Oksidacija anorganskih sumpornih spojeva. Oksidacija organske tvari - temelj života

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

Svi IAD u organici mogu se podijeliti u 3 skupine:

Potpuna oksidacija i paljenje

Blaga oksidacija

Destruktivna oksidacija

1. Potpuna oksidacija i paljenje, Kisik (druge tvari koje podržavaju izgaranje, kao što su dušikovi oksidi), koncentrirana dušična kiselina i sumporna kiselina mogu se koristiti kao oksidatori, mogu se koristiti čvrste soli, kada se zagrijava, oslobađa se kisik (klorati, nitrati, permanganati itd.), Drugi oksidanti (na primjer bakar (II) oksid). U tim se reakcijama uočava uništavanje svih kemijskih veza u organskoj tvari. Proizvodi oksidacije organske tvari su ugljični dioksid i voda.

2. Blaga oksidacijaU ovom slučaju, lanac ugljika se ne prekida. Blaga oksidacija uključuje oksidaciju alkohola u aldehide i ketone, oksidaciju aldehida u karboksilne kiseline, oksidaciju alkena u dihidrične alkohole (Wagnerova reakcija), oksidaciju acetilena u kalij oksalat, toluen u benzojevu kiselinu itd. U tim slučajevima kao razrjeđivači koriste se razrijeđene otopine kalijevog permanganata, kalijevog dikromata, dušične kiseline, otopine amonijaka srebrnog oksida, bakar (II) oksida, bakra (II) hidroksida.

3. Razorna oksidacija, Pojavljuje se u težim uvjetima od blage oksidacije, praćeno pucanjem nekih ugljik-ugljičnih veza. Kao oksidirajuća sredstva, više se koncentriranih otopina kalijevog permanganata i kalijevog dikromata koristi pri zagrijavanju. Mediji ovih reakcija mogu biti kiseli, neutralni i alkalni. Od toga će ovisiti produkti reakcije.

Uništenje (prekid lanca ugljika)pojavljuje se u alkenima i alkinima - na višestrukim vezama, u derivatima benzena - između prvog i drugog ugljikovog atoma, ako računate iz prstena, u tercijarnim alkoholima - u atomu koji sadrži hidroksilnu skupinu, u ketonima - u atomu s karbonilnom skupinom.

Ako tijekom uništavanjaodsječen je fragment koji sadrži 1 atom ugljika, zatim se oksidira u ugljični dioksid (u kiselom mediju), bikarbonat i (ili) karbonat (u neutralnom mediju), karbonat (u alkalnom mediju). Svi duži fragmenti pretvaraju se u kiseline (u kiselom mediju) i soli tih kiselina (u neutralnom i alkalnom mediju). U nekim slučajevima nisu dobivene kiseline, već ketoni (tijekom oksidacije tercijarnih alkohola, razgranati radikali u homologima benzena, u ketonima, u alkenima).

Sljedeći dijagram prikazuje moguće opcije za oksidaciju derivata benzena u kiselom i alkalnom okolišu. Različite boje istaknule su ugljikove atome uključene u redoks proces. Isticanje vam omogućuje da pratite "sudbinu" svakog ugljikovog atoma.

Oksidacija derivata benzena u kiselom okolišu

oksidacija  - je proces odbacivanja elektrona atomom, molekulom ili ionom, praćen povećanjem stupnja oksidacije. No, slijedeći ovu definiciju, mnoge organske reakcije mogu se pripisati oksidacijskim reakcijama, na primjer:

dehidrogenacija alifatskih spojeva koji dovode do stvaranja dvostrukih veza ugljik-ugljik:

(stupanj oksidacije ugljikovog atoma, 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:

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

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

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

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

A kakvi spojevi mogu dati kisik organskim tvarima?

Oksidirajuća sredstva

Za oksidaciju organskih tvari obično se koriste spojevi prijelaznih metala, kisika, ozona, peroksida i spojeva sumpora, selena, joda, dušika i drugih.

Od oksidirajućih sredstava na bazi prijelaznih metala, poželjno se koriste spojevi kroma (VI) i mangana (VII), (VI) i (IV).

Najčešći spojevi kroma (VI) su otopina kalijevog bikromata K 2 Cr 2 O 7 u sumpornoj kiselini, otopina krom trioksida CrO 3 u razrijeđenoj sumpornoj kiselini ( johnsonov reagenskompleks kromovog trioksida s piridinom i reagensa Saretta  - Cr03 kompleks sa piridinom i HCl (piridinijev klorokromat).

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

Kalijev permanganat KMnO 4 u različitim okruženjima pokazuje različita oksidativna svojstva, dok se jačina oksidatora povećava u kiseloj okolini:

Kalijev manganat K 2 MnO 4 i mangan (IV) oksid MnO 2 pokazuju oksidirajuća svojstva samo u kiselom okolišu.

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

I. Određivanje stupnja oksidacije u organskim tvarima.

Algebarska metoda

U organskim tvarima moguće je odrediti stupanj oksidacije elemenata. algebarska metoda, ispada prosječna brzina oksidacije, Ova metoda je najučinkovitija ako su svi ugljikovi atomi organske tvari na kraju reakcije postigli isti stupanj oksidacije (reakcija izgaranja ili potpuna oksidacija).

Razmislite:

Primjer 1, Punjenje koncentrata saharoze sumpornom kiselinom s daljnjom oksidacijom:

C12H22O11 + H2S04C02 + H20 + S02

Nađite stupanj oksidacije ugljika u saharozi: 0

U elektronskom balansu uzeti u obzir svih 12 atoma ugljika:

12C 0 - 48 e ® 12C +4 48 1

oksidacija

S + 6 + 2 e ®S +4 2 24

oporavak

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

U većini slučajeva nisu svi atomi organske tvari podvrgnuti oksidaciji, već samo neki. U ovom slučaju, samo atomi koji mijenjaju stupanj oksidacije uvode se u elektronsku ravnotežu i stoga je potrebno znati stupanj oksidacije svakog atoma.

2.grafička metoda:

1) prikazana je cjelokupna strukturna formula tvari;

2) za svaku vezu strelica ukazuje na pomicanje elektrona na naju elektronegativniji element;

3) sve C-C veze smatraju se nepolarnim;

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

Ugljik aldehidne skupine daje 2 elektrona (+2) i privlači 1 elektron za sebe (-1), za ukupni stupanj oksidacije ugljika aldehidne skupine +1. Ugljik radikala privlači 2 elektrona iz vodika (-2) i daje 1 elektron u klor (+1), za ukupno oksidacijsko stanje tog ugljika -1.

N S S S. N

Zadatak 1. Odrediti prosječni stupanj oksidacije ugljikovih atoma algebarskom metodom i stupanj oksidacije svakog ugljikovog atoma grafičkom metodom u sljedećim spojevima:

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

Metil fenil keton

Ovaj proces se provodi uglavnom tri skupine mikroorganizama: fotosintetskih bakterija (ljubičasta i zelena), sumpornih bakterija same, thionic bakterija.

Relativno nedavno otkrili ste da neke heterotrofne bakterije. mesentericus, ti. subtilis, aktinomicete, gljivice i kvasci su također sposobni oksidirati sumpor u prisutnosti organske tvari, ali taj sporedni proces je spor, a energija koja se oslobađa tijekom oksidacije se ne koristi.

Fotosintetske bakterije  - purpurni i zeleni prokariotski mikroorganizmi, žive uglavnom u vodenim tijelima i provode "anaerobnu fotosintezu" bez oslobađanja molekularnog kisika. Sve fototrofne bakterije u Bergiejevoj determinanti su spojene u Rhodospirillales red na temelju 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 rasti heterotrofno u mraku zbog disanja. Kao donor vodika tijekom fotosinteze bakterije koriste reducirane sumporne spojeve, molekularni vodik i neke vrste - organske spojeve.

Najpoznatije od reda rododobakterije Chromatiaceae, roda Chromatium - sumporno ljubičaste bakterije. Predstavnici potonjih su ovalni ili štapičasti, imaju pokretljivost zbog polarnih flagelica; to su obvezni anaerobni fotolitotrofni organizmi, uzastopno oksidiraju sumporovodik do S0 i dalje do SO4 2-. Ponekad se sumporne kuglice talože u njihovim stanicama, koje se postupno pretvaraju u sulfate koji se otpuštaju van.

Među zelenim sumpornim bakterijama dobro su proučavani predstavnici roda Chlorobium. To su uglavnom štapasti i vibrioidni oblici, umnoženi dijeljenjem, često okruženi sluznim kapsulama, strogim anaerobima i obvezujućim fotolitotrofima. Mnogi od njih dovode oksidaciju sumpora samo do stupnja slobodnog sumpora. Elementarni sumpor se često taloži izvan stanica, ali se sumpor ne nakuplja u samim stanicama.

Fotosintetske bakterije su široko rasprostranjene u vodenim tijelima; obično žive u okruženju koje sadrži vodik 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.

Bakterije sumpora  - Veliki tim bezbojnih mikroorganizama, koji se razvijaju u prisustvu sumporovodika, taloži kapljice sumpora unutar stanica. Prve studije ove skupine bakterija proveo je S. N. Vinogradsky 1887., 1888. godine. Primjenjujući izvornu metodu mikrokulture, koja omogućuje promjenu okoliša i dugo promatranje živog objekta, Vinogradsky je utvrdio da se sumpor koji se nalazi u Beggiatoa stanicama (tipičan predstavnik sumpornih bakterija) formira iz sumporovodika i da se može mikroorganizmom oksidirati do sumporne kiseline. Istodobno je prvi predložio koncept postojanja kemosinteze u bakterijama (osobito u nitastim); mogu rasti u odsutnosti organskih spojeva, a proces oksidacije anorganskog sumpora njima služi kao izvor energije disanja. Međutim, prisutnost kemoautotropije u većini bezbojnih sumpornih bakterija još uvijek je nerazumna, budući da je moguće izolirati ih u čistoj kulturi: iako mikroorganizmi uspijevaju, nisu potpuno sigurni da izolirani sojevi imaju istu fiziologiju kao i oni u prirodi. Karakteristika koju S. N. Vinogradsky (1888) daje serobakterijama, danas je praktički nepromijenjena.

Bezbojne sumporne bakterije predstavljaju heterogenu skupinu s jednom zajedničkom značajkom - sposobnošću odlaganja sumpora u stanice. Sistematika ovih organizama razvijena je samo do razine roda; ne mogu se svi smatrati čvrsto utemeljenima. GA Zavarzin (1972), po morfološkim obilježjima, razlikuje među njima oblike: nitaste, jednoćelijske s velikim stanicama i jednoćelijske s manjim.

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

Rod Beggiatoa je predstavljen bezbojnim vlaknastim organizmima koji tvore trihome, slične strukturi algi trihoma, ali za razliku od potonjih, sadrže inkluzije sumpora. Trichomes nikada ne pridaju supstratu, imaju pokretljivost zbog formirane sluzi i nalaze se u sedentarnim vodama s niskim sadržajem sumporovodika, pripadaju mikroaerofilima. Na površini mulja u vodenim tijelima, na njihovim mjestima akumulacije, tvore velike bijele točke ili osjetljivu bijelu mrežu. Sve vrste ove vrste oksidiraju sumporovodik i sulfide do elementarnog sumpora, koji se taloži unutar stanica, au slučaju nedostatka sumporovodika ili sulfida - u vanjskom okruženju. Sumpor odložen unutar stanica oksidira se u sumpornu kiselinu i oslobađa. Kada se kombiniraju s metalima, formiraju se sulfati.

Predstavnici roda Thiothrix vrlo su slični strukturi sumpornih bakterija roda Beggiatoa, ali se razlikuju od drugih po tome što se vežu na supstrat posebnim mukoznim diskom, koji se obično nalazi u vodenim sulfidnim vodama. Njihove niti izgledaju crne zbog velikog nakupljanja odloženog sumpora. Thiothrix daje bjelkastu obraštaj na podvodnim objektima u mobilnom okruženju. Thioploca pramenovi nalaze se u mnogim vodenim tijelima, u gornjim slojevima mulja; koji se nalaze vertikalno, oni prelaze oksidacijske i redukcijske horizonte, kontinuirano se kreću gore i dolje dok se voda seli u kisik, a zatim u donji medij vodikovog sulfida. U njihovoj debeloj sluzavoj kapsuli, prekrivenoj vanjskim komadima detritusa, isprepleteni su trihomi (mogu biti od 1 do 20). Bakterije Thioploca izolirane su iz morskog mulja bogatog kalcijem i slatkom vodom.

Jednoćelijske serobakterije s velikim stanicama zastupljene su s tri roda: Achromatium, Thiovulum i Macronionas: veličine stanica kod svih vrsta - 10-40 mikrona; pomnožiti podjelom ili suženjem; oblik stanica je ovalan i cilindričan. Osim kapljica sumpora, stanice često sadrže i kalcijev karbonat.

Unicelularni oblici s malim stanicama kombiniraju se u dva roda: Tiospira i Thiobacterium. Tiospira je malo proučena. Rod Thiobacterium uključuje tri vrste. Ovi fiksni mali štapići, okruženi sluzničnim kapsulama, mogu oblikovati zoogel; sumpor u stanicama nije deponiran u svim vrstama.

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

Optimalni uvjeti za njih nastaju u neravnotežnim sustavima, gdje se vodik sulfid akumulira polako i tu je alkalni 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 razviti se u crnom blatu slanih jezera, u gotovo zasićenoj otopini soli. I dalje su najčešći u slatkim vodama.

Masne akumulacije sumpornih bakterija mogu se naći u ribnjacima na površini mulja, stoga se sumporni vodik koji se oslobađa u mulju oksidira i ne truje vodenu masu. U slučaju onečišćenja vodene mase vodikovim sulfidom, bakterije se mogu formirati na jednoj ili drugoj dubini tzv. "Bakterijske ploče" ili filma, iznad kojih nema sumporovodika, a ispod - kisika. Na primjer, u Crnom moru, takav film se nalazi na dubini od 200 m i sprječava ulazak sumporovodika iznad te razine. Sulfurne bakterije koje ga nastanjuju na granici aerobnih i anaerobnih zona su u kaotičnom, neprestanom kretanju: spuštaju se iza vodikovog sulfida, uzdižući se iza kisika. Oni oksidiraju sumporovodik do elementarnog sumpora i dobivaju energiju potrebnu za sintezu organskih tvari. Po kemosintetici, uslijed oksidacije od 25 g H2S / m2, može se asimilirati 8 g s / m2 godišnje (Sorokin, 1970). Nakon izumiranja, mikrobiološka tijela obogaćena elementarnim sumporom uronjena su u zonu vodikovog sulfida, djelomično dostigla dno, gdje se uz sudjelovanje desulfurizirajućih bakterija razgradi, sumpor se ponovno vraća u vodikov sulfid. Pretpostavlja se da se u debljini morske vode u graničnom sloju (O 2 i H 2 S) prvi stupanj oksidacije sumporovodika provodi kemijskim sredstvima (Skopindev, 1973).

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

Sudjelovanje sumpornih bakterija u sumpornom ciklusu vjerojatno je beznačajno, premda je njihova uloga u sprječavanju trovanja vodenih slojeva vodikovim sulfidom i utjecaj na migraciju i taloženje metala značajna.

Glavna uloga u oksidaciji sumpora se daje tionskim bakterijama.

Tionske bakterije - Jedinstvena morfološka i biokemijska skupina mikroorganizama pronađenih u tlima, svježim i slanim vodama, naslagama sumpora iu stijenama. Tionske bakterije dobivaju energiju oksidacijom mineralnih reduciranih sumpornih spojeva kao što su sumporovodik, sulfidi, sulfit, tiosulfat, tetrationat, tiocijanat, ditionit, kao i molekularni sumpor. Sumpor nastao kao međuproizvod odlaže se izvan stanica. Kao akceptor elektrona koriste slobodni kisik, a neke vrste - nitratni kisik. Prema vrsti prehrane, tionske bakterije mogu se podijeliti u skupine: autotrofi, miksotrofi i litoterotrofi. Većina thionic bakterija su aerobni, iako fakultativni anaerobovi su poznati, kao što je Th. denitrifisans. Ovisno o staništu, ponašaju se različito: u aerobnim uvjetima provode proces uz sudjelovanje molekularnog kisika, u anaerobnim prelaze na denitrifikaciju i reduciraju nitrate na molekularni dušik. Poznate su četiri vrste tionskih bakterija: Thiobacillus - štapićast, pokretan; Tiomikrosira - spiralna, mobilna; Tiodendron - mikrokolonije ovalnih ili spiralno uvijenih stanica koje su povezane stabljikama ili granama hipa. Sulfolobus - izdužen, sa smanjenom staničnom stijenkom. Budući da su bakterije roda Thiobacillus, rasprostranjene u kopnenim i vodenim ekosustavima, posebno aktivne u ciklusu sumpora, one se uglavnom proučavaju.

U odnosu na kiselost okoliša, tiobacili se dijele u dvije skupine: one koje rastu u neutralnim ili alkalnim uvjetima (pH 6-9) i one koje rastu u kiselim uvjetima (acidofilno). Za tiobacilus prve skupine, optimalna pH vrijednost je u rasponu od 6-9; vrste su: T. thioparus, T. denitrificans, T. novellus, T. thiocyanooxidans, T. neapolitanus. Svi oni oksidiraju sumporovodik, sumpor i tiosulfat. Uzmite u obzir većinu proučavanih predstavnika ove skupine.

T. thioparus je autotrofna bakterija koju je izolirao Beyerink (1904.), razvija se kada je medij neutralan, pokretan (ima jedan polarni flagelum), gram-negativan je sposoban oksidirati sumporovodik, hidrosulfidni ion i samo sulfid kalcija. Oksidacijski produkti su sumpor, politionati (prvenstveno tetrationati) i sumporna kiselina. Može se razviti kao mikroaerofil i vrlo je nestabilan u kiselosti.

Prema tome, nakupljanje elementarnog sumpora može nastati zbog: a) redukcije sulfata bakterijama koje odsumporavaju; b) oksidacija sumporovodika pomoću thionic bakterija. Elementarni sumpor se nakuplja na muljevitom dnu boćatih jezera i nalazi se na dnu Kaspijskog mora, gdje nastaje uslijed oksidacije sumporovodika oslobođenog iz mulja.

Formiranje mnogih naslaga sumpora povezano je s oksidacijskom aktivnošću thionic bakterija. Sedimentne naslage sumpora geografski se poklapaju s gipsanim stijenama perma, donje krede, paleogena, neogena i nalaze se uz granice geostrukturnih elemenata, podignutih ili potopljenih. Često ograničeni na brahantijske linije s naftnim poljima, gdje su stijene obično fragmentirane, puknute, lukovi antiklinala su uništeni, što olakšava protok vodikovog sulfida i zasićene vode na površinu. Ovdje u kisikovom okruženju, obilato naseljenom thionic bakterijama, proces oksidacije sumporovodika s akumulacijom elementarnog sumpora. Takve su naslage u Srednjoj Aziji: Gaurdak, Shorsu, Sumporni brežuljci 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 izolirane u čistu kulturu (Happold, Johnston, Rogers, 1954). Morfološki, T. thiocyanooxidans - štapići s jednim polarnim flagellumom, autotrofnim, aerobnim; za njih je povoljno neutralno okruženje; prisutnost organske tvari u koncentraciji većoj od 1% inhibira njihov razvoj.

T. novellus je miksotrofni organizam, otkriven i izoliran od tla R. L. Starkeya 1934. godine, gram-negativan, stacionaran, u obliku štapića, dobro raste na organskim medijima, ali pod određenim uvjetima može se kretati od heterotrofnog tipa prehrane do autotrofne.

Denitrificirajuća tionska bakterija je mali, nesporni bacil, pokretni, kojeg je prvi otkrio Beierinck: (1904) u anaerobnim uvjetima, oksidira okoliš i njegove anorganske spojeve u sulfate, istovremeno reducirajući nitrate u molekularni dušik.

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

Skupina 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 pri pH od 0,5 do 7. Prve dvije vrste ne rastu na pH\u003e 5: T. thiooxidans je naj kiselinski mikroorganizam u prirodi, jer održava vitalnost pri pH od oko 0 ,

T. thiooxidans - flagellum bacillus, pokretni, tvori sluz, autotrof, otkriven je pri proučavanju raspadanja sumpora u tlu (Waxman, Ioffe, 1922). Može oksidirati, kao što je nedavno ustanovljeno, neke organske spojeve sumpora. Glavni supstrat kojeg oksidira ovaj organizam je molekulski sumpor, a ponekad i tiosulfat, au aerobnim uvjetima taj proces prelazi u fazu izolacije sumporne kiseline. Oksidacijska energija se koristi za apsorpciju ugljičnog dioksida. Sposobnost ovog tipa da oksidira sumporovodik i druge spojeve nije konačno pročišćena, budući da su ti spojevi nestabilni u kiseloj okolini.

Vrlo je zanimljiv organizam bakterija T. ferrooxidans, koji oksidira željezo, a opisan je i izoliran iz kiselih drenažnih rudničkih voda (Coiner, Hinkle, 1947), mali štapić s polarnim flagelama, pokretan, ne tvori spore, ne mrlja Gramom, reproducira se podjelom, kemolitotrofom, pH 1,7-3,5 - optimalno, aerobno. Među tiobakterijama zauzima posebno mjesto jer sposobnost autotrofnog rasta nije uzrokovana samo energijom dobivenom oksidacijom sumpornih spojeva, već i željeznim oksidom koji se oslobađa tijekom oksidacije u oksid. 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 karakterizira visoka otpornost na koncentracije teških metala: izdržava 5% -tnu otopinu bakrenog sulfata, koncentraciju Cu 2 g / l ili arsen 1 g / l, razvija se s malim dozama dušika, fosfora i blagim prozračivanjem, stoga živi u zoni oksidacija sulfidnih naslaga. Oksidirano željezo u kiselom okruženju ne tvori nikakve formirane strukture, a stanice bakterija su gotovo uvijek slobodne. Bakterije oksidiraju elementarni sumpor, sulfide, tiosulfat, tetrationit, hidrosulfid. U sulfidnim naslagama ima dvostruku funkciju: oksidira sumpor sulfata u sumpornu kiselinu, koja zatim otapa željezne hidrokside, nastaje oksid željezovog sulfata, koji, reagirajući sa sulfidima, doprinosi kemijskoj oksidaciji bivalentnog sumpora, koji je dio sulfida, do šestvalentnog.

Brojne thionic bakterije mogu oksidirati razne sulfidne minerale (Cu, Zn, Pb, Ni, Co, As), sudjelovati u promjeni valentnih stanja uranija i vanadija, izdržati visoke koncentracije metala, razvijati se u otopini bakrenog sulfata s koncentracijom do 6%. Opseg aktivnosti ovih organizama je impresivan. Tako je za jedan dan iz Degtyarskoga nalazišta uklonjeno 6115 kg bakra i 1706 kg cinka (Kravaiko et al., 1967). Mnoge bakterije nalaze se na rudnim mineralima i zbog svoje oksidacije dobivaju energiju potrebnu za asimilaciju ugljičnog dioksida. Tionske bakterije, pripisane rodu T. ferrooxidans, nalaze se u svim naslagama antimona. Oni oksidiraju antimonit u kiselim uvjetima okoline (u prisutnosti pirita). Pod neutralnim i slabo alkalnim uvjetima, druge bakterije, T. denitrificans, mogu ubrzati oksidaciju antimonita. U prvoj fazi oksidacija sumpora antimonita javlja se pod utjecajem T. ferrooxidans ili drugih tiobacila; antimon sulfat je nestabilan i hidrolizira Sb2; Formira se antimon peroksid, mineralni senarmonit. Oksidacija trovalentnog antimona višim oksidima Sb 5+ događa se kada je izložena autotrofnom mikroorganizmu Stibiobacter senarmontii, za koji je neutralna okolina najpovoljnija. Chebosynthesizing mikroorganizam oksidirajući senarmonit - Stibiobacter gen. nov: mineral skupine stibiconita (Lyalikova, 1972).

Heterotrofne bakterije raširene su u rudnim naslagama, čija je geokemijska aktivnost još uvijek vrlo slabo proučena. Međutim, utvrđeno je da su neki od njih (Pseudomonas denitrificans, P. fluorescens), izolirani iz sulfidnih ruda, oksidirani. Još uvijek nije jasno da li mogu koristiti oksidacijsku energiju reduciranih sumpornih spojeva. Očito je da je njihova aktivnost povezana s formiranjem organskih kiselina koje mogu razgraditi minerale.

Dakle, u oksidacijskoj zoni sulfidnih naslaga nastaje sulfatno okruženje, sulfidi se zamjenjuju sulfatima, vremenski uvjeti su kiseli, minerali rudonosnih stijena istodobno 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 skupine željeza i druge iz vodonosnika u obliku sulfata; formiraju se bijeljena područja, gdje ostaju najstabilniji minerali sumporne kiseline, kvarc, a 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 stvaranje kiselih (tionskih) solončaka. U sličnim slanim močvarama u blizini jednog od bakrenih sulfidnih ležišta Južnog Urala, među suhim stepama pojavio se breza.

Kiseli alum (thionic) tla su uobičajena na močvarnim morskim obalama, u sušenju obalnih delta, što je povezano s oksidacijom hidrotroilita i pirita, koji su nastali u prošlosti zbog obnove sulfata morskih voda s većim sadržajem vode na teritoriju i dominacijom režima obnove. Oksidaciju sulfida tionskim bakterijama prati stvaranje sumporne kiseline, zamjena kalcijevih karbonata gipsom, otapanje aluminija i željeznih oksida formiranjem alumina: Al 2 (SO 4) 3, Fe 2 (SO 4) 3. Kiselina zamotana alumna tla nastaju u umjerenim geografskim širinama na nizinskim obalama Švedske i Finske (Botnijski zaljev), na polderima i marševima Nizozemske, nisu neuobičajeni 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 svijetlo bijelih izlučenih stijena, nastaju kisele "vitriol" vode s visokim sadržajem željeznog sulfata. Kada se te vode pomiješaju sa svježim vodama, taloži se hrđasti talog hidrat oksida željeza (limonit) koji uokviruje zonu sumporne kiseline.

Tijekom razvoja sulfidnih ruda i sumpornih ugljena, oksidiraju se sulfidi ekstrahirani na površinu; nastaju kisele rudarske vode u kojima se razvijaju thionic bakterije. Te su vode vrlo agresivne i nagrizaju metalnu opremu. Kisele vode s pH 1,5-2,0 teku iz odlagališta otpada, gomile ugljena s raspršenim sulfidima, vegetacija umire pod njihovim utjecajem, uočavaju se naglo zakiseljavanje i degradacija tla. Kako bi se lokalizirali i neutralizirali ovi tokovi, postavljaju se posebne karbonatne barijere na njihovom putu, vrši se kalcizacija tla onečišćenih kiselim vodama.

Frakcioniranje izotopa sumpora, Četiri stabilna izotopa sumpora raspoređena su u Zemljinoj kori. Omjer izotopa sumpora u različitim prirodnim objektima nije isti. Standardno se prihvaća omjer S32 i S34 u sulfidnim meteoritima, gdje je 22,21.

Postoji tendencija iscrpljivanja teških izotopa prirodnih sumpornih spojeva nastalih sudjelovanjem mikroorganizama, a to su sulfidi sedimentnog porijekla i biogeni sumporovodik; S druge strane, sulfidi magmatskih stijena i evaporitni sulfati obogaćeni su u odnosu na standard s laganim izotopom sumpora.

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

Oksidacija organske tvari - temelj života

Organska tvar i energija sadržana u njima, koja se formira u stanicama bilo kojeg organizma u procesu asimilacije, prolazi obrnuti proces - disimilaciju. Kada se disimilacija oslobodi, kemijska se energija u tijelu oslobađa u različite oblike energije - mehaničke, toplinske itd. Energija oslobođena tijekom disimilacije je ista materijalna osnova koja provodi sve životne procese - sintezu organskih tvari, samoregulaciju tijela, rast, razvoj , reprodukcija, reakcije tijela na vanjske utjecaje i druge manifestacije života.

Disimilacija ili oksidacija u živim organizmima provodi se na dva načina. U većini biljaka, životinja, ljudi i protozoa, oksidacija organskih tvari događa se uz sudjelovanje atmosferskog kisika. Taj se proces naziva "dahom" ili aerobnim (iz latinskog. Aer - zraka) procesa. U nekim skupinama biljaka koje mogu postojati bez zraka, oksidacija se odvija bez kisika, odnosno anaerobno, i naziva se fermentacija. Razmotrite svaki od tih procesa odvojeno.

Koncept "disanja" izvorno je značio samo udisanje i izdisanje zraka plućima. Zatim se razmjena plinova između stanice i okoline naziva "disanje" - potrošnja kisika i oslobađanje ugljičnog dioksida. Daljnje dubinske studije pokazale su da je disanje vrlo složen višestupanjski proces koji se odvija u svakoj stanici živog organizma uz obvezno sudjelovanje bioloških katalizatora - enzima.

Organska tvar, prije nego što se pretvori u "gorivo" koja daje energiju stanici i tijelu kao cjelini, mora se pravilno tretirati enzimima. Ovaj se tretman sastoji od razgradnje velikih molekula biopolimera - proteina, masti, polisaharida (škroba i glikogena) - u monomerima. Time se postiže izvjesna univerzalizacija hranjivih tvari.

Tako se, umjesto stotina različitih polimera, kao što je hrana, formira nekoliko desetaka monomera - aminokiselina, masnih kiselina, glicerola i glukoze - u crijevima životinja, koje se zatim dovode u stanice životinjskog i ljudskog tkiva kroz krvne i limfne putove. Stanice dalje universaliziraju ove tvari. Svi monomeri su transformirani u jednostavne molekule karboksilne kiseline ugljičnog lanca koje sadrže od dva do šest atoma. Ako postoji nekoliko desetaka monomera, njih dvadeset su aminokiseline, onda postoji samo deset karboksilnih kiselina. Stoga se specifičnost hranjivih tvari konačno gubi.

Ali karboksilne kiseline su samo prekursori materijala, koji se mogu nazvati "biološkim gorivom". Oni se još ne mogu koristiti u energetskim procesima stanice. Sljedeći stupanj univerzalizacije je uklanjanje vodika iz karboksilnih kiselina. To proizvodi ugljični dioksid (CO 2), koji tijelo izdiše. Atom vodika sadrži elektron i proton. Za energiju stanice i organizma u cjelini (bioenergija), uloga tih sastavnih dijelova atoma je daleko od ekvivalentne. Energija zatvorena u atomskoj jezgri nije dostupna ćeliji. Transformacija elektrona u vodikovom atomu popraćena je oslobađanjem energije koja se koristi u životnim procesima stanice. Stoga oslobađanje elektrona završava posljednju fazu univerzalizacije biogoriva. U tom razdoblju specifičnost organskih tvari, njihovih sastojaka i karboksilnih kiselina nije bitna, jer svi oni u konačnici dovode do stvaranja nositelja energije - elektrona.

Uzbuđeni elektron se spaja s kisikom. Dobivši dva elektrona, kisik se negativno nabija, dodaje dva protona i oblikuje vodu. To je čin staničnog disanja.

Oksidacija organskih tvari u stanicama javlja se u mitohondrijima, koja, kao što je već navedeno u prethodnoj brošuri, igraju ulogu dinama koji pretvara energiju izgaranja ugljikohidrata i masti u energiju adenozin trifosfata (ATP).

Oksidacija u tijelu su prije svega ugljikohidrati. 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 sastoji se u primanju energije iz svake stanice kao rezultat oksidacije organskih tvari. ATP nastao u tom procesu koristi se kao akumulator energije. Upravo se s tom baterijom obnavlja potreba za energijom, bez obzira gdje se u stanicama bilo kojeg organizma pojavi.

U procesu disanja, biljke konzumiraju kisik točno na isti način kao i životinje, i oslobađaju ugljični dioksid. I kod životinja i u biljkama disanje je kontinuirano danju i noću. Prestanak disanja, na primjer, zaustavljanjem pristupa kisikom, neizbježno dovodi do smrti, budući da se vitalna aktivnost stanica ne može održati bez kontinuiranog korištenja energije. Kod svih životinja, osim mikroskopski malog, kisik ne može u dovoljnim količinama izravno u stanice i tkiva zraka. U tim slučajevima, razmjena plina s okolinom provodi se pomoću posebnih organa (traheja, škrge i pluća). Kod kralješnjaka, opskrba kisikom u svakoj pojedinačnoj stanici odvija se kroz krv i osigurava se radom srca i cijelog krvotoka. Složenost izmjene plinova kod životinja već duže vrijeme spriječila nas je da otkrijemo pravu bit i značaj tkivnog disanja. Znanstvenici našeg stoljeća uložili su mnogo truda kako bi dokazali da se oksidacija ne odvija u plućima, a ne u krvi, već u svakoj živoj stanici.

U biljnom organizmu mehanizmi izmjene plina su mnogo jednostavniji nego u životinja. Kisik zraka prodire u svaki list biljaka kroz posebne otvore - puči. Izmjena plina u biljkama provodi se preko cijele površine tijela i povezana je s kretanjem vode kroz žilice.

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

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

Francuski znanstvenici L. Pasteur u prošlom stoljeću pokazali su mogućnost razvoja nekih mikroorganizama u okolišu bez kisika, to jest, "život bez zraka". Oksidacija organskih tvari bez kisika naziva se fermentacija, a organizmi sposobni za aktivan život u okolini bez kisika nazivaju se anaerobni. Tako je fermentacija oblik disimilacije u anaerobnoj vrsti razmjene.

Za vrijeme fermentacije, za razliku od disanja, organske tvari se ne oksidiraju do konačnih produkata (CO 2 i H 2 O), već se formiraju međuprodukti. Energija sadržana u organskim tvarima se ne oslobađa, dio ostaje u međuproduktima za fermentaciju.

Fermentacija, poput disanja, provodi se kroz niz složenih kemijskih reakcija. Na primjer, konačni rezultati alkoholne fermentacije predstavljeni su sljedećom formulom: C6H12O6 = 2C02 + 2C2H5OH + 25 kcal / g mol.

Kao rezultat alkoholne fermentacije, djelomični oksidacijski proizvod - etilni alkohol - formira se iz šećera (glukoze) i oslobađa se samo mali dio energije sadržane u ugljikohidratima.

Primjer anaerobnih organizama može poslužiti kao gljivice kvasca, koje dobivaju energiju za život, asimilirajući ugljikohidrate i podvrgavajući ih alkoholnom vrenju u procesu disimilacije. Mnogi anaerobni mikroorganizmi razgrađuju ugljikohidrate na mliječne, butirne, octene 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, sadržani u urinu, te tvari koje čine izmet. Čak i penicilin, koji ubija mnoge bakterije, koristi jedna vrsta bakterija kao hranjiva tvar.

Dakle, u procesu sinteze organskih spojeva, kao da su "sačuvani" u njima ili pohranjuju energiju kemijskih veza koje se troše na njihovu sintezu. Ponovno se oslobađa tijekom obrnutog procesa razgradnje organskih tvari. U smislu energije, živa bića su, kao što je već spomenuto, otvoreni sustavi. To znači da im je potrebna energija izvana u obliku koji omogućuje da se koristi za obavljanje posla koji je neraskidivo povezan s pojavama života, te oslobađa istu energiju u okoliš, ali u oštećenom obliku, na primjer, u obliku topline, koja se rasipa u okoliša. Zbog kontinuiranih procesa sinteze i propadanja, asimilacije i disimilacije u živim bićima, postoji stalna cirkulacija tvari i transformacija energije. Kolika je količina energije apsorbirana, toliko se oslobađa tijekom disimilacije. Energija oslobođena tijekom disimilacije provodi procese koji karakteriziraju bit života i sve njegove manifestacije.

<<< Назад

Naprijed \u003e\u003e\u003e