В природе сравнительно редко встречаются руды, содержащие только какой-либо один металл. Чаще всего в них имеется целый комплекс различных сопутствующих компонентов. Это относится почти ко всем полиметаллическим рудам цветных металлов и ко многим другим полезным ископаемым. Так, например, титаномагнетиты содержат, кроме железа, титан и ванадий. В каменных углях, железных рудах находятся германий и другие рассеянные элементы. Народное хозяйство, разумеется, заинтересовано в максимально полном извлечении всех ценных компонентов, содержащихся в рудах, иными словами, в организации комплексной переработки руд. Успешно решить эту большой народнохозяйственной важности задачу можно опять-таки с помощью бактерий. И ученые ведут целенаправленный поиск в мире микробов все новых и новых тружеников для биометаллургии. Цинк, молибден, железо, хром — таков сейчас далеко не полный ассортимент металлов, добываемых микроорганизмами у нас и за рубежом.
Алхимики средневековья мечтали о философском камне, способном превращать любые металлы в золото. В наши дни ученые собираются добывать золото при помощи... бактерий. На первый взгляд такая идея и сейчас может показаться фантастической. И многие специалисты так и расценивали ее до самого последнего времени. Аргументы были веские. Золото — металл инертный, на него не действуют даже концентрированные кислоты. Только «царская водка» (смесь соляной и азотной кислот) одолеет чистое золото. Поскольку микроорганизмам не под силу конкурировать с такой «адской смесью», их поприще деятельности, говорили скептики, медные и железные рудники. Но живая природа показала иное. И вот каким образом.
В Сенегале на берегу реки Иввары есть золотоносный холм Ити. Месторождение это промышленного значения не имеет, так как размер частиц самородного золота н. е превышает микрона и плотность залежи чрезвычайно мала. Лишь местные золотоискатели, затрачивая массу времени и сил, стоически продолжают копать и промывать землю, получая в награду за свой поистине сизифов труд мизерное количество пыли желтого металла. Казалось бы, за многие десятилетия, хотя и кустарной разработки золотоносной жилы ее тощие запасы должны были бы иссякнуть. Но вот чудо! Золотая жила Ити остается неисчерпаемой. Впечатление такое, будто кто-то все время пополняет месторождение запасами драгоценного металла. Р. Мартинэ — директор Бюро геологических изысканий и шахт в Дакаре, узнав о таинственной неиссякаемости золотоносной жилы холма Ити, высказал предположение, что это результат деятельности микробов.
Нашли среди микроорганизмов советские ученые и таких «специалистов», которые позволяют решить одну давнишнюю и чрезвычайно важную производственно-технологическую проблему в угольной промышленности. Речь идет о новом методе — использовании бактерий для предотвращения подземных взрывов. На первый взгляд это может показаться невероятным, в действительности идея оказалась не такой уж утопичной.
В любом месторождении угля находится большое количество метана, рассеянного в угольной массе. За многие миллионы лет под действием геологических факторов (давления, сжатия и разрыва пород) метан мигрирует по пласту, заполняя все пустоты, и находится под повышенным давлением. При промышленной эксплуатации месторождений угля нарушается геологическая плотность пласта, и часто происходят неожиданные катастрофические выбросы. Выделяясь из трещин и пустот в угле, метан при концентрации от 5 до 16 процентов образует с воздухом взрывчатую смесь, И тогда достаточно одной искры, чтобы с оглушительным ревом по шахте прокатился огненный смерч, круша все на своем пути.
Метан — газ без цвета и запаха. Как же обнаружить его присутствие в атмосфере подземных выработок и удалить его из шахты?
В старину можно было наблюдать такую картину. Человек, закутанный с ног до головы в мокрую доху, бредет, вдоль забоя по всем подземным закоулкам. В руках у него горящий факел, которым он водит во все стороны, опускает к полу, поднимает к своду. А вокруг и впереди одиноко идущего смельчака подстерегает смерть. Она прячется в черных, тускло поблескивающих пластах угля, медленно сочится по мельчайшим порам и трещинам. Человек должен выявить и обезвредить ее — такова профессия газожега, которая была, пожалуй, одной из самых опасных. Не прогремит взрыв, вернется факельщик — можно и уголек брать. А часто не возвращался...
Других способов выявить наличие в шахте метана в старину не было. Идти в газожеги людей заставляла нужда. Профессия эта исчезла лишь тогда, когда «индикаторами» стали служить канарейки. Эти птицы, очень чутко реагирующие на недостаток кислорода, за многие годы спасли немало шахтерских жизней. Позднее на смену канарейкам пришла шахтерская бензиновая лампа: при наличии метана над ее пламенем появлялся голубоватый ореол.
Пока в лаве орудовали обушком, метана выделялось сравнительно мало. Но появился комбайн, способный ежесуточно давать тысячи тонн угля. При таком разрушении пласта газа стало выделяться неизмеримо больше. Коварный невидимый враг подстерегал шахтеров буквально за каждым углом. Как же бороться с ним? Самый «старый из новых» способов — дегазация. В угольном пласте бурят скважины и закачивают туда под большим давлением воду с примесями поверхностно-активных веществ. Цель этой операции — расширить трещины и поры в угле и создать новые. Помимо того что облегчается вырубка угля, по трещинам и порам метан активно выходит из пласта. А здесь его уже «ждут» вакуумные насосы, которые отсасывают газ на поверхность. Этим способом можно удалить до 45 процентов метана из угольного пласта. А остальные 55 процентов? Чтобы они не стали причиной аварии, ученые перепробовали ряд способов. Но все они оказались малоэффективными. Так, например, автоматическая система газовой защиты — АГЗ, своевременно обнаруживающая выход метана из пласта, сигнализирующая об опасности, не спасает от выброса, не ликвидирует саму опасность. Решение проблемы подсказали... бактерии.
Еще в начале нашего века были открыты бактерии, питающиеся метаном в смеси с воздухом. Они охотно поедают метан в любой концентрации, даже в самой взрывоопасной. Разумеется, такое ценное качество не могло остаться незамеченным. И уже в 30-х годах ученые начали думать, как использовать эти бактерии для борьбы с коварным газом. Первые эксперименты были проведены в 1937 году профессором А. Юровским. Но дальнейшей работе помешала война. О бактериях, поедающих метан, вспомнили лишь через 37 лет.
Ученые Московского горного института под руководством члена-корреспондента АН СССР В. Ржевского, докторов технических наук А. Бурчакова, Э. Москаленко, Н. Ножкина разработали микробиологический метод борьбы с метаном и успешно опробовали его в 1974 году на ряде шахт Донецкого бассейна. Технология нового метода достаточно проста.
В угольном пласте бурятся скважины на расстоянии 10 метров друг от друга, и в них нагнетается под давлением минерализованный водный раствор — питательная среда вместе с бактериями. Бактерии распространяются по трещинам и порам, где скапливается метан, но к «работе» пока не приступают: для этого им нужен воздух. Он закачивается в скважины непрерывно в течение длительного времени — от пятнадцати суток до полутора месяцев в зависимости от количества газа. И все это время бактерии размножаются и поедают метан. Затем вода откачивается, горные выработки продуваются, и можно вполне безопасно добывать уголь.
Применение этого метода гарантирует ликвидацию всего метана в пластах, подготавливающихся к эксплуатации.
Что ж, в биотехнологии, как и в любой новой технологии, никогда не будет гарантии нулевого риска. Просто современные знания позволяют ученым утверждать, что микроорганизмы можно с успехом применять для очистки многострадальной природы от токсичных соединений.
Преимущество микроорганизмов при очистке от нефтепродуктов удалось продемонстрировать в 1989 г., когда танкер «Валдиз» компании «Экссон» наткнулся на риф у побережья Аляски. В море вылилось около 40 тыс. т нефти, загрязнившей 2 тыс. км побережья. Это было самым значительным загрязнением за всю историю США, и произошло оно в одном из самых чистых уголков Земли. Погибли: 1 млн. птиц, 95% тюленей, 75% участков обитания лосося на Аляске были загрязнены.
Ликвидация последствий катастрофы обошлась в 2 млрд. долл. К механической очистке побережья привлекли 11 тыс. рабочих и дорогое оборудование. Параллельно для очистки берега в почву внесли азотное удобрение, способствовавшее развитию природных микробных сообществ. Это в 5 раз ускорило разложение нефти. В итоге загрязнение, последствия которого, по расчетам, сказывались бы и через 10 лет, в основном устранили за 2 года. Затраты на биоочистку не превысили 1 млн. долл.
Однако микробам и самим нужна помощь. Скажем, им предстоит разлагать углеводороды нефти, но для улучшения «аппетита» им не хватает, например, азота, фосфора или кислорода (нефтяная пленка может перекрыть доступ кислорода). Значит, нужно снабдить их тем, чего им недостает: кислородом и влагой, вспахав и полив землю. Используют и биопрепараты на основе микроорганизмов, разлагающих различные углеводороды. Их запахивают в почву или распыляют в виде водных суспензий. Наконец, третий подход, который выглядит наиболее перспективным, – совместное использование растений и микроорганизмов. Растения помогают микроорганизмам, снабжая их корневыми выделениями, содержащими нужные питательные вещества, а микробы, в свою очередь, помогают растениям усваивать те вещества, которые без них растениям усвоить было бы нелегко. Дополнительная работа, как правило, невелика – семена просто опыляют биопрепаратами. На прорастающих семенах начинают развиваться микроорганизмы, и у них гораздо больше шансов обосноваться на корнях растений, чем у конкурентов. Многие растения эффективно аккумулируют тяжелые металлы, «высасывая» их из почвы. Микроорганизмы сделать это не могут, хотя зачастую способствуют поглощению токсинов. Система «микробы – растения» очищает почву и от органики, и от тяжелых металлов. Так очищали почвы и от мышьяка и других токсичных соединений.