Mineralización microbiana
1) Antecedentes e importancia de la investigación en mineralización microbiana.
Como una de las fuerzas geológicas más activas en la superficie terrestre, los procesos biológicos pueden formar directamente minerales orgánicos inflamables. La investigación sobre la biomineralización de algunos minerales no metálicos como el azufre y el fósforo ha logrado una serie de resultados, y también se está llevando a cabo una investigación en profundidad sobre la biomineralización de depósitos metálicos. Los microorganismos pueden participar en muchas etapas como sedimentación, diagénesis, tectónica y metamorfismo, mineralización y meteorización. Sin embargo, en diferentes etapas de mineralización, la importancia y las manifestaciones de la mineralización microbiana son completamente diferentes. Específicos de una determinada etapa de mineralización de un depósito en particular, ciertos procesos biológicos pueden ser dominantes. La investigación biológica moderna y diversos resultados experimentales (como pruebas de biomineralización y pruebas de tratamiento microbiano de aguas residuales industriales) han demostrado que los microorganismos y su materia orgánica pueden separar P, Fe, Mn, Mg, Cu, Pb, Zn, V, U, Cr, Ni. , Mo, Co, Au, Ag, Pt, Hg, S, As, Se, Sb, I y otros elementos dispersos raros. En resumen, existen varias formas en que los microorganismos participan en la formación de depósitos minerales (Zhu Shixing, 1993):
(1) El papel de los microorganismos en la agregación directa de elementos mineralizantes: Debido a las necesidades fisiológicas, Los microorganismos tienen la capacidad de absorber y adsorber directamente muchos minerales en función de un elemento o mineral. Los microorganismos tienen una capacidad asombrosa para enriquecer una variedad de elementos metálicos. En diferentes condiciones ambientales, sus coeficientes de enriquecimiento varían mucho y existe un enriquecimiento selectivo. Por ejemplo, en la biota marina, que está compuesta principalmente de algas y bacterias, las concentraciones de muchos elementos pueden ser de cientos a cientos de miles de veces mayores que en el agua de mar. Algunos estudios experimentales en los Estados Unidos y Canadá han demostrado que las algas, especialmente la chlorella, tienen una fuerte capacidad de adsorción de oro y que muchos microorganismos tienen una capacidad asombrosa de acumulación de oro. Por ejemplo, las esteras de algas marinas en el lago Figueroa, California, contienen 65.438+08 kg/t de oro. Actualmente, además del hierro y el manganeso, el oro, la plata, el cobre y el plomo son los elementos metálicos más estudiados en la agregación microbiana. Sólo existen dos mecanismos para que los microorganismos fijen metales en la mineralización microbiana: uno es a través del medio y el otro es la interacción directa de las células con los metales. Muchos elementos metálicos son altamente tóxicos para los organismos, pero los organismos son altamente resistentes a la toxicidad en ciertos ambientes. Los biólogos han descubierto que los organismos pueden eliminar estos factores adversos de diversas formas y tienen una gran capacidad de absorción de algunos metales altamente tóxicos. Estos mecanismos antitóxicos de los microorganismos brindan la posibilidad a los organismos de participar en la mineralización, porque en algunos ambientes desfavorables (como altas concentraciones de metales), las funciones antitóxicas de los organismos romperán el equilibrio entre las fases sólida y líquida, lo que resultará en metales en la fase sólida. enriquecimiento en.
(2) Sedimentación bioquímica de microorganismos: los microorganismos tienen un significado universal para la mineralización en términos de cambiar los parámetros físicos y químicos del medio ambiente. Su metabolismo no sólo puede provocar cambios en las relaciones de unión de elementos relacionados y la formación de nuevos minerales, sino que también puede cambiar el valor del pH y el potencial redox de la solución circundante, creando así un microambiente propicio para la precipitación de ciertos nuevos minerales. Por ejemplo, las bacterias sulfuradas pueden oxidar el azufre para formar radicales sulfato, formando así minerales de sulfato; mientras que las bacterias antisulfuro de respiración anaeróbica pueden reducir el sulfato para generar sulfuro de hidrógeno, que reaccionará con los metales para generar varios sulfuros metálicos para formar minerales reducidos. Los microorganismos no sólo crean ambientes reductores locales bajo condiciones oxidantes, sino que también tienen interfaces que cambian las condiciones químicas.
(3) Deposición biofísica de microorganismos: la investigación moderna sobre estromatolitos muestra que los microorganismos estromatolitos filamentosos con vainas mucosas tienen un impacto negativo sobre las partículas minerales en el agua de mar debido a sus efectos dinámicos (temblores y alisamiento). Los fragmentos de roca tienen fuertes efectos de unión y captura. Los pilares de estromatolitos formados por microorganismos y las biohermas que constituyen cambian repentinamente (reducen) las condiciones hidrodinámicas, provocando que los minerales transportados o los desechos que contienen minerales se depositen físicamente y se enriquezcan entre los pilares de estromatolitos o antes y después de las biohermas.
(4) La materia orgánica producida por microorganismos participa en la mineralización: después de la muerte, los microorganismos pueden metabolizarse o descomponerse para producir diversas materias orgánicas, como ácidos orgánicos, bases orgánicas, coloides orgánicos, sustancias carbonosas, etc. Estas materias orgánicas tienen baja estabilidad térmica y juegan un papel importante en la activación, migración, precipitación y enriquecimiento de elementos mineralizantes. Algunos de estos materiales orgánicos forman complejos: se quelan con metales y entran en los sedimentos, liberando los metales durante el proceso diagenético o siendo reemplazados para formar complejos más estables. Algunos (coloides y partículas orgánicos) pueden ser físicamente adsortivos y enriquecidos de grandes cantidades de metal; iones. Algunos (como el carbono orgánico) son agentes reductores, que reducen iones solubles de alta valencia a iones insolubles de baja valencia, precipitándolos y enriqueciéndolos así. Por ejemplo, en Japón, cuando las aguas residuales de metales pesados se tratan con lodos que contienen ácido húmico, la tasa de eliminación del plasma de mercurio, cadmio, cobre, níquel y zinc alcanza más del 98%. En China, los experimentos que utilizan carbón de ácido húmico y resina de ácido húmico para tratar aguas residuales industriales que contienen plasma de mercurio, plomo, cadmio, cobre, zinc, cromo, níquel y cobalto también han logrado resultados ideales. En los últimos años, los estudios sobre materia orgánica en inclusiones fluidas en depósitos minerales han demostrado además que la materia orgánica es una de las evidencias de que los microorganismos participan en la mineralización.
2) Investigación sobre el contenido de la mineralización microbiana.
(1) Evidencias y signos de biomineralización. Para poder llevar a cabo este trabajo, primero necesitamos tener buenas evidencias y signos de biomineralización. Por lo tanto, es necesario estudiar tres aspectos: ① Se realiza una investigación exhaustiva sobre paleontología y sus estructuras sedimentarias biológicas (como estromatolitos, núcleos cristalinos, cuentas, coágulos, etc.) y se propone evidencia directa de mineralización biológica. investigación de oligoelementos, isótopos estables y geoquímica orgánica en series de rocas minerales, capas minerales y capas intermedias para determinar marcadores indirectos de biomineralización y los tipos y características de sus marcadores ③ A través de series de rocas minerales y series de rocas no portadoras Comparar minerales; series de rocas y otras series de rocas que contienen minerales para determinar las características y relaciones exclusivas de marcadores paleontológicos y biogeoquímicos relacionados con depósitos minerales.
(2) Patrones y mecanismos de biomineralización. (1) Combinar los datos paleontológicos y biogeoquímicos anteriores con los antecedentes geológicos, la paleogeografía de litofacies, la estructura del mineral y los datos estructurales de la formación de depósitos minerales, y proponer opiniones de inferencia sobre el modelo y mecanismo de mineralización biológica (2) Llevar a cabo experimentos de simulación y combinar otros; Los resultados experimentales (como una gran cantidad de datos experimentales sobre el tratamiento de aguas residuales industriales) enriquecen y mejoran la comprensión del razonamiento anterior y, finalmente, proporcionan opiniones científicas sobre el modo y mecanismo de la biomineralización.
(3) La relación entre zonificación mineral y zonificación de fase biológica. Para explorar nuevos signos de prospección, se debe realizar el siguiente trabajo: ① Estudiar la zonificación mineral en los depósitos para comprender sus reglas de distribución espaciotemporal específicas ② Estudiar la zonificación de las fases paleobiológicas y sedimentarias en los depósitos, y aclarar su separación con; fases minerales. La relación entre las zonas minerales; ③Investigación para determinar las características biogeoquímicas y de biomarcadores de diferentes zonas minerales (Zhu Shixing, 1993).
A través de la investigación anterior, los patrones de distribución y las direcciones de prospección de diferentes depósitos minerales finalmente se resumen con nuevos datos y perspectivas. No sólo contiene una teoría científica de la mineralización, sino que también señala signos prácticos de prospección de minerales. En los estudios anteriores, se deben estudiar principalmente las evidencias y signos de biomineralización, porque son el punto de partida y el punto de apoyo más básico para sacar conclusiones.
3) Nuevos avances en la mineralización microbiana.
Los minerales que más se han estudiado sobre la mineralización microbiana incluyen principalmente hierro, manganeso, oro, cobre, azufre, fósforo, etc. (Yin Hongfu et al., 1994).
En el caso del mineral de hierro, la mineralización microbiana es segura. Se ha considerado que el mineral de hierro de biogás, el mineral de hierro de lago y el mineral de hierro marino son de origen bacteriano. Se está descubriendo un número cada vez mayor de microfósiles en formaciones con bandas de hierro del Precámbrico, como depósitos de hierro en China, Australia y Canadá, que están asociados con procesos microbianos. Sin embargo, no hay mucha evidencia directa de biomineralización y todavía depende de la "estructura biogénica" existente en el ambiente de depósito. En los últimos años se ha descubierto un tipo de bacteria magnetotáctica que puede sintetizar magnetita en sus células, lo que proporciona evidencia directa de la participación de las bacterias en la mineralización. Este es un avance importante en el estudio de la biomineralización del hierro. Los estudiosos japoneses y chinos informaron que existen muchas similitudes estructurales entre el mineral de hierro rayado biológico moderno y el mineral de hierro microbiano antiguo (tipo Longxuan).
Hay muchos estudios sobre la biomineralización de depósitos de manganeso, como Nikopol en Ucrania, Tannengebirge en Austria, Chiatura en Georgia, Groote Eylandt en Australia y el depósito de manganeso tipo Xiangtan en mi país, pero la mayoría de ellos se basan en la estructura biogénica. Se infiere que es biomineralización. Se encontró evidencia geoquímica sedimentaria e isotópica clara en depósitos de carbonato de manganeso de Sinia en el sur de China, lo que indica que la materia orgánica participó activamente en el proceso de mineralización.
En los últimos años, se ha aislado una serie de bacterias oxidantes de manganeso de nódulos de manganeso del fondo marino, y además se ha descubierto que muchos nódulos de manganeso son superestromatolitos de manganeso. Este descubrimiento abre una nueva dirección de investigación en la biomineralización del manganeso: la relación entre los superestromatolitos y el mineral de manganeso. En los últimos años, se ha descubierto en la cuenca Clarion-Clipperton, en el Pacífico oriental, que los minerales de manganeso de los nódulos polimetálicos son de origen biogénico y que las conchas de los nódulos son estromatolitos biológicos. Por primera vez, se descubrió que los coccidios del Pacífico y los actinomicetos Sinensis solo existen en la estructura biológica de los estromatolitos, lo que indica que son nódulos biogénicos. También se cree que el hierro, el manganeso y otros elementos mineralizantes de los nódulos son absorbidos por el fondo marino. Nanoorganismos de la solución de agua de mar. En el cuerpo, los productos que quedan después de la muerte. Los estudiosos chinos también han presentado pruebas microbiológicas de la diferenciación del hierro y el manganeso.
El oro es normalmente un elemento inactivo, pero es muy activo en los seres vivos. El oro tiene importantes propiedades biológicas y hay muchos organismos que pueden acumularlo. El depósito de oro y uranio de tipo conglomerado arenoso de Witwatersrand en Sudáfrica ha sido bien estudiado y muchos de sus granos fibrosos muestran estructuras biológicas. También hay muchos estudios sobre el origen bioquímico del oro de placer. Por ejemplo, se cree que el oro de placer en Alaska y China está relacionado con la acción bacteriana. Estructuras microbianas de mineralización de oro descubiertas en minas de placer de Alaska. Una vez que el oro se disuelve por completo, se puede ver una espora similar a un microorganismo del suelo, lo que constituye el avance más significativo en el estudio de la mineralización microbiana del oro. En el 30º Congreso Geológico Internacional se presentaron muchos trabajos sobre la relación entre los microorganismos y la formación de depósitos de oro. En los últimos años se han logrado avances importantes en el país y en el extranjero, como el descubrimiento de la estructura de las bacterias y los microorganismos en las pepitas de oro, y los informes de que ciertos tipos de algas tienen evidentes capacidades para enriquecer el oro. Las bacterias y el moho aislados de la mina de oro Longgou en Baikonggou, Sichuan, China, tienen una gran capacidad para recolectar oro. Tienen funciones duales: adsorber y acumular oro en las etapas tempranas y medias de crecimiento, y reducir el oro en las últimas etapas de crecimiento.
Para los depósitos de sulfuros como el cobre, el plomo y el zinc, en primer lugar, los organismos y su materia orgánica pueden reducir o metabolizar los sulfuros orgánicos para proporcionar S2-; en segundo lugar, muchos microorganismos, como las esporas de hongos y las hifas, pueden hacerlo; Absorbe cantidades considerables de cobre, plomo y zinc. La investigación sobre biomineralización se centra principalmente en depósitos de cobre estratosféricos del Proterozoico que contienen estromatolitos, depósitos de cobre en esquisto cuprífero, depósitos de plomo y zinc del valle del Mississippi y depósitos singenéticos de plomo y zinc exhalativos. Esta mineralización microbiana se puede ver cerca de los respiraderos de aguas termales en las dorsales oceánicas modernas, donde viven microorganismos como las bacterias que ingieren el cobre, el plomo y el zinc que emanan de los respiraderos.
También existen numerosos estudios sobre la mineralización microbiana del azufre, fósforo y otros minerales. Además, algunos estudios sobre la mineralización microbiana de uranio, tungsteno, plata y bauxita también han logrado algunos resultados.
4) Líneas clave de investigación de la mineralización microbiana.
La investigación teórica sobre la mineralización microbiana se llevó a cabo relativamente tarde y hay muchas áreas que necesitan ser estudiadas. Se pueden centrar los siguientes aspectos (Yin Hongfu, 1994):
(1) Investigación sobre el sistema de mineralización "biológico-orgánico-fluido". En la actualidad, aunque la investigación sobre biomineralización ha obtenido muchas evidencias de que los microorganismos participan en la mineralización, todavía falta una investigación sistemática sobre la biomineralización y es difícil lograr avances importantes en la investigación de biomineralización aislada. Es necesario estudiar la evolución de la biomineralización desde una perspectiva del desarrollo. Por lo tanto, es particularmente importante estudiar el sistema de mineralización de "fluidos bioorgánicos". Se trata de estudiar la evolución de la mineralización biológica desde la perspectiva del desarrollo y conexión de los sistemas de mineralización, es decir, estudiar sistemáticamente la mineralización de organismos (como el preenriquecimiento) hasta la mineralización de diversas materias orgánicas por parte de organismos (como disolución) y enriquecimiento), y luego a la mineralización de fluidos orgánicos.
Los sistemas de mineralización de “fluidos biológicos-orgánicos” son comunes en cuencas y cinturones orogénicos. Ya a principios de los años 70 se había observado el posible origen y la relación espacial entre los yacimientos de petróleo y gas y determinados yacimientos de metales. Por ejemplo, el depósito de plomo y zinc a gran escala de Pinepat se descubrió cerca del campo petrolífero Albert en el noroeste de Canadá, y el depósito K-V-U de la meseta de Colorado se descubrió en la zona petrolera de Somalia. En los últimos años, no sólo se han descubierto algunos depósitos de metales en áreas de petróleo y gas, sino que también se ha descubierto que los campos de petróleo y gas pueden estar genéticamente relacionados con algunos depósitos de metales activos. En la actualidad, la investigación ha llegado al punto de discutir las posiciones relativas y los signos censales de los depósitos metálicos en las cuencas petrolíferas, incluidos diversos depósitos como mercurio, antimonio, uranio, molibdeno, oro, cobre, plomo y zinc. La investigación sobre inclusiones en depósitos metálicos asociados con depósitos de petróleo y gas ha demostrado que los fluidos formadores de minerales de los depósitos metálicos son similares a la salmuera de los yacimientos petrolíferos, y la materia orgánica en los fluidos formadores de minerales también tiene propiedades similares.
La investigación sobre el sistema de mineralización de "fluidos orgánicos biológicos" revela la conexión esencial entre los dos tipos de depósitos minerales: durante la deposición de la cuenca original, un gran número de organismos sentaron las bases materiales para la formación de petróleo y gas, y al mismo tiempo, materiales formadores de metales preenriquecidos, que proporcionaron la base para la formación de depósitos metálicos. La formación proporciona una base material, durante el proceso diagenético, los organismos se transforman en materia orgánica y fluidos térmicos orgánicos, que pueden disolverse; extraer y enriquecer sustancias metálicas; durante las actividades de orogenia en la cuenca original, los fluidos térmicos orgánicos migran al cinturón orogénico y los fluidos transportan una gran cantidad de sustancias de mineralización que hacen que los metales migren a minerales. La circulación y confluencia de diferentes fluidos, como los fluidos orgánicos en las cuencas de petróleo y gas y los fluidos ricos en metales en los cinturones orogénicos, conducen en última instancia a la formación de depósitos metálicos. La investigación sobre este sistema de mineralización no sólo puede mejorar y profundizar las teorías de mineralización biológica y mineralización fluida antes mencionadas, sino que también puede guiar el trabajo de prospección mineral.
(2) Estudio integral y comparativo de los mecanismos y condiciones de la biomineralización moderna y antigua. Discutir el presente desde el pasado es un principio importante en las ciencias de la tierra. Muchos conocimientos sobre la biomineralización también provienen de la observación directa y la investigación sobre la biomineralización moderna, como la biomineralización en las áreas de respiraderos de aguas termales de las dorsales oceánicas, el origen bacteriano de los nódulos de manganeso oceánicos, el origen bacteriano o bioquímico de los depósitos de oro de placer. de bacterias magnetotácticas que sintetizan magnetita, etc. La investigación moderna sobre biomineralización nos ayuda a comprender los mecanismos de biomineralización, como los modos de bioconcentración y precipitación de metales, así como las características biofísicas y morfológicas involucradas en la mineralización. Sólo resolviendo estos problemas podremos realizar investigaciones convincentes sobre la mineralización biológica de depósitos minerales antiguos típicos, comprender los cambios y efectos de la paleontología en las diferentes etapas de la deposición de rocas, la diagénesis y el metamorfismo, comprender el proceso de mineralización paleontológica y evitar depender únicamente de características morfológicas para discutir la biomineralización. Por lo tanto, estudiar la biomineralización en la historia geológica moderna, es decir, estudiar los depósitos minerales formados por biomineralización, es una dirección de investigación muy importante en la teoría de la biomineralización.
(3) Estudio integral de la mineralización microbiana desde la perspectiva de otras ramas relacionadas de la biogeografía: La biomineralización es un tema límite entre la biología y la ciencia sedimentaria. Su investigación debe combinarse con disciplinas relacionadas de la biogeografía, como la biomineralización y la biogeoquímica. Por ejemplo, algunas bacterias reducirán los iones de oro después de la adsorción y se convertirán en cristales. Cuando los cristales de oro crezcan, se desprenderán de las bacterias. Por lo tanto, es necesario realizar estudios detallados sobre la cristalización de oro causada por estas bacterias desde la perspectiva de la biomineralización para distinguir los orígenes orgánicos e inorgánicos de estos minerales, proporcionar evidencia de la biomineralización y desarrollar una teoría de la biomineralización.
En definitiva, la teoría de la biomineralización debe estudiarse y desarrollarse desde dos aspectos: uno es estudiar factores biológicos internos como el mecanismo y proceso de la biomineralización, y el otro es estudiar condiciones externas como las sedimentarias. ambiente. En resumen, el estudio sistemático, integral y sistemático de la evolución de la biomineralización es la clave para desarrollar la teoría de la biomineralización.