Еще в первой половине XIX в. в связи с открытием Эренбергом (1836) Gallionella, окисляющего железо, было высказано предположение об участии этих микроорганизмов в образовании дерновых и болотных руд и железомарганцевых конкреций на дне океанов.
Гипотезу о накоплении в болотах и озерах минеральных форм железа в результате утилизации микроорганизма органической части гуматов железа как источника питания выдвинул в 1907 г. О. Ашан. Он подсчитал, что с территории Финляндии реками в море выносится ежегодно около 1 250 000 органических веществ в комплексе с закисным железом. Часть Fe осаждается на суше. При разрушении органожелезистых комплексов и окислении Fe железобактериями в озера и болота ежегодно поступает в виде оолитовых (бобовых) железных руд около 700 000 т окислов железа. Подобные же процессы локального осаждения железных и железомарганцевых руд в озерах и выноса части органо-металлических комплексов в морские бассейны характерны для Карелии и, по-видимому, для бореальных таежных областей Канады. Подвижности этих элементов способствуют сильная заболоченность территории и преимущественно фульватный состав гумуса господствующих здесь почв.
При выходе вод, обогащенных фульватами Fe и Mn, на поверхность или при разгрузке их на дне озер металлы осаждаются на окислительном биогеохимическом барьере: охристые пленки, многочисленные железистые и железомарганцевые конкреции, скопление мощных оолитовых железных руд — следствие этого процесса.
Достаточно подробно изучено образование железисто-марганзевых конкреций в озерах Карелии. Считают, что участвуют в этом процессе либо синезеленые водоросли, либо Leptothrix, ибо организмы группы Mettallogenium (Калиненко, 1946; Перфильев, Габбе, 1961; Штернберг, 1968).
Круговорот Mn в озерах (по Дубининой, 1967) происходит следующим образом: элемент поступает в озеро в виде взвесей Metallogenium или коллоидных растворов из окружающих болот, в придонных слоях восстанавливается бактериями и выносится глубинными водами на аэрируемое мелководье, где в живительных условиях окислы марганца выпадают в виде сонкреций, образованных Metallogenium. Рядом исследователей отмечалось образование взвесей марганецокисляющих бактерий в планктоне озер и водохранилищ, куда Mn поступал из окружающих болот и при выщелачивании из затопленных почв.
Взвеси переносятся течением; окислы Mn откладываются в окислительных условиях, например в зоне фотосинтеза на мелководье. При разложении органического вещества Mn, содержащийся в отложениях, может восстанавливаться, но миграция марганца двухвалентного ограничена, так как при выходе растворов в окисную зону он снова окисляется бактериями. Этот процесс, многократно повторяясь, способствует концентрации Mn. Однако не исключается участие и физико-химического фактора в образовании марганцевых руд, оно может быть тоже существенным.
Значительная часть растворенных и взвешенных органометаллических комплексов, содержащих Fe и Mn, выносится из гумидных областей суши в морские бассейны, здесь на шельфе и в более глубоких частях акваторий продолжается процесс и деструкции и окисления: на поверхности песчинок, камней образуются чечевицеобразные конкреции, желваки, имеющие слоистое концентрическое строение.
Марганцевые конкреции, в той или иной степени обогащенные железом и многими микроэлементами, широко распространены на дне морей и океанов. Содержание Mn в них варьирует от 8 до 40%, Fe — от 2 до 25%. Клаоки концентрации Си, Ni, Со в конкрециях составляют n * 100— n Х 1000. Конкреции часто видны на фотографиях дна океана, их находят в колонках грунта и в драговых пробах взятых со дна.
По содержанию конкреций на 100 станциях, взятых в Тихом океане, вычислена их масса на единицу площади дна океана, в среднем она составляет 11 кг на 1 м2; подсчитано, что в пелагических осадках около 1,6 -1012 т марганцевых конкреций; скорость образования конкреций здесь в настоящее время около 6-106 т/г (Дж. Л. Mepo, 1974).
Если учесть, что Mn подвижен в значительно большем диапазоне кислотно-щелочных и окислительно-восстановительных Условий, чем Fe, то становится понятным факт накопления преимущественно Fe в водоемах суши и на шельфе, а Mn — даже а отдаленных от континентов частях океана. Эти элементы поступают как со стоком с суши, так и при подводных вулканических извержениях, при разгрузке гидротермальных и глубоких Подземных вод непосредственно на дне акваторий.
Однако до сих пор не выяснен механизм их осаждения и допускают, что это результат не только бактериального окисления, но и адсорбции, неорганического окисления, электрофоретического переноса. На раковинах моллюсков в морях скорость накопления Mn 20—40 мг/год (Allen, 1960) вследствие обменной реакции растворенного иона марганца с карбонатом кальция и последующим бактериальным окислением его при участии Mycoplana.
Биогенное отложение марганца происходит в условиях, где химическое окисление невозможно, и поэтому ион Mn доступен микроорганизмам, а образовавшиеся окислы не подвергаются восстановлению (Заварзин, 1972). Так как область развития марганецокисляющих микроорганизмов находится в пределах pH 6—8, при котором железо в растворе не мигрирует, то возникает возможность образования осадочных марганцевых руд без примеси Fe. Рассматривать образование этих руд, следуя хемогенной теории, трудно, поскольку, во-первых, раствор недостаточно концентрирован, чтобы осаждение происходило локально, во-вторых, не ясен механизм появления взвесей окислов Mn, не содержащих практически Fe.
Биохимическую гипотезу происхождения марганцевых и железомарганцевых конкреций на дне морей и океанов поддерживал ряд ученых (Самойлов, Титов, 1922; Буткевич, 1928; Дорф, 1935; Грахэм, 1959 и др.). В соскобах с марганцевых конкреций специфических организмов — осадителей Mn не оказалось, но были обнаружены гетеротрофные бактерии, разлагающие органическое вещество и таким образом содействующие этому процессу (Сорокин, 1971). Они оказывают каталитическое действие на окисление Mn (Errlich, 1972). Возможно и частичное восстановление металлов с последующим перераспределением и концентрацией в конкрециях при участии железомарганцевых бактерий.
Концепцию биогенного рудообразования в современных условиях и в геологическом прошлом поддерживают многие геологи и микробиологи, изучающие железные руды и железобактерии (Вологдин, 1947; Виноградский, 1952; Перфильев, 1926; Кузнецов, 1952; Холодный, 1953; Заварзин, 1972; и др.).
Против этой гипотезы выдвигались возражения, которые сводились к следующему: 1) железобактерий не обнаруживали в рудных месторождениях; 2) минеральный состав руд был нехарактерным для отложений окисленного железа; 3) рудные концентрации возникали в условиях более или менее выраженной восстановительной среды (Страхов, 1947; 1962).
Благодаря созданному Б. В. Перфильевым (1961) капиллярному методу изучения микроорганизмов-рудообразователей было установлено, что Gallionella кроме нитевидных имеет иные формы, очевидно, этим объясняются отрицательные результаты поисков микроорганизма в рудах. При изучении состояния окисленного железа на структурах этого организма был обнаружен минерал — ферригидрит состава 2,5Fe2O3 * 4,5H2O (Чухров и др., 1973).
Кроме того, сульфатвосстанавливающие бактерии, часто сопутствующие Gallionella, могут превращать их орудненные колонии в черные комочки FeS. Исследования устойчивости структур железобактерий показали, что даже непродолжительное хранение Gallionella (2 года) приводит к опрессовыванию колоний и потере их структуры; орудненные стебельки организма в восстановительных условиях теряли ион Fe+3 и разрушались (Балашова, 1974).
Железистые осадки, содержащие орудненные структуры Siderococcus, Toxothrix, Pedomicrobium, Leptothrix, представляют собой также ферригидрит. Поскольку железобактерии широко распространены на Земле, то их роль в образовании ферригидрита в зоне гипергенеза огромна.
По истечении времени ферригидрит может самопроизвольно превратиться в гематит (красный железняк), а если он находится в растворе, содержащем Fe+2, — в гетит (бурый железняк), образующий богатые скопления легкоплавкой железной руды (КМА, Урал, Кривой Рог, Липецкое и Тульское месторождения). На основании микробиологических исследований в этих рудах обнаружены структуры, аналогичные бактериальным клеткам (Вологдин, 1947). В целях подтверждения биогенной природы образующихся в коре выветривания железистых минералов были проведены микроскопические наблюдения группы минералов — лимонит, гетит, шамозит, бокситы, возникновение которых связано с биохимической деятельностью микроорганизмов (Аристовская, 1973). Для сравнения был взят магнетит — минерал явно небиологической природы. Гетит представлял собой орудневшие разрастания организма клеточно-нитчатого» строения, характерного для гифомикробиальных форм, напоминающих Pedomicrobium. В образцах лимонита обнаружены подобные же формы бактерий, а также ожелезненные колонии организма, сходного с Arthrobacter. В препаратах бокситов и современных, и более древнего возраста присутствовало большое количество железомарганцевых бактерий. Микроскопирование гипогенного минерала — магнетита — показало полное отсутствие каких-либо клеточных структур, что вполне отвечает его абиогенной природе.
Эти исследования не только доказали биогенное происхождение железистых минералов, но и дали возможность приблизительно определить, какие группы микроорганизмов участвовали в процессах их образования. Даже в породах докембрийского периода обнаружены и идентифицированы железобактерии (Karkhanis, 1976). В настоящее время эта проблема считается решенной.
В железомарганцевых конкрециях и рудах накапливаются значительные количества микроэлементов. Так как железомарганцевые аккумуляции связаны и с окислением Fe и Mn и их освобождением из органоминеральных комплексов, то микроэлементы, подвижность которых уменьшается в окислительной среде, а также элементы, образующие органометаллические комплексы, осаждаются совместно. Свежеосажденные гидроокислы Fe и Mn обладают высокой сорбционной способностью по отношению ко многим микроэлементам. Таким образом, на этом комплексном биогеохимическом окислительном и сорбционном барьере накапливаются кобальт, цинк, кадмий, никель, свинец, уран, медь, ванадий, молибден, барий, серебро; аккумулируются здесь и анионогенные элементы: фосфор, бром, йод, бор, мышьяк и др. Обнаружено повышенное содержание микроэлементов группы Fe в ортштейнах и роренштейнах (железистых трубочках вокруг корней) подзолистых и заболоченных почв лесной зоны СССР (Добровольский, 1976), в донных отложениях озер Карельского перешейка (Тарновский, 1967); в озерных илах Карелии с кларками концентрации Mn от 8 до 28 молибдена также по сравнению с кларком литосферы в 5—7,5 раз больше (Онегина, Тойкка, 1976). Как широк диапазон содержания элементов и высока концентрация в конкрециях наряду с марганцем кобальта, серебра, никеля, свинца, кларки которых выше 100; весьма значительно также накопление меди, молибдена, иттрия. Повышено также содержание цинка, железа, циркония, бария. Независимо от источника поступления микроэлементов в океан (подводный вулканизм, поступление по разломам обогащенных микроэлементами, глубоких подземных вод, твердый и жидкий гидрохимический сток с континентов) существенно, что их накопление в количествах, намного превышающих кларки литосферы, наблюдается на биогеохимических окислительных барьерах. В этих аккумуляциях проявляется еще одна форма концентрационной деятельности микроорганизмов в биосфере по отношению к весьма широкому ряду химических элементов.