Oksidasi senyawa sulfur anorganik. Oksidasi bahan organik - dasar kehidupan

Reaksi reduksi oksidasi yang melibatkan zat organik, varietasnya, definisi produk

Semua IAD dalam organik dapat dibagi menjadi 3 kelompok:

Oksidasi dan pembakaran total

Oksidasi ringan

Oksidasi yang merusak

1. Oksidasi dan pembakaran total. Oksigen (zat lain yang mendukung pembakaran, seperti nitrogen oksida), asam nitrat pekat dan asam sulfat dapat digunakan sebagai pengoksidasi, garam padat dapat digunakan, saat dipanaskan, oksigen dibebaskan (klorat, nitrat, permanganat, dll.), Zat pengoksidasi lainnya (misalnya , tembaga (II) oksida). Dalam reaksi ini, penghancuran semua ikatan kimia dalam bahan organik diamati. Produk oksidasi bahan organik adalah karbon dioksida dan air.

2. Oksidasi ringanDalam hal ini, rantai karbon tidak putus. Oksidasi ringan termasuk oksidasi alkohol menjadi aldehida dan keton, oksidasi aldehida menjadi asam karboksilat, oksidasi alkena menjadi alkohol dihydric (reaksi Wagner), oksidasi asetilena menjadi kalium oksalat, toluena menjadi asam benzoat, dll. Dalam kasus ini, larutan encer dari kalium permanganat, kalium dikromat, asam nitrat, larutan amonia perak oksida, tembaga (II) oksida, tembaga (II) hidroksida digunakan sebagai zat pengoksidasi.

3. Oksidasi yang merusak. Terjadi dalam kondisi yang lebih parah daripada oksidasi ringan, disertai dengan pecahnya beberapa ikatan karbon-karbon. Sebagai zat pengoksidasi, larutan kalium permanganat dan kalium dikromatat yang lebih pekat digunakan saat dipanaskan. Media reaksi-reaksi ini mungkin bersifat asam, netral, dan basa. Produk reaksi akan tergantung pada ini.

Destruction (pemutusan rantai karbon)terjadi dalam alkena dan alkin - pada ikatan rangkap, dalam turunan benzena - antara atom karbon pertama dan kedua, jika Anda menghitung dari cincin, dalam alkohol tersier - dalam atom yang mengandung gugus hidroksil, dalam keton - dalam atom dengan gugus karbonil.

Jika selama kehancuransebuah fragmen yang mengandung 1 atom karbon telah terlepas, kemudian dioksidasi menjadi karbon dioksida (dalam media asam), bikarbonat, dan (atau) karbonat (dalam medium netral), karbonat (dalam medium alkali). Semua fragmen yang lebih lama diubah menjadi asam (dalam media asam) dan garam dari asam ini (dalam medium netral dan basa). Dalam beberapa kasus, bukan asam yang diperoleh, tetapi keton (selama oksidasi alkohol tersier, radikal bercabang dalam homolog benzena, dalam keton, dalam alkena).

Diagram berikut menyajikan opsi yang memungkinkan untuk oksidasi turunan benzena dalam lingkungan yang bersifat asam dan basa. Warna berbeda menyoroti atom karbon yang terlibat dalam proses redoks. Menyoroti memungkinkan Anda untuk melacak "nasib" setiap atom karbon.

Oksidasi turunan benzena dalam lingkungan asam

Oksidasi   - adalah proses rekoil elektron oleh atom, molekul atau ion, disertai dengan peningkatan derajat oksidasi. Tetapi, mengikuti definisi ini, sangat banyak reaksi organik yang dapat dikaitkan dengan reaksi oksidasi, misalnya:

dehidrogenasi senyawa alifatik yang mengarah pada pembentukan ikatan rangkap karbon-karbon:

(tingkat oksidasi atom karbon, dari mana hidrogen berjalan, bervariasi dari -2 ke -1),

reaksi substitusi alkana:

(Keadaan oksidasi atom karbon berubah dari -4 ke -3),

reaksi kopling halogen ke ikatan rangkap:

(tingkat oksidasi atom karbon berubah dari -1 ke 0) dan banyak reaksi lainnya.

Meskipun secara formal reaksi ini terkait dengan reaksi oksidasi, dalam kimia organik, bagaimanapun, secara tradisional oksidasi   didefinisikan sebagai proses dimana, sebagai hasil dari transformasi gugus fungsional, suatu senyawa berpindah dari satu kategori ke yang lebih tinggi:

alkena ®alkohol ® aldehida (keton) ® asam karboksilat.

Sebagian besar reaksi oksidasi melibatkan pengenalan atom oksigen ke dalam molekul atau pembentukan ikatan rangkap dengan atom oksigen yang ada karena hilangnya atom hidrogen.

Dan senyawa apa yang mampu memberi oksigen ke zat organik?

Agen pengoksidasi

Untuk oksidasi zat organik, senyawa logam transisi, oksigen, ozon, peroksida dan senyawa belerang, selenium, yodium, nitrogen, dan lainnya biasanya digunakan.

Dari zat pengoksidasi yang didasarkan pada logam transisi, senyawa kromium (VI) dan mangan (VII), (VI) dan (IV) lebih disukai digunakan.

Senyawa kromium (VI) yang paling umum adalah larutan kalium bikromat K 2 Cr 2 O 7 dalam asam sulfat, larutan kromium trioksida CrO 3 dalam asam sulfat encer ( pereaksi Johnson), suatu kompleks kromium trioksida dengan piridin dan pereaksi Saretta   - Kompleks CrO 3 dengan piridin dan HCl (pyridinium chlorochromate).

Ketika bahan organik teroksidasi, kromium (VI) dalam media apa pun direduksi menjadi kromium (III), namun, oksidasi dalam media alkali dalam kimia organik tidak menemukan aplikasi praktis.

Kalium permanganat KMnO 4 di lingkungan yang berbeda menunjukkan sifat oksidatif yang berbeda, sementara kekuatan oksidator meningkat di lingkungan asam:

Potassium manganate K 2 MnO 4 dan mangan (IV) oxide MnO 2 menunjukkan sifat pengoksidasi hanya dalam lingkungan asam.

Tembaga (II) hidroksida biasanya digunakan untuk mengoksidasi aldehida. Reaksi dilakukan dengan pemanasan, pada saat yang sama hidroksida biru tembaga (II) berubah pertama menjadi tembaga hidroksida (I) berwarna kuning, yang kemudian terurai menjadi oksida tembaga merah (I). Larutan amonia perak hidroksida juga digunakan sebagai zat pengoksidasi untuk aldehida ( reaksi cermin perak)

I. Penentuan tingkat oksidasi dalam zat organik.

Metode aljabar

Dalam zat organik, dimungkinkan untuk menentukan tingkat oksidasi elemen. metode aljabarternyata tingkat oksidasi rata-rata. Metode ini paling dapat diterapkan jika semua atom karbon dari zat organik pada akhir reaksi memiliki tingkat oksidasi yang sama (reaksi pembakaran atau oksidasi total)

Pertimbangkan:

Contoh 1. Konsentrat asam sukrosa sukrosa sulfat dengan oksidasi lebih lanjut:

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

Temukan tingkat oksidasi karbon dalam sukrosa: 0

Dalam neraca elektronik, perhitungkan semua 12 atom karbon:

12C 0 - 48 e ® 12C +4 48 1

Oksidasi

S +6 + 2 e ® S +4 2 24

pemulihan

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

Dalam kebanyakan kasus, tidak semua atom bahan organik mengalami oksidasi, tetapi hanya beberapa. Dalam hal ini, hanya atom yang mengubah derajat oksidasi yang dimasukkan ke dalam keseimbangan elektron, dan oleh karena itu, perlu diketahui tingkat oksidasi masing-masing atom.

2.secara grafis:

1) formula struktural lengkap dari bahan digambarkan;

2) untuk setiap ikatan, panah menunjukkan perpindahan elektron ke elemen yang paling elektronegatif;

3) semua obligasi C - C dianggap non-polar;

Karbon gugus karboksil memindahkan 3 elektron dari dirinya sendiri, keadaan oksidasi adalah +3, karbon metil menarik 3 elektron dari hidrogen, dan keadaan oksidasi adalah 3.

Karbon kelompok aldehida menghasilkan 2 elektron (+2) dan menarik 1 elektron ke dirinya sendiri (- 1), untuk tingkat total oksidasi karbon dari kelompok aldehida +1. Karbon radikal menarik 2 elektron dari hidrogen (-2) dan memberikan 1 elektron menjadi klor (+1), untuk keadaan oksidasi total karbon -1 ini.

N С С С ≡ С Н

Tugas 1. Menentukan tingkat rata-rata oksidasi atom karbon dengan metode aljabar dan tingkat oksidasi masing-masing atom karbon dengan metode grafis dalam senyawa berikut:

1) 2-aminopropane 2) gliserin 3) 1,2 - dikloropropana 4) alanin

Metil fenil keton

Proses ini dilakukan terutama oleh tiga kelompok mikroorganisme: bakteri fotosintetik (ungu dan hijau), bakteri belerang itu sendiri, bakteri thionik.

Baru-baru ini ditemukan bahwa beberapa bakteri heterotrofik Anda. mesentericus, kamu. subtilis, actinomycetes, jamur dan ragi juga mampu mengoksidasi sulfur di hadapan bahan organik, tetapi proses samping ini lambat, dan energi yang dilepaskan selama oksidasi tidak digunakan oleh mereka.

Bakteri fotosintesis   - mikroorganisme prokariotik ungu dan hijau, hidup terutama di badan air dan melakukan "fotosintesis anaerob" tanpa pelepasan oksigen molekuler. Semua bakteri fototrofik dalam determinan Bergie digabungkan ke dalam urutan Rhodospirillales berdasarkan kemampuannya untuk fotosintesis anaerob; ada dua subordo: Rhodospirillineae - ungu (rodobacterium), Chlorobiineae - chlorobacterium (bakteri hijau). Sebagian besar bakteri fotosintesis adalah anaerob dan fototrof yang ketat, meskipun di antara bakteri ungu dan hijau ada spesies yang dapat tumbuh heterotrof dalam gelap karena respirasi. Sebagai donor hidrogen selama fotosintesis, bakteri menggunakan senyawa sulfur tereduksi, hidrogen molekuler, dan beberapa spesies - senyawa organik.

Yang paling banyak dipelajari dari urutan Chromatiaceae keluarga rhodobacterium, genus Chromatium - bakteri belerang ungu. Perwakilan dari yang terakhir adalah oval atau berbentuk batang, memiliki mobilitas karena flagela kutub; mereka adalah organisme fotolithotrophic anaerob, mengoksidasi hidrogen sulfida berturut-turut menjadi S 0 dan selanjutnya menjadi SO4 2-. Terkadang gumpalan sulfur disimpan dalam sel mereka, yang secara bertahap berubah menjadi sulfat dilepaskan ke luar.

Di antara bakteri sulfur hijau, perwakilan dari genus Chlorobium dipelajari dengan baik. Ini terutama berbentuk batang dan bentuk vibrioid, dikalikan dengan pembagian, sering dikelilingi oleh kapsul lendir, anaerob yang ketat dan photolithotroph obligat. Banyak dari mereka membawa oksidasi sulfur hanya ke tahap sulfur bebas. Unsur belerang sering disimpan di luar sel, tetapi belerang tidak menumpuk di dalam sel itu sendiri.

Bakteri fotosintetik tersebar luas di badan air; biasanya hidup di lingkungan yang mengandung hidrogen sulfida (kolam, laguna laut, danau, dll.) dan mempertahankan konsentrasi tinggi. Di tanah, bakteri ini tidak memainkan peran penting, sementara di reservoir aktivitas mereka sangat penting.

Bakteri belerang   - Sebuah tim luas mikroorganisme tidak berwarna, yang berkembang dengan adanya hidrogen sulfida, menyimpan tetes sulfur di dalam sel. Studi pertama dari kelompok bakteri ini dilakukan oleh S. N. Vinogradsky pada tahun 1887, 1888. Menerapkan metode mikrokultur asli, yang memungkinkan perubahan lingkungan dan mengamati objek hidup untuk waktu yang lama, Vinogradsky menemukan bahwa sulfur yang tersimpan dalam sel Beggiatoa (perwakilan khas bakteri belerang) terbentuk dari hidrogen sulfida dan dapat dioksidasi oleh mikroorganisme ini menjadi asam sulfat. Pada saat yang sama, ia pertama kali mengusulkan konsep keberadaan kemosintesis pada bakteri (khususnya, pada yang berserabut); mereka dapat tumbuh tanpa adanya senyawa organik, dan proses oksidasi sulfur anorganik berfungsi sebagai sumber energi respirasi bagi mereka. Namun, kehadiran kemoautotrofi pada sebagian besar bakteri sulfur tidak berwarna masih tidak masuk akal, karena dimungkinkan untuk mengisolasi ini dalam kultur murni: meskipun mikroorganisme berhasil, mereka tidak sepenuhnya yakin bahwa strain yang terisolasi memiliki fisiologi yang sama dengan yang diamati di alam. Karakteristik yang diberikan kepada serobacteria oleh S. N. Vinogradsky (1888) tetap praktis tidak berubah saat ini.

Bakteri sulfur tidak berwarna mewakili kelompok heterogen dengan fitur umum tunggal - kemampuan untuk menyimpan sulfur dalam sel. Sistematika organisme ini hanya dikembangkan sampai tingkat genus; tidak semuanya bisa dianggap mapan. GA Zavarzin (1972), dengan ciri-ciri morfologis, membedakan di antaranya bentuk: berserabut, bersel tunggal dengan sel besar, dan bersel tunggal dengan yang lebih kecil.

Bakteri berfilamen termasuk dalam lima genera; yang paling terkenal adalah Beggiatoa, Thiothrix, dan Thioploca.

Genus Beggiatoa diwakili oleh organisme filamen tidak berwarna yang membentuk trikoma, menyerupai trikoma alga dalam struktur, tetapi tidak seperti yang terakhir, mereka mengandung inklusi sulfur. Trikoma tidak pernah menempel pada substrat, memiliki mobilitas karena lendir yang terbentuk dan ditemukan di perairan menetap dengan kandungan hidrogen sulfida yang rendah, milik mikroaerofil. Pada permukaan lumpur di badan air, di tempat akumulasi mereka, mereka membentuk bintik-bintik putih besar atau jaring putih halus. Semua spesies jenis ini mengoksidasi hidrogen sulfida dan sulfida menjadi unsur sulfur, yang disimpan di dalam sel, dan dalam kasus kekurangan hidrogen sulfida atau sulfida - di lingkungan eksternal. Belerang yang disimpan di dalam sel dioksidasi menjadi asam sulfat dan dilepaskan. Ketika dikombinasikan dengan logam, sulfat terbentuk.

Perwakilan dari genus Thiothrix sangat mirip strukturnya dengan bakteri sulfur dari genus Beggiatoa, tetapi berbeda dari yang terakhir karena mereka menempelkan diri ke substrat dengan cakram lendir khusus, biasanya ditemukan di perairan hidrogen sulfida yang mengalir cepat. Benang mereka tampak hitam karena akumulasi besar sulfur yang tersimpan. Thiothrix mengeluarkan kotoran putih pada benda-benda bawah laut di lingkungan bergerak. Jumbai tioploka ditemukan di banyak badan air, di lapisan atas lumpur; terletak secara vertikal, mereka melintasi oksidasi dan reduksi cakrawala, terus bergerak ke atas dan ke bawah saat air bergerak ke oksigen, kemudian ke media hidrogen sulfida bawah. Dalam kapsul lendirnya yang tebal, ditutupi bagian luar dengan potongan detritus, adalah trikoma interlaced (bisa dari 1 hingga 20). Bakteri thioploca diisolasi dari lumpur laut yang kaya kalsium dan ikan air tawar.

Serobacteria uniseluler dengan sel besar diwakili oleh tiga genus: Achromatium, Thiovulum dan Macronionas: ukuran sel dalam semua spesies - 10-40 mikron; berkembang biak dengan pembagian atau penyempitan; bentuk selnya berbentuk oval dan silindris. Selain tetesan belerang, sel-sel sering mengandung kalsium karbonat.

Bentuk uniseluler dengan sel kecil digabungkan dalam dua genera: Thiospira dan Thiobacterium. Thiospira tidak banyak dipelajari. Genus Thiobacterium mencakup tiga spesies. Tongkat kecil yang sudah diperbaiki ini, dikelilingi oleh kapsul lendir, mampu membentuk zoogel; sulfur dalam sel tidak disimpan di semua spesies.

Bakteri sulfur tak berwarna - mikroorganisme akuatik, umum di badan air, di mana hidrogen sulfida paling tidak terbentuk dengan buruk. Semua dari mereka adalah mikroaerofil, sangat sensitif terhadap konsentrasi hidrogen sulfida: dalam medium yang jenuh dengan hidrogen sulfida, mereka mati dengan cepat, pada konsentrasi kurang dari 40 mg / l, mereka berkembang paling menakjubkan.

Kondisi optimal untuk mereka dibuat dalam sistem non-kesetimbangan, di mana hidrogen sulfida terakumulasi secara perlahan dan ada media alkali atau dekat dengan aliran netral. Di antara bakteri sulfur tidak berwarna ada yang tumbuh baik pada suhu rendah dan pada suhu tinggi - hingga 50 ° C (dalam mata air panas). Mereka dapat menahan konsentrasi garam tinggi dan berkembang di lumpur hitam danau garam, dalam larutan garam yang hampir jenuh. Mereka masih yang paling umum di perairan segar.

Akumulasi massa bakteri sulfur dapat ditemukan di kolam di permukaan lumpur, oleh karena itu, hidrogen sulfida yang dilepaskan dalam lumpur teroksidasi dan tidak meracuni massa air. Dalam kasus kontaminasi massa air dengan hidrogen sulfida, bakteri dapat membentuk pada satu kedalaman atau yang lain apa yang disebut "pelat bakteri" atau film, di atas yang tidak ada hidrogen sulfida, dan di bawah - oksigen. Misalnya, di Laut Hitam, film semacam itu terletak pada kedalaman 200 m dan mencegah masuknya hidrogen sulfida di atas tingkat ini. Bakteri belerang yang menghuninya di perbatasan zona aerob dan anaerob berada dalam gerakan yang terus-menerus dan kacau: turun di belakang hidrogen sulfida, naik di belakang oksigen. Mereka mengoksidasi hidrogen sulfida menjadi unsur sulfur dan mendapatkan energi yang diperlukan untuk sintesis zat organik. Secara kemosintetik, karena oksidasi 25 g H 2 S / m 2, 8 g s / m 2 per tahun dapat diasimilasi (Sorokin, 1970). Setelah dieback, benda-benda mikroba yang diperkaya dengan belerang unsur direndam dalam zona hidrogen sulfida, sebagian mencapai bagian bawah, di mana dengan partisipasi bakteri desulfurisasi terurai, belerang dikembalikan lagi menjadi hidrogen sulfida. Diasumsikan bahwa dalam ketebalan air laut di lapisan batas (O 2 dan H 2 S) tahap pertama oksidasi hidrogen sulfida dilakukan dengan cara kimia (Skopindev, 1973).

Bakteri sulfur sering terkonsentrasi dalam jumlah besar dalam sumber hidrogen sulfida.

Partisipasi bakteri belerang dalam siklus belerang mungkin tidak signifikan, meskipun perannya dalam mencegah keracunan hidrogen sulfida pada lapisan air dan efeknya pada migrasi dan deposisi logam tampaknya signifikan.

Peran utama dalam oksidasi belerang diberikan kepada bakteri thionik.

Bakteri thionic - Sekelompok mikroorganisme morfologis dan biokimia yang ditemukan di tanah, badan air tawar dan air asin, endapan belerang dan dalam batuan. Bakteri thionik menerima energi melalui oksidasi senyawa sulfur tereduksi mineral seperti hidrogen sulfida, sulfida, sulfit, tiosulfat, tetrationat, tiosianat, ditionit, serta sulfur molekuler. Belerang yang terbentuk sebagai produk antara disimpan di luar sel. Sebagai akseptor elektron, mereka menggunakan oksigen gratis, dan beberapa jenis - nitrat oksigen. Menurut jenis nutrisi, bakteri thionik dapat dibagi menjadi kelompok-kelompok: autotrof, mixotroph, dan lithoterotroph. Sebagian besar bakteri thionik bersifat aerob, walaupun anaerob fakultatif dikenal, seperti Th. denitrifisans. Bergantung pada habitatnya, mereka berperilaku berbeda: di bawah kondisi aerobik mereka melakukan proses dengan partisipasi oksigen molekuler, dalam anaerob mereka beralih ke denitrifikasi dan mengurangi nitrat menjadi nitrogen molekul. Empat genera bakteri thionik diketahui: Thiobacillus - berbentuk batang, motil; Thiomicrospira - spiral, mobile; Thiodendron - mikrokoloni sel oval atau bengkok heliks yang dihubungkan oleh batang atau hifa bercabang. Sulfolobus - lobed, dengan dinding sel yang berkurang. Karena bakteri dari genus Thiobacillus, yang tersebar luas di ekosistem darat dan perairan, terutama aktif dalam siklus belerang, mereka terutama dipelajari.

Sehubungan dengan keasaman lingkungan, thiobacilli dibagi menjadi dua kelompok: mereka yang tumbuh dalam kondisi netral atau basa (pH 6-9) dan mereka yang tumbuh dalam kondisi asam (acidophilic). Untuk thiobacillus dari kelompok 1, nilai pH optimal berada pada kisaran 6-9; spesiesnya adalah: T. thioparus, T. denitrificans, T. novellus, T. thiocyanooxidans, T. neapolitanus. Mereka semua mengoksidasi hidrogen sulfida, belerang dan tiosulfat. Pertimbangkan perwakilan yang paling banyak dipelajari dari grup ini.

T. thioparus adalah bakteri autotrofik yang diisolasi oleh Beyerink (1904), berkembang ketika medianya netral, bergerak (memiliki satu flagel polar), gram negatif mampu mengoksidasi hidrogen sulfida, ion hidrosulfida, dan dari sulfida hanya kalsium sulfida. Produk oksidasi adalah sulfur, polythionate (terutama tetrathionate) dan asam sulfat. Ini dapat berkembang sebagai mikroaerofil dan sangat tidak stabil untuk keasaman.

Dengan demikian, akumulasi unsur sulfur dapat terjadi karena: a) reduksi sulfat oleh bakteri desulfurisasi; b) oksidasi hidrogen sulfida oleh bakteri thionic. Unsur belerang menumpuk di dasar berlumpur danau payau dan ditemukan di dasar Laut Kaspia, di mana ia terbentuk karena oksidasi hidrogen sulfida yang dilepaskan dari lumpur.

Pembentukan banyak endapan belerang berhubungan dengan aktivitas oksidasi bakteri thionic. Endapan belerang sedimen bertepatan secara geografis dengan batuan yang mengandung gipsum dari Permian, Kapur Bawah, Paleogen, Neogen, dan terletak di sepanjang batas elemen geostruktural, ditinggikan atau direndam. Seringkali terbatas pada jalur brachyanticline dengan ladang minyak, di mana batuan biasanya terfragmentasi, retak, lengkungan antiklin dihancurkan, yang memfasilitasi aliran hidrogen sulfida dan air jenuh ke permukaan. Di sini, di lingkungan oksigen, yang dipenuhi oleh bakteri thionik, proses oksidasi hidrogen sulfida dengan akumulasi unsur sulfur. Tersebut adalah deposit di Asia Tengah: Gaurdak, Shorsu, Socks bukit belerang di Karakum.

T. thiocyanooxidans dalam banyak hal mirip dengan T. thioparus, tetapi berbeda dalam hal itu teroksidasi selain hidrogen sulfida dan rhodonit. Bakteri ini ditemukan (Happold, Kay, 1934) dan diisolasi menjadi kultur murni (Happold, Johnston, Rogers, 1954). Secara morfologis, T. thiocyanooxidans - menempel dengan satu flagel polar, autotrofik, aerob; bagi mereka lingkungan yang netral menguntungkan; keberadaan bahan organik pada konsentrasi lebih dari 1% menghambat perkembangannya.

T. novellus adalah organisme mixotrophic, ditemukan dan diisolasi dari tanah R. L. Starkey pada tahun 1934, gram-negatif, stasioner, berbentuk batang, tumbuh dengan baik di media organik, tetapi dalam kondisi tertentu dapat berpindah dari jenis nutrisi heterotrofik menjadi autotrofik.

Bakteri thionik denitrifikasi adalah basil kecil, tak terbantahkan, mobile, pertama kali ditemukan oleh Beierinck: (1904) dalam kondisi anaerob, mengoksidasi lingkungan dan senyawa anorganik menjadi sulfat, secara bersamaan mengurangi nitrat menjadi nitrogen molekul.

Dalam kondisi aerobik, reduksi nitrat tidak terjadi, dan bakteri menggunakan oksigen, udara, sebagai zat pengoksidasi.

Kelompok mikroorganisme yang berkembang dalam lingkungan asam meliputi: T. ferrooxidans, T. intermedius, T. thiooxidans. Nilai pH 2-4 optimal bagi mereka, tetapi mereka dapat tumbuh pada pH dari 0,5 hingga 7. Dua spesies pertama tidak tumbuh pada pH\u003e 5: T. thiooxidans adalah mikroorganisme yang paling acidophilic di alam, karena mempertahankan viabilitas pada pH sekitar 0 .

T. thiooxidans - flagellum bacillus, mobile, bentuk lendir, autotroph, ditemukan ketika mempelajari dekomposisi belerang di tanah (Waxman, Ioffe, 1922). Mampu mengoksidasi, seperti yang baru-baru ini dibuat, beberapa senyawa sulfur organik. Substrat utama yang teroksidasi oleh organisme ini adalah sulfur molekuler dan kadang-kadang tiosulfat, dalam kondisi aerobik proses ini berlanjut ke tahap isolasi asam sulfat. Energi oksidasi digunakan untuk menyerap karbon dioksida. Kemampuan jenis ini untuk mengoksidasi hidrogen sulfida dan senyawa lain belum akhirnya diklarifikasi, karena senyawa ini tidak stabil dalam lingkungan asam.

Bakteri pengoksidasi besi thionic T. ferrooxidans adalah organisme yang sangat menarik, dijelaskan dan diisolasi dari air tambang drainase asam (Coiner, Hinkle, 1947), tongkat kecil dengan flagella kutub, bergerak, tidak membentuk spora, tidak menodai oleh Gram, direproduksi oleh divisi, chemolithotroph, pH 1,7-3,5 - secara optimal, aerob. Ini menempati posisi khusus di antara tiobakteri, karena kemampuan untuk pertumbuhan autotrofik tidak hanya disebabkan oleh energi yang diperoleh dari oksidasi senyawa belerang, tetapi juga oleh oksida besi yang dilepaskan selama oksidasi menjadi oksida. Karena ion adalah Fe 2+ pada 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 dicirikan oleh ketahanan tinggi terhadap konsentrasi logam berat: ia tahan larutan tembaga sulfat 5%, konsentrasi Cu 2 g / l atau arsenik 1 g / l, berkembang dengan dosis kecil nitrogen, fosfor dan sedikit aerasi, oleh karena itu ia tinggal di zona tersebut. oksidasi endapan sulfida. Zat besi teroksidasi dalam lingkungan asam tidak membentuk struktur apa pun, dan sel-sel bakteri hampir selalu bebas. Bakteri mengoksidasi unsur sulfur, sulfida, tiosulfat, tetrathionit, hidrosulfida. Dalam endapan sulfida ia melakukan fungsi ganda: mengoksidasi sulfur sulfat menjadi asam sulfat, yang pada gilirannya melarutkan besi hidroksida, besi oksida sulfat terbentuk, yang belakangan, bereaksi dengan sulfida, berkontribusi (karena reduksi besi) menjadi oksidasi kimia belerang bivalen, yang merupakan bagian dari sulfida, hingga heksavalen.

Sejumlah bakteri thionik dapat mengoksidasi berbagai mineral sulfida (Cu, Zn, Pb, Ni, Co, As), berpartisipasi dalam perubahan keadaan valensi uranium dan vanadium, tahan terhadap logam konsentrasi tinggi, berkembang dalam larutan tembaga sulfat dengan konsentrasi hingga 6%. Skala aktivitas organisme ini sangat mengesankan. Jadi, selama satu hari, 6115 kg tembaga dan 1706 kg seng dikeluarkan dari deposit Degtyarskoe (Kravaiko et al., 1967). Banyak bakteri ditemukan pada mineral bijih dan menerima, karena oksidasi mereka, energi yang diperlukan untuk asimilasi karbon dioksida. Bakteri thionik, dikaitkan dengan genus T. ferrooxidans, ditemukan di semua endapan antimon. Mereka mengoksidasi antimonit dalam kondisi lingkungan asam (di hadapan pirit). Dalam kondisi netral dan basa lemah, bakteri lain, T. denitrificans, dapat mempercepat oksidasi antimonit. Pada tahap pertama, oksidasi sulfur antimonit terjadi di bawah pengaruh T. ferrooxidans atau thiobacilli lainnya; antimon sulfat tidak stabil dan menghidrolisis Sb 2; Antimon peroksida, mineral senarmonit, terbentuk. Oksidasi antimon trivalen menjadi oksida lebih tinggi dari Sb 5+ terjadi ketika terpapar mikroorganisme autotrofik Stibiobacter senarmontii, yang paling disukai lingkungan netral. Mikroorganisme Chebosintesis pengoksidasi senarmonit - Stibiobacter gen. nov.: mineral kelompok stibikonit (Lyalikova, 1972).

Bakteri heterotrofik tersebar luas di endapan bijih, aktivitas geokimia yang masih sangat kurang dipelajari. Namun, telah ditetapkan bahwa beberapa dari mereka (Pseudomonas denitrificans, P. fluorescens), diisolasi dari bijih sulfida, dioksidasi. Apakah mereka dapat menggunakan energi oksidasi senyawa sulfur yang berkurang masih belum jelas. Jelas, aktivitas mereka dikaitkan dengan pembentukan asam organik yang dapat menguraikan mineral.

Jadi, di zona oksidasi endapan sulfida, lingkungan sulfat muncul, sulfida digantikan oleh sulfat, pelapukan bersifat asam, mineral batuan pembawa bijih dihancurkan secara serentak, mereka digantikan oleh mineral sekunder - jarosit, goetit, anglesit, antlerit, digenit, dll. Selama tubuh bijih teroksidasi ketika terbentuk dalam jumlah besar Skala besi oksida dibentuk oleh apa yang disebut "topi besi". Jika batuan inang adalah karbonat, maka ketika terpapar asam sulfat, sejumlah besar gipsum terbentuk, asam sulfat dinetralkan. Jika batuan non-karbonat, maka air sulfat yang agresif menghilangkan logam alkali dan alkali-tanah, logam berat dari kelompok besi dan lainnya dari akuifer dalam bentuk sulfat; zona diputihkan terbentuk, di mana mineral asam sulfat yang paling stabil, kuarsa, tetap, dan kaolinit dari mineral sekunder.

Pada pintu keluar ke permukaan dalam bentuk sumber, air asam, diperkaya dengan sulfat tembaga, seng, kobalt, besi, aluminium, nikel dan elemen lainnya, menyebabkan pembentukan solonchaks asam (thionik). Di rawa-rawa garam serupa di dekat salah satu endapan tembaga-sulfida di Ural Selatan, sebuah pohon birch muncul di antara padang rumput kering.

Tanah asam tawas (thionik) biasa terjadi di pantai laut berawa, dalam pengeringan pantai Delta, yang dikaitkan dengan oksidasi hidrotroillit dan pirit, yang terbentuk di masa lalu karena pemulihan sulfat air laut dengan kadar air yang lebih tinggi dari wilayah tersebut dan dominasi rezim restorasi. Oksidasi sulfida dengan bakteri thionik disertai dengan pembentukan asam sulfat, penggantian kalsium karbonat dengan gipsum, disolusi aluminium dan besi oksida dengan pembentukan tawas: Al 2 (SO 4) 3, Fe 2 (SO 4) 3. Tanah-tanah tawas asam membengkak terbentuk di garis lintang sedang di pantai-pantai dataran rendah Swedia dan Finlandia (Teluk Bothnia), pada polder dan pawai Belanda, mereka tidak biasa di delta sungai subtropis dan tropis, ditemukan di delta Murray, di Asia Tenggara, Amerika Selatan, di mana memiliki nama lokal, misalnya: "poto-poto", "katclay", dll.

Pelapukan asam sulfat merupakan karakteristik dari endapan belerang yang muncul di permukaan, di mana terbentuk zona batuan yang berwarna putih bersih, terbentuk air "vitriol" asam dengan kandungan besi sulfat yang tinggi. Ketika air ini dicampur dengan air tawar, endapan berkarat dari besi oksida hidrat (limonit) mengendap, membingkai zona pelapukan asam sulfat.

Selama pengembangan bijih sulfida dan batu bara belerang, sulfida yang diekstraksi ke permukaan dioksidasi; air tambang asam terbentuk di mana bakteri thionik berkembang. Perairan ini sangat agresif, merusak peralatan logam. Perairan asam dengan pH 1,5-2,0 mengalir dari tempat pembuangan limbah, tumpukan batu bara yang mengandung sulfida yang tersebar, vegetasi mati di bawah pengaruhnya, pengasaman yang tajam dan degradasi tanah diamati. Untuk melokalisasi dan menetralkan aliran ini, penghalang khusus berkapur diletakkan di jalurnya, pengapuran tanah yang terkontaminasi dengan air asam dilakukan.

Fraksinasi Isotop Belerang. Empat isotop sulfur stabil didistribusikan di kerak bumi. Rasio isotop belerang pada benda-benda alami berbeda tidak sama. Sebagai standar, rasio S 32 dan S 34 dalam meteorit sulfida diterima, yaitu 22,21.

Ada kecenderungan untuk menguras isotop berat senyawa sulfur alami yang terbentuk dengan partisipasi mikroorganisme, ini adalah sulfida yang berasal dari sedimen dan hidrogen sulfida biogenik; sulfida dari batuan beku dan evaporite sulfat, sebaliknya, diperkaya relatif terhadap standar dengan isotop sulfur yang ringan.

Jika Anda menemukan kesalahan, harap sorot bagian teks dan klik Ctrl + Enter.

Oksidasi bahan organik - dasar kehidupan

Bahan organik dan energi yang terkandung di dalamnya, yang terbentuk dalam sel-sel organisme apa pun dalam proses asimilasi, mengalami proses terbalik - disimilasi. Ketika disimilasi dilepaskan, energi kimia dilepaskan dalam tubuh ke dalam berbagai bentuk energi - mekanik, termal, dll. Energi yang dilepaskan selama disimilasi adalah bahan dasar yang sama yang melakukan semua proses kehidupan - sintesis zat organik, pengaturan diri tubuh, pertumbuhan, pengembangan , reproduksi, reaksi tubuh terhadap pengaruh luar dan manifestasi kehidupan lainnya.

Dissimilasi, atau oksidasi, pada organisme hidup dilakukan dengan dua cara. Pada sebagian besar tumbuhan, hewan, manusia dan organisme protozoa, oksidasi zat organik terjadi dengan partisipasi oksigen atmosfer. Proses ini disebut proses "nafas", atau aerobik (dari bahasa Latin. Aer - udara). Dalam beberapa kelompok tanaman yang dapat hidup tanpa udara, oksidasi terjadi tanpa oksigen, yaitu, secara anaerob, dan disebut fermentasi. Pertimbangkan masing-masing proses ini secara terpisah.

Konsep "bernapas" pada awalnya hanya berarti menghirup dan menghirup udara oleh paru-paru. Kemudian, pertukaran gas antara sel dan lingkungannya disebut "bernapas" - konsumsi oksigen dan pelepasan karbon dioksida. Studi mendalam lebih lanjut telah menunjukkan bahwa pernapasan adalah proses multi-langkah yang sangat kompleks yang terjadi di setiap sel organisme hidup dengan partisipasi wajib dari katalis biologis - enzim.

Bahan organik, sebelum berubah menjadi "bahan bakar" yang memberi energi pada sel dan tubuh secara keseluruhan, harus diperlakukan dengan baik dengan enzim. Perawatan ini terdiri dari pemecahan molekul besar biopolimer - protein, lemak, polisakarida (pati dan glikogen) - dalam monomer. Dengan demikian, universalisasi tertentu dari bahan nutrisi tercapai.

Dengan demikian, alih-alih ratusan polimer yang berbeda, seperti makanan, beberapa lusin monomer - asam amino, asam lemak, gliserol, dan glukosa - dibentuk di usus hewan, yang kemudian dikirim ke sel-sel hewan dan jaringan manusia melalui jalur darah dan limfatik. Sel-sel lebih lanjut menguniversalkan zat ini. Semua monomer diubah menjadi molekul asam karboksilat rantai karbon yang lebih sederhana yang mengandung dari dua hingga enam atom. Jika ada beberapa lusin monomer, dua puluh di antaranya adalah asam amino, maka hanya ada sepuluh asam karboksilat. Jadi kekhususan nutrisi akhirnya hilang.

Tetapi asam karboksilat hanyalah prekursor dari bahan, yang dapat disebut "bahan bakar biologis". Mereka sendiri belum dapat digunakan dalam proses energi sel. Tahap universalisasi berikutnya adalah penghilangan hidrogen dari asam karboksilat. Ini menghasilkan karbon dioksida (CO 2), yang dikeluarkan tubuh. Atom hidrogen mengandung elektron dan proton. Untuk energi sel dan organisme secara keseluruhan (bioenergi), peran bagian-bagian penyusun atom ini jauh dari setara. Energi yang tertutup dalam inti atom tidak dapat diakses oleh sel. Transformasi elektron dalam atom hidrogen disertai dengan pelepasan energi, yang digunakan dalam proses kehidupan sel. Oleh karena itu, pelepasan elektron mengakhiri tahap terakhir dari universalisasi biofuel. Selama periode ini, kekhususan zat organik, konstituennya dan asam karboksilat tidak masalah, karena semuanya pada akhirnya mengarah pada pembentukan pembawa energi - elektron.

Elektron tereksitasi bergabung dengan oksigen. Setelah menerima dua elektron, oksigen bermuatan negatif, menambahkan dua proton dan membentuk air. Ini adalah tindakan respirasi seluler.

Oksidasi zat organik dalam sel terjadi dalam mitokondria, yang, sebagaimana telah disebutkan dalam brosur sebelumnya, memainkan peran dinamo yang mengubah energi pembakaran karbohidrat dan lemak menjadi energi adenosin trifosfat (ATP).

Oksidasi dalam tubuh terutama adalah karbohidrat. Proses awal dan akhir dari oksidasi karbohidrat dapat dinyatakan dengan rumus berikut: C 6 H 12 O 6 + 6 O 2 = 6 O 2 energi + 6 H 2 O + energi.

Pada organisme hewan dan tumbuhan, proses respirasi pada dasarnya sama: makna biologisnya dalam kedua kasus terdiri dari menerima energi dari setiap sel sebagai akibat dari oksidasi bahan organik. ATP yang dibentuk dalam proses ini digunakan sebagai akumulator energi. Dengan baterai ini, kebutuhan akan energi diisi kembali, di mana pun di dalam sel organisme mana pun ia muncul.

Dalam proses bernafas, tanaman mengkonsumsi oksigen dengan cara yang persis sama dengan hewan, dan melepaskan karbon dioksida. Pada hewan dan tumbuhan, pernapasan berlangsung siang dan malam. Penghentian respirasi, misalnya, dengan menghentikan akses oksigen, pasti menyebabkan kematian, karena aktivitas vital sel tidak dapat dipertahankan tanpa penggunaan energi terus menerus. Pada semua hewan, kecuali secara mikroskopis kecil, oksigen tidak dapat dalam jumlah yang cukup langsung ke dalam sel dan jaringan udara. Dalam kasus ini, pertukaran gas dengan lingkungan dilakukan dengan menggunakan organ khusus (trakea, insang, dan paru-paru). Pada vertebrata, pasokan oksigen ke setiap sel individu terjadi melalui darah dan disediakan oleh kerja jantung dan seluruh sistem peredaran darah. Kompleksitas pertukaran gas pada hewan untuk waktu yang lama mencegah kita menemukan esensi sejati dan pentingnya respirasi jaringan. Para ilmuwan abad ini mengambil banyak upaya untuk membuktikan bahwa oksidasi terjadi bukan di paru-paru dan bukan di dalam darah, tetapi di setiap sel hidup.

Dalam organisme tanaman, mekanisme pertukaran gas jauh lebih sederhana daripada pada hewan. Oksigen udara menembus ke setiap daun tanaman melalui lubang khusus - stomata. Pertukaran gas pada tanaman dilakukan di seluruh permukaan tubuh dan dikaitkan dengan pergerakan air melalui ikatan pembuluh.

Organisme yang oksidasi terjadi karena oksigen bebas (atmosfer atau terlarut dalam air) disebut, sebagaimana telah disebutkan di atas, aerob. Jenis pertukaran ini merupakan karakteristik dari sebagian besar tanaman dan hewan.

Semua makhluk hidup di Bumi dalam proses bernafas setiap tahun mengoksidasi miliaran ton bahan organik. Pada saat yang sama sejumlah besar energi dilepaskan, yang digunakan dalam semua manifestasi kehidupan.

Ilmuwan Prancis L. Pasteur pada abad terakhir menunjukkan kemungkinan pengembangan beberapa mikroorganisme di lingkungan yang bebas oksigen, yaitu, "hidup tanpa udara". Oksidasi zat organik tanpa oksigen disebut fermentasi, dan organisme yang mampu hidup aktif di lingkungan tanpa oksigen disebut anaerob. Dengan demikian, fermentasi adalah bentuk disimilasi dalam jenis pertukaran anaerob.

Selama fermentasi, berbeda dengan respirasi, zat organik tidak teroksidasi menjadi produk akhir (CO 2 dan H 2 O), tetapi senyawa antara terbentuk. Energi yang terkandung dalam zat organik tidak semuanya dilepaskan, sebagian darinya tetap dalam zat fermentasi perantara.

Fermentasi, seperti halnya bernafas, dilakukan melalui serangkaian reaksi kimia yang kompleks. Sebagai contoh, hasil akhir fermentasi alkohol diwakili oleh rumus berikut: C 6 H 12 O 6 = 2CO 2 + 2C 2 H 5 OH + 25 kkal / g mol.

Sebagai hasil fermentasi alkohol, produk oksidasi parsial - etil alkohol - terbentuk dari gula (glukosa) dan hanya sebagian kecil dari energi yang terkandung dalam karbohidrat dilepaskan.

Contoh organisme anaerob dapat berfungsi sebagai jamur ragi, yang menerima energi seumur hidup, mengasimilasi karbohidrat dan menjadikannya fermentasi alkohol dalam proses disimilasi. Banyak mikroorganisme anaerob memecah karbohidrat menjadi asam laktat, butirat, asetat, dan produk lain dari oksidasi tidak lengkap. Beberapa jenis bakteri dapat digunakan sebagai sumber energi tidak hanya gula, asam amino dan lemak, tetapi juga produk ekskresi hewan, seperti urea dan asam urat, yang terkandung dalam urin, dan zat yang membentuk kotoran. Bahkan penisilin, yang membunuh banyak bakteri, digunakan oleh satu jenis bakteri sebagai nutrisi.

Jadi, dalam proses mensintesis senyawa organik, seolah-olah mereka "diawetkan" di dalamnya atau menyimpan energi ikatan kimia yang dihabiskan untuk sintesis mereka. Ini dirilis lagi selama proses kebalikan dari penguraian zat organik. Dalam hal energi, makhluk hidup, sebagaimana telah disebutkan, adalah sistem terbuka. Ini berarti bahwa mereka membutuhkan energi dari luar dalam bentuk yang memungkinkannya digunakan untuk melakukan pekerjaan yang terkait erat dengan manifestasi kehidupan, dan melepaskan energi yang sama ke lingkungan, tetapi dalam bentuk yang rusak, misalnya, dalam bentuk panas, yang dihamburkan dalam lingkungan. Karena proses sintesis dan pembusukan yang berkesinambungan, asimilasi dan disimilasi pada makhluk hidup, terdapat sirkulasi zat yang konstan dan transformasi energi. Berapa jumlah energi yang diserap, sebanyak yang dilepaskan selama disimilasi. Energi yang dilepaskan selama disimilasi melakukan proses yang mencirikan esensi kehidupan dan semua manifestasinya.

<<< Назад

Maju \u003e\u003e\u003e