БАКТЕРИАЛЬНАЯ ЭКСФОЛИАЦИЯ СЛОИСТЫХ СИЛИКАТОВ

На модерации Отложенный


Проблема биогенного выветривания занимает значительное место в исследовании кинетики разрушения минералов и горных пород [1]. В большинстве работ выветривание связывается с воздействием органических соединений, возникающих в процессе жизнедеятельности микроорганизмов и сводящееся к более или менее селективному растворению минералов. В то же время, ещё с IV века н.э. известна разработанная в Китае технология повышения выхода мелкой фракции каолина, необходимой для производства фарфора, основанная на эксфолиации кристаллов каолина, вызванной интеркалацией молекул мочевины с последующей их гидратацией [2]. Гидратированный комплекс существенно увеличивается в размерах, что и вызывает разрушение кристалла, не изменяя его химического состава. Очевидно, что аналогичный механизм разрушения слоистых и цепочечных минералов возможен под действием органических веществ, являющихся продуктами метаболизма микроорганизмов.

В настоящей работе мы изучали воздействие фототрофных бактерий Ectothiorhodospirashaposhnikoviiна гранулометрический состав, морфологию частиц и химический состав пироксенов Гусевогорского титаномагнетитового месторождения (Качканар). Выбор культуры был обусловлен тем, что пироксены формируют компактный интрузивный массив бедный органикой. Выбранные бактерии являются автотрофными организмами и могут расти на средах без органических соединений. Накопление пироксена в виде дисперсного шлама делает актуальным понимание процессов эволюции минерального состава шламохранилища под воздействием микроорганизмов. В качестве исходного материала был взят несортированный шлам шламохранилища Качканарского ГОКа. Фазовый анализ (ShimadzuMaxima 7000, CuKa) показал, что основными минералами являются орторомбические и моноклинные пироксены, плагиоклазы, оливин. Химический состав исходного шлама совпал с составом, определённым в сертификате месторождения и приведён в Таблице 1. Гранулометрический состав определяли рассеиванием на ситах. Навеску шлама массой 100 г. помещали в коническую колбу объемом 1 литр и заливали 3-5 суточной культурой Е.shaposhnikovii. Колбу выдерживали при естественном освещении и комнатной температуре в течение года. Культуру бактерий заменяли 5 раз. Затем, после удаления бактериальной культуры, отмывания и высушивания, проводили рассеивание образца шлама на ситах с размером ячей 0,1 мм и 0,063 мм. Контролем служил образец шлама, который заливался с той же периодичностью дистиллированной водой. Результаты, приведённые на Рис.1 убедили нас в эффективности бактериального воздействия. Оптическая микроскопия показала, что морфология частиц при бактериальной обработке (БО) практически не изменяется, сохраняются прямые и острые углы частиц, не наблюдается никакой сглаженности и окатанности, указывающей на растворение частиц. Очевидно, что именно мелкая фракция, возникшая в процессе БО должна носить следы микробного воздействия. Поэтому мы выполнили рентгеноструктурный анализ именно этой части материала. Наблюдалось резкое сокращение доли плагиоклаза и оливина, практически вся мелкая фракция, образовавшаяся вследствие БО, состоит из смеси пироксенов. Однако точно такой же результат показывает анализ мелкой фракции необработанного шлама – она практически полностью состоит из пироксенов. Это обстоятельство наводит на мысль о том, что только пироксены измельчаются в процессе БО. При этом не наблюдается существенного изменения соотношения между разными минералами группы пироксена и изменения химического состава шлама. Столь селективное разрушение позволяет предположить механизм, основанный на эксфолиации слоистого минерала вследствие интеркалации продуктов жизнедеятельности бактерий в решётку пироксена. Следуя литературе [4], мы ожидали формирования дисперсных, возможно, не фиксирующихся оптически, форм SiO2. Однако, промывка 10%-м раствором КОН мелкой фракции шлама после БО не изменила химического состава шлама, см. Таблицу 1.

 

Таблица 1. Содержание основных оксидов в шламе мокрой магнитной сепарации Качканарского ГОКа после БО и последующей промывки 10% раствором КОН.

 

Окислы

Al2O3

CaO

Fe2O3

MgO

SiO2

TiO2

Содержание в исходном шламе, масс. %

6,8

20

6,0

13,7

47,9

0,7

Содержание после БО, масс. %

7,1

20,7

9,4

11,5

49,5

0,7

Содержание, после БО и промывки масс. %

6,8

21,0

10,0

11,4

48,6

0,8

 

 

В связи с этим, мы сконцентрировались на установлении закономерностей процесса разрушения.

Невозможность повторения экспериментов со столь длительной экспозицией, вынудила нас сосредоточиться на экспериментах с относительно краткой экспозицией в одну неделю. Все остальные условия соответствуют описанным для годичного опыта.

На Рис.1 представлены изображения частиц отмытого шлама (0.2 мм) в начале (а) годичного опыта и частиц мелкой фракции (0.063 мм), полученной в конце опыта (b), наглядно свидетельствующие о процессе разрушения. Соотношение мелкой фракции в опыте и контроле представлен на Рис.1c. Зависимость описывается кубическим законом, что свидетельствует о, скорее, объёмном характере процесса, нежели поверхностном. Очевидно, что разрушение вследствие интеркалации органических комплексов должно подчиняться именно такому закону.

На Рис.2. представлены данные опытов с растущими культурами бактерий, свидетельствующие о том, что степень разрушения исходных образцов зависит от времени контакта их с бактериями. В течение опыта происходило защелачивание культуральной жидкости бактерий.

Последовательная БО одной и той же пробы шлама приводит к снижению скорости разрушения. Поскольку разрушение приводит к квадратичному возрастанию площади поверхности, то экспериментально наблюдаемое линейное снижение скорости разрушения соответствует кубическому его затуханию. Такое поведение может быть обеспечено разрушением при внедрении в дефектные области объёма кристаллов. Замедление разрушения объясняется истощением таких областей в пробе. Следует отметить, что такого типа поведение наблюдалось для слоистых дихалькогенидов титана [5].

 

Высокая скорость разрушения частиц позволяет наблюдать этот процесс in situ с привлечением методов электронно-зондовой и а томно-силовой микроскопии. Результаты наблюдения разрушения вследствие недельной обработки показаны на Рис.4.

 

Таким образом, полученные нами данные свидетельствуют о том, что характер влияния бактерий на частицы шлама сводится к эксфолиации. Химические изменения в шламовых частицах в этом случае происходит в тонком поверхностном слое частиц, находящихся в контакте с водой. За счет этого процесса происходит вскрытие ионов щелочных металлов (Са, K, Na), что и приводит к защелачиванию среды.

 

Литература

 

1. Цурюпа, 1973.

 

2. E.Mako, J.Kristof, E. Horvath, V.Vagvolgyi Kaolinite–urea complexes obtained by mechanochemical and aqueous suspension techniques—A comparative study // J. Colloid and Interface Sci. 330 (2009) 367.

 

3. Е.Б.Наймарк, В.А.Ерощев-Шак, Н.П.Чижикова, Е.И.Компанцева Взаимодействие глинистых минералов с микроорганизмами: обзор экспериментальных данных // Ж. общей биологии 70 (2009), №2, 155.

 

4. А.И.Меренцов, Е.А.Титова, П.Е.Панфилов, С.Н.Шамин, А.М.Ионов, А.Н.Чайка Диффузия серебра в монокристаллах TiSe2// Изв. РАН сер. Физич. 73 (2009), 566