• Формирование угля – депонирование углерода в толще земной коры с помощью превращения в уголь остатков живых организмов (в первую очередь, древесной растительности) – является одним из основных применяемых биосферой способов снижения содержания углекислого газа в атмосфере.
  • Параллельно с углеформированием в порах угольного пласта и соседних пород работают бактерии, которые вырабатывают метан, прочно абсорбированный в микропорах.
  • Образование метана угольных пластов – один из главных способов предотвращения попадания в атмосферу и депонирования в земной коре двуокиси углерода, выделяющейся из глубоких слоёв литосферы.
  • Закономерное появление в угольных пластах кристаллов пирита можно объяснить, если предположить, что построение этих кристаллов производится специальными пиритогенными биоплёнками, населяющими поверхность фронта кристаллизации.
  • Работа бактерий по отбору пригодных для построения кристалла пирита элементов привела к тому, что частицы угля содержат серу, тяжёлые металлы и другие вредные для здоровья человека вещества в количестве заведомо большем, чем в окружающих породах.

Главным субстратом углеформирования является, чаще всего, древесная растительность, неразложившиеся остатки которой накапливаются на дне болот и других мелких водоёмов со стоячей водой, т.е. при отсутствии доступа кислорода. В целом формирование угля представляет собой сложную последовательность химических превращений, занимающих от десятков до сотен миллионов лет. В последнее время появляется всё больше оснований предполагать, что в процессах, связанных с углеформированием, ключевую роль играют специальные микробные сообщества, организованные в виде биоплёнок (biofilms), выстилающих внутреннюю поверхность пор в обрабатываемом ими материале.

  Исходный химический состав

 На стадии, предшествующей формированию угля и продолжающейся примерно 103-104 лет, образуется «предуголь» – торф (Peat). Торф имеет структуру с крупными сообщающимися порами, заполненными водой. Если торф высушить, то более 90% массы сухого остатка составляют клетчатка (Cellulose) и лигнин (Lignin), т.е. вещества, состоящие из трёх главных элементов любой живой ткани – кислорода, углерода и водорода (см. Таблицу 2).
Клетчатка представляет собой полисахарид с формулой (С6Н10О5)n и может быть формально представлена в виде суммы углерода и воды:
       С6Н10О5 = 6 С + 5 Н2О.
Лигнин является неоднородным по своей структуре веществом, различные участки молекул которого могут быть описаны формулами С9Н10О2, С10Н12О3 и С11Н14О4. Как нетрудно заметить, молекулы лигнина более богаты водородом, чем углеводы. Поэтому, если от лигнина отделить воду, то остаётся не чистый углерод, а углеводород – соединение углерода с водородом.
Кроме упомянутых кислорода, углерода и водорода, имеется ещё три элемента – азот, фосфор и сера, массовая концентрация которых в живых организмах и, в частности, в растениях существенно больше, чем обычно в земной коре (см. Таблицу). Все остальные биологически значимые элементы, к чилу которых относятся калий, хлор, кальций, железо, цинк, медь, молибден и др., напротив, содержатся в земной коре в значительно большем количестве, чем в клетках растений.

Таблица. Массовая концентрация некоторых химических элементов, %

Элемент В живых организмах В земной коре
Кислород 65-75    46
Углерод 15-18    0.2
Водород                8-10     0.15
Азот 2-3    < 0.1
Фосфор   0.2-1.0 0.1
Сера  0.15-0.2 0.04
Железо   0.01-0.015 5

Изменение характера пористости и структуры пор

В течение всего времени, пока торф находится на небольшой глубине и остаётся в зоне затопления, никаких радикальных изменений в его структуре и химическом составе не происходит. Настоящее формирование угля наступает тогда, когда в результате геологических процессов, приводящих к складкообразованию, слои торфа попадают на глубину, исчисляемую десятками или сотнями метров, а иногда и километрами.
Под действием высокого пластового давления поры в торфе уменьшаются в размерах, а иногда даже почти полностью схлопываются, так что плотность вещества увеличивается, а его суммарная пористость падает и составляет от десятых долей процента до нескольких процентов. При этом получается большое количество микропор, в которых могут располагаться не только отдельные бактерии, но и целые биоплёнки.
На атомарном уровне микропоры не изолированы, а соединены друг с другом нерегулярной системой нанотрещин. Через нанотрещины даже обладающие возможностью целенаправленного передвижения бактерии протиснуться не могут, но могут передвигаться с помощью механизма поверхностной диффузии адсорбированные на внутренней поверхности каналов молекулы газов. Поверхностная подвижность адсорбированной молекулы обратно пропорциональна силе адсорбционной связи молекулы с подложкой. Из трёх газов – двуокись углерода, вода и метан – наиболее сильной адсорбционной способностью и, следовательно, наименьшим коэффициентом поверхностной диффузии обладает молекула метана СН4, имеющая структуру тетраэдра, в центре которого находится атом углерода, а в вершинах четыре атома водорода, способные образовывать водородные связи с электроотрицательными атомами подложки. На втором месте по силе адсорбционной связи и одновременно по величине коэффициента диффузии стоит полярная молекула воды Н2О с двумя водородными атомами, а на последнем месте по силе адсорбционной связи и на первом по диффузионной подвижности – неполярная и не обладающая атомами водорода молекула двуокиси углерода СО2.
    На больших глубинах горные породы проницаемы для двуокиси углерода, плохо проницаемы для воды и практически непроницаемы для метана.

Трансформация клетчатки и лигнина

Судя по изменению состава углей с возрастом, углеформирование сводится, в конечном счёте, к последовательному отщеплению воды от молекул клетчатки и лигнина, что приводит к обогащению остающейся части углеродом и одновременному обеднению кислородом. Отделившаяся при формировании угля свободная вода постепенно уходит в окружающие породы с помощью поверхностной диффузии в нанопорах. В итоге, после полной потери кислорода от клетчатки остаётся свободный углерод, а от лигнина – различные углеводороды, главным образом, битуминозные.
Получаемый в результате состав угля и его свойства определяются как начальными условиями – типом растительных остатков, послуживших субстратом, так и временем, прошедшим после погружения в глубину земной коры. Молодые угли, возраст которых не превышает условной границы в 65 млн. лет (конец мелового периода) принято относить к бурым углям или лигнитам (Lignite). Процесс углеобразования в лигнитах ещё далёк от завершения, т.к. в них остаётся, хотя и уменьшившееся по сравнению с торфом, но всё ещё значительное количество кислорода и не успевшей уйти воды.
В более старых каменных углях (Sub-bituminous coal, Bituminous coal) и антрацитах (Anthracite)), имеющих возраст порядка нескольких сот миллионов лет, кислорода уже практически не осталось, а почти вся свободная вода продиффундировала по поверхности нанотрещин в окружающие породы.

Накопление метана в угольном пласте и окружающих породах

Как показано исследованиями, проведенными фирмой Luca Technologies, параллельно с углеформированием в порах угольного пласта и соседних пород работает специальная биоплёнка, осуществляющая метаногенез (Methanogenesis). В качестве субстрата эта метаногенная биоплёнка, по всей видимости, использует двуокись углерода и водород, постоянно выходящие из глубин литосферы. Необходимым условием существования метаногенной, как и любой другой, биоплёнки является доступность воды. В рассматриваемом случае достаточно большое количество воды пояляется в процессе углеобразования.
Произведенный метаногенной биоплёнкой метан получил известность как метан угольных пластов (МУП) (Coal bed methane). Обычно углевмещающие породы содержат в полтора-два раза больше метана, чем собственно уголь.
Благодаря очень низкой диффузионной способности метан практически никуда не уходит за всё время существования угольного пласта и накапливается в виде адсорбата на поверхности пор (главным образом, микропор). Кроме метана в микропорах содержатся в небольших количествах ещё не обработанная двуокись углерода, а также азот и другие газы.
В среднем на каждую тонну доказанных запасов угля приходится 260-290 м3 МУП, причём более 90% МУП содержится в углях и углевмещающих породах в виде абсорбата в микропорах, а остальная часть (менее 10%)  – в виде свободного газа в макротрещинах.     

  Рост кристаллов пирита

Следующие в Таблице 2 за водородом элементы азот и фосфор в процессе углеформирования в основном попадают в растворимые соединения и используются для поддержания жизнедеятельности метаногенной и других биоплёнок как в самом угольном пласте, так и в окружающих породах.     

Совершенно другой оказывается судьба серы, содержание которой в растительных остатках заведомо больше, чем требуется для биоплёнок. Ещё до уменьшения размера пор, вызванного опусканием формирующегося угольного пласта на большую глубину, избыток серы попадает в нерастворимые в воде кристаллы пирита (Pyrite) – минерала, основную часть которого составляет сульфид железа FeS2. В составе пирита сера может оставаться далее сколь угодно долгое время.

Рис. Кристалл пирита,
состоящий из двух вложенных друг в друга подрешёток.
Атомы железа (показаны синим цветом) образуют гранецентрированную кубическую подрешётку,а атомы серы (желтого цвета) – простую кубическую подрешётку.
Каждый атом серы соединён ковалентной связью с одним другим атомом серы и тремя атомами железа.Каждый атом железа соединён с шестью атомами серы.

Нужные для построения кристалла пирита атомы серы должны извлекаться, главным образом, из растительных остатков, где они содержатся преимущественно в нерастворимых в воде белках, а не из окружающих пород, несравненно более бедных серой (см. Таблицу). Из Таблицы видно также, что соответствующее количество железа в растительных остатках заведомо отсутствует и, следовательно, должно поставляться из окружающих горных пород. В этих породах всегда имеется необходимое количество атомов железа, но они встроены в кристаллическую решётку нерастворимых в воде железосодержащих минералов ( гематит, магнетит, лимонит и др.). Эти и подобные им минералы настолько прочны, что остаются в земной коре в неизменном состоянии в течении миллиардов лет.

Между тем, рост кристалла пирита возможен только в том случае, когда атомы Fe и S, рассеянные в окружающих породах и прочно закреплённые в них, тем не менее, освобождаются и, не будучи способными к самостоятельному движению, каким-то способом перемещаются в определённое место – к фронту кристаллизации, причём приходят к пункту назначения не только в строго определённом количественном соотношении 1:2, но и в определённом порядке, диктуемом структурой крисалла (см. Рис.).

Парадоксальное появление кристаллов пирита можно объяснить, если предположить, что построение этих кристаллов производится специальными пиритогенными биоплёнками, населяющими поверхность фронта кристаллизации.

О принципиальной возможности построения кристаллов пирита специализированной биоплёнкой говорят следующие факты.

  • Многие бактерии обладают возможностью целенаправленного передвижения.
  • Существуют бактерии, способные извлекать атомы нужных элементов из пылинок содержащих эти элементы минералов.
  • Биоплёнки, управляемые содержащимися в составе их EPS кольцевыми ДНК, имеют возможность вырабатывать и передавать входящим в их состав бактериям управляющие сигналы (в частности, указать положение пылинки, к которой нужно отправиться для получения атома нужного элемента, а также указать пункт назначения, в который добытый атом должен быть затем доставлен).
  • Алгоритм управления, записанный в кольцевой ДНК биоплёнки, может определить порядок отправления бактерий в соответствующую экспедицию таким образом, чтобы приносимые ими атомы встраивались в решётку кристалла в нужном порядке.

Отмеченные свойства алгоритма управления свидетельствуют о том, что биоплёнка специально предназначена для выращивания кристаллов пирита. /*Вероятно, для предотвращения отравления серной кислотой грунта и водоёмов в окрестности обрабатываемых растительных остатков*/.

Осуществляемая биоплёнкой кристаллизация должна закончиться в период, когда формируемый угольный пласт ещё не погрузился глубоко в земную кору и каналы, по которым могут передвигаться бактерии, ещё не успели схлопнуться.

Наличие в кристаллах пирита примесей Co, Ni, Cu, Se и др. говорит о том, что инструкция, которой руководствуются поставляющие железо бактерии, даёт им возможность извлекать из окружающих пород атомы не только железа, но и других переходных металлов (transition metal) и, в частности, Co, Ni и Cu. Точно также , наличие в пирите примеси Se свидетельствует о том, что бактерии, поставляющие серу, могут использовать и другие халькогены (chalcogens), например, Se.

Таким образом, именно работа бактерий сконцентрировала в одном месте рассеянные ранее элементы и сделала пирит главным источником получения кобальта и, в значительной мере, селена.

Дата последних изменений: 2011-11-16