Образование полиметаллических руд в Мировом океане — уникальное природное явление. К таким рудам относятся, в том числе, и железомарганцевые конкреции — шарообразные минеральные отложения на океанском дне.
Первые находки железомарганцевых конкреций были сделаны в начале XIX века на легендарном судне «Челленджер» в Северной Атлантике. В последующие годы внимание к их изучению было слабым из-за труднодоступности районов исследования. И только в последние 20–25 лет интерес к этому виду минерального сырья привлек пристальное внимание мирового научного сообщества и индустрии.
Основу конкреций составляют окисные соединения железа и марганца, концентрации которых могут достигать десятков процентов. Кроме того, конкреции обогащены другими металлами и редкоземельными элементами — а это сырье для широкого спектра новейших высокотехнологичных и экологически чистых разработок, без которых уже невозможно представить современный мир. За последнее десятилетие мировое потребление многих редких металлов значительно возросло, а их поставки не всегда выглядят надежными из-за ограниченного числа крупных производителей. Усиление конкуренции за ресурсы со стороны быстро растущих экономик (например, Китая, Индии, Бразилии, Индонезии) может привести к дефициту критически важного сырья.
Глубоководные и шельфовые месторождения полиметаллических руд, запасы которых оцениваются в 300 млрд тонн, не заменят наземную добычу, но станут дополнительным источником сырья для удовлетворения растущих потребностей.
Обширные скопления железомарганцевых конкреций обнаружены в глубоководных районах Тихого и Индийского океанов на глубинах 4000–6000 м. Исследования показали, что в этих местах скорости роста рудных образований составляют миллиметры в миллион лет. В то же время на морском шельфе формирование и рост конкреций происходит в тысячу раз быстрее.
По морфологии выделяются сфероидальные, эллипсоидальные, дискоидальные и полиядерные типы. Конкреции часто формируются вокруг обломков горных пород, раковин моллюсков, а иногда ядром для их роста становятся зубы древних вымерших акул. Размер конкреций колеблется в широких пределах — от миллиметров до десятков сантиметров в поперечнике.
Механизмы образования полиметаллических руд являются дискуссионной темой в научном сообществе. В 1970-е годы некоторые исследователи выдвигали гипотезу об активном участии микроорганизмов в формировании железомарганцевых конкреций. Впервые она прозвучала в работах американского микробиолога Хайнриха Эрлиха в 1963 году (Ehrlich, H. L. Bacteriology of manganese nodules). Позднее, в 1980-е, были сообщения советских (ленинградских) микробиологов о возможности ускоренного осаждения минералов железа и марганца из морской воды под воздействием микроорганизмов. Однако прямых доказательств участия микробов в формировании железомарганцевых конкреций в естественных условиях найдено не было.
Перелом наступил в 2000-х годах, когда с помощью сканирующего электронного микроскопа ученым удалось найти структуры, похожие на минерализованные клетки микроорганизмов, внутри образцов конкреций и определить их состав. Когда существенный прогресс молекулярно-биологических методов позволил выделять и анализировать тотальную ДНК из самых разнообразных образцов, в том числе из конкреций, казалось, что вопрос о биологическом механизме их формирования будет решен.
Однако природа этого явления оказалась намного сложнее. С помощью методов молекулярной биологии было показано, что, например, в состав микробных сообществ глубоководных конкреций Тихого океана входят микроорганизмы, способные окислять железо и марганец, а изменения состава этих сообществ коррелирует со скоростью роста конкреций. Однако детальное изучение данного вопроса еще только начинает проводиться учеными разных стран. В то же время предполагаемые «микробные минералоги» оказались не доминирующими группами в этих микробных сообществах. Дальнейшее расширение молекулярно-биологических работ по конкрециям показало, что их населяют очень разнообразные сообщества микроорганизмов, в которых, как ни странно, доминируют микробы, осуществляющие биогеохимический цикл азота (окисление и восстановление его соединений), а отнюдь не циклы железа и марганца, как ожидалось. Механизм влияния микроорганизмов на рост конкреций остался неясным.
Таким образом, в настоящее время для образования железомарганцевых конкреций можно предложить несколько гипотез, различающихся по предполагаемому механизму формирования и источникам рудного вещества:
а) седиментационную;
б) диагенетическую, основанную на абиотических физико-химических реакциях;
в) биохемогенную, обусловленную активностью микроорганизмов.
Очевидным остаётся факт, что формирование конкреций происходит в сложной взаимосвязанной системе химических, физических и биологических процессов на океанском дне.
Неожиданную подсказку к разгадке этих взаимосвязей дали исследования железомарганцевых конкреций сурового Карского моря.
Это типичное арктическое море с холодным климатом. Расположенное за Полярным кругом, оно почти девять месяцев в году покрыто льдом. В некоторых его районах на глубинах даже летом сохраняются отрицательные температуры.
В Карское море попадает огромный пресноводный сток Оби и Енисея, крупнейший во всем Арктическом бассейне. Этот факт является ключевым для функционирования арктической экосистемы.
Иллюстрация предоставлена исследователями
Шельфовые (мелководные) железомарганцевые конкреции были обнаружены впервые именно в Карском море в 1878–1880 годах. Но их изучение началось лишь век спустя — советскими учеными. На сегодняшний день хорошо исследован геохимический и минералогический состав конкреций в Карском море, и показано, что эти конкреции формируются и растут в десятки раз быстрее, чем такие же отложения в глубинах океана. О составе их микробных сообществ ранее сведений не было, несмотря на то что микробиота арктических морей и ее геохимическая активность были и остаются предметом детальных исследований для российских и ведущих мировых микробиологов уже более ста лет — со времен первых работ академика Бориса Исаченко, начавшихся еще в 1906 году.
Иллюстрация предоставлена исследователями
Недавно ученые из Института океанологии им. П. П. Ширшова РАН (Москва), Института микробиологии им. С. Н. Виноградского ФИЦ Биотехнологии РАН (Москва), Института геохимии и аналитической химии им. В. И. Вернадского РАН (Москва) совместно с зарубежными коллегами изучили строение, химический состав и микробные сообщества в арктических железомарганцевых конкрециях. Образцы взяты из трех различных по условиям районов Карского моря. Это нашло отражение в их химическом составе — преобладали соединения либо железа, либо марганца. Концентрации железа и марганца оказались сопоставимыми с таковыми в глубоководных конкрециях, имеющих промышленную ценность.
Анализ показал присутствие внутри конкреций минерализованных форм крупных колоний микроорганизмов с палочковидными и шарообразными (коккоидными) клетками. Поверхность клеток была покрыта оксидами железа и марганца и напоминала своеобразный панцирь. Анализ тотальной ДНК микробных сообществ трех типов арктических конкреций показал, что только 20% обнаруженных таксонов (видов, родов и семейств) микроорганизмов были общими для всех изученных образцов.
Наиболее многочисленных из этих «космополитов» на основе анализа генов 16S рРНК ученые отнесли к семействам Kiloniellaceae, Hyphomicrobiaceae и Pirellulaceae. Выяснилось, что в условиях, формирующихся внутри железомарганцевых конкреций, из широкого разнообразия морских микроорганизмов происходит естественный отбор бактерий, потенциально способных к восстановлению металлов (филум Desulfobacterota), окислению железа (семейства Hyphomicrobiaceae и Scalinduaceae), либо его внутриклеточному накоплению (семейства Nitrosopumilaceae или Magnetospiraceae). Кроме того, как и в сообществах глубоководных конкреций, в железомарганцевых отложениях Карского моря оказались широко представлены микроорганизмы, способные окислять или восстанавливать соединения азота.
Селекция организмов, использующих для получения энергии большое разнообразие неорганических доноров и акцепторов электронов (соединений металлов и азота), коррелирует с нестабильностью окислительно-восстановительных условий в донных осадках Карского моря. Резкие изменения этих условий, которые происходят из-за нестабильного притока органики, пресной воды и деятельности придонных течений, в разное время года формируют очень разнообразное микробное сообщество донных отложений, в котором доминируют то одни, то другие физиологические группы микроорганизмов. Исследования арктических железомарганцевых конкреций показали, что эти рудные образования представляют собой уникальные экологические микрониши, внутри которых формируются стабильные физико-химические условия.
Такие условия, в свою очередь, благоприятствуют распространению микроорганизмов, способных к восстановлению, окислению или накоплению металлов. Суммарная физиологическая активность подобных микробов может существенно ускорять процессы минерализации и формирования железомарганцевых конкреций, разнообразных по морфологии, внутренней структуре и элементному составу. В связи с этим напрашивается аналогия, что зарождающиеся на дне Карского моря конкреции представляют собой убежище для микробной популяции донных отложений, защищающее ее от крайней нестабильности окислительно-восстановительных условий окружающей среды. В свою очередь, микробная популяция изменяется под влиянием стабилизации этих условий и своей геохимической активностью начинает способствовать быстрому увеличению своего убежища. Именно благодаря таким микробным строителям, отчасти уникальным для каждого из изученных образцов, отчасти представленным в каждом из них, могут значительно ускоряться процессы формирования пористого матрикса железомарганцевых конкреций, изменяться их состав и размеры.
Дальнейшее комплексное изучение арктических конкреций может привнести новое в понимание как шельфового рудогенеза, так и глобальных биогеохимических циклов в Мировом океане.
Материал подготовлен по данным научных проектов исследователей, поддержанных грантами РНФ: Натальи Шульги, кандидата геолого-минералогических наук, старшего научного сотрудника Лаборатории химии океана Института океанологии им. П. П. Ширшова РАН и Сергея Гаврилова, кандидата биологических наук, старшего научного сотрудника Отдела экстремофильных микроорганизмов ФИЦ «Фундаментальные основы биотехнологии» РАН.
