Иванова, проведенные в Шор-Су, подтвердили предположение, что процесс образования серы в этом месторождении продолжается и сейчас. Было показано, что в результате деятельности сульфат-редуцирующих и тионовых бактерий типа Thiobacillus thioparus в сутки на месторождении откладывается около 170 г серы. Процесс образования самородной серы происходит условиях постоянного подтока сероводородных вод. Низкий окислительно-восстановительный потенциал этих вод и присутствие сероводорода предохраняют серу от дальнейшего окисления. Если вследствие колебания уровня сероводородных вод отдельные участки месторождения выходят из-под их защиты, начинается процесс окисления серы. Как показало микробиологическое обследование сероносных пород Шор-Су, основную роль в окислении серы играют Th. thiooxidans. Количество этих бактерий в отдельных образцах достигает 100 000 клеток в 1 г.

Шор-Су относится к эпигенетическим месторождениям серы, т. е. к таким, где отложения серы образовались позднее вмещающих их горных пород. Сингенетические месторождения, в которых сера отлагалась одновременно со вмещающими породами, очевидно, произошли в результате диагенеза (процесса превращения осадков в горные породы) осадков древних водоемов, в которых шла сульфатредукция. Сингенетическое отложение серы в современных водоемах наблюдать не удалось.

Примером крупного сингенетического серного месторождения является группа пред-карпатских месторождений.

Для выяснения происхождения предкарпатских серных месторождений большое значение имели данные по распределению стабильных изотопов серы и углерода в различных породах. Исследования изотопного состава пород доказали роль сульфатредуцирующих бактерий в восстановлении сульфатов в древнем водоеме.

Основную роль в окислении сероводорода, вероятно, играли тионовые бактерии. Окрашенные серобактерии могли развиваться лишь в мелководных водоемах, куда проникало достаточно света, и при относительно невысокой концентрации сероводорода. Бесцветные серобактерии также развиваются при незначительном содержании сероводорода.

Жизнедеятельность бактерий могла привести к формированию значительных серных месторождений лишь при наличии большого количества органических веществ, поступающих в водоем извне или образующихся в результате деятельности фитопланктона, а также при отсутствии большого поступления терригенного материала (обломков, принесенных с суши), который путем разбавления мог уменьшить содержание серы.

Процесс окисления серы весьма широко распространен на эпигенетических месторождениях в Туркмении, Шор-Су, Гаурдаке, Каракумах. Поскольку процесс серообразования на этих месторождениях связан с окислением сероводорода в зоне смешения поверхностных и глубинных вод, то даже при небольшом понижении уровня сероводородных вод начинают развиваться окислительные процессы. Окислению способствует значительная пористость серных руд и то, что сера часто располагается по трещинам и стенкам каверн. В аэробных условиях кислородсодержащие воды и микрофлора контактируют с серной рудой. Расположение серы в открытых структурах в пористых вмещающих породах, по мнению М. В. Иванова, приводит к недолговечности месторождений эпигенетического типа.

Сингенетические месторождения расположены обычно в породах горизонтального залегания, перекрывающегося глинистыми или гипсовыми отложениями. Окисление в этих месторождениях происходит при двух условиях: при осушении рудной залежи, так как в обводненных участках обычно идет бактериальная сульфатредукция и сохраняются анаэробные условия, и при размыве покрывающих отложений (поверхностные воды получают доступ к сероносным породам).

На Роздольском месторождении, как показали исследования геологов, процессы окисления проходили в четвертичный период. Затем в результате изменения уровня подземных вод в сероносных породах вновь стали протекать реакции восстановления. В такой среде породы находились до тех пор, пока вновь не началась промышленная разработка месторождения.

Таким образом, сингенетические месторождения серы при благоприятных геологических и гидрогеологических условиях могут сохраняться в течение длительного времени.

Изучение распространения тионовых бактерий, их физиологии и лабораторные опыты по окислению серной руды показали, что процесс окисления ведут две группы бактерий. При залегании месторождения в карбонатах окисление серной руды начинает Th. thioparus, некоторые расы которой имеют оптимальный рН 9,0.

Деятельность Th. thioparus приводит к образованию серной кислоты и снижению рН до 4. Такая реакция среды благоприятна для развития Th. thiooxidans. Количество Th. thioparus с повышением кислотности начинает падать и рН снижается до 0,5. В лабораторных опытах с серной рудой и культурой Th. thiooxidans произошло снижение рН до 0,15, но при этом вся микрофлора погибла.

Окислительная деятельность тионовых бактерий на серных месторождениях приносит большой вред - сотни и тысячи тонн руды становятся непригодными для дальнейшего обогащения на фабриках. При разработке серных месторождений нужно постепенно понижать уровень сероводородных вод, не обнажая на долгое время серусодержащие породы.

Микробиологические процессы окисления протекают и на складах руды. Они сопровождаются разогревом руды, что, в свою очередь, ускоряет химическое и биологическое окисление. Поэтому долгое хранение на складах ухудшает качество руды, затрудняет ее выплавку. Быстрая переработка руды - один из способов уменьшения потерь от микробиологического окисления серы.