В битву за углеводороды и золото включаются микробы*
* Книга "Популярно о микробиологии" Михаила Бухара выходит в издательстве "Альпина нон-фикшн".
"Пришел, увидел..." и открыл. Так неискушенному читателю представляется работа геологов, сложность которой сосредоточена в основном на трудностях пути к месторождению. Однако отколоть кусочек породы и отметить ее выход на поверхность — только часть большой и сложной работы геологов, девизом которых всегда было "Молотком и знанием". Но если первая часть девиза понятна людям, далеким от геологии, то о второй мало что известно. Между тем в наше время геологоразведка пользуется помимо традиционного геологического молотка множеством новых методов, основанных на успехах других наук.
Не отказывается геология и от помощи микробиологии. Оказывается, микроорганизмы можно использовать как тесты на наличие тех или иных полезных ископаемых. Если известный микроб, способный расти только в присутствии вещества Х, растет в неизвестной исследуемой среде, значит, в ней есть это вещество. Из этого вытекают два микробиологических подхода, используемых в процессе геологоразведки.
Первый — изучение качественного состава новых образцов микрофлоры уже известных месторождений. Так, по присутствию бактерий Bacillus cereus можно обнаружить месторождения золота, меди и некоторых других металлов. Второй подход — рост на исследуемых образцах породы "тестовых" микроорганизмов служит еще одним подтверждением присутствия вещества, ради которого проводится поиск.
Объединение этих двух подходов в значительной степени увеличивает вероятность обнаружения полезных ископаемых, если к этому, разумеется, есть и геологические предпосылки. Конечно, кроме микробиологических методов существуют и другие, но микробиологические иногда более чувствительны и специфичны.
Микробиологические методы, разумеется, не дают абсолютной гарантии. Ее может дать только пробуренная скважина или шахта. А бурить скважину, даже пробную, и долго, и дорого. Один день бурения стоит около 1 млн долларов. Поэтому любой дополнительный метод исследования, позволяющий получить информацию о возможном наличии или отсутствии полезных ископаемых, помогает вести геологоразведку более эффективно и экономно.
Предположим, что месторождение нефти найдено, и на географической карте появился знак буровой вышки или нефтяного фонтана. Но месторождений, где нефть действительно фонтанирует, то есть идет под давлением, остается все меньше и меньше. Нефть приходится качать из глубинных слоев с помощью целой системы мощных насосов. В последнее время в связи с нехваткой нефти геологи все чаще вынуждены обращаться к разработке даже тех месторождений, в которых она находится в так называемом нефтеносном пласте, состоящем из различных пористых пород, и располагается в микрокапиллярах. В этих случаях решающее значение для ее извлечения имеют сила связи нефти с частицами породы пласта и поверхностное натяжение на границе раздела нефть — вода, в свою очередь зависящее от вязкости нефти. Если бы удалось ее снизить, то добывать нефть из пластов было бы значительно легче. Уменьшение толщины нефтяной пленки на стенках пор песчаника лишь на 0,000002 мм привело бы к увеличению добычи нефти на 10 процентов. Однако даже введение в пласт поверхностно-активных веществ, снижающих поверхностное натяжение, отнюдь не решает задачу извлечения нефти из пористых пород.
Так что же делать? Выкапывать весь слой и промывать его на поверхности? Трудоемко, технически трудно осуществимо и экономически невыгодно. Нефть будет стоить дороже золота! С помощью микробиологов геологи нашли выход из этого затруднительного положения. В нефтеносный пласт вводят микроорганизмы, которые благодаря своим микроскопическим размерам проникают в мельчайшие поры породы и, интенсивно размножаясь и выделяя углекислый газ или метан, создают в каждой поре и в пласте в целом условия, которые способствуют вытеснению нефти на поверхность. Одновременно бактерии, окисляя углеводороды, вызывают изменения их физико-химических свойств, в частности, необходимое снижение вязкости.
Аналогичный эффект увеличения отдачи нефтяных скважин можно получить, закачивая культуру микроорганизмов с питательной средой в те из них, в которых резко снизилось избыточное давление. После введения культуры микроорганизмов скважину консервируют и через некоторое время снова открывают.
Интенсивно размножаясь в созданных для них благоприятных условиях, микроорганизмы образуют большое количество углекислого газа, который и создает в скважине избыточное давление, необходимое нефтяникам. После такой обработки прирост добычи нефти колеблется в среднем от 20 до 200 процентов, и это увеличение может сохраняться от 2 до 8 лет. Такие разработки уже осуществлены в промышленном масштабе! Однако роль микроорганизмов в геологии не ограничивается увеличением отдачи нефтяных месторождений.
Еще Владимир Вернадский отмечал роль живых организмов в качестве аккумуляторов тех или иных элементов. Уровень наших знаний в этой области настолько возрос, что можно использовать такое их умение в технологических целях. Нужно только выделить из бесконечного множества микроорганизмов те виды, у которых способность извлекать тот или иной элемент довольно велика.
Естественно, что поиски геологов и микробиологов были направлены прежде всего на получение дорогостоящих металлов, таких как золото и серебро. Золото в силу многих причин давно служит для человечества мерилом богатства. Хотя надо заметить, что в целом его на Земле не так уж и мало. По расчетам ученых, в одном кубическом километре морской воды может содержаться золота на сумму от 5 до 25 млн долларов. Лауреат Нобелевской премии Фриц Габер (он получил ее за синтез аммиака промышленным способом) занимался извлечением золота из морской воды путем электролиза. Однако при использовании этой очень дорогостоящей технологии оно оказывается вдвое дороже обычного.
Способность же микроорганизмов извлекать золото, то есть увеличивать его содержание внутри клеток по сравнению с содержанием во внешней среде, не имеет себе равных ни в природе, ни в технике. Таким образом, выращивая микроорганизмы на средах, содержащих золото (на той же морской воде), можно буквально собирать урожай этого металла. Кроме золота в морской воде есть немало растворимых элементов, пожалуй, не менее ценных, чем золото. Некоторые их них можно получать, используя микроорганизмы. Так, во Франции выдан патент на выделение с их помощью урана из морской воды. Японскими учеными разработана технологическая схема извлечения из нее другого металла — ванадия,что позволило Японии получать этот металл в промышленных масштабах и отказаться от его импорта.
И все же, несмотря на огромное количество металлов, растворенных в водах морей и океанов, в них их концентрация значительно меньше, чем в самых бедных рудах. Экономически более оправданно было бы использовать именно их, но как перевести металлы в растворимое состояние? И здесь на помощь приходят микроорганизмы.
Среди них есть группа литотрофных бактерий, которые получают энергию для своей жизнедеятельности, окисляя различные неорганические соединения. Они в буквальном смысле "питаются камнем" (литос — камень, трофос — питание); точнее говоря, литотрофные бактерии способны использовать самые разнообразные минералы для своей жизнедеятельности. Именно на использовании этих микроорганизмов основан биотехнологический метод получения металлов из руд.
Он основан на том, что бактерии окисляют сульфидные минералы и переводят содержащиеся в них металлы в растворимую форму (известно участие микроорганизмов в окислительно-восстановительных превращениях железа).
При окислении сульфидных минералов большинство элементов из нерастворимой сульфидной формы переходят в растворимую сульфатную. В этом, собственно говоря, и состоит выщелачивание металлов из руд. Его скорость зависит от многих факторов, но именно бактерии, адсорбируясь на поверхности окисляемого субстрата, ускоряют этот процесс в сотни и тысячи раз. Дальнейшее извлечение металлов из растворов также может быть проведено, как уже указывалось выше, с помощью адсорбции микроорганизмами.
Перспективность биотехнологических методов получения металлов очевидна. Полупромышленные и промышленные способы уже внедрены во многих странах. В США в настоящее время примерно 10-15 процентов меди получают биотехнологическими методами; важное место они занимают и при добыче урана. Бактериально-химическое выщелачивание золота и серебра из кристаллов пирита и арсенопирита позволяет получать на 45 процентов больше золота и на 128 — серебра по сравнению с обычными методами извлечения.
Поиски новых технологических подходов в геологии вызваны истощением богатых месторождений и необходимостью разработки более бедных залежей полезных ископаемых, которые еще недавно считались неперспективными. Существенными преимуществами использования микробиологических методов в геологии являются комплексность извлечения металлов, низкая энергоемкость описанных процессов и их экологическая чистота.