Кремни являются одним из наиболее древних видов полезных ископаемых, когда-либо добывавшихся и использовавшихся человеком. Области применения кремней эволюционировали вместе с развитием социума, научной и технической мысли. Однако своеобразие вещественного состава и структуры кремней долгие годы находили свое отражение в использовании физико-механических свойств данных минерально-породных образований, которые применялись древними людьми для изготовления орудий труда и охоты — топоров, скребков, ножей, наконечников стрел, амулетовпозднее — мельничных жерновов, химической посуды и т. д. Основные области применения кремней сегодняэто футеровка мельниц для керамической шихты, отощающая добавка при производстве тонкой керамики, абразивные материалы. Осуществляются эксперименты по использованию кремней как модификаторов полиэтиленов при производстве металло-полимерных (композитных) материалов.
Необходимость решения вопросов, связанных с поисками и оценкой месторождений нетрадиционных видов полезных ископаемых, в существенной степени повысила интерес к кремням, обладающим биологической активностью. Биологически активными кремнями, по определению автора, являются кремни, образующие геологическую систему с бактериями, среди которых особое место занимают почвенные бактерии актиномицеты (стрептомицеты) — продуценты ряда биологически активных веществ.
Первые опыты белорусских ученых с кремнями из доломитов Главного девонского поля и меловых структурзапада Республики Беларусь позволили установить разновидности кремней, обладающих способностью улучшать потребительские свойства воды. Данное обстоятельство обусловливает практическое использование кремней с целыо решения различных задач практической медицины, фармакологии, биологии, биотехнологии и прикладной экологии. Уже известны примеры использования кремней, обладающих биологической активностью, в качестве минеральной основы инженерно-экологических систем подготовки (активации) и очистки технологических вод в пищевой промышленности. Применение водных настоев кремней в медицине повышает эффективность профилактики и лечения онкологических заболевании, активизирует систему антиоксидантной защиты, повышает резистентность организма человека в условиях внешнего радиационного воздействия, предотвращает накопление и снижает уровень радионуклидов в организме.
Широкое распространение кремней во вмещающих карбонатных породах Центрального блока Русской платформы, слагающих структуры Московской синеклизы и Днепрово-Донецкой впадины, предполагают реальную возможность обнаружения скоплений кремней, обладающих биологической активностью, и в границах Российской Федерации. Данное обстоятельство явилось основополагающим при определении цели работы соискателя.
Актуальность работы Кремни, обладающие биологической активностью, привлекли серьезное внимание ученых и практиков лишь в последнее десятилетие прошлого века. Вследствие этого геологические особенности скоплений кремней в пределах Московской синеклизы и сопредельных структур Русской платформы изучены недостаточно, не решены задачи выявления минералого-геохимических особенностей кремней. Кроме того, не установлена природа биологической активности кремней, что препятствует разработке потребительских характеристик данного вида минерального сырья.
Объект исследования Скопления кремней, являющиеся объектом исследования в рамках диссертационной работы, распространены в границах Центрального региона России (ЦРР), сопредельных областей Российской Федерации (РФ) и Республики Беларусь (РБ) необычайно широко. Морфологически они представляют собой прослои, слойки, желваки, пласты, ленточные образования, секреции, конкреции и др. Повсеместно кремни тяготеют к карбонатным породным вмещающим комплексам, слагающим интракратонные отрицательные структуры Русской платформы — Московскую синеклизу, Днепрово-Донецкую впадину (синеклизу), северо-восточный сегмент Польско-Литовской синеклизы, Брестскую внадину и другие структуры (рис. 1). Данное обстоятельство объясняется близко синхронным осаждением кремнистого и карбонатного осадка, которое обусловлено комплексом факторов, характерных для фанерозойско-мезозойской эпбхи осадкопакопления. Возраст кремиевмещающих пород датируется как верхний девон, нижний, средний и верхний карбоп, верхний мел.
Выбор кремней как объекта исследований был обусловлен необходимостью изучения минерально-сырьевой базы кремней, обладающих биологической активностью, в пределах ЦРР (Московская синсклиза и Днепрово-Донсцкая впадина) в связи с имеющимися положительными результатами изучения и использования кремней, обладающих биологической активностью, из сопредельных геологических структур запада Русской платформы (Витебской, Гродненской и Брестской областей РБ). Развитая инфраструктура Центрального региона России, наличие заинтересованных научных и производственных организаций, отсутствие необходимости дополнительных капиталовложений определяют актуальность детальных исследований с целью разработки поисковых и оценочных критериев скоплений кремней, обладающих биологической активностью.
— Р-основные типы геологических структур / - ШИТЫ. 1- кряжи, чонокл нш, ?-синскли1ы, опалины. 6- Прогибы, 7- крлепые прогиби. Л — антекдщн. 9 — сложные акт"к лн) Ы, 10, !/ - а&яакогены 10 — дофа-нероюйсхис, // - фанероюйскне. /2, и — крупные массивы гранитовра гик и ли (/7) И шел ОЧНЫ* пород (13),.
14 — ясторойлечи- 15-IVгранили.
15 — Русской платформы. /6 ~ Тнча-но-Печорской пднты, 17- структур периого порядка, ?в-структур второ го порядка, а — 410.10* шельмы* (с вой и, поднята*, выступы и лр отрнид-тел ьны * { в пая и ны. яе п рссс им, прог и бы кар). /9-ашкогеногвлофанеро-юйскич, б — фанерозойеки*. 20 ~ наложенных меюэойска-кайноюйскик структур.
Структуры перио] о (римская цифра) и второго (арабская цифра) порядков I — Балтийский шит. II — Украинский шит, III — Балтийская чо ноклиэа, IV, — Волнмо Подольская чококлша (I — Брестская шлина, 1 — Львовская впадина), — Причерноморская чоноклнн, V— Мезенская впадина (I — Сафоновский прогиб, 2 — Ме-кнско-Вашкннскаи юна поднятий. 3 -Кереико-Пи нежехая система прогибов. 4 — Архангельская юна пояисгий, ЪОнежский протнб. 6 — Вычегодский про 1мв), VI — Московская еннеклии (IПошехонский прогиб, 2 — Галиче*ий прогиб). VII — Балтийская снискяим.
VIII — ДненровО’Лоисикдя синесли и,.
IX — Прикаспийская сниеклша (IЦентральноПрикаспийская депрессия, 7 — Лсграю некий с вол. 3−9 — юны свопов и поднятий. 3 — Волгоградско-Л >1−1 ыбе кскач, 4 — Алт инско-Огичков-ская. 5 — Дсркульская. 6- Карачаганак-СКО'Кобалдинская, 7 — Восточно-Прикаспийская, 8 — Южно-ПрнкдспиЯс-кая. 9 — Каратонско-Тенги1ск"я, 10 -Сарпимский прогиб). X — Оршанская пи. гднна, XI — Ряыно-Сдратовскнйпро-1и6. XII" - северно" «вено Нредуральс-кого краевого прогиба (впадины | аеркиепечорекзн. 2 — Ьолыиссыпнискан. 3 — Косые. Роговекая, 4 — Корота-икинежая). XI1 $ - южное крыло Преду-рлльското прогиба {впадины 1 — Соликамская. 3 — Юрюэанс ко • Сыл к иска». 3 — Белье как), XIII. — Предкарпатский красной прогиб, XI И* - Преддобружин-СКИЙ краевой прогиб, XIV — Л и толст. Белорускам лн текли и (седловины IЛатвийская. 2 — Полесская. 1 — Жло-бинская), XVВоронежский ан теклиаа, XVI — сложна* Волго-Уральская ач теклиш (1−7 — своды I — Сысольский. 2 — Котельмичскнй, 3 — ТокмовскиА.
— Пер мско*Банкире кий. 4 — Татарский, 6 — ЖнгулеискоПутачевский. 7 -Орсбургсхнй, Н — Соль-Илеикий выступ, 9 — В втекав система линейны" дислокаций, 10 — Камская моноклиналь. 11 — Всрмнемчекан вплднна, 12 — Бир-ская впадина, 13 — Уфимская моноклиналь, 14 — Мелекесскав впадина, 15 -Бузулукскаи впали на), XVII — Тнмаис-кнйкряж (.мсглшш. I — Калинско-Ссис-ротпмднекий, 2 — Икйгмсрсо^етласскмн,.
3 — 1кмшч мо-Тима иск и и) — XVIII — Пе-'юрскаясинеклии (I — ИжмаПечорская ппдлина, 2 — Печоро-Колииисюв тектоническая юна (авлакоген), 3- Хорейвср-сом впвднна, 4 — Варандея-Лдримская тектонически" юна (лмакагеи),.
А «да к иге им (цифры ЛКРУХХ**)'' «Ксре ико Лешу коне кий, 2 — Кандалакшский, 3 -Лаг.ожский, 4 — Вожс-ЛИСКМй. 5 — Среяне-Ру^скнн. 6 — Кожимский, 7 -Клл тас нис кий, и — Сергиеоско-Абдулнн (кий, 9 — Пачедыскнй. 10 — К, 1нниовс-кии. И — Прип^тско-Лонеикнй.
Наложенные меююнеко-кдй ншоГп к не струкгурь* (цифру в ее.-раницу 1 — Польско-Лнтовскав си-мсми)а.? — Украинская синеклиы, 1 -Причерноморская впадине, 4 — Ульи-иовско-Саратове кий прогиб.
Асгроблеыы, а — Карская- 6 -Яинсънрпи, в — Мпшнногорская, / -Нучеж-Катунгская. д — Логайская, < -Калужская- * - Карлмнскэя. а — Курская, и — Илиненкан, * -Болтишскаял — Каменска*.
Цель и задачи работы.
Цель диссертационной работы — с использованием минералого-геохимических методов, применяемых при поисково-оценочных работах, выявить особенности химического и минерального состава биологически активных кремней, уточнить условия генезиса и установить природу биологической активности кремней.
Для достижения поставленной цели необходимо было: а) создать и апробировать оригинальную методику изучения вещественного состава кремнейб) определить минералого-геохимические особенности и установить природные типы кремнейв) установить зависимость между минералого-геохимическими и структурными особенностями вещества кремней и численностью и таксономическим составом бактериальных сообществ и, в первую очередь, актиномицетного (стрептомицетного) комплекса, населяющих кремниг) изучить особенности бактериальных сообществ, населяющих кремни установленных природных типов, и определить природу биологической (антимикробной) активности кремней, д) изучить факторы формирования кремней, ' обладающих биологической активностью, с целью уточнения прогнозно-поисковых оценочных критериев их скоплений в пределах Московской синсклизы, сопредельных ей структур, а также территорий со схожими геологическими обстановками.
Фактический материал и методика исследований.
Основой диссертационной работы послужили результаты аналитических исследований образцов кремней, отобранных автором в процессе прогнозно-поисковых работ в ГГГ1 «Центргеология» но теме «Анализ перспективных площадей на нетрадиционные виды нерудных полезных ископаемых в пределах Московской синеклизы (северные области Центрального района). Изучение и оценка минерально-сырьевой базы биогенных высококрсмнистых пород, но территории деятельности ЦРГЦ». Результаты работы сведены в производственном отчете за 2001 г., хранящемся в отделе фондов ФГУ «Центргеолфопд».
Каменный материал для исследований отбирался автором по стратиграфическому принципу на основании предварительной проработки фондовых и опубликованных работ по геологии, литологии и стратиграфии разрезов карбонатных кремневмещающих пород Центрального региона России (Московская сипсклиза и Днепрово-Донецкая впадина) и Республики Беларусь (девонские и меловые структуры северо-востока и запада республики). Преимущество при отборе образцов отдавалось кремням желваковой формы в соответствии с критериями, установленными учеными РБ. Оценивались также кремни других морфогенетичёских типов, что в итоге было признано методически верным. Для проведения сравнительного анализа использовались образцы кварца и гидротермальных кремней (халцедонов), отобранные автором в Забайкальском регионе. Кроме того, автору любезно были предоставлены образцы кремней Центра России и Республики Беларусь, отобранные главным геологом участка ППР ГГП «Центргеология» В. П. Коваленко и советником РАЕН НЛО. Браташовым.
Аналитической основой работы послужили высокоточные анализы, выполненные в лабораториях ГГП «Центргеология», ФГУП ВИМС, ИПХФ РАН (г. Черноголовка), ИГЕМ РАН. Изучение вещественного состава и типоморфных особенностей кремней осуществлялось с использованием методов химического и спектрального анализапетрографического анализа, инфракрасной спектроскопии (ИКС), рентгеновской дифрактомстрии, электронной микроскопии. В процессе работы были визуально оценены порядка ста образцов кремней. Для детальных исследований по макроскопическим признакам — цвету, наличию ископаемых форм, проявленности фрагментов первично опаловых минеральных биогенных форм, наличию рудных минералов и т. д. отобраны пятьдесят образцов. В том числе изготовлены и описаны 30 прозрачных шлифов, проанализированы 40 проб химическим и спектральным методами анализа, осуществлены исследования 35 образцов методом ИКС, в том числе 20 методом дифференциальной фурье-спектроскопии, 15 образцов изучались методом РКФА, 6 образцов были изучены с помощью электронной микроскопии и микрозондового анализа.
Для проведения сравнительного анализа минералого-геохимических и геологических особенностей кремней были задействованы результаты исследований кремней РБ, опубликованные как в республиканской, так и в российской научной печати.
Разработка методики и непосредственно микробиологические исследования кремней осуществлялись на Кафедре биологии почв факультета почвоведения МГУ им. М. В. Ломоносова (зав. кафедрой д. б. п., профессор Д.Г. Звягинцев) д. б. п. профессором Г. М. Зсновой. Изучались численность и таксономический состав актиномицетов (стрептомицетов), биологическая (антимикробная) активность актиномицетов, выделенных на веществе кремней.
Научная новизна.
1. Установлены минерало го-геохимические и структурные особенности биологически активных кремней.
2. Изучен минеральнпт состав микрофаз кремней.
3. Выявлена зависимость между структурными особенностями кремней (степень кристалличности) и численностью актиномицетов (стрептомицетов) их населяющих.
4. Установлена природа биологической (антимикробной) активности мицелиальных бактерий актиномицетов (стрептомицетов), выделенных из вещества кремней, которая является частным проявлением биологической (антимикробной) активности кремней.
5. Впервые в качестве основного фактора образования биологически активных кремней научно обоснован бактериальный фактор.
Личный вклад автора.
Автором детально изучены кремни Московской синеклизы и сопредельных структур Русской платформы и установлены минералого-геохимические и структурные особенности вещества данных минерально-породных образований. На основании полученных результатов определены три основных минеральных типа кремней, тяготеющих к карбонатным комплексам Центрального и Западного блоков Русской платформы. Выявлена тождественность минералого-геохимичсских параметров кремней (степень кристалличности, элементный состав, минералы-примеси) с установленной биологической активностью из геологических структур Западного блока Русской платформы (Главное Девонское поле, Польско-Литовская синеклиза, Подлясско-Брестская впадина, Республика Беларусь) и Центрального блока Русской платформы (Московская синеклиза, Днепрово-Донецкая впадина, Центральный регион России).
Автором установлена природа биологической активности кремней и сделаны выводы о тесной связи минералого-геохимичсских и структурных особенностей кремней и условий жизнедеятельности мицелиальных бактерий актипомицетов-продупентов ряда биологически активных веществ. Доказана принципиальная возможность управления актииомицетами при решении задач биотехнологии силикатов, прикладной микробиологии.
Проведен анализ факторов кремненакоплсиия и образования биологически активных кремней. Определены условия генезиса кремней: биогенно-хсмогеимое осаждение кремневого геля в периферической зоне эвапоритового солеродного бассейна в конечные стадии трансгрессий и начальные регрессий в условиях аридного климата.
Уточнены факторы кремнепакоплепия и научно обоснован в качестве одного из основных бактериальный фактор формирования кремней, обладающих биологической активностью.
Сформулированы минералого-геохимические критерии поисков и оценки кремней, обладающих биологической активностью.
Практическая значимость.
1. Разработана и апробирована для решения поставленных задач методика ИК-спектроскопического исследования минералов тонкозернистого кремнезема (Методические рекомендации № 143, М.: НСОММИ, ВИМС, 2000 г., разработаны ГГП «Центргеология», участок ППРИнститут проблем химической физики РАН). ф.
2. Проведен анализ факторов кремненакопления и кремнеобразования и определены поисково-оценочные критерии скоплений биологически активных кремней.
3. Полученные результаты использованы при составлении геолого-прогнозной карты масштаба 1:1 500 000 структуры Московской синеклизы, выполненной с использованием ГИС-технологий, с указанием мест скоплений биологически активных кремней и участков, перспективных для их обнаружения.
4. Актиномицеты (стрептомицеты), выделенные на веществе кремней, могут быть использованы в производстве антибиотиков.
5. Продукты жизнедеятельности актиномицетов могут быть использованы для повышения эффективности ' работы биотехнологических систем выщелачивания силикатов.
В диссертационной работе защищаются следующие основные положения: *.
1. Сравнительный анализ кремней из карбонатных комплексов Центрального и Западного блоков Русской платформы по степени кристалличности тонкозернистых минералов кремнезема, минеральному составу примесей и микрофаз, по геохимическому спектру элементов позволил выявить сходство халцедоновых кремней Московской синеклизы и эталонных кремней с установленной биологической активностью из структур Главного Девонского поля и меловых отложений Польско-Литовской синеклизы (Республика Беларусь).
2. Структурные особенности вещества кремней и спектр содержащихся в них элементов 81, Са, А1, Ре, Р, Б, Сг, Си, Мо, 2п, V, N1 и др. определяют потребительские свойства данных минерально-породных образований, одним из главных среди которых является биологическая активность.
3. Генезис биологически активных кремней обусловлен геолого-тектоиическим, литолого-геохимичсским, парагенетичсским, биогенным, бактериальным факторами, проявленными на отдельных этапах фанерозойской эпохи кремненакопления. Эти факторы и определяют комплекс поисково-оценочных критериев данного вида минерального сырья.
Апробация работы.
Методика исследований кремней, обладающих биологической активностью, и результаты работы были представлены впервые при защите производственного отчета по теме «Анализ перспективных площадей на нетрадиционные виды нерудных полезных ископаемых в пределах Московской синеклизы (северные области Центрального района). Изучение и оценка минерально-сырьевой базы биогенных высококремнистых пород по территории деятельности ЦРГЦ» за 2001 г., хранящемся в ФГУ «Центргеолфопд» (ответственный исполнитель Коваленко В. П., авторы Дашковский С. И., Вольфсон И.Ф.).
По заключению Кафедры биологии почв факультета почвоведения МГУ стрептомицеты рода Streptomyces секции Cinereus серии Achromogenes, выделенные из вещества кремней Польско-Литовской синеклизы (Волковысское месторождение, Гродненская обл.), могут быть использованы при создании таких антибиотических препаратов, как тетрациклины, стрептомицины, циклогексимид и др.
Основные результаты исследований по теме диссертационной работы доложены на научно-практической конференции ВМО «Прикладная минералогия в решении проблем прогнозирования, поисков и оценки месторождений полезных ископаемых», 26−27 апреля 2001 г., г. Москва, годичном научном собрании ВМО «Роль минералогических исследований в решении экологических проблем», 28−30 мая 2002 г., г. Москва, международном симпозиуме «Ресурсовоспроизводящие малоотходные и природоохранные технологии освоения недр», Российский университет дружбы народов, 15−18 сентября 2003 г., г. Москва, международной конференции «Экологическая геология и рациональное недропользование», Санкт-Петербургский государственный университет, 6−10 октября 2003 г., г. Санкт-Петербург.
Организация выполнения работы.
Работа была выполнена в ГГП «Цептргеология» и завершена в инициативном порядке в ВИМСе по данным, собранным в процессе глубокой проработки опубликованных и фондовых материалов по геологии, минералогии и геохимии кремней, и, но результатам, полученным в процессе поисково-исследовательских работ, осуществлявшихся автором на предприятии ГГП «Цептргеология». Научное руководство диссертацией осуществлялось д. г.-м. н. профессором Г. А. Сидоренко, оказавшей автору неоценимую помощь, без человеческого и творческого участия которой данная работа вряд ли увидела бы свет.
Автор выражает глубокую благодарность коллективу Кафедры биологии почв факультета почвоведения МГУ им. Ломоносова и лично д. б .н. Г. М. Зеиовой за большую помощь при создании методики оценки кремней и проведенные микробиологические исследования биологической активности кремней, результаты которых позволили сформулировать один из опорных тезисов диссертации, к. б. н. Т. П. Преображенской за ценные советы, позволившие внести уточнения при проведении микробиологических исследований кремней, д. г.-м. н. И. Г. Печенкину за большую помощь и ценные рекомендации, позволившие определить научные и методические задачи исследований, д. г.-м. н. В .Т. Дубинчуку, к. г.-м. н. Г. К. Кривоконевой, с. н. с. И. С. Наумовой (ВИМС), д. ф.-м. н. Н. В. Чуканову (ИПФХ РАН), которым обязан за внимательное отношение и творческую поддержку при проведении исследований минерального состава кремней, главному специалисту отдела комплексного геологического изучения и воспроизводства МСБ ДГК по Центральному федеральному округу H.H. Прокофьевой, главному геологу ГГП «Центргеология» А. П. Литвииенко, начальнику участка ППР ГГП «Центргеология» С. И. Дашковскому, главному геологу участка ППР В. П. Коваленко, технику-геологу участка ППР В. М. Козловой за ценные советы, методическую и техническую помощь при проведении исследований, советнику РАЕН Н. Ю. Браташову за конструктивное участие и предоставленные образцы для исследований, главному геологу ГипродорНИИ (Смоленский филиал) В. И. Воронину за большую помощь и ценные советы при проведении полевых исследований в Смоленской области, к. г.-м. н. A.B. Мохову за методическую помощь при проведении эксперимента, коллективу Центральной лаборатории ГГП «Центргеология» (начальник лаборатории В.В.Соломатин) и особенно II.II. Архангельской, В. Н. Евиловой, Г. И. Богатыревой, J1.A. Шишкиной, A.A. Горбаткиной за высокое качество аналитических работ, к. г.-м. н. A.B. Красных (ВИМС) за помощь в оформлении диссертации.
Структура и объем работы Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы, содержит 118 страниц текста, 16 рисунков и 11 таблиц. Структура диссертационной работы отражает системный подход автора к изучению особенностей вещественного состава кремней как основы разработки параметров нового вида полезных ископаемых. Наряду с изучением тонких особенностей минерального строения кремней, влияющих на качество данного вида минерального сырья, — минеральный состав и структура породообразующих минералов, состав примесей и особенности минерального состава микрофаз, особенности геохимических спектров и микробиологические особенностирассматривались возможные прикладные аспекты использования кремней в различных отраслях.
Общие выводы:
1. Создана комплексная методика изучения минералого-геохимических особенностей кремней и структурных особенностей вещества кремней. Применение указанной методики позволило осуществить диагностику кремней и их типизацию. Данная методика является универсальной, так как может быть использована для диагностики и типизации тонкозернистых минералов кремнезема, имеющих гидротермальное происхождение.
2. Установлена природа биологической (антимикробной) активности кремней. Сделано заключение о возможности использования актиномицетов, выделенных на веществе кремней, для производства антибиотиков в заводских условиях.
3. Установлен механизм деструкции вещества кремней актиномицетами и сделан вывод о возможности использования продуктов жизнедеятельности бактериальных сообществ (альгобактериальных ценозов) в биотехнологии силикатов.
4. Определены геолого-тектонические и другие факторы кремненакопления и формирования кремней, установлены минералого-геохимические поисковые критерии и признаки кремней, обладающих биологической активностью.
5. По результатам исследований составлена прогнозная карта проявлений кремней, обладающих биологической активностью, территории Московской синеклизы масштаба 1:1 500 000. т.
Заключение
.
В последние десятилетия резко возрос интерес как научных, так и производственных организаций к минерально-породным образованиям, основу которых составляет кремнезем. Объяснением этому служат открытые сравнительно недавно абсорбционные и каталитические свойства трепелов, кремнисто-мергелистых пород, обеспечиваемые, в первую очередь минералами так называемой ОКТ — триады (опал, кристобалит, тридимит), цеолитами (клиноптилолит, клиноптилолит-гейландит), различными глинистыми минералами, которые входят в состав указанных первыми породных образований (Григорьева, 2002; Тюрин, 2003). Все перечисленные компоненты руд позволяют уверенно решать вопросы комплексного недропользования, включая экологические и медико-социальные проблемы, неизбежно возникающие при освоении месторождений (Роль минералогических исследований., Вольфсон, 2003).
В ряду кремнистых пород свое особое место занимают кремни. Являясь одним из наиболее древних видов полезных ископаемых когда-либо добывавшихся человеком, они постоянно привлекают внимание специалистов, работающих в различных областях геологии, минералогии, литологии и др., обеспечивая информацией о последовательности процессов осадконакопления, условиях среды минерагенеза и диагенеза. Области практического применения кремней, однако, во все времена ограничивались лишь физическими и физико-механическими свойствами этих породных образованийтвердостью, раковистым изломом, позднее — химической «чистотой» (на 80−90% и более они сложены БЮг) и отсутствием или низким содержанием красящих примесейгидроокислов Ре и Мп.
Несмотря на то, что антимикробные, излечивающие свойства кремней известны с далекой древности, серьезного и комплексного изучения природы «биологической активности» (или «феномена кремня») не проводилось. Лишь в начале 90-х годов прошлого столетия усилиями специалистов НАН Беларуси, других заинтересованных организаций, энтузиастов кремневой проблемы при поддержке Правительства Республики Беларусь была создана программа «Кремень». Результаты исследований в рамках указанной программы позволили установить ряд важных геологических и минералого-геохнмических особенностей кремней из девонских и меловых отложений РБ и рекомендовать кремни к практическому использованию в качестве основы фильтров технологических вод в пищевой промышленности, в медицине для создания кремневой воды — основы профилактических и лекарственных препаратов и для других нужд.
Истомин, Жаврид, 1993; Жаврид и др., 1995; Жаврид и др., 1998; Истомин и др., 2001; Малярчиков, 1998). С большим уважением относясь к результатам проведенной работы, мы не смогли, к сожалению, опираясь на них, ответить на главный вопрос: с чем же связана природа биологической активности кремней, без понимания которой практически невозможен перевод исследуемых биологически активных кремней в разряд полезных ископаемых? Еще одной, неизбежно возникающей проблемой является оценка предельно допустимых концентраций элементов, веществ, могущих вызвать те или иные последствия в результате их применения. Приступая к работе над диссертацией, автор поставил своей главной задачей — попытаться решить указанные проблемы через комплексное изучение кремней Московской синеклизы и сопредельных структур Центра Русской платформы, опираясь на результаты минералого-геохимических исследований, анализа обстановок кремненакопления, среды диагенеза и результатов микробиологических и биотехнологических исследований, проводившихся им во время работы на предприятии ГГП «Центргеология», а также инициативным путем в содружестве со специалистами ФГУП ВИМС, ИПХФ РАН (г. Черноголовка), а позднеефакультета почвоведения МГУ.
При осуществлении минералого-геохимических исследований автором была разработана оригинальная методика изучения кремней,' объединившая традиционные методы изучения вещественного состава образцов — макрои петрографический анализ образцов, химический и спектральный методы, а также впервые использовавшийся столь широко метод ИКС в режиме рутинной спектрофотометрии и дифференциальной спектроскопии Фурье. Полученный фактический материал был использован при создании методических рекомендаций по ИК-спектроскопическому исследованию минералов тонкозернистого кремнезема, принятых в качестве отраслевых (Методические рекомендации № 143, НСОММИ ВИМС, 2000). Результаты исследований позволили установить в пределах Московской синеклизы и сопредельных структур кремни трех минеральных типов — опал-халцедоновые, халцедоновые и кварцевые, которые диагностируются по степени кристалличности альфа-кварца, по составу породообразующих минералов и минералов микрофаз, а также по содержанию оксидов породообразующих элементов и микроэлементов.
Взаимоотношения внутри биокосных систем относительно молодая отрасль минералогической науки (Перельман, 1977). Однако уже сегодня разработки в данном направлении позволяют решать сложные задачи по биотехиологическому выщелачиванию полезных компонентов из руд, а также прогнозировать условия превращения минерального вещества и роль микроорганизмов в этом процессе в зоне гипергенеза и почвообразования (Silverman, 1979; Зенова, Калакуцкая, 1993; Яхонтова, Зверева, 2000; Звягинцев, Зенова, 2001; Омарова и др., 2003). Эти работы осуществляются параллельно с исследованиями в области бактериальной палеонтологии, которые убедительно доказывают важную роль бактериальных сообществ в минералои породообразовании, включая крем необразование, в прошлые геологические эпохи, а также геологии и генезиса гидрогенных месторождений урана, селена и других видов полезных ископаемых (Надсон, 1932; Бушинский, 1954; Крылов, Тихомирова, 1988; Максимова, Шмариович, 1993; Седаева, Антошкина, 2000; Розанов, 2002; Весталл, Велш, 2002; Заварзин, Орлеанский, Герасименко, 2003). При создании методики изучения биологической активности кремней автором изучалась биокосная система «кремни — актиномицеты». Всестороннее изучение актиномицетов осуществляется в связи с их способностью синтезировать различные биологически активные вещества — антибиотики, витамины, аминокислоты, алкалоиды, ферменты. Известна зависимость свойств актиномицетов от содержания микроэлементов в среде их обитания (Cr, Mn, Си, Zn и др.) (Павловича, 1978; Звягинцев, Зенова, 2001).
Ряд образцов установленных минеральных типов кремней был подвергнут микробиологическим испытаниям с целью установить природу биологической активности кремней. Биологическая активность связана с жизнедеятельностью бактерий и других микроорганизмов и может быть оценена количественно с использованием инструментальных методов как в полевых условиях (например, газовое дыхание почв), так и в лабораторных условиях с помощью посева вещества почвы (в нашем случае вещества кремней) на питательных средах с последующим подсчетом растущих колониеобразующих форм по разработанной методике (Зенова, Кураков, 1988; Зенова, 1992; Зенова, Звягинцев, 2002). В результате микробиологических исследований была установлена зависимость численности актиномицетов от совершенства кристаллической структуры вещества кремней и содержания микроэлементов в них: наиболее населены кремни значение степени кристалличности которых, рассчитанное по стандартной методике (Методические рекомендации № 143, ВИМС, НСОММИ, 2000), — 7>Кк>5. Снижение численности актиномицетов (стрептомицетов) наблюдается в кварцевых кремнях (Кк>7). В отдельных кремнях опал-халцедонового типа (Кк<2,5) численность стрептомицетов снижается обвально. Эти данные корреспондируются с результатами опыта по деструкции кварца силикатными бактериями, описанного Яхонтовой (Яхонтова, Зверева, 2000).
Антимикробная активность кремней установленных типов Московской синеклизы и сопредельных структур Русской платформы обусловлена частным проявлением антимикробной активности актиномицетов их населяющих, свойством использующимся для классификации и идентификации видов стрептомицетов (Зенова, 1992; Звягинцев, Зенова, 2001).
В нашем случае для изучения антимикробной активности кремней в качестве тест-организма использовался штамм культуры Staphylococcus aureus (штамм УФ-2 мугантный, т. е. более сильный). Антагонизм к ней наилучшим образом проявился у образца мелового халцедонового кремня Гродненской области. Зона лизиса (зона отсутствия роста тест-организма) стафилококка вокруг блока роста актиномицета, выделенного из минерального вещества кремня, равнялась 50 мм. Данный показатель дает возможность дальнейшего использования культуры актиномицетов, выделяемой на данном образце — Cinereus Achromogenes — для производства антибиотических препаратов в заводских условиях.
Таким образом, природа биологической активности кремней обусловлена деятельностью актиномицетных сообществ — мицелиальных прокариот доядерных, которые по данным Г. М. Зеновой являются активной частью альго-бактериальных ценозов, среда обитания которых — выходы кремневмещающих карбонатных пород %.
Зенова, Калакуцкая, 1993).
Актиномицеты в кремнях представлены актиномицетами рода Streptomyces, видами секции Cinereus серий Achromogenes (бурые), C. Violaceus (фиолетовые), секции Helvolo-flavus серии Helvolus (желтые).
Таксономический состав актномицетов в кремнях может быть обусловлен как географическим местом • их отбора и соответственно типом почвы, из которой они выделяются, так и литологическим типом и возрастом кремневмещающих пород. Наблюдается отчетливое снижение численности актиномицетов (стрептомицетов) секции Cinereus серии Violaceus в кремнях более молодых (Кг) вмещающих пород по сравнению с кремнями из доломитов и известняков девона и карбона. В тоже время в кремнях из меловых пород резко возрастает численность стрептомицетов секции Cinereus серии Achromogenes по сравнению с более ранними кремневмещающими карбонатными комплексами (см. табл. 3.3.1,3.3.2).
Из актиномицетов секции Cinereus серии Violaceus (фиолетовых) в СССР в 1939 году был выделен первый антибиотик мицетин. Его аналог антрохинон долгие годы являлся одним из основных противоопухолевых препаратов. Окраска субстратного мицелия у фиолетовых обусловлена образованием разных пигментов, многие из которых обладают антибиотическими свойствами и принадлежат к различным группам химических соединений — антрациклинов, продигиозионов, литмоцидина-гранатицина и др.
Антибиотики из культур видов секции Helvolo-flavus серии Helvolus относятся к различным классам соединений, среди которых преобладают антибиотики — пептиды. К этой секции принадлежат продуценты таких антибиотиков, как стрептомицин, эритромицин, канамицин и др. Среди культур видов, принадлежащих к секции Cinereus серии Achromogenes, встречаются продуценты практически важных антибиотиков таких, как тетрациклины, стрептомицины, циклогексимид и др. Многие антибиотики с разными химическими свойствами и различными механизмами действия, внесенные в водную среду, в почву подавляют рост культур рода Streptomyces, давая возможность развиваться только культурам так называемых редких родов мицелиальных прокариот грибков (Зенова, Звягинцев, 2001). В связи с этим появляется возможность выделить культуры менее известных родов и видов — потенциальных продуцентов новых биологически активных веществ.
Минералого-геохимические и микробиологические особенности кремней тесно увязываются с геолого-геохимическими обстановками кремненакопления осадочных фанерозойско-мезозойских бассейнов. Они обусловлены совокупном действием ряда факторов, среди которых своей значимостью выделяются геолого-тектонический (тектоника, ландшафты, литолого-геохимические особенности пород областей питания, корообразование, диагенез), климатический, гидрогеохимический, географический (перерывы осадкоиакопления, развитие речной сети), биогенный и выделенный впервые в качестве основного — бактериальный фактор. Последний, по мнению автора, является главным в образовании именно биологически активных разновидностей кремней. Обеспечивающие необычность свойств исследуемых кремней актиномицеты (стрсптомицеты) являются частью семейства бактерий прокариот, чья история жизнедеятельности насчитывает несколько крупных геологических эпох — от архея до настоящего времени. Доказана их значительная роль в формировании карбонатных пород и минералов тонкозернистого кремнезема. Обоснованным признано место актииомицетов в составе породои минералообразующих циано-бактериальных матов (Орлеанский, 2002; Герасименко, Ушатииская. 2002; Сенченко, Мапучарова, 2003; Омарова и др., 2003).
Особый интерес в связи с бактеральиым минералообразованием представляют результаты изучения сапротрофных прокариотных сообществ соленых лагун Сиваша (Сенченко, Манучарова, 2003). Сообщества микрорганизмов гиперсоленых лагун стали объектом исследования с 70−80-х годов XX века как аналоги строматолитообразующих сообществ протерозоя. Строматолиты рассматриваются как литифицированные бентосные сообщества. Определяющим является процесс превращения микробной массы в биогенную породу. Исследование реликтовых сообществ микроорганизмов, сохранившихся в экстремальных местах обитания до настоящего времени, позволяет понять биологические прцессы, происходившие в протерозое и в более поздние геологические эпохи. Установлено, что в донных отложениях гиперсоленых лагун залива Сиваш численность актиномицетов рода Streptomyces достигает 80% от общей численности бактерий. Спецификой таксономического состава прокариотного комплекса бентоса является наличие галотолерантных и пигментных форм бактерий, представленных как грамположительными {Bacillus, Micrococcus, Streptomyces), так и грамотрицательными (Flexibacter maritimus) формами. Выявлена способность прокариотного комплекса образцов бентоса к процессам азотфиксации и денитрификации.
В современных условиях в альго-бактериальных ценозах актиномицеты играют роль бактерий-редуцентов, регулирующих кислото-щелочной характер деятельности водорослей на выходах карбонатных кремневмещающих пород. Источником жизненных циклов актиномицетов является энергия кристаллической решетки халцедона, проявляющаяся в процессе донорно-акцепторных реакций клетки микроорганизма с поверхностью кристалла. *.
Кремни — суть платформенные образования, матрицу которых составляет халцедон в разной степени кристалличности. В числе главных породообразующих минералов кремней — кварц, опал, кристобалит, тридимит, кальцит. Минеральный состав микрофаз — карбонаты, сульфаты, смектиты, гидрослюды, твердые углеводороды и т. д. -свидетельствует о разнообразии геохимических обстановок формирования кремней, которые подразумевают активное участие бактерий — сульфатредуцирующих, тионовых, актиномицетов и др. Последнее доказывается исследованиями в области бактериальной палеонтологии, биотехнологии и биологии почв. Биологически активные кремни — это породно-минеральные образования кремнезема, образующие геологический комплекс с почвой и почвенными бактериями, главным образом, актиномицетами. Участие последних в улучшении свойств почвы, выработке антибиотиков, витаминов, энзимов тесно связано с запиткой энергией от кристаллического вещества кремней и регулированием жизненных циклов за счет микро элементов, содержащихся в матрице халцедонов.
Биологическая (антимикробная) активность кремней — частный случай антимикробных свойств стрептомицетов, являющихся продуцентами биологически активных веществ. Природа биологической активности кремней, в основе которой продукты реакции в биокосной ситеме «кремни — актиномицеты», открывает большие перспективы в использовании данного вида минерального сырья. На основании проведенного анализа факторов фанерозойской эпохи осадкои кремненакопления полученных результатов, автором были разработаны прогнозно-поисковые критерии и признаки скоплений кремней, обладающих биологической активностью. В числе основных критериев: 1) геолого-тектонические — области сочленения крупных структур древнего фундамента (антеклиз, щитов), сложенных кристаллическими породами, с интракратонными структурами фанерозойско-мезозойских осадочных бассейнов- 2) литолого-геохимические — состав и площадь выходов пород областей питания, затронутых коровыми процессами (благоприятным критерием является превышение площадей выходов кристаллических пород кислого состава относительно пород основного и среднего состава) — 3) литолого-стратиграфические — протяженные слои карбонатных пород, слагающие структуры осадочных бассейнов, датируемые девоном, карбоном, верхним мелом- 4) литолого-фациальные обстановки периферии солеродных бассейнов — переслаивание эвапоритов (ангидритов, гипсов) с глинами, доломитами, прослоями кремней.
Главными поисковыми критериями при поисках биологически активного кремнистого сырья являются: литолого-стратиграфические, минералого-геохимические, бактериальные. Признаками кремней, обладающих биологической активностью, являются: а) степень упорядоченности (кристалличности) альфа-кварца (халцедона) 7>Кк>5- б) превышающие кларковые для вмещающих карбонатных пород содержания микроэлементов с переменной валентностью — Сг, Мп, Си, Мо, V, и и др. в кремняхв) присутствие в составе примесей парагенных кремням минералов — магнезиальных глин (палыгорскита, монтмориллонита, сапонита), арагонита, барита, твердых углеводородов и др.- альго-бактериатьные ценозы в местах первичного почвообразования на выходах карбонатных кремпевмещающих пород и др.
Биологическая активность горных пород, включая кремни, до последнего времени рассматривалась как некое явление «.механизм которого не всегда ясен» (Гречин, 2003). Установление природы биологической активности кремней, в основе которой продукты реакций, происходящих в биокосной ситеме «кремни — актиномицеты (альгобактериальиые ценозы)», открывает серьезные перспективы в использовании данного вида минерального сырья в научных и практических целях. Автору диссертационной работы посчастливилось ознакомиться с современными результатами исследований в области литологии, минералогии гипергенеза, бактериальной палеонтологии, биологии микробных сообществ водных и наземных систем. Ему, в известной степени, удалось обобщить накопленный материал и, опираясь на результаты работ предшественников и данные собственных наблюдений, сделать вывод о природе биологической активности как многофакторном явлении. В его основе — исключительно сложные события, связанные между собой историей прошлых геологических эпох и результатами современных процессов, происходящих в самом тонком звене литосферы — почве. Кремни, о которых выдающийся отечественный литолог С. Г. Вишняков говорил как о «.летописцах геологической истории», вновь подтвердили свое уникальное предназначение и донесли до нас обширную информацию о событиях геологического прошлого, от которых зависит ход современных процессов и явлений как в недрах, так и в зоне гипергенеза и почвообразования.
