Вопросы новой биотехнологической практики, особенно необходимость обеспечения ее производственной эффективности, способствовали становлению и развитию теории биокосных взаимодействий с участием минерального субстрата, раскрывающей основные законы функционирования биосферы. В настоящее время общее состояние этой теории таково, что возникла насущная необходимость разработки ряда важнейших проблем и в первую очередь таких как
1) механизмы биокосных взаимодействий и жизнеобеспечение;
2) энергетические параметры жизнеобеспечения в биокосных системах биосферы;
Ниже рассмотрено состояние этих проблем в теории биокосных взаимодействий.
1. В соответствии с отмеченными достижениями фундаментальных исследований взаимодействие в системе минеральный субстрат/микроорганизм, как и в прочих биокосных системах, осуществляется преимущественно в виде донорно-акцепторного механизма передачи массы, энергии и информации с учетом того, что реальные системы могут быть не только парными, но и более сложными. Минерал выступает донором по отношению к функционирующему организму - акцептору. При осуществлении подобной связи взаимодействие становится жизнеобеспечивающим. Хотя основные вопросы, связанные с взаимодействием в биокосных системах биосферы, рассмотрены и проанализированы в специальной работе (Яхонтова и др., 1991б), представляется уместным остановиться на главнейших моментах этого анализа.
Природные растворы практически всегда участвуют в биокосных взаимодействиях, поэтому их кислотность- щелочность, а также образующиеся в них трехмерные структуры ближнего порядка, представленные комплексными ионами с различными лигандами и полярными молекулами воды, имеют первостепенное значение. Они в заметной степени определяют характер протоструктур, на базе которых в дальнейшем формируются новообразованные минералы.
Учет структур формирующихся комплексных ионов, которые характеризуются взаимной координацией атомов, а также эффективных зарядов атомов-комплексообразователей, существенно уточняет представление о вероятном состоянии элементов в растворах, о характере их участия в биокосных взаимодействиях, в процессе транспорта носителей зарядов и в протекающих окислительно-восстановительных реакциях. В работе (Яхонтова и др., 1991д) впервые на разнообразных примерах показаны уникальные возможности данного подхода при анализе гипергенного минералообразования. В отношении биокосных взаимодействий они не менее впечатляющи. К примеру, смена в растворе комплекса [Fe+ 2,2(HSO4)2]+ на [Fe+ 2,5(HSO4)2]0 c изменением координации Fe (III) с 4 на 6 снижает донорное свойство сернокислого раствора, участвующего в биокосном взаимодействии. В ряду комплексов меди в углекислой среде [Cu+ 1,7(HCO3)3]- -Cu+ 1,6(HCO3)2]0-[Cu+ 1,4(HCO3)]+ с уменьшением координационного числа Cu (6-4-2) и соответственно эффективных зарядов, наоборот, нарастают донорные возможности раствора. Формирование того или иного комплекса связано с Eh- pH-состоянием среды.
Метаболические продукты бактерий, попадая в раствор, активно участвуют во взаимодействиях с минералами, проявляя в различной степени акцепторную роль. В составе метаболитов обычно присутствие различных органических кислот (яблочной, янтарной, лимонной и др.) при преобладающей роли какой-либо одной. Используя остовно-электронный метод расчета эффективного заряда атомов, можно произвести сравнительную оценку акцепторных качеств этих кислот. Так, особо высокая акцепторная активность лимонной кислоты, продуцируемой бактериями, вытекает из высоких эффективных зарядов углерода (+ 0,95 и + 0,85) во всех трех типах структурных групп O-OH этой кислоты. В структуре янтарной кислоты отмеченных групп лишь две, и обе, по существу, являясь цис- и трансформами, имеют один и тот же эффективный заряд углерода (+ 0,85) и к тому же в структурной цепочке связаны с отрицательно заряженным углеродом (- 0,03), что резко снижает акцепторную активность метаболитов, концентрирующих янтарную кислоту (рис. 11).
В биокосном взаимодействии с помощью эффективных зарядов атомов в структуре минералов можно прогнозировать донорное качество минерального субстрата (табл. 43), где в уже рассмотренном ряду никелевых сульфидов полидимит-миллерит-пентландит возрастающей степени бактериальной деструкции соответствует постепенное уменьшение эффективного заряда Ni, т.е. увеличение донорной способности минералов.