Oksidacija neorganskih sumpornih jedinjenja. Oksidacija organske materije - osnova života

Oksidacijsko-redukcijske reakcije koje uključuju organske supstance, njihove sorte, definiciju proizvoda

Svi IAD u organici mogu se podijeliti u 3 grupe:

Potpuna oksidacija i paljenje

Blaga oksidacija

Destruktivna oksidacija

1. Potpuna oksidacija i paljenje. Kiseonik (druge supstance koje podržavaju sagorevanje, kao što su oksidi azota), koncentrovana azotna kiselina i sumporna kiselina mogu se koristiti kao oksidanti, mogu se koristiti čvrste soli, kada se zagrijava, oslobađa se kiseonik (klorati, nitrati, permanganati, itd.), Drugi oksidanti (na primjer bakar (II) oksid). U ovim reakcijama se uočava uništavanje svih hemijskih veza u organskoj materiji. Proizvodi oksidacije organske materije su ugljični dioksid i voda.

2. Blaga oksidacijaU ovom slučaju, ugljenični lanac se ne lomi. Blaga oksidacija uključuje oksidaciju alkohola u aldehide i ketone, oksidaciju aldehida u karboksilne kiseline, oksidaciju alkena u dihidrične alkohole (Wagnerova reakcija), oksidaciju acetilena u kalijum oksalat, toluen u benzojevu kiselinu, itd. U tim slučajevima, kao oksidaciona sredstva koriste se razblažene otopine kalijevog permanganata, kalijevog dikromata, nitratne kiseline, otopine amonijaka srebrnog oksida, bakar (II) oksida, bakra (II) hidroksida.

3. Destruktivna oksidacija. Pojavljuje se u teškim uvjetima od blage oksidacije, praćene rupturom nekih veza ugljik-ugljik. Kao oksidaciona sredstva, kada se zagrijavaju, koriste se koncentriranije otopine kalijevog permanganata i kalijevog dikromata. Mediji ovih reakcija mogu biti kiseli, neutralni i alkalni. Od toga će zavisiti produkti reakcije.

Uništavanje (prekidanje lanca ugljenika)pojavljuje se u alkenima i alkinima - na višestrukoj vezi, u derivatima benzena - između prvog i drugog atoma ugljika, ako računate iz prstena, u tercijarnim alkoholima - u atomu koji sadrži hidroksilnu grupu, u ketonima - u atomu sa karbonilnom grupom.

Ako u toku uništenjaodlomak koji sadrži 1 atom ugljika je izašao, zatim je oksidiran u ugljični dioksid (u kiselom mediju), bikarbonat i (ili) karbonat (u neutralnom mediju), karbonat (u alkalnom mediju). Svi duži fragmenti se pretvaraju u kiseline (u kiselom mediju) i soli ovih kiselina (u neutralnom i alkalnom mediju). U nekim slučajevima nisu dobijene kiseline, već ketoni (tokom oksidacije tercijarnih alkohola, razgranati radikali u homologima benzena, u ketonima, u alkenima).

Sljedeći dijagrami prikazuju moguće opcije za oksidaciju derivata benzena u kiseloj i alkalnoj sredini. Različite boje istaknule su atome ugljenika koji su uključeni u redoks proces. Isticanje vam omogućava da pratite "sudbinu" svakog atoma ugljenika.

Oksidacija derivata benzena u kiseloj sredini

Oksidacija  - je proces odbacivanja elektrona atomom, molekulom ili ionom, praćen povećanjem stepena oksidacije. Ali, slijedeći ovu definiciju, mnoge organske reakcije mogu se pripisati oksidacijskim reakcijama, na primjer:

dehidrogenacija alifatskih spojeva dovodi do stvaranja dvostrukih veza ugljik-ugljik:

(stepen oksidacije atoma ugljika, iz kojeg ide vodik, varira od -2 do -1),

reakcije supstitucije alkana:

(oksidacijsko stanje atoma ugljika mijenja se od -4 do -3),

reakcije vezanja halogena na višestruku vezu:

(stepen oksidacije atoma ugljika mijenja se od -1 do 0) i mnoge druge reakcije.

Iako su ove reakcije formalno povezane s oksidacijskim reakcijama, u organskoj kemiji, međutim, tradicionalno oksidacija  definira se kao proces kojim se, kao rezultat transformacije funkcionalne grupe, spoj prolazi iz jedne kategorije u višu:

alken ® alkohol ® aldehid (keton) ® karboksilna kiselina.

Većina oksidacijskih reakcija uključuje uvođenje atoma kiseonika u molekul ili stvaranje dvostruke veze s postojećim atomom kisika zbog gubitka atoma vodika.

Koje vrste jedinjenja mogu da daju kiseonik organskim supstancama?

Oksidirajuća sredstva

Za oksidaciju organskih supstanci se obično koriste jedinjenja prelaznih metala, kiseonika, ozona, peroksida i jedinjenja sumpora, selena, joda, azota i drugih.

Od oksidacionih sredstava na bazi prelaznih metala, poželjno je da se koriste jedinjenja hroma (VI) i mangana (VII), (VI) i (IV).

Najčešća jedinjenja hroma (VI) su rastvor kalijum bikromata K 2 Cr 2 O 7 u sumpornoj kiselini, rastvor hrom trioksida CrO 3 u razblaženoj sumpornoj kiselini ( johnsonov reagens), kompleks hromovog trioksida sa piridinom i reagent Saretta  - CrO 3 kompleks sa piridinom i HCl (piridinijum hlorohromatom).

Kada se organska tvar oksidira, krom (VI) u bilo kojem mediju se reducira na krom (III), međutim, oksidacija u alkalnom mediju u organskoj kemiji ne nalazi praktičnu primjenu.

Kalijum-permanganat KMnO 4 u različitim sredinama pokazuje različita oksidativna svojstva, dok se jačina oksidatora povećava u kiseloj sredini:

Kalijum-manganat K 2 MnO 4 i mangan (IV) oksid MnO 2 pokazuju oksidirajuća svojstva samo u kiseloj sredini.

Bakreni (II) hidroksid se obično koristi za oksidaciju aldehida. Reakcija se odvija zagrijavanjem, a istovremeno se plavi hidroksid bakra (II) prvo pretvara u bakar hidroksid (I) žute boje, koji se zatim razgrađuje do crvenog bakarnog oksida (I). Otopina amonijaka hidroksida srebra se također koristi kao oksidacijsko sredstvo za aldehide ( reakcija srebrnog ogledala)

I. Određivanje stepena oksidacije organskih supstanci.

Algebarska metoda

U organskim supstancama moguće je odrediti stepen oksidacije elemenata. algebarska metoda, ispada srednja stopa oksidacije. Ova metoda je najviše primjenjiva ako su svi ugljikovi atomi organske tvari na kraju reakcije stekli isti stupanj oksidacije (reakcija sagorijevanja ili potpuna oksidacija).

Razmislite:

Primer 1. Punjenje koncentrata saharoze sumpornom kiselinom sa daljnjom oksidacijom:

C 12 H 22 O 11 + H 2 SO 4 ® CO 2 + H 2 O + SO 2

Pronađite stupanj oksidacije ugljika u saharozi: 0

U elektronskom balansu uzeti u obzir svih 12 atoma ugljenika:

12C 0 - 48 e ® 12C +4 48 1

Oksidacija

S +6 + 2 e ®S +4 2 24

oporavak

C 12 H 22 O 11 + 24 H 2 SO 4 ® 12CO 2 + 35H 2 O + 24 SO 2

U većini slučajeva nisu svi atomi organske materije podvrgnuti oksidaciji, već samo neki. U ovom slučaju, samo atomi koji mijenjaju stupanj oksidacije uvode se u elektronski balans, te je stoga potrebno znati stupanj oksidacije svakog atoma.

2.grafički:

1) je prikazana kompletna strukturna formula supstance;

2) za svaku vezu strelica ukazuje na pomeranje elektrona na najelektronegativniji element;

3) sve C - C veze se smatraju nepolarnim;

Ugljik karboksilne grupe pomiče 3 elektrona iz sebe, njegovo oksidacijsko stanje je +3, metil ugljik privlači 3 elektrona iz vodika, a njegovo oksidacijsko stanje je 3.

Ugljenik aldehidne grupe daje 2 elektrona (+2) i privlači 1 elektron za sebe (-1), za ukupan stepen oksidacije ugljika aldehidne grupe +1. Ugljenik radikala privlači 2 elektrona iz vodika (-2) i daje 1 elektron hloru (+1), za ukupno oksidacijsko stanje ovog ugljika -1.

N S S S Н N N

Zadatak 1. Odrediti prosječan stupanj oksidacije atoma ugljika algebarskim postupkom i stupanj oksidacije svakog atoma ugljika grafičkom metodom u sljedećim spojevima:

1) 2-aminopropan 2) glicerin 3) 1,2-dikloropropan 4) alanin

Metil fenil keton

Ovaj proces se uglavnom odvija u tri grupe mikroorganizama: fotosintetske bakterije (ljubičaste i zelene), same sumporne bakterije, tionske bakterije.

Relativno nedavno otkrili ste da neke heterotrofne bakterije. mesentericus, you. subtilis, aktinomicete, gljivice i kvasci su takođe sposobni da oksidiraju sumpor u prisustvu organske materije, ali ovaj sporedni proces je spor, a energija koja se oslobađa tokom oksidacije se ne koristi.

Fotosintetske bakterije  - purpurni i zeleni prokariotski mikroorganizmi, žive uglavnom u vodenim tijelima i izvode "anaerobnu fotosintezu" bez oslobađanja molekularnog kisika. Sve fototrofne bakterije u determinanti Bergie kombinovane su u redoslijed Rodospirillales na osnovu njihove sposobnosti anaerobne fotosinteze; postoje dva podreda: Rhodospirillineae - ljubičasta (rodobacterium), Chlorobiineae - chlorobacterium (zelene bakterije). Većina fotosintezirajućih bakterija su strogi anaerobi i fototrofi, iako među ljubičastim i zelenim bakterijama postoje vrste koje mogu da heterotrofno rastu u mraku zbog disanja. Kao donor vodika tokom fotosinteze, bakterije koriste redukovana sumporna jedinjenja, molekularni vodonik, a neke vrste - organska jedinjenja.

Najpoznatije od reda rodobakterije porodice Chromatiaceae, roda Chromatium - sumporno ljubičaste bakterije. Predstavnici potonjih su ovalni ili štapasti, imaju pokretljivost zbog polarnih flagela; to su obvezni anaerobni fotolitotrofni organizmi, oksidiraju vodik-sulfid sukcesivno na S 0 i dalje na SO4 2-. Ponekad se sumporne kuglice talože u njihovim ćelijama, koje se postepeno pretvaraju u sulfate koji se otpuštaju van.

Među zelenim sumpornim bakterijama dobro su proučavani predstavnici roda Chlorobium. To su uglavnom štapaste i vibrioidne forme, razmnožene podjelom, često okružene sluznim kapsulama, strogim anaerobima i obvezujućim fotolitotrofima. Mnogi od njih dovode oksidaciju sumpora samo u fazu slobodnog sumpora. Elementarni sumpor se često deponuje izvan ćelija, ali se sumpor ne akumulira u samim ćelijama.

Fotosintetske bakterije su široko rasprostranjene u vodenim tijelima; obično žive u okruženju koje sadrži vodonik sulfid (ribnjake, morske lagune, jezera itd.) i održavaju njegovu visoku koncentraciju. U tlu ove bakterije nemaju značajnu ulogu, dok je u akumulacijama njihova aktivnost od velike važnosti.

Sulfurne bakterije  - Veliki tim bezbojnih mikroorganizama, koji se razvijaju u prisustvu sumporovodika, deponuje kapljice sumpora unutar ćelija. Prve studije ove grupe bakterija sproveo je S. N. Vinogradsky 1887, 1888. Primjenom originalne metode mikrokulture, koja omogućava promjenu okoliša i dugo promatranje živog objekta, Vinogradski je otkrio da se sumpor deponiran u Beggiatoa stanicama (tipičan predstavnik sumpornih bakterija) formira iz sumporovodika i da se može mikroorganizmom oksidirati u sumpornu kiselinu. Istovremeno, on je prvi predložio koncept postojanja hemosinteze u bakterijama (posebno u filamentoznim); mogu da rastu u odsustvu organskih jedinjenja, a proces oksidacije neorganskog sumpora im služi kao izvor energije disanja. Međutim, prisustvo kemoautotropije u većini bezbojnih sumpornih bakterija još uvijek je nerazumno, jer je moguće izolirati ih u čistoj kulturi: iako mikroorganizmi uspijevaju, oni nisu potpuno sigurni da izolirani sojevi imaju istu fiziologiju kao i one u prirodi. Karakteristika koju S. N. Vinogradsky (1888) daje serobakterijama, danas je praktično nepromijenjena.

Bezbojne sumporne bakterije predstavljaju heterogenu grupu sa jednom zajedničkom osobinom - sposobnošću da deponuju sumpor u ćelijama. Sistematika ovih organizama razvijena je samo do nivoa roda; ne mogu se svi smatrati čvrsto uspostavljenim. GA Zavarzin (1972), po morfološkim karakteristikama, razlikuje među njima oblike: filamentozne, jednoćelijske sa velikim ćelijama i jednoćelijske sa manjim.

Vlaknaste bakterije pripadaju pet rodova; najpoznatiji od njih su Beggiatoa, Thiothrix i Thioploca.

Rod Beggiatoa je predstavljen bezbojnim vlaknastim organizmima koji formiraju trihome, slične strukturi algi trihoma, ali za razliku od ovih, sadrže inkluzije sumpora. Trichomes nikada ne pridaju supstratu, imaju pokretljivost zbog formirane sluzi i nalaze se u sedentarnim vodama sa niskim sadržajem sumporovodika, pripadaju mikroaerofilima. Na površini mulja u vodenim tijelima, u njihovim mjestima akumulacije, formiraju se velike bijele mrlje ili osjetljiva bijela mreža. Sve vrste ove vrste oksidiraju sumporovodik i sulfide u elementarni sumpor, koji se taloži unutar ćelija, au slučaju nedostatka sumporovodika ili sulfida - u vanjskom okruženju. Sumpor odložen unutar ćelija se oksidira u sumpornu kiselinu i oslobađa. U kombinaciji sa metalima, formiraju se sulfati.

Predstavnici roda Thiothrix veoma su slični strukturi sumpornih bakterija roda Beggiatoa, ali se razlikuju od drugih po tome što se vežu za supstrat sa posebnim diskom sluznice, koji se obično nalazi u vodenim sulfidnim vodama. Njihove niti izgledaju crne zbog velike akumulacije deponovanog sumpora. Thiothrix daje bjelkasto obaranje na podvodnim objektima u mobilnom okruženju. Thioploca pramenovi se nalaze u mnogim vodenim tijelima, u gornjim slojevima mulja; postavljeni vertikalno, oni prelaze oksidacione i redukcione horizonte, neprestano se kreću gore i dole kako se voda seli u kiseonik, a zatim u donju vodonik-sulfidnu sredinu. U njihovoj debeloj sluzavoj kapsuli, koja je pokrivena spoljašnjim delovima detritusa, isprepletani su trihomi (mogu biti od 1 do 20). Bakterije Thioploca izolovane su iz morskog mulja bogate kalcijem i slatkovodne mlađi.

Jednoćelijske serobakterije sa velikim ćelijama su predstavljene sa tri roda: Achromatium, Thiovulum i Macronionas: veličine ćelija kod svih vrsta - 10-40 mikrona; pomnožite podelom ili suženjem; Oblik ćelija je ovalan i cilindričan. Pored kapljica sumpora, ćelije često sadrže kalcijum karbonat.

Jednoćelijski oblici sa malim ćelijama su kombinovani u dva roda: Tiospira i Thiobacterium. Tiospira je malo proučena. Rod Thiobacterium uključuje tri vrste. Ovi fiksni mali štapići, okruženi kapsulama sluznice, mogu formirati zogel; sumpor u ćelijama nije deponovan u svim vrstama.

Bezbojne sumporne bakterije - tipični vodeni mikroorganizmi, česte su u vodenim tijelima, gdje je sumporovodik barem slabo formiran. Svi oni su mikroaerofili, veoma osetljivi na koncentraciju sumporovodika: u medijumu zasićenom vodonik sulfidom, oni brzo nestaju, pri koncentraciji manjoj od 40 mg / l, razvijaju se najupečatljivije.

Optimalni uslovi za njih nastaju u neravnotežnim sistemima, gdje se vodik sulfid akumulira polako i tu je alkalna ili blizu neutralnog protočnog medija. Među bezbojnim sumpornim bakterijama dobro rastu i na niskim temperaturama i na visokim temperaturama - do 50 ° C (u termalnim izvorima). Oni mogu izdržati visoke koncentracije soli i razvijati se u crnom blatu slanih jezera, u gotovo zasićenom solnom rastvoru. I dalje su najčešće u slatkim vodama.

Masne akumulacije sumpornih bakterija mogu se naći u ribnjacima na površini mulja, tako da se sumporni vodik koji se oslobađa u mulju oksidira i ne truje vodenu masu. U slučaju kontaminacije vodene mase sa vodonik-sulfidom, bakterije se mogu formirati na jednoj ili drugoj dubini tzv. "Bakterijske ploče" ili filma, iznad kojih nema sumporovodika, a ispod - kiseonika. Na primjer, u Crnom moru, takav film se nalazi na dubini od 200 m i sprečava ulazak sumporovodika iznad ovog nivoa. Sulfurne bakterije koje ga nastanjuju na granici aerobnih i anaerobnih zona su u haotičnom, neprestanom kretanju: spuštaju se iza vodonikovog sulfida, uzdižući se iza kiseonika. Oni oksidiraju sumporovodik do elementarnog sumpora i dobijaju energiju neophodnu za sintezu organskih supstanci. Kemosintetikom, usled oksidacije od 25 g H 2 S / m2, može se asimilirati 8 g s / m2 godišnje (Sorokin, 1970). Nakon izumiranja, mikrobiološka tijela obogaćena elementarnim sumporom su uronjena u vodikovu sulfidnu zonu, djelomično dospijevaju na dno, gdje se uz sudjelovanje desulfurizirajućih bakterija, sumpor ponovo vraća u vodikov sulfid. Pretpostavlja se da se u debljini morske vode u graničnom sloju (O 2 i H 2 S) prva faza oksidacije sumporovodika izvodi kemijskim sredstvima (Skopindev, 1973).

Bakterije sumpora su često koncentrisane u velikim količinama u izvorima sumporovodika.

Učešće sumpornih bakterija u sumpornom ciklusu je verovatno beznačajno, mada se čini da je njihova uloga u sprečavanju trovanja vodonosnih sulfata vodonik sulfidom i uticaj na migraciju i taloženje metala značajna.

Glavnu ulogu u oksidaciji sumpora imaju tionske bakterije.

Tionske bakterije - Jedinstvena morfološka i biokemijska grupa mikroorganizama pronađenih u tlima, slatkim i slanim vodama, naslagama sumpora iu stijenama. Tionske bakterije dobijaju energiju oksidacijom mineralnih redukovanih sumpornih jedinjenja kao što su sumporovodik, sulfidi, sulfit, tiosulfat, tetrationat, tiocijanat, ditionit, kao i molekularni sumpor. Sumpor formiran kao međuproizvod odlaže se izvan ćelija. Kao akceptor elektrona, koriste slobodan kiseonik, a neke vrste - nitratni kiseonik. Prema tipu ishrane, tionske bakterije se mogu podeliti u grupe: autotrofi, mixotrofi i litoterotrofi. Većina thionic bakterija su aerobne, iako su poznati fakultativni anaerobi, kao što je Th. denitrifisans. U zavisnosti od staništa, ponašaju se drugačije: u aerobnim uslovima provode proces uz učešće molekularnog kiseonika, u anaerobnim prelaze na denitrifikaciju i redukuju nitrate na molekularni azot. Poznata su četiri roda tionskih bakterija: Thiobacillus - štapasti, pokretni; Tiomikrospira - spiralna, mobilna; Tiodendron - mikrokolonije ovalnih ili spiralno uvijenih ćelija povezanih stabljikama ili granama hifa. Sulfolobus - ispupčen, sa smanjenim ćelijskim zidom. Budući da su bakterije roda Thiobacillus, koje su široko rasprostranjene u kopnenim i vodenim ekosistemima, posebno aktivne u ciklusu sumpora, one se uglavnom proučavaju.

U odnosu na kiselost okoline, tiobacili se dele na dve grupe: one koje rastu u neutralnim ili alkalnim uslovima (pH 6-9) i one koje rastu u kiselim uslovima (acidofilno). Za tiobacilus prve grupe, optimalna pH vrednost je u rasponu od 6-9; njene vrste su: T. thioparus, T. denitrificans, T. novellus, T. thiocyanooxidans, T. neapolitanus. Svi oni oksidiraju sumporovodik, sumpor i tiosulfat. Razmotrimo najviše proučavane predstavnike ove grupe.

T. thioparus je autotrofna bakterija koju je izolovao Beyerink (1904), razvija se kada je medij neutralan, pokretan (ima jedan polarni flagelum), gram-negativan je sposoban da oksidira sumporovodik, hidrosulfidni jon i samo sulfid kalcijum. Proizvodi oksidacije su sumpor, poliionati (prvenstveno tetrationati) i sumporna kiselina. Može se razviti kao mikroaerofil i vrlo je nestabilan u kiselosti.

Tako se akumulacija elementarnog sumpora može pojaviti zbog: a) redukcije sulfata bakterijama koje odsumporavaju; b) oksidacija sumporovodika putem thionic bakterija. Elementarni sumpor se nakuplja na blatnjavom dnu boćatih jezera i nalazi se na dnu Kaspijskog mora, gdje se formira uslijed oksidacije vodikovog sulfida oslobođenog mulja.

Formiranje mnogih naslaga sumpora povezano je sa oksidacionom aktivnošću thionic bakterija. Sedimentne naslage sumpora geografski se poklapaju sa gipsanim stijenama perma, donje krede, paleogena, neogena i nalaze se duž granica geostrukturnih elemenata, podignutih ili potopljenih. Često ograničeni na brahantijske linije s naftnim poljima, gdje su stijene obično fragmentirane, puknute, svodovi antiklinala su uništeni, što olakšava protok vodikovog sulfida i zasićene vode na površinu. Ovde u kiseoničnom okruženju, obilato naseljenom thionic bakterijama, proces oksidacije sumporovodika sa akumulacijom elementarnog sumpora. Takve su naslage u Centralnoj Aziji: Gaurdak, Shorsu, Sumporni bregovi u Karakumu.

T. thiocyanooxidans je na mnogo načina sličan T. thioparusu, ali se razlikuje u tome što osim vodikovog sulfida i rodonita oksidira. Ove bakterije su pronađene (Happold, Kay, 1934) i izolovane u čistu kulturu (Happold, Johnston, Rogers, 1954). Morfološki, T. thiocyanooxidans - štapići sa jednim polarnim flagelumom, autotrofni, aerobni; za njih je povoljno neutralno okruženje; prisustvo organske materije u koncentraciji većoj od 1% inhibira njihov razvoj.

T. novellus je miksotrofni organizam, otkriven i izolovan iz tla R. L. Starkeya 1934. godine, gram-negativan, stacionaran, štapastog oblika, dobro raste na organskim medijima, ali pod određenim uvjetima može se kretati od heterotrofnog tipa ishrane do autotrofne.

Denitrifikujuća tionska bakterija je mali, nesporni bacil, pokretan, prvi put otkrio Beierinck: (1904) u anaerobnim uslovima, oksidira okolinu i njena neorganska jedinjenja u sulfate, istovremeno reducirajući nitrate u molekularni dušik.

U aerobnim uvjetima ne dolazi do smanjenja nitrata, a bakterije koriste kisik, zrak kao oksidirajuće sredstvo.

Grupa mikroorganizama koji se razvijaju u kiselom okruženju uključuje: T. ferrooxidans, T. intermedius, T. thiooxidans. PH vrijednost od 2-4 je optimalna za njih, ali mogu rasti na pH od 0,5 do 7. Prve dvije vrste ne rastu na pH\u003e 5: T. thiooxidans je naj acidofilniji mikroorganizam u prirodi, jer održava vitalnost pri pH od oko 0 .

T. thiooxidans - flagellum bacillus, pokretan, formira sluz, autotrof, otkriven je pri proučavanju raspadanja sumpora u zemljištu (Waxman, Ioffe, 1922). Može da oksidira, kao što je nedavno ustanovljeno, neka organska jedinjenja sumpora. Glavni supstrat koji se oksidira ovim organizmom je molekulski sumpor, a ponekad i tiosulfat, au aerobnim uslovima ovaj proces prelazi u fazu izolacije sumporne kiseline. Energija oksidacije se koristi da apsorbuje ugljen dioksid. Sposobnost ovog tipa da oksidira sumporovodik i druga jedinjenja nije konačno razjašnjena, jer su ova jedinjenja nestabilna u kiseloj sredini.

Vrlo interesantne su tionske bakterije oksidirajuće gvožđe T. ferrooxidans, koje su opisane i izolirane iz kiselih drenažnih rudničkih voda (Coiner, Hinkle, 1947), mali štapić sa polarnom flagelom, pokretan, ne formira sporu, ne mrlja po Gramu, reproducira se podjelom, hemolitotrofom, pH 1,7-3,5 - optimalno, aerobno. On zauzima posebno mjesto među tiobakterijama, jer sposobnost autotrofnog rasta nije uzrokovana samo energijom dobivenom oksidacijom sumpornih spojeva, već i željeznim oksidom koji se oslobađa tijekom oksidacije do oksida. Budući da je ion Fe 2+ pri pH<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).

T. ferrooxidans se odlikuje visokom otpornošću na koncentracije teških metala: izdržava 5% -tni rastvor bakarnog sulfata, koncentraciju Cu 2 g / l ili arsen 1 g / l, razvija se malim dozama dušika, fosfora i blagim prozračivanjem, te stoga živi u zoni oksidacija sulfidnih naslaga. Oksidirano gvožđe u kiseloj sredini ne stvara nikakve formirane strukture, a ćelije bakterija su skoro uvijek slobodne. Bakterije oksidiraju elementarni sumpor, sulfide, tiosulfat, tetrationit, hidrosulfid. U sulfidnim naslagama on ima dvostruku funkciju: oksidira sumpor sulfate u sumpornu kiselinu, koja zatim otapa hidrokside gvožđa, formira se željezni oksid sulfat, koji, reagirajući sa sulfidima, doprinosi hemijskoj oksidaciji sumpora, koji je dio sulfida, do šestvalentnog.

Određeni broj thionic bakterija može oksidirati različite sulfidne minerale (Cu, Zn, Pb, Ni, Co, As), učestvovati u promjeni valentnih stanja uranijuma i vanadija, izdržati visoke koncentracije metala, razviti se u otopini bakar sulfata s koncentracijom do 6%. Obim aktivnosti ovih organizama je impresivan. Tako je za jedan dan iz deponije Degtyarskoe uklonjeno 6115 kg bakra i 1706 kg cinka (Kravaiko et al., 1967). Mnoge bakterije nalaze se na rudnim mineralima i zbog svoje oksidacije primaju energiju potrebnu za asimilaciju ugljičnog dioksida. Tionske bakterije, pripisane rodu T. ferrooxidans, nalaze se u svim depozitima antimona. Oni oksidiraju antimonit u kiselim sredinama (u prisustvu pirita). Kod neutralnih i slabo alkalnih uslova, druge bakterije, T. denitrificans, mogu ubrzati oksidaciju antimonita. U prvoj fazi dolazi do oksidacije sumpora antimonita pod uticajem T. ferrooxidans ili drugih tiobacila; antimon sulfat je nestabilan i hidrolizira Sb 2; Formira se antimon peroksid, mineralni senarmonit. Oksidacija trovalentnog antimona višim oksidima Sb 5+ javlja se kada je izložena autotrofnom mikroorganizmu Stibiobacter senarmontii, za koji je neutralna okolina najpovoljnija. Chebosynthesizing microorganism oksidirajući senarmonit - Stibiobacter gen. nov: mineral grupe stibiconita (Lyalikova, 1972).

Heterotrofne bakterije su široko rasprostranjene u rudnim naslagama, čija je geokemijska aktivnost i dalje veoma slabo proučena. Međutim, utvrđeno je da su neki od njih (Pseudomonas denitrificans, P. fluorescens), izolovani iz sulfidnih ruda, oksidirani. Još uvijek nije jasno da li mogu koristiti oksidacijsku energiju reduciranih sumpornih spojeva. Očigledno je da je njihova aktivnost povezana sa formiranjem organskih kiselina koje mogu razgraditi minerale.

Dakle, u oksidacionoj zoni sulfidnih naslaga, nastaje sulfatno okruženje, sulfidi se zamjenjuju sulfatima, atmosferski uticaji su kiseli, minerali rudonosnih stijena se istovremeno uništavaju, zamjenjuju se sekundarnim mineralima - jarozitom, goethitom, anglesitom, antleritom, digenitom, itd. Ljestvica željeznih oksida formirana je takozvanim "željeznim šeširom". Ako su stijene domaćina karbonatne, tada se pri izlaganju sumpornoj kiselini stvara velika količina gipsa, neutralizira se sumporna kiselina. Ako su stijene nekarbonatne, tada agresivne sulfatne vode uklanjaju alkalne i zemnoalkalijske metale, teške metale željezne grupe i druge iz vodonosnika u obliku sulfata; formiraju se beljene zone, gdje ostaju najstabilniji minerali sumporne kiseline, kvarc, i kaolinit iz sekundarnih minerala.

Na izlazu na površinu u obliku izvora, kisele vode, obogaćene sulfatima bakra, cinka, kobalta, željeza, aluminija, nikla i drugih elemenata, uzrokuju formiranje kiselih (tionskih) solončaka. U sličnim slanim močvarama u blizini jednog od bakarnih sulfidnih ležišta Južnog Urala, među suhim stepama pojavila se breza.

Kiseli alum (thionic) tla su uobičajena na močvarnim morskim obalama, u sušenju obalnih delta, što je povezano sa oksidacijom hidrotroilita i pirita, koji su formirani u prošlosti zbog obnove sulfata morskih voda sa većim sadržajem vode na teritoriji i dominacijom režima restauracije. Oksidacija sulfida tionskim bakterijama praćena je formiranjem sumporne kiseline, zamenom kalcijum karbonata gipsom, rastvaranjem aluminijuma i oksida gvožđa formiranjem alum: Al 2 (SO 4) 3, Fe 2 (SO 4) 3. Kiselina zamotana stvrdnuta tla formiraju se u umjerenim geografskim širinama na nizinskim obalama Švedske i Finske (Botnijski zaljev), na polderima i marševima Nizozemske, nisu rijetki u deltama suptropskih i tropskih rijeka, pronađenih u delti Murraya, u jugoistočnoj Aziji, Južnoj Americi, gdje imaju lokalna imena, na primjer: "poto-poto", "katclay", itd.

Utvrđivanje sumporne kiseline karakteristično je za naslage sumpora koje se pojavljuju na površini, oko koje se formira zona svetlo belih izlučenih stijena, nastaju kisele "vitriol" vode s visokim sadržajem željeznog sulfata. Kada se te vode pomiješaju sa slatkom vodom, taloži se zarđali talog željezovog oksida hidrata (limonita), koji uokviruje zonu sumporne kiseline.

Tokom razvoja sulfidnih ruda i sumpornih uglja, oksidiraju se sulfidi ekstrahovani na površinu; nastaju kisele rudarske vode u kojima se razvijaju tionske bakterije. Ove vode su vrlo agresivne, nagrizajuće metalnu opremu. Kisele vode sa pH 1,5-2,0 izlaze iz deponija, gomile uglja sa raspršenim sulfidima, vegetacija umire pod njihovim uticajem, uočavaju se nagla kiselost i degradacija zemljišta. Da bi se ovi tokovi lokalizovali i neutralisali, postavljene su posebne karbonatne barijere na njihovom putu, vrši se krečenje zemljišta zagađenog kiselim vodama.

Frakcionacija izotopa sumpora. Četiri stabilna izotopa sumpora raspoređena su u zemljinoj kori. Odnos izotopa sumpora u različitim prirodnim objektima nije isti. Standardno je prihvaćen odnos S 32 i S 34 u sulfidnim meteoritima, gdje je 22,21.

Postoji tendencija da se iscrpi teški izotop prirodnih sumpornih jedinjenja formiranih uz učešće mikroorganizama, a to su sulfidi sedimentnog porijekla i biogeni sumporovodik; Sulfidi magmatskih stijena i evaporit sulfati, naprotiv, obogaćeni su u odnosu na standard sa laganim izotopom sumpora.

Ako pronađete grešku, molimo označite dio teksta i kliknite Ctrl + Enter.

Oksidacija organske materije - osnova života

Organska materija i energija sadržana u njima, koja se formira u ćelijama bilo kojeg organizma u procesu asimilacije, prolaze kroz obrnuti proces - disimilaciju. Kada se disimilacija oslobodi, hemijska energija se oslobađa u telu u različite oblike energije - mehaničke, termalne itd. Energija oslobođena tokom disimilacije je ista materijalna osnova koja sprovodi sve životne procese - sintezu organskih supstanci, samoregulaciju tela, rast, razvoj , reprodukcija, reakcije tijela na vanjske utjecaje i druge manifestacije života.

Disimilacija ili oksidacija u živim organizmima vrši se na dva načina. U većini biljaka, životinja, ljudi i protozoa, oksidacija organskih supstanci se odvija uz učešće atmosferskog kiseonika. Ovaj proces se naziva "dahom", ili aerobnim (iz latinskog. Aer - zraka) procesa. U nekim grupama biljaka koje mogu da postoje bez vazduha, oksidacija se odvija bez kiseonika, odnosno anaerobno, i naziva se fermentacija. Razmotrite svaki od ovih procesa odvojeno.

Koncept "disanja" prvobitno je značio samo udisanje i izdisanje zraka plućima. Zatim se razmjena plinova između ćelije i okoline zove “disanje” - potrošnja kisika i oslobađanje ugljičnog dioksida. Daljnje dubinske studije su pokazale da je disanje vrlo složen višestupanjski proces koji se odvija u svakoj ćeliji živog organizma uz obavezno učešće bioloških katalizatora - enzima.

Organska materija, pre nego što se pretvori u "gorivo" koja daje energiju ćeliji i telu kao celini, mora biti adekvatno tretirana enzimima. Ovaj tretman se sastoji od razlaganja velikih molekula biopolimera - proteina, masti, polisaharida (skrob i glikogen) - u monomerima. Time se postiže određena univerzalizacija hranjivih materija.

Dakle, umesto stotina različitih polimera, kao što je hrana, formira se nekoliko desetina monomera - aminokiselina, masnih kiselina, glicerola i glukoze - u crevima životinja, koje se zatim isporučuju u ćelije životinjskog i humanog tkiva kroz krvne i limfne puteve. Ćelije dalje univerzalizuju ove supstance. Svi monomeri se transformišu u jednostavnije molekule karboksilne kiseline ugljenog lanca koje sadrže od dva do šest atoma. Ako postoji nekoliko desetina monomera, njih dvadeset su aminokiseline, onda postoji samo deset karboksilnih kiselina. Dakle, specifičnost hranjivih tvari je konačno izgubljena.

Ali karboksilne kiseline su samo prekursori materijala, koji se mogu nazvati “biološkim gorivom”. Oni se još ne mogu koristiti u energetskim procesima ćelije. Sljedeća faza univerzalizacije je uklanjanje vodika iz karboksilnih kiselina. Ovo proizvodi ugljen dioksid (CO 2), koji telo izdiše. Atom vodonika sadrži elektron i proton. Za energiju ćelije i organizma u cjelini (bioenergija), uloga ovih sastavnih dijelova atoma je daleko od ekvivalentne. Energija zatvorena u atomskom jezgru nije dostupna ćeliji. Transformacija elektrona u atomu vodonika praćena je oslobađanjem energije, koja se koristi u životnim procesima ćelije. Stoga, oslobađanje elektrona završava posljednju fazu univerzalizacije biogoriva. U ovom periodu specifičnost organskih supstanci, njihovih sastojaka i karboksilnih kiselina nije bitna, jer svi oni u konačnici dovode do formiranja nosioca energije - elektrona.

Pobuđeni elektron se kombinuje sa kiseonikom. Dobivši dva elektrona, kiseonik se negativno puni, dodaje dva protona i formira vodu. Ovo je čin staničnog disanja.

Oksidacija organskih supstanci u ćelijama javlja se u mitohondrijima, koja, kao što je već navedeno u prethodnoj brošuri, igraju ulogu dinama koji pretvara energiju sagorevanja ugljenih hidrata i masti u energiju adenozin trifosfata (ATP).

Oksidacija u telu su pre svega ugljeni hidrati. Početni i završni procesi oksidacije ugljikohidrata mogu se izraziti sljedećom formulom: C6H12O6 + 6O2 = 6SO 2 + 6H 2 O + energija.

U životinjskim i biljnim organizmima, proces disanja je u osnovi isti: njegovo biološko značenje u oba slučaja se sastoji u primanju energije iz svake ćelije kao rezultat oksidacije organskih supstanci. ATP formiran u ovom procesu koristi se kao akumulator energije. Sa tom baterijom se obnavlja potreba za energijom, bez obzira gdje se u ćelijama bilo kojeg organizma pojavi.

U procesu disanja, biljke konzumiraju kiseonik na potpuno isti način kao i životinje, i oslobađaju ugljični dioksid. I kod životinja i kod biljaka, disanje je kontinuirano dan i noć. Prestanak disanja, na primer, zaustavljanjem pristupa kiseonikom, neizbežno dovodi do smrti, jer se vitalna aktivnost ćelija ne može održati bez kontinuiranog korišćenja energije. Kod svih životinja, osim mikroskopski malog, kiseonik ne može u dovoljnim količinama direktno u ćelije i tkiva zraka. U tim slučajevima, razmjena gasa sa okolinom vrši se pomoću posebnih organa (traheja, škrge i pluća). Kod kičmenjaka, dovod kisika u svaku pojedinačnu ćeliju odvija se kroz krv i obezbeđuje se radom srca i čitavog krvotoka. Složenost izmjene gasa kod životinja dugo vremena onemogućavala nam je da otkrijemo pravu suštinu i značaj tkivnog disanja. Naučnici našeg vijeka su uložili mnogo truda da dokažu da se oksidacija ne odvija u plućima, a ne u krvi, već u svakoj živoj ćeliji.

U biljnom organizmu mehanizmi izmjene plina su mnogo jednostavniji nego kod životinja. Kiseonik vazduha prodire u svaki list biljaka kroz specijalne otvore - stomata. Izmena gasa u biljkama vrši se preko cele površine tela i povezana je sa kretanjem vode kroz vaskularne snopove.

Organizmi čija oksidacija nastaje zbog slobodnog kiseonika (atmosferskog ili otopljenog u vodi) nazivaju se, kao što je već navedeno, aerobnim. Ova vrsta razmjene je karakteristična za veliku većinu biljaka i životinja.

Sva živa bića na Zemlji u procesu disanja godišnje oksidiraju milijarde tona organske materije. Istovremeno se oslobađa ogromna količina energije koja se koristi u svim manifestacijama života.

Francuski naučnici L. Pasteur u prošlom stoljeću pokazali su mogućnost razvoja nekih mikroorganizama u okruženju bez kisika, to jest, “život bez zraka”. Oksidacija organskih supstanci bez kiseonika se naziva fermentacija, a organizmi sposobni za aktivan život u okruženju bez kiseonika nazivaju se anaerobni. Stoga je fermentacija oblik disimilacije u anaerobnom tipu razmjene.

Tokom fermentacije, za razliku od disanja, organske supstance se ne oksidiraju do konačnih proizvoda (CO 2 i H 2 O), već se formiraju intermedijerna jedinjenja. Energija sadržana u organskim supstancama nije sve oslobođena, dio je ostao u srednjim fermentirajućim supstancama.

Fermentacija, kao i disanje, provodi se kroz niz složenih kemijskih reakcija. Na primjer, konačni rezultati alkoholne fermentacije su predstavljeni sljedećom formulom: C6H12O6 = 2CO2 + 2C2H5OH + 25 kcal / g mol.

Kao rezultat alkoholne fermentacije, delimični oksidacioni proizvod - etilni alkohol - formira se iz šećera (glukoze) i oslobađa se samo mali deo energije sadržane u ugljenim hidratima.

Primjer anaerobnih organizama može poslužiti kao gljivice kvasca, koje primaju energiju za život, usvajaju ugljikohidrate i podvrgavaju ih alkoholnoj fermentaciji u procesu disimilacije. Mnogi anaerobni mikroorganizmi razlažu ugljene hidrate na mlečne, butirne, sirćetne i druge proizvode nepotpune oksidacije. Neke vrste bakterija mogu koristiti kao izvor energije ne samo šećere, aminokiseline i masti, već i proizvode za izlučivanje životinja, kao što su urea i mokraćna kiselina, sadržane u urinu, i supstance koje čine izmet. Čak i penicilin, koji ubija mnoge bakterije, koristi jedna vrsta bakterija kao hranjiva.

Dakle, u procesu sinteze organskih jedinjenja, kao da su „sačuvani“ u njima ili pohranjuju energiju hemijskih veza koje se troše na njihovu sintezu. Opet se oslobađa tokom reverznog procesa razgradnje organskih supstanci. Što se tiče energije, živa bića su, kao što je već rečeno, otvoreni sistemi. To znači da im je potrebna energija izvana u obliku koji omogućava da se koristi za obavljanje posla koji je neraskidivo povezan sa manifestacijama života, i oslobađa istu energiju u okolinu, ali u oštećenom obliku, na primjer, u obliku topline, koja se rasipa u okoliš. Zbog kontinuiranih procesa sinteze i propadanja, asimilacije i disimilacije u živim bićima, postoji stalna cirkulacija supstanci i transformacija energije. Kolika je količina energije apsorbovana, toliko se i oslobađa tokom disimilacije. Energija oslobođena tokom disimilacije vrši procese koji karakterišu suštinu života i sve njegove manifestacije.

<<< Назад

Prosledi \u003e\u003e\u003e