Аннотация результатов, полученных в 2022 году
На природных и модельных системах с использованием оборудования Научного парка СПбГУ проведено изучение факторов и механизмов микробной биоминерализации в различных условиях, в том числе экстремальных (на отходах и шлаках горных комбинатов, в шахтах и пещерах, в полярных регионах и др.) и связанных с микробной биоминерализацией актуальных прикладных задач. Исследование выполнено с применением комплексного оригинального подхода, предполагающего получение генетической информации на основе совместной интерпретации результатов полевых наблюдений и моделирования: 1) при участии монокультур грибов и бактерий, а также их ассоциаций, варьируя питательность среды биоминерализации; 2) в модельных системах определенного состава, что позволяет выявить закономерности влияния органических и неорганических компонент биообрастаний на биоминерализацию. Биоминералы и их синтетические аналоги исследованы с использованием широкого комплекса методов, включающего оптическую микроскопия, сканирующую электронную микроскопию, порошковую рентгенографию, рамановскую и ИК-спектроскопию, мессбауэровскую спектроскопию, атомно-эмиссионную спектрометрию с индуктивно связанной плазмой, газовую хромато-масс-спектрометрию и современные биологические методы молекулярно-генетической идентификации микроорганизмов. Во время полевого сезона 2022 года проведены экспедиции на Кольский полуостров, Средний и Южный Урал, а также в Карелию, целью которых был поиск и отбор минерализованных биобрастаний, в первую очередь, в экстремальных условиях: за полярным кругом, в шахтах и пещерах при низких температурах, в техногенных шлаках c повышенным содержанием тяжелых металлов. На Кольском полуострове были обследованы медно-никелевые объекты района г. Мончегорска (вкрапленные сульфидные руды в основных породах) и собраны образцы биопленок с преобладанием лишайников. На Урале образцы биопленок с преобладанием лишайников были отобраны с пород, обогащенных марганцем (Кожаевское и Уразовское месторождения, Башкортостан) и медью (Сугурское месторождение, Челябинская область). Кроме того, был проведен отбор проб в карстовых пещерах в известняках разного возраста: в Киндерлинской и Аскинской (Башкирия), где постоянно фиксируются низкие температуры (от 0 до -4 градусов) и сохраняются ледниковые образования, а также в пещере Сухая Атя (Челябинская область), которая характеризуется более высокими значениями температуры воздуха и постоянной высокой влажностью. Пробы в пещерах были взяты с карбонатных пород в фототрофной зоне, где кроме микробных биопленок, были отобраны талломы лишайников и цианобактериальные обрастания, а также микробные биопленки и колонии микроорганизмов, покрывающие горные породы и привнесенную древесину в глубине пещер. Дополнительно для проведения экспериментов по воздействию микроорганизмов на продукты отходов горных предприятий были отобраны образцы техногенных шлаков с трех отвалов Карабашского медного месторождения (Карабашский округ, Челябинская область). В Карелии образцы биообрастаний (цианобактерий, водорослей и мхов), а также микроскопических грибов были собраны с Fe-содержащего мрамора в Горном парке «Рускеала» (Сортавальский район), в том числе в штольне Рускеальского карьера (преимущественно в местах искусственного освещения). В штольне заброшенного рудника Рогосельга (Туломозерская группа Fe- месторождений Пряжинский район, Южная Карелия) были отобраны биообрастания с преобладанием бактерий и микромицетов, а также сохранившиеся деревянные конструкции с ксилотрофными грибами на поверхности. В биопленках с преобладанием лишайников (Leconora sp.) на вкрапленных сульфидных рудах (Кольский п-ов) впервые был обнаружен оксалат никеля (начата подготовка заявки на новый минерал); существенно расширен список видов лишайников, в которых могут быть найдены оксалаты металлов. На основе модельных экспериментов в различных биологических системах обобщены результаты по вкладу грибов и бактерий в оксалат-карбонатный путь, а также по влиянию грибных метаболитов на кристаллизацию оксалатов в железосодержащей среде. Найдены псевдоморфозы уэдделлита по сферолитоподобному срастанию кристаллов кальцита и вторичного кальцита по расщепденному кристаллу уэвеллита, однозначно указывающие на переход от карбонатной кристаллизации к оксалатной и наоборот . Показано, что такие переходы могут происходить при изменении видового состава литобионтного микробного сообщества, а также при изменении питательности среды. Начато изучение карбонатной и оксалатной биоминерализации под действием цианобактерий и ксилотрофных грибов в шахтах и пещерах при низких температурах (от 0 до -4 градусов). Установлено, что метаболизм ксилотрофных грибов и цианобактерий является важным фактором оксалатной и карбонатной биоминерализации в шахтах и пещерах при низких температурах. Если в них присутствуют деревянные конструкции, то наличие ксилотрофных грибов во многих случаях может объяснить образование оксалатов в местах, в которых отсутствуют лишайники и микроскопические грибы, выделяющие щавелевую кислоту. С использованием термодинамического и экспериментального моделирования проведено изучение роли оксалатов кальция в минерализации биопленок с преобладанием лишайников. Выполнены синтезы аналогов биоминералов в системах (Cu, Fe)-C2O4-H2O, (Mg-Mn-Fe)-C2O4-H2O, и Сa- (Co, Cu, Ni, Fe) – CO3- H2O. Показано, что добавка катионов кальция в среду благоприятную для кристаллизации оксалатов магния/ марганца/ меди приводит к их совместной кристаллизации с оксалатами кальция, а также увеличивает размеры кристаллов и сростков. Добавка катионов железа (1,6-5,4 %) в среду благоприятную для кристаллизации оксалата меди мулуита способствует увеличению размеров кристаллов мулуита и их расщеплению. Предложена кристаллохимическая модель, объясняющая наличие моноклинных и ромбических полиморфов оксалатов (Mg, Mn, Fe) C2O4 • 2H20 (минералов группы гумбольдтина) и изодиморфных переходов между ними. Показано, что концентрация катионов Me2+ (Co, Cu, Ni, Fe и др) в растворах оказывает влияние на фазовый состав кристаллизующихся при пониженных температурах (0-5 град. С) карбонатов. Полученные результаты могут быть использованы при изучении механизмов карбонатной биоминерализации при пониженных температурах в пещерах и штольнях. Особое внимание было уделено прикладным задачам: созданию опытной модели детоксикации отходов горных комбинатов с использованием микроорганизмов и созданию базы данных по составу микроорганизмов, участвующих в биоминерализации и использующихся в биотехнологиях. Для выявления закономерностей воздействия микроорганизмов на продукты отходов горных предприятий были получены образцы токсичных отходов из хвостохранилищ и шлаковых конусов Удоканского медного месторождения и выполнены эксперименты по изучению взаимодействий грибов с этими отходами. При создании структуры Базы данных по микроорганизмам решали следующие задачи: 1) хранение, анализ и статистическая обработка накопленного материала; 2) отслеживание новых сведений; 3) продвижение в решении актуальных научных проблем, связанных с изучением механизмов микробной биоминерализации и развитием природоподобных биотехнологий (выявление микроорганизмов, участвующих в минерализации биопленок, и связей между видами микроорганизмов и фазовым составом биоминералов; возможность использования видового состава лишайников и грибов в качестве типоморфного признака при поиске минералов биопленок; выявление грибов и бактерий наиболее эффективных в биотехнологиях). В настоящее время база включает в себя три блока: 1. Микроорганизмы минерализованных природных биопленок. 2. Микроорганизмы в биомиметических и биоинсперированных синтезах. 3. Микроорганизмы в биотехнологиях. В целом, полученные за отчетный период результаты расширяют наши представления о вкладе микроорганизмов в современное минералообразование, о кристаллохимии и кристаллогенезисе биоминералов и способствуют развитию экологически безопасных, экономичных и эффективных биотехнологий.

Аннотация результатов, полученных в 2023 году
На природных и модельных системах с использованием оборудования Научного парка СПбГУ продолжено изучение закономерностей микробной биоминерализации и решение связанных с ней ряда актуальных прикладных задач. Исследование выполнено с применением комплексного оригинального подхода, предполагающего получение генетической информации на основе совместной интерпретации результатов полевых наблюдений и моделирования. Биоминералы и их синтетические аналоги были исследованы с использованием широкого комплекса методов, включающего оптическую микроскопия, сканирующую электронную микроскопию, порошковую рентгенографию, рамановскую и ИК-спектроскопию, мессбауэровскую спектроскопию, атомно-эмиссионную спектрометрию с индуктивно связанной плазмой, газовую хромато-масс-спектрометрию и современные биологические методы молекулярно-генетической идентификации микроорганизмов. Во время сезона 2023 года полевые работы были проведены на Юго-Восточном Алтае, в нескольких районах Ленинградской области, а также в Санкт-Петербурге. Изучение образцов биопленок с преобладанием лишайников, отобранных на Юго-Восточном Алтае с интрузивных частично метаморфизованных силикатных пород, метаморфических сланцев и кор выветривания, подтвердило активное участие силикатных пород в оксалатообразовании и расширило список родов и видов лишайников, участвующих в оксалатообразовании. В плодовых телах и псевдосклероциях макромицетов, собранных с деревьев в Ленинградской области, обнаружены оксалаты калия, магния и кальция (минералы вертушковит, глушинскит, уэвеллит и уэддеддит) а также фосфат калия, аммония и магния (K-содержащий струвит). Находка струвита в плодовом теле макромицета - первый случай обнаружения данного минерала в природе в ассоциации с грибом. Полученные результаты указывают на активное участие ксилотрофных грибов в оксалатообразовании, позволяют поставить вопрос об изменении статуса вертушковита (пока не утвержден, как новый минеральный вид), а также предположить наличие нового изодиморфного ряда вертушковит-глушинскит. На памятнике наскального искусства «Томская писаница обнаружена карбонатная биоминерализация биопленок, покрывающих поверхность скальных обнажений (в том числе, с древними рисунками), связанная с метаболизмом цианобактерий. В местах карбонатных наслоений с использованием культуральных и молекулярно-генетических методов выявлен ряд таксонов цианобактерий, которые способны участвовать в процессах карбонатной биоминерализации и образовании матов на открытой поверхности. Среди них доминирует вид Microcoleus autumnalis, характеризующийся высокой скоростью роста. Выполненное за отчетный период детальное изучение природного оксалата никеля, обнаруженного в лишайниках Leconora sp на месторождении Нюд-2, Кольский полуостров в 2022году подтвердило его статус нового минерал, получившего название андрейбулахит (IMA 2023-037). Голотипный образец андрейбулахита депонирован в коллекции минералогического музея Санкт-Петербургского государственного университета (номер в каталоге ML OF-978). С привлечением моделирования исследована роль микроорганизмов в образовании минеральной компоненты обогащенной гипсом патины. Показано, что тионовые бактерии присутствуют в ней в очень незначительном количестве и участвуют в образовании гипса преимущественно в весенние месяцы. Уникальная находка бассанита на поверхности вазы в ГМЗ Павловск подтверждает, что этот минерал может быть предшественником гипса. Присутствие в гипсовых корках органотрофных бактерий приводит к образованию вторичного кальцита, многочисленные кристаллы и сростки которого, обеспечивают прочностные свойства корок и, на определенных этапах, их хорошее сцепление с материнской карбонатной породой. Установлено влияние цианобактерий на фазовый состав, кристаллизующихся под их воздействием фаз. Найдены связи между видовым составом цианобактерий и соотношением кальцит/фторапатит в осадках, полученных при кристаллизации в растворах, обогащенных кальцием. При участии ксилотрофных грибов S. himantioides, A. xantha, C. puteana синтезированы двуводные оксалаты никеля (аналог нового минерала андрейбулахита ) и кобальта, а под действием микромицета P. Сhrysogenum двуводный оксалат цинка (аналог минерала катсаросита) и четырехводный фосфат цинка (аналог минерала гопеита), перспективный благодаря низкой растворимости для использования при биоремедиации почв. Эмпирически показано, что среди многочисленных микромицетов и органотрофных бактерий, под действием которых образуется фосфат аммония и магния струвит, наиболее перспективны для использования в биотехнологиях (образуются наиболее быстро) бактерии рода Bacillus и гриб Penicillium chrysogenum. С использованием термодинамического и экспериментального моделирования продолжено изучение роли оксалатов кальция в минерализации биопленок с преобладанием лишайников. Для системы Fe2+-Ca-C2O4-H2O рассчитана термодинамическая диаграмма преобладания. Для системы Me2+ - Ca – C2O4 – H2O (Me2+ = Fe, Cu, Mg, Mn) экспериментально оценены соотношения Ca/(Mе2++Ca) при которых возможна кристаллизация Me2+ −оксалатов. Продолжено исследование фазообразования в системах с тяжелыми металлами: Me2+-C2O4-H2O (Me2+ = Fe, Mn, Mg, Ni, Co), Ni-Cu-C2O4 -H2O, Ca-Mg-Me2+-CO3 (Me2+= Co, Ni, Cu, Fe), Ca-Mg-PO4-CO3 и Ca-Mg-SO4-CO3. Проанализирована симметрия и структурная разупорядоченность образующихся фаз, эволюция морфологии кристаллов. Выявлено наличие изодиморфного ряла андрейбулахит-муллуит. Показано, что тяжелые металлы могут входить в кристаллическую решетку кальцита и моногидрокальцита в достаточных количествах, тогда как арагонит может содержать очень небольшое количество Me2+ (или не содержать их вообще). Продолжено изучение взаимодействия микроорганизмов с токсичными концентратами медных месторождений, приводящего к переводу тяжелых металлов в малорастворимые формы. На данном этапе хорошие результаты показал гриб P. chrysogenum и растения Amaranthus caudatus, но в будущем список грибов и растений может быть расширен. Установлено, что наибольшую эффективность имеет поэтапное высаживание грибов и растений. В качестве сорбента и субстрата для рекультивации предложен вермикулит. Предложенная модель детоксикации эффективна, но требует дальнейшей проверки на опытном полигоне с контролем за ростом грибов / растений (хотя бы в течение 2 сезонов). Созданная на этапе 2022 года «База данных для микроорганизмов в биоминерализации и биотехнологиях» (BIOMIN) в текущем году успешно прошла регистрацию в Роспатенте (номер свидетельства о регистрации 2023623293 от 29.09.2023, правообладатель – Санкт-Петербургский Государственный Университет). В настоящее время в ней содержится более 100 записей. При заполнении базы было использовано более 90 литературных источников, охвачено более 100 видов организмов и 20 минералов. Полученные за отчетный период результаты расширяют наши представления о вкладе микроорганизмов в современное минералообразование, о кристаллохимии и кристаллогенезисе биоминералов и способствуют развитию экологически безопасных, экономичных и эффективных биотехнологий.