Окисляване на неорганични серни съединения. Окисляване на органичната материя - основа на живота

Окислително-редукционни реакции, включващи органични вещества, техните сортове, дефиниция на продуктите

Всички IAD в органични могат да бъдат разделени на 3 групи:

Пълно окисление и горене

Леко окисление

Разрушително окисление

1. Пълно окисление и горене, Като окислители могат да се използват кислород (други вещества, които поддържат горенето, като азотни оксиди), концентрирана азотна киселина и сярна киселина, могат да се използват твърди соли, при нагряване се освобождава кислород (хлорати, нитрати, перманганати и др.), Други окислители (например меден (II) оксид). При тези реакции се наблюдава унищожаване на всички химически връзки в органичната материя. Продуктите на окисляване на органични вещества са въглероден диоксид и вода.

2. Леко окислениеВ този случай въглеродната верига не се счупва. Лекото окисление включва окисляване на алкохоли до алдехиди и кетони, окисление на алдехиди до карбоксилни киселини, окисление на алкени до дихидридни алкохоли (реакция на Вагнер), окисление на ацетилен до калиев оксалат, толуен до бензоена киселина и др. В тези случаи като окислители се използват разредени разтвори на калиев перманганат, калиев дихромат, азотна киселина, амонячен разтвор на сребърен оксид, меден (II) оксид, меден (II) хидроксид.

3. Разрушително окисление, Среща се при по-тежки условия, отколкото при леко окисление, придружено от разкъсване на някои въглерод-въглеродни връзки. Като окислители се използват по-концентрирани разтвори на калиев перманганат и калиев дихромат при нагряване. Средата на тези реакции може да бъде кисела, неутрална и алкална. Продуктите от реакцията ще зависят от това.

Унищожаване (прекъсване на въглеродната верига)се среща в алкени и алкини - при многократна връзка, в бензенови производни - между първия и втория въглеродни атоми, ако броиш от пръстен, в третичните алкохоли - в атом, съдържащ хидроксилна група, в кетони - в атом с карбонилна група.

Ако по време на унищожаванеотдели се фрагмент, съдържащ 1 въглероден атом, след което се окислява до въглероден диоксид (в кисела среда), бикарбонат и (или) карбонат (в неутрална среда), карбонат (в алкална среда). Всички по-дълги фрагменти се превръщат в киселини (в кисела среда) и соли на тези киселини (в неутрална и алкална среда). В някои случаи не се получават киселините, а кетони (при окислението на третичните алкохоли, разклонени радикали в хомолозите на бензола, в кетони, в алкени).

Следващите диаграми представят възможните варианти за окисление на бензолните производни в кисела и алкална среда. Различните цветове подчертават въглеродните атоми, участващи в окислително-редукционния процес. Осветяването ви позволява да проследите "съдбата" на всеки въглероден атом.

Окисляване на бензенови производни в кисела среда

окисляване   - е процес на откат на електрони от атом, молекула или йон, придружен от повишаване на степента на окисление. Но след тази дефиниция много органични реакции могат да се дължат на окислителни реакции, например:

дехидрогениране на алифатни съединения, водещи до образуване на двойни връзки въглерод-въглерод:

(степента на окисление на въглеродния атом, от който преминава водородът, варира от -2 до -1),

реакции на заместване на алкан:

(окислителното състояние на въглеродния атом се променя от -4 до -3),

реакции на свързване на халогени с множествена връзка:

(степента на окисление на въглеродния атом се променя от -1 до 0) и много други реакции.

Въпреки че формално тези реакции са свързани с окислителни реакции, в органичната химия, обаче, традиционно окисляване   се дефинира като процес, чрез който, в резултат на трансформацията на функционална група, съединение преминава от една категория в по-висша:

алкен ® алкохол ® алдехид (кетон) карбоксилна киселина.

Повечето окислителни реакции включват въвеждането на кислороден атом в молекулата или образуването на двойна връзка с съществуващ кислороден атом поради загубата на водородни атоми.

И какви съединения могат да дадат кислород на органичните вещества?

Окислителни агенти

За окисляване на органични вещества обикновено се използват съединения на преходни метали, кислород, озон, пероксиди и съединения на сяра, селен, йод, азот и други.

От окислителите на базата на преходни метали, за предпочитане се използват съединения на хром (VI) и манган (VII), (VI) и (IV).

Най-често срещаните съединения на хром (VI) са разтвор на калиев бихромат K 2 Cr 2 O 7 в сярна киселина, разтвор на хромов триоксид CrO 3 в разредена сярна киселина ( реагент на Джонсън), комплекс от хромов триоксид с пиридин и реагент Саретта   - Cr03 комплекс с пиридин и НС1 (пиридиниев хлорохромат).

Когато органичната материя се окислява, хромът (VI) във всяка среда се редуцира до хром (III), но окисляването в алкална среда в органичната химия не намира практическо приложение.

Калиев перманганат KMnO 4 в различни среди показва различни окислителни свойства, докато силата на окислителя се увеличава в кисела среда:

Калиев манганат K 2 MnO 4 и манганов (IV) оксид MnO2 показват оксидиращи свойства само в кисела среда.

Мед (II) хидроксид обикновено се използва за окисляване на алдехиди. Реакцията се извършва при нагряване, като едновременно с това синият хидроксид на медта (II) се превръща първо в меден хидроксид (I) с жълт цвят, който след това се разлага до червен меден оксид (I). Амонячен разтвор на сребърен хидроксид също се използва като окислител за алдехиди ( сребърна огледална реакция)

I. Определяне на степента на окисление в органични вещества.

Алгебричен метод

При органичните вещества е възможно да се определи степента на окисление на елементите. алгебричен метод, Оказва се средна скорост на окисление, Този метод е най-приложим, ако всички въглеродни атоми на органичното вещество в края на реакцията са получили същата степен на окисление (реакция на изгаряне или пълно окисление).

Помислете:

Пример 1, Зареждане на концентрат на сярна киселина със захароза с по-нататъшно окисление:

C12H22O11 + H2SO4®CO2 + H20 + SO2

Намерете степента на окисление на въглерода в захароза: 0

В електронния баланс се вземат предвид всички 12 въглеродни атома:

12C 0 - 48 e ® 12C +4 48 1

окисляване

S +6 + 2 e ®S +4 2 24

възстановяване

C12H22O11 + 24 H2S04® 12CO2 + 35H2O + 24 SO2

В повечето случаи не всички атоми на органична материя се подлагат на окисление, а само на някои. В този случай в електронния баланс се въвеждат само атоми, които променят степента на окисление и следователно е необходимо да се знае степента на окисление на всеки атом.

2.графичен метод:

1) е представена пълната структурна формула на веществото;

2) за всяка връзка стрелката показва изместването на електрона към най-електроотрицателния елемент;

3) всички С-С връзки се считат за неполярни;

Въглеродът на карбоксилната група измества 3 електрона от себе си, неговото окислително състояние е +3, метил въглеродът привлича 3 електрона от водород и неговото окислително състояние е 3.

Въглеродът на алдехидната група дава 2 електрона (+2) и привлича 1 електрона към себе си (-1), за пълна степен на окисление на въглерода на алдехидната група +1. Въглеродът на радикала привлича 2 електрона от водород (-2) и дава 1 електрон на хлор (+1), за общо състояние на окисление на този въглерод -1.

N С С С Н С Н

Задача 1. Определете средната степен на окисление на въглеродните атоми по алгебричен метод и степента на окисление на всеки въглероден атом по графичен метод в следните съединения:

1) 2-аминопропан 2) глицерин 3) 1,2-дихлоропропан 4) аланин

Метил фенил кетон

Този процес се извършва главно от три групи микроорганизми: фотосинтетични бактерии (пурпурно и зелено), самите бактерии, тионни бактерии.

Относително наскоро открихме, че някои хетеротрофни бактерии. mesentericus, вие. subtilis, актиномицети, гъби и дрожди също са способни да окисляват сярата в присъствието на органична материя, но този страничен процес е бавен и енергията, отделена по време на окислението, не се използва от тях.

Фотосинтетични бактерии   - пурпурни и зелени прокариотни микроорганизми, живеят главно във водни тела и извършват "анаеробна фотосинтеза" без освобождаване на молекулен кислород. Всички фототрофни бактерии в детерминантите на Bergie се обединяват в реда Rhodospirillales въз основа на тяхната способност за анаеробна фотосинтеза; има два подредя: Rhodospirillineae - пурпурен (rodobacterium), Chlorobiineae - chlorobacterium (зелени бактерии). Повечето фотосинтезиращи бактерии са строги анаероби и фототрофи, въпреки че сред пурпурни и зелени бактерии има видове, които могат да растат хетеротрофно в тъмното поради дишането. Като донор на водород по време на фотосинтезата, бактериите използват намалени серни съединения, молекулен водород и някои видове - органични съединения.

Най-добре проучени от реда на родобактерии семейство Chromatiaceae, род Chromatium - сяра лилаво бактерии. Представителите на последните са овални или прътовидни, имат подвижност поради полярните флагели; те са задължителни анаеробни фотолитотрофни организми, окисляват сероводорода последователно до S0 и по-нататък до SO4 2-. Понякога сярните глобули се отлагат в клетките си, които постепенно се превръщат в сулфати, които се освобождават навън.

Сред зелените серни бактерии, представители на рода хлоробий са добре проучени. Това са предимно прътовидни и вибриоидни форми, умножени по деление, често заобиколени от лигавични капсули, строги анаероби и задължителни фотолитотрофи. Много от тях довеждат окислението на сярата само до етапа на свободна сяра. Елементарната сяра често се отлага извън клетките, но сярата не се натрупва в самите клетки.

Фотосинтетичните бактерии са широко разпространени във водните тела; обикновено живеят в среда, която съдържа сероводород (езера, морски лагуни, езера и др.) и поддържат висока концентрация. В почвата тези бактерии не играят съществена роля, докато в язовирите тяхната дейност е от голямо значение.

Сярните бактерии   - Обширен екип от безцветни микроорганизми, развиващи се в присъствието на сероводород, отлагат капки от сяра вътре в клетките. Първите изследвания на тази група бактерии са проведени от С. Н. Виноградски през 1887, 1888. Прилагайки оригиналния метод на микрокултура, който позволява дълго време да се променя околната среда и да се наблюдава жив обект, Виноградски открива, че сярата, отлагана в клетките на Бегиатоа (типичен представител на серните бактерии), се образува от сероводород и може да се окисли от този микроорганизъм до сярна киселина. В същото време той първо предложи концепцията за съществуването на хемосинтеза в бактериите (по-специално в нишковидни); те могат да растат при липса на органични съединения, а процесът на окисление на неорганична сяра служи като енергиен източник на дишане за тях. Въпреки това, наличието на хемоавтотрофия в повечето безцветни серни бактерии все още е неразумно, тъй като е възможно те да се изолират в чиста култура: въпреки успеха на микроорганизмите, те не са напълно сигурни, че изолираните щамове имат същата физиология като тези, наблюдавани в природата. Характеристиката, дадена на серобактериите от С. Н. Виноградски (1888), в момента остава практически непроменена.

Безцветните серни бактерии представляват хетерогенна група с една обща характеристика - способността за внасяне на сяра в клетките. Систематиката на тези организми се развива само до нивото на рода; не всички от тях могат да се считат за твърдо установени. Г. А. Заварзин (1972), по морфологични особености, отличава между тях форми: нишковидни, едноклетъчни с големи клетки и едноклетъчни с по-малки.

Влакнестите бактерии принадлежат към пет рода; най-известните от тях са Бегиатоа, Тиотрикс и Тиоплока.

Родът Beggiatoa е представен от безцветни влакнести организми, които образуват трихоми, наподобяващи структурата на водораслите трихоми, но за разлика от последните съдържат включвания на сяра. Трихомите никога не се прикрепят към субстрата, имат подвижност поради образуваната слуз и се намират в заседналите води с ниско съдържание на сероводород, принадлежат към микроаерофили. На повърхността на утайките във водните обекти, в местата им на натрупване, те образуват големи бели петна или деликатна бяла мрежа. Всички видове от този вид окисляват сероводорода и сулфидите до елементарна сяра, която се отлага вътре в клетките, а в случай на липса на сероводород или сулфид - във външната среда. Утаената сяра в клетките се окислява до сярна киселина и се освобождава. Когато се комбинират с метали, се образуват сулфати.

Представители на рода Thiothrix са много сходни по структура със сярните бактерии от рода Beggiatoa, но се различават от последните по това, че се прикрепят към субстрата със специален лигавичен диск, обикновено намиращ се във воднисти сероводородни води. Техните нишки изглеждат черни поради голямото натрупване на отлагана сяра. Thiothrix дава бели замърсявания върху подводни обекти в мобилна среда. В много водни тела, в горните слоеве на утайките, се намират снопчета Thioploca; разположени вертикално, те преминават окислителните и редукционните хоризонти, непрекъснато се движат нагоре и надолу, докато водата се движи към кислорода, след това към дънната сероводородна среда. В дебелата си слизеста капсула, покрита отвън с парченца детрит, са преплетени трихоми (могат да бъдат от 1 до 20). Бактериите Thioploca се изолират от богатата на калций морска утайка и сладка вода.

Едноклетъчните серобактерии с големи клетки са представени от три рода: Achromatium, Thiovulum и Macronionas: размерите на клетките при всички видове - 10-40 микрона; умножава се чрез делене или свиване; формата на клетките е овална и цилиндрична. В допълнение към серните капки, клетките често съдържат калциев карбонат.

Едноклетъчните форми с малки клетки се комбинират в два рода: Thiospira и Thiobacterium. Тиоспира е слабо проучен. Род Thiobacterium включва три вида. Тези фиксирани малки пръчки, заобиколени от лигавични капсули, са способни да образуват зоогел; сяра в клетките не се отлага във всички видове.

Безцветни серни бактерии - типични водни микроорганизми, често се срещат във водните обекти, където се образува най-малко слабо сероводород. Всички те са микроаерофили, много чувствителни към концентрацията на сероводород: в среда, наситена със сероводород, те умират бързо, при концентрация по-малка от 40 mg / l, развиват се най-великолепно.

Оптималните условия за тях се създават в неравновесни системи, където сероводородът се натрупва бавно и има алкална или близка до неутрална среда. Сред безцветните серни бактерии се отглеждат добре и при ниска температура и при висока температура - до 50 ° C (в термални извори). Те могат да издържат на високи концентрации на сол и да се развиват в черната кал на солените езера, в почти наситен солен разтвор. Те все още са най-често срещаните в сладките води.

Масови натрупвания на серни бактерии могат да бъдат намерени в езера на повърхността на утайката, затова освободеният в утайката сероводород окислява и не отрови водната маса. В случай на замърсяване на водната маса с сероводород, бактериите могат да образуват на една дълбочина или друга така наречената "бактериална плоча" или филм, над която няма сероводород, а под - кислород. Например, в Черно море такъв филм се намира на дълбочина 200 m и предотвратява навлизането на сероводород над това ниво. Сярните бактерии, които го обитават на границата на аеробните и анаеробни зони, са в хаотично, непрекъснато движение: слизащи зад сероводорода, като се издигат зад кислорода. Те окисляват сероводорода до елементарна сяра и получават необходимата енергия за синтеза на органични вещества. Чрез хемосинтетика, благодарение на окислението от 25 g H 2 S / m 2, могат да се асимилират 8 g s / m2 годишно (Сорокин, 1970). След оттичане, микробните тела, обогатени с елементарна сяра, се потапят в сероводородната зона, частично достигнат дъното, където с участието на десулфуриращи бактерии се разлага, сярата отново се възстановява до сероводород. Предполага се, че в дебелината на морската вода в граничния слой (O 2 и H 2 S) първият етап на окисление на сероводорода се извършва с химически средства (Скопиндев, 1973).

Бактериите сяра често са концентрирани в големи количества в източниците на сероводород.

Участието на серните бактерии в серния цикъл вероятно е незначително, въпреки че тяхната роля за предотвратяване на отравяне със сероводород на водни пластове и въздействието върху миграцията и отлагането на метали изглежда значително.

Основната роля в окислението на сярата се дава на тионни бактерии.

Тионни бактерии - Една морфологична и биохимична група от микроорганизми, открити в почви, пресни и солени водни обекти, серни отлагания и в скали. Тионните бактерии получават енергия чрез окисляване на минерални редуцирани серни съединения като сероводород, сулфиди, сулфит, тиосулфат, тетратионат, тиоцианат, дитионит, както и молекулна сяра. Сярата, образувана като междинен продукт, се отлага извън клетките. Като акцептор на електрони, те използват свободен кислород, а някои видове - нитратен кислород. Според вида на храненето тионните бактерии могат да се разделят на групи: автотрофи, миксотрофи и литотеротрофи. Повечето тионни бактерии са аеробни, въпреки че са известни факултативни анаероби, като Th. denitrifisans. В зависимост от местообитанието, те се държат по различен начин: при аеробни условия те извършват процес с участието на молекулен кислород, а в анаеробно преминават към денитрификация и намаляват нитратите до молекулен азот. Известни са четири рода тионни бактерии: Thiobacillus - прътовидни, подвижни; Тиомикроспира - спирална, подвижна; Тиодендрон - микроколонии от овални или спирално усукани клетки, свързани с дръжки или разклонени хифи. Sulfolobus - лопаст, с намалена клетъчна стена. Тъй като бактериите от рода Thiobacillus, които са широко разпространени в сухоземни и водни екосистеми, са особено активни в цикъла на сярата, те се изучават главно.

Във връзка с киселинността на околната среда, тиобацилите се разделят на две групи: тези, които растат в неутрални или алкални условия (рН 6-9) и тези, които растат в киселинни условия (ацидофилни). За тиобацилус от първата група, оптималната стойност на рН е в диапазона 6-9; неговите видове са: T. thioparus, T. denitrificans, T. novellus, T. thiocyanooxidans, T. neapolitanus. Всички те окисляват сероводород, сяра и тиосулфат. Помислете за най-изследваните представители на тази група.

Т. tioparus е автотрофна бактерия, изолирана от Beyerink (1904), развива се, когато средата е неутрална, подвижна (има един полярен флагелум), грам-отрицателна е способна да окислява сероводород, хидросулфиден йон, и само от сулфиди само калциев сулфид. Продуктите на окисляване са сяра, политионати (главно тетратионати) и сярна киселина. Тя може да се развие като микроаерофил и е много нестабилна към киселинност.

Така, натрупването на елементарна сяра може да настъпи поради: а) редукция на сулфати чрез десулфуриране на бактерии; б) окисление на сероводорода от тионни бактерии. Елементарната сяра се натрупва в калното дъно на бракични езера и се намира на дъното на Каспийско море, където се образува поради окисляването на сероводорода, освободен от тинята.

Образуването на много серни отлагания е свързано с окислителната активност на тионните бактерии. Отлаганията на седиментна сяра географски съвпадат с гипсоносните скали на пермската, долната креда, палеогена, неогена и са разположени по границите на геоструктурните елементи, повдигнати или потопени. Често се ограничават до брахиантични линии с петролни полета, където скалите обикновено са фрагментирани, напукани, арките на антиклиналите се разрушават, което улеснява потока на сероводород и наситена вода на повърхността. Тук, в кислородната среда, обилно населена с тионни бактерии, процесът на окисление на сероводорода с натрупване на елементарна сяра. Такива са находищата в Централна Азия: Гаурдак, Шорсу, Сърдечни хълмове в Каракум.

Т. tiocyanooxidans в много отношения е подобен на T. thioparus, но се различава по това, че окислява освен сероводород и родонит. Тези бактерии са открити (Happold, Kay, 1934) и изолирани в чиста култура (Happold, Johnston, Rogers, 1954). Морфологично, Т. thiocyanooxidans - пръчици с един полярен флагелум, автотрофни, аеробни; за тях е благоприятна неутрална среда; наличието на органична материя при концентрация над 1% потиска тяхното развитие.

Т. novellus е миксотрофен организъм, открит и изолиран от почвата на R. L. Starkey през 1934 г., грам-отрицателен, стационарен, с форма на пръчка, расте добре върху органични среди, но при определени условия може да се премине от хетеротрофен тип хранене към автотрофна.

Денитрифициращата тионна бактерия е малък, безспорен бацил, мобилен, първоначално открит от Beierinck: (1904) при анаеробни условия, окислява околната среда и нейните неорганични съединения до сулфати, едновременно намалява нитратите до молекулен азот.

В аеробни условия намаляването на нитратите не настъпва и бактериите използват кислород, въздух като окислител.

Групата микроорганизми, развиващи се в кисела среда, включва: Т. ferrooxidans, Т. intermedius, T. thiooxidans. Стойността на рН от 2-4 е оптимална за тях, но те могат да растат при рН от 0,5 до 7. Първите два вида не растат при рН\u003e 5: Т. тиооксиданите са най-ацидофилен микроорганизъм в природата, тъй като поддържа жизненост при рН около 0 ,

Т. thiooxidans - flagellum bacillus, подвижен, образува слуз, автотроф, открит при изследване на разлагането на сяра в почвата (Waxman, Ioffe, 1922). Може да окислява, както бе установено наскоро, някои органични серни съединения. Основният субстрат, окислен от този организъм, е молекулна сяра и понякога тиосулфат, а при аеробни условия този процес преминава към етапа на изолация на сярната киселина. Енергията на окисление се използва за абсорбиране на въглероден диоксид. Способността на този тип да окислява сероводород и други съединения не е окончателно изяснена, тъй като тези съединения са нестабилни в кисела среда.

Тионните желязо-оксидиращи бактерии T. ferrooxidans са много интересни организми, описани и изолирани от кисели дренажни води (Coiner, Hinkle, 1947), малка пръчка с полярна флагела, подвижна, не образува спори, не се оцветява с грам, възпроизвежда се чрез разделяне, хемолитотроф, рН 1.7-3.5 - оптимално, аеробно. Той заема специално място сред тиобактериите, тъй като способността за автотрофен растеж се причинява не само от енергията, получена от окислението на серни съединения, но и от железния оксид, отделен при окислението до оксид. Тъй като йонът е Fe 2+ при рН<4 в стерильной среде устойчив против окисления кислородом воздуха, то Т. ferrooxidans можно было бы отнести к железобактериям, среди которых организм занимает определенную экологическую нишу, но по таксономическим признакам он ближе к тионовым бактериям, особенно Т. thiooxidans. Источник энергии для этого организма - окисление пирита, марказита, пирротина, антимонита и других сульфидов; остальные тиобактерии обладают меньшей способностью окислять нерастворимые в воде сульфиды тяжелых металлов. Окисление Fe 2+ этим организмом - сложный, до конца не выясненный процесс. Установлено, что окисление 1 г/ат Fe 2 + до трехвалентного при pH 1,5 дает энергию - 11,3 ккал и при этом выделяется теплота - 10 ккал/моль (Медведева, 1980).

Т. ferrooxidans се характеризира с висока устойчивост на концентрации на тежки метали: издържа на 5% разтвор на меден сулфат, концентрация на Cu 2 g / l или арсен 1 g / l, развива се с малки дози азот, фосфор и слабо аерация, следователно живее в зоната окисление на сулфидни отлагания. Окисленото желязо в кисела среда не образува никакви формирани структури, а клетките на бактериите са почти винаги свободни. Бактериите окисляват елементарна сяра, сулфиди, тиосулфат, тетратионит, хидросулфид. В сулфидните находища той изпълнява двойна функция: окислява сярата на сулфатите до сярна киселина, която от своя страна разтваря хидроокисите на желязото, образува се железен оксид сулфат, който реагира със сулфиди, което се дължи на редукцията на желязото, което е част от сулфидите, до шестивалент.

Редица тионни бактерии могат да окислят различни сулфидни минерали (Cu, Zn, Pb, Ni, Co, As), участват в промяната на валентните състояния на уран и ванадий, издържат на високи концентрации на метали, развиват се в разтвор на меден сулфат с концентрация до 6%. Мащабът на активността на тези организми е впечатляващ. Така за един ден от Дегтярското находище са отстранени 6115 кг мед и 1706 кг цинк (Kravaiko et al., 1967). Много бактерии се намират в рудни минерали и получават, поради тяхното окисление, енергията, необходима за усвояването на въглероден диоксид. Тионните бактерии, приписвани на рода T. ferrooxidans, се откриват във всички антимонови депозити. Те окисляват антимонита в кисели условия на околната среда (в присъствието на пирит). При неутрални и слабо алкални условия, други бактерии, T. denitrificans, могат да ускорят окислението на антимонит. На първия етап окисляването на сярата на антимонит се осъществява под влиянието на Т. ferrooxidans или други тиобацили; антимоновият сулфат е нестабилен и хидролизира Sb2; Образува се антимонов пероксид, минерал сенармонит. Окислението на тривалентен антимон към по-висши оксиди на Sb 5+ се проявява при експозиция на автотрофния микроорганизъм Stibiobacter senarmontii, за който неутралната среда е най-благоприятна. Хебосинтезиращ микроорганизъм, окисляващ сенармонит - Stibiobacter gen. нов: минералът от групата на стибиконита (Ляликова, 1972).

Хетеротрофните бактерии са широко разпространени в рудни находища, чиято геохимична активност все още е много слабо проучена. Установено е обаче, че някои от тях (Pseudomonas denitrificans, P. fluorescens), изолирани от сулфидни руди, се окисляват. Все още не е ясно дали могат да използват окислителната енергия на редуцираните серни съединения. Очевидно тяхната активност е свързана с образуването на органични киселини, които могат да разграждат минералите.

Така в окислителната зона на сулфидните находища възниква сулфатна среда, сулфидите се заменят със сулфати, а атмосферните влияния са кисели, минералите на рудоносните скали се унищожават едновременно, заместват се вторични минерали - ярозит, гетит, ангелзит, ангинит и др. Мащабът на железните оксиди се формира от така наречената "желязна шапка". Ако скалите-гостоприемници са карбонатни, тогава при излагане на сярна киселина се образува голямо количество гипс, сярна киселина се неутрализира. Ако скалите са некарбонатни, тогава агресивните сулфатни води отстраняват алкални и алкалоземни метали, тежки метали от групата на желязото и други от водоносните слоеве под формата на сулфати; образуват се избелени зони, където остават най-стабилните минерали на сярна киселина, кварц, и каолинитът от вторични минерали.

При излизане на повърхността под формата на източници, киселите води, обогатени със сулфати от мед, цинк, кобалт, желязо, алуминий, никел и други елементи, причиняват образуването на кисели (тионни) солончаци. В подобни солени блата близо до едно от медно-сулфидните находища на Южен Урал сред сухите степи се появи брезова гора.

Киселиновите (тионни) почви са често срещани на блатисти морски брегове, при сушене на крайбрежните делти, което е свързано с окисляването на хидротроилита и пирита, които са се образували в миналото поради възстановяването на сулфатните морски води с по-високо водно съдържание на територията и доминирането на възстановителния режим. Окислението на сулфиди с тионни бактерии се съпровожда от образуването на сярна киселина, заместването на калциевите карбонати с гипс, разтварянето на алуминиевите и железните оксиди с образуването на стипца: Al 2 (SO 4) 3, Fe 2 (SO 4) 3. Замърсените с киселина киселинни почви се образуват в умерените ширини по ниските брегове на Швеция и Финландия (Ботнически залив), на полдери и походи на Холандия, те не са необичайни в делтите на субтропичните и тропическите реки, намерени в делта Мъри, в Югоизточна Азия, Южна Америка, където имат местни имена, например: "poto-poto", "katclay" и др.

Сярното киселинно изветряване е характерно за появата на серен слой на повърхността, около която се образува зона от ярко бели излужени скали, образуват се кисели "витриолни" води с високо съдържание на железен сулфат. Когато тези води се смесят с пресни води, се утаява ръждива утайка от железен оксид хидрат (лимонит), която оформя зоната на изветряването на сярната киселина.

По време на развитието на сулфидни руди и сернисти въглища, сулфидите, извлечени на повърхността, се окисляват; образуват се кисели минни води, в които се развиват тионни бактерии. Тези води са много агресивни, корозиращи метални съоръжения. От отработените отпадъци постъпват кисели води с рН 1,5-2,0, купчини въглища, съдържащи разпръснати сулфиди, растителност умира под тяхното влияние, наблюдават се рязко подкиселяване и деградация на почвата. За локализиране и неутрализиране на тези потоци по пътя се полагат специални варовикови бариери, като се извършва варене на замърсени с кисели води почви.

Фракциониране на серните изотопи, Четири стабилни изотопа на сярата са разпределени в земната кора. Съотношението на изотопите на сяра в различни природни обекти не е едно и също. Като стандарт се приема съотношението S32 и S34 в сулфидните метеорити, където е 22.21.

Налице е тенденция към изчерпване на тежкия изотоп от естествени серни съединения, образувани с участието на микроорганизми, а именно сулфиди с утаечен произход и биогенен сероводород; напротив, сулфидите на магнитените скали и изпарителните сулфати се обогатяват по отношение на стандарта с лек изотоп от сяра.

Ако откриете грешка, моля, маркирайте част от текста и кликнете Ctrl + Enter.

Окисляване на органичната материя - основа на живота

Органичната материя и съдържащата се в тях енергия, която се формира в клетките на всеки организъм в процеса на асимилация, претърпява обратен процес - дисимилация. Когато се освободи дисимилация, химическата енергия се отделя в тялото в различни форми на енергия - механична, термична и др. Енергията, отделяна по време на дисимилация, е същата материална база, която извършва всички жизнени процеси - синтез на органични вещества, саморегулиране на организма, растеж, развитие , възпроизвеждане, реакции на тялото към външни влияния и други прояви на живота.

Дисимилирането или окисляването в живите организми се извършва по два начина. В повечето растения, животни, хора и протозойни организми, окисляването на органични вещества става с участието на атмосферен кислород. Този процес се нарича "дъх", или аеробен (от латински. Aer - air) процес. В някои групи растения, които могат да съществуват без въздух, окисляването настъпва без кислород, т.е. анаеробно и се нарича ферментация. Разгледайте всеки един от тези процеси поотделно.

Концепцията за "дишане" първоначално означаваше само вдишване и издишване на въздух от белите дробове. След това обменът на газове между клетката и околната среда се нарича „дишане” - консумация на кислород и отделяне на въглероден диоксид. По-нататъшни задълбочени проучвания показват, че дишането е много сложен многоетапен процес, който протича във всяка клетка на жив организъм с задължителното участие на биологични катализатори - ензими.

Органичната материя, преди да се превърне в „гориво“, която дава енергия на клетката и тялото като цяло, трябва да бъде правилно третирана с ензими. Това третиране се състои от разграждане на големи молекули биополимери - протеини, мазнини, полизахариди (нишесте и гликоген) - в мономери. По този начин се постига известна универсалност на хранителния материал.

Така, вместо стотици различни полимери, като храна, се образуват няколко десетки мономери - аминокиселини, мастни киселини, глицерол и глюкоза - в червата на животните, които след това се доставят на животински и човешки тъканни клетки през кръвните и лимфните пътища. Клетките допълнително универсализират тези вещества. Всички мономери се трансформират в по-прости въглеродни молекули на карбоксилна киселина, съдържащи от два до шест атома. Ако има няколко десетки мономери, двадесет от тях са аминокиселини, тогава има само десет карбоксилни киселини. Така че спецификата на хранителните вещества накрая се губи.

Но карбоксилните киселини са само предшественици на материала, който може да се нарече "биологично гориво". Самите те все още не могат да бъдат използвани в енергийните процеси на клетката. Следващият етап от универсализацията е отстраняването на водорода от карбоксилните киселини. Това произвежда въглероден диоксид (CO 2), който тялото издишва. Водородният атом съдържа електрон и протон. За енергията на клетката и организма като цяло (биоенергия), ролята на тези съставни части на атома е далеч от еквивалентна. Енергията, затворена в атомното ядро, не е достъпна за клетката. Преобразуването на електрона във водородния атом е съпроводено с отделяне на енергия, която се използва в жизнените процеси на клетката. Следователно освобождаването на електрона завършва последния етап от универсализацията на биогоривата. През този период спецификата на органичните вещества, техните съставки и карбоксилни киселини няма значение, тъй като всички те в крайна сметка водят до образуването на енергиен носител - електрон.

Възбуденият електрон се комбинира с кислород. Получавайки два електрона, кислородът се зарежда отрицателно, добавя два протона и образува вода. Това е актът на клетъчното дишане.

Окисляването на органични вещества в клетките се случва в митохондриите, които, както вече беше отбелязано в предишната брошура, играят ролята на динамо, което превръща енергията на изгаряне на въглехидрати и мазнини в енергията на аденозин трифосфат (АТФ).

Окислението в организма е предимно въглехидрати. Първоначалните и крайни процеси на окисление на въглехидрати могат да бъдат изразени по следната формула: C6H12O6 + 6O2 = 6СО2 + 6Н2О + енергия.

В животинските и растителните организми процесът на дишане е по същество един и същ: неговото биологично значение и в двата случая се състои в получаване на енергия от всяка клетка в резултат на окисляването на органични вещества. Образуваният в този процес АТР се използва като енергиен акумулатор. Именно с тази батерия се попълва нуждата от енергия, без значение къде в клетките на някой организъм възниква.

В процеса на дишане растенията консумират кислород по същия начин като животните и освобождават въглероден диоксид. И при животни, и при растения, дишането е непрекъснато ден и нощ. Прекратяването на дишането, например чрез спиране на достъпа на кислород, неизбежно води до смърт, тъй като жизнената активност на клетките не може да се поддържа без непрекъснато използване на енергия. Във всички животни, с изключение на микроскопски малки, кислородът не може в достатъчни количества директно да попадне в клетките и тъканите на въздуха. В тези случаи обменът на газ с околната среда се извършва с помощта на специални органи (трахея, хриле и бели дробове). При гръбначните животни доставянето на кислород към всяка отделна клетка се осъществява чрез кръвта и се осигурява от работата на сърцето и цялата кръвоносна система. Сложността на газообмена при животни от дълго време ни пречи да разберем истинската същност и значението на тъканното дишане. Учените от нашия век са положили много усилия, за да докажат, че окисляването се извършва не в белите дробове, а не в кръвта, а във всяка жива клетка.

В растителния организъм механизмите за обмен на газ са много по-прости, отколкото при животните. Кислородът на въздуха прониква във всеки лист на растенията чрез специални отвори - устицата. Газообменът в растенията се извършва по цялата повърхност на тялото и се свързва с движението на водата през съдовите снопчета.

Организми, чието окисление се дължи на свободния кислород (атмосферно или разтворено във вода), се наричат, както вече бе отбелязано по-горе, аеробика. Този вид обмен е характерен за по-голямата част от растенията и животните.

Всички живи същества на Земята в процеса на дишане ежегодно окисляват милиарди тонове органична материя. В същото време се отделя огромно количество енергия, която се използва във всички прояви на живота.

Френските учени Л. Пастьор през миналия век показаха възможността за развитие на някои микроорганизми в среда без кислород, т.е. „живот без въздух”. Окислението на органични вещества без кислород се нарича ферментация, а организми, способни на активен живот в среда, лишена от кислород, се наричат ​​анаеробни. По този начин, ферментацията е форма на дисимилация в анаеробния тип обмен.

По време на ферментацията, за разлика от дишането, органичните вещества не се окисляват до крайните продукти (CO 2 и H 2 O), но се образуват междинни съединения. Енергията, съдържаща се в органичните вещества, не се освобождава, част от нея остава в междинните ферментиращи вещества.

Ферментацията, подобно на дишането, се извършва чрез серия от сложни химични реакции. Например, крайните резултати на алкохолна ферментация са представени със следната формула: С6Н12О6 = 2СО2 + 2С2Н5ОН + 25 kcal / g mol.

В резултат на алкохолна ферментация се образува частичен окислителен продукт - етилов алкохол - от захар (глюкоза) и се освобождава само малка част от енергията, съдържаща се в въглехидратите.

Пример за анаеробни организми могат да служат като гъби, които получават енергия за цял живот, асимилират въглехидрати и ги подлагат на алкохолна ферментация в процеса на дисимилация. Много анаеробни микроорганизми разграждат въглехидратите до млечна, маслена, оцетна киселина и други продукти на непълно окисление. Някои видове бактерии могат да използват като енергиен източник не само захари, аминокиселини и мазнини, но също така и продукти за екскреция на животни, като урея и пикочна киселина, съдържащи се в урината, и вещества, които образуват екскрементите. Дори пеницилин, който убива много бактерии, се използва от един вид бактерии като хранително вещество.

Така, в процеса на синтезиране на органични съединения, те сякаш са „запазени“ в тях или са съхранени енергията на химическите връзки, изразходвани за техния синтез. Отново се освобождава по време на обратния процес на разлагане на органични вещества. По отношение на енергията, живите същества са, както вече споменахме, отворени системи. Това означава, че те се нуждаят от енергия отвън във форма, която позволява тя да се използва за извършване на работа, която е неразривно свързана с проявленията на живота, и освобождава същата енергия в околната среда, но в увредена форма, например, под формата на топлина, която се разсейва в околната среда. Поради непрекъснатите процеси на синтез и разпад, асимилация и дисимилация в живите същества, има постоянно циркулиране на вещества и преобразуване на енергия. Какво количество енергия се абсорбира, тъй като голяма част от нея се освобождава по време на дисимилация. Енергията, отделена при дисимилация, осъществява процеси, които характеризират същността на живота и всички негови проявления.

<<< Назад

Напред \u003e\u003e\u003e