Neorganinių sieros junginių oksidavimas. Organinės medžiagos oksidavimas - gyvenimo pagrindas

Oksidacijos-redukcijos reakcijos, susijusios su organinėmis medžiagomis, jų veislėmis, produktų apibrėžimu

Visi organiniai IAD gali būti suskirstyti į 3 grupes:

Visiškas oksidavimas ir degimas

Lengvas oksidavimas

Destruktyvus oksidavimas

1. Visiškas oksidavimas ir degimas. Deguonis (kitos medžiagos, palaikančios degimą, pvz., Azoto oksidai), koncentruota azoto rūgštis ir sieros rūgštis gali būti naudojamos kaip oksidatoriai, kietos druskos gali būti naudojamos šildant, išsiskiria deguonis (chloratai, nitratai, permanganatai ir kt.), Kiti oksidatoriai (pvz. , vario (II) oksidas). Šiose reakcijose stebimas visų cheminių junginių organinėse medžiagose sunaikinimas. Organinių medžiagų oksidacijos produktai yra anglies dioksidas ir vanduo.

2. Lengvas oksidavimasŠiuo atveju anglies grandinė nesulūžta. Lengvas oksidavimas apima alkoholių oksidavimą aldehidais ir ketonais, aldehidų oksidaciją karboksirūgštimis, alkenų oksidaciją į dihidroksoliais alkoholiais (Wagnerio reakcija), acetileno oksidaciją kalio oksalatu, toluenu į benzenkarboksirūgštį ir kt. Tokiais atvejais kaip oksidatoriai naudojami atskiesti kalio permanganato, kalio dikromato, azoto rūgšties, sidabro oksido, vario (II) oksido, vario (II) hidroksido tirpalai.

3. destruktyvus oksidavimas. Įvyksta sunkesnėmis sąlygomis nei lengvas oksidavimas, lydimas kai kurių anglies ir anglies junginių. Kaip oksidatoriai, šildant, naudojami daugiau koncentruotų kalio permanganato ir kalio dikromato tirpalų. Šių reakcijų terpė gali būti rūgštinė, neutrali ir šarminė. Reakcijos produktai priklausys nuo to.

Sunaikinimas (anglies grandinės pertrauka)atsiranda alkenuose ir alkinuose - daugelyje jungčių - benzeno dariniuose - tarp pirmojo ir antrojo anglies atomų, jei skaičiuojate iš žiedo tretiniuose alkoholiuose - atomo, turinčio hidroksilo grupę, ketonuose - atomo su karbonilo grupe.

Jei su sunaikinimufragmentas, turintis 1 anglies atomą, yra oksiduojamas į anglies dioksidą (rūgštinėje terpėje), bikarbonato ir (arba) karbonato (neutralioje terpėje), karbonato (šarminėje terpėje). Visi ilgesni fragmentai paverčiami rūgštimis (rūgštinėje terpėje) ir šių rūgščių druskomis (neutralioje ir šarminėje terpėje). Kai kuriais atvejais gaunamos ne rūgštys, o ketonai (oksiduojant tretinius alkoholius, šakotus radikalus benzeno homologuose, ketonuose, alkenuose).

Toliau pateiktose diagramose pateikiamos galimos benzeno darinių oksidacijos rūgštinėje ir šarminėje aplinkoje galimybės. Įvairios spalvos paryškino anglies atomus, dalyvaujančius redokso procese. Paryškinimas leidžia atsekti kiekvieno anglies atomo „likimą“.

Benzeno darinių oksidavimas rūgštinėje aplinkoje

Oksidacija   - yra elektronų susitraukimo procesas atomu, molekule arba jonu, kartu su oksidacijos laipsnio padidėjimu. Tačiau po šio apibrėžimo labai daug organinių reakcijų gali būti priskirtos oksidacijos reakcijoms, pavyzdžiui:

alifatinių junginių dehidrogenavimas, dėl kurio susidaro dvigubos anglies-anglies jungtys:

(anglies atomo oksidacijos laipsnis, nuo kurio eina vandenilis, svyruoja nuo -2 iki -1),

alkano pakaitinės reakcijos:

(anglies atomo oksidacijos būsena keičiasi nuo -4 iki -3),

halogenų sujungimo reakcijos su daugialypiu ryšiu:

(anglies atomo oksidacijos laipsnis kinta nuo -1 iki 0) ir daug kitų reakcijų.

Nors formaliai šios reakcijos yra susijusios su oksidacijos reakcijomis, organinėse chemijose, tačiau tradiciškai oksidacija   yra apibrėžiamas kaip procesas, kurio metu dėl funkcinės grupės transformacijos junginys pereina iš vienos kategorijos į aukštesnį:

alkeno ® alkoholio ® aldehido (ketono) ® karboksirūgštis.

Dauguma oksidacijos reakcijų apima deguonies atomo įvedimą į molekulę arba dvigubos jungties su esamu deguonies atomu susidarymą dėl vandenilio atomų praradimo.

O kokie junginiai gali duoti deguonį organinėms medžiagoms?

Oksidatoriai

Organinių medžiagų oksidacijai paprastai naudojami pereinamųjų metalų, deguonies, ozono, peroksidų ir sieros, seleno, jodo, azoto ir kitų junginių junginiai.

Iš oksiduojančių agentų, kurių pagrindas yra pereinamieji metalai, yra naudingi chromo (VI) ir mangano (VII), (VI) ir (IV) junginiai.

Dažniausiai chromo (VI) junginiai yra kalio bichromato K 2 Cr 2 O 7 tirpalas sieros rūgštyje, chromo trioksido CrO3 tirpalas praskiestoje sieros rūgštyje ( johnsono reagentas), chromo trioksido kompleksas su piridinu ir reagentas Saretta   - CrO3 kompleksas su piridinu ir HCl (piridinium chlorochromatas).

Kai organinė medžiaga oksiduojama, chromo (VI) bet kurioje terpėje redukuojama iki chromo (III), tačiau oksidacija šarminėje terpėje organinėje chemijoje neranda praktinio taikymo.

Kalio permanganatas KMnO 4 įvairiose aplinkose pasižymi skirtingomis oksidacinėmis savybėmis, o oksidatoriaus stiprumas padidėja rūgštinėje aplinkoje:

Kalio manganatas K 2 MnO 4 ir mangano (IV) oksidas MnO 2 rodo oksiduojančias savybes tik rūgštinėje aplinkoje.

Vario (II) hidroksidas paprastai naudojamas aldehidams oksiduoti. Reakcija atliekama kaitinant, tuo pačiu metu vario (II) mėlynasis hidroksidas pirmą kartą virsta geltonos spalvos vario hidroksidu (I), kuris po to skyla į raudonąjį vario oksidą (I). Aldehidų oksiduojančiu agentu taip pat naudojamas sidabro hidroksido amoniako tirpalas (\\ t sidabro veidrodžio reakcija)

I. Organinių medžiagų oksidacijos laipsnio nustatymas.

Algebrinis metodas

Organinėse medžiagose galima nustatyti elementų oksidacijos laipsnį. algebrinis metodas, paaiškėja vidutinis oksidacijos greitis. Šis metodas labiausiai tinka, jei visi organinės medžiagos anglies atomai reakcijos pabaigoje turi tokį patį oksidacijos laipsnį (degimo reakcija arba visiškas oksidavimas).

Apsvarstykite:

1 pavyzdys. Sacharozės sieros rūgšties koncentratas su oksidacija:

C12H22O11 + H2S04®CO2 + H20 + SO2

Rasti anglies oksidacijos laipsnį sacharozėje: 0

Elektroniniame balanse atsižvelgiama į visus 12 anglies atomų:

12C 0 - 48 e ® 12C +4 48 1

Oksidacija

S + 6 + 2 e ®S +4 2 24

atsigavimas

C12H22O11 + 24 H2SO4® 12CO2 + 35H20 + 24 SO 2

Daugeliu atvejų ne visi organinių medžiagų atomai yra oksiduojami, bet tik kai kurie. Šiuo atveju į elektronų pusiausvyrą įvedami tik tie atomai, kurie keičia oksidacijos laipsnį, todėl būtina žinoti kiekvieno atomo oksidacijos laipsnį.

2.grafiškai:

1) pavaizduota visa medžiagos struktūrinė formulė;

2) kiekvienai jungčiai rodyklė rodo elektrono poslinkį į labiausiai elektronegatyvinį elementą;

3) visos C-C obligacijos laikomos poliarinėmis;

Karboksilo grupės anglis perkelia 3 elektronus iš jo, jo oksidacijos būsena yra +3, metilo anglis pritraukia 3 elektronus iš vandenilio, o jo oksidacijos būsena yra 3.

Aldehido grupės anglis suteikia 2 elektronus (+2) ir patraukia 1 elektroną (- 1), kad bendrasis aldehido grupės +1 anglies oksidacijos laipsnis. Radikalo anglis pritraukia 2 elektronus iš vandenilio (-2) ir duoda 1 elektroną chlorui (+1), jei bendra šio oksido oksidacijos būsena yra 1.

N С С С ≡ С Н

Užduotis 1. Nustatyti vidutinį anglies atomų oksidacijos laipsnį pagal algebrinį metodą ir kiekvieno anglies atomo oksidacijos laipsnį pagal grafinį metodą šiuose junginiuose:

1) 2-aminopropanas 2) glicerinas 3) 1,2-dichlorpropanas 4) alaninas

Metilfenilketonas

Šį procesą daugiausia vykdo trys mikroorganizmų grupės: fotosintetinės bakterijos (violetinės ir žalios), pačios sieros bakterijos, tioninės bakterijos.

Visai neseniai atrado, kad kai kurios heterotrofinės bakterijos jums. mesentericus, tu. subtilis, aktinomicetai, grybai ir mielės taip pat gali oksiduoti sierą esant organinėms medžiagoms, tačiau šis šoninis procesas yra lėtas, o oksidacijos metu išsiskirianti energija jų nenaudoja.

Fotosintezės bakterijos   - purpuriniai ir žalieji prokariotiniai mikroorganizmai, gyvena daugiausia vandens telkiniuose ir atlieka „anaerobinę fotosintezę“ be molekulinio deguonies išsiskyrimo. Visos fototrofinės bakterijos, esančios Bergie determinante, yra sujungtos į Rhodospirillales tvarką, atsižvelgiant į jų gebėjimą anaerobinėje fotosintezėje; yra du posūkiai: Rhodospirillineae - violetinė (rodobacterium), Chlorobiineae - chlorobacterium (žalios bakterijos). Dauguma fotosintezuojančių bakterijų yra griežti anaerobai ir fototrofai, nors tarp purpurinių ir žaliųjų bakterijų yra rūšių, kurios gali užaugti heterotrofiškai tamsoje dėl kvėpavimo. Bakterijos kaip vandenilio donoras fotosintezės metu naudoja sumažintus sieros junginius, molekulinį vandenilį ir kai kurias rūšis - organinius junginius.

Labiausiai ištirtas iš Chromatiaceae, Chromatium genties - sieros purpurinių bakterijų šeimos rodyklės. Pastarųjų atstovai yra ovalo formos arba lazdelės formos, turi judėjimą dėl poliarinės vėliavos; jie yra privalomi anaerobiniai fotolitotrofiniai organizmai, oksiduoja vandenilio sulfidą iš eilės į S 0 ir toliau SO4 2-. Kartais jų ląstelėse kaupiasi sieros globuliai, kurie palaipsniui virsta į išorę išleistais sulfatais.

Žaliųjų sieros bakterijų Chlorobium genties atstovai yra gerai ištirti. Tai dažniausiai lazdelės formos ir vibrioidinės formos, padaugintos iš skaidymo, dažnai apsuptos gleivinės kapsulių, griežtų anaerobų ir privalomų fotolitotrofų. Daugelis jų atneša sieros oksidaciją tik į laisvą sierą. Elementinė siera dažnai kaupiasi už ląstelių ribų, bet sieros nesikaupia pačiose ląstelėse.

Fotosintezės bakterijos yra plačiai paplitę vandens telkiniuose; paprastai gyvena aplinkoje, kurioje yra vandenilio sulfido (tvenkiniai, jūros lagūnos, ežerai ir tt) ir išlaikoma didelė koncentracija. Dirvožemyje šios bakterijos neturi svarbaus vaidmens, o rezervuaruose jų veikla yra labai svarbi.

Sieros bakterijos   - Plati bespalvių mikroorganizmų komanda, besivystanti vandenilio sulfido pavidalu, ląstelėse kaupiasi sieros lašai. Pirmieji šios bakterijų grupės tyrimai buvo atlikti 1887 m., 1888 m., S. N. Vinogradsky. Taikant pradinį mikrokultūros metodą, leidžiantį keisti aplinką ir stebėti gyvą objektą ilgą laiką, Vinogradskis nustatė, kad sieros, nusodintos Beggiatoa ląstelėse (tipiškas sieros bakterijų atstovas), susidaro iš vandenilio sulfido ir šis mikroorganizmas gali oksiduotis į sieros rūgštį. Tuo pat metu jis pirmą kartą pasiūlė chemosintezės egzistavimo bakterijose (ypač gijiniuose) sąvoką; jie gali augti be organinių junginių, o neorganinės sieros oksidacijos procesas yra jiems kvėpavimo energijos šaltinis. Tačiau daugelyje bespalvių sieros bakterijų chemoautotrofija vis dar yra nepagrįsta, nes juos galima išskirti grynoje kultūroje: nors mikroorganizmai yra sėkmingi, jie nėra visiškai tikri, kad izoliuotos padermės turi tokią pat fiziologiją kaip ir gamtoje. S. N. Vinogradsky (1888) serobakterijoms būdinga charakteristika šiuo metu išlieka beveik nepakitusi.

Bespalvės sieros bakterijos yra heterogeniška grupė, turinti vieną bendrą požymį - gebėjimą kaupti sierą. Šių organizmų sistematika sukurta tik iki genties lygio; ne visi jie gali būti laikomi patikimais. GA Zavarzin (1972), pagal morfologines savybes, išskiria jų formas: gijinį, vienaląsčiusį su didelėmis ląstelėmis ir vienaląsčius su mažesnėmis.

Filamentinės bakterijos priklauso penkioms gentims; garsiausių iš jų yra Beggiatoa, Thiothrix ir Thioploca.

„Beggiatoa“ gentį atstovauja bespalviai gijiniai organizmai, kurie sudaro trichomus, panašūs į dumblių trichomų struktūrą, tačiau skirtingai nuo pastarųjų, juose yra sieros intarpų. Trichomes niekada nepritvirtina prie substrato, turi judėjimą dėl susidariusių gleivių ir yra sėdimuose vandenyse, kuriuose yra mažai vandenilio sulfido, priklauso mikroaerofilams. Dumblo paviršiuje vandens telkiniuose, jų kaupimosi vietose, jie sudaro dideles baltas dėmes arba subtilų baltą tinklelį. Visos šios rūšies rūšys oksiduoja vandenilio sulfidą ir sulfidus į elementinę sierą, kuri yra kaupiama ląstelių viduje ir, jei trūksta vandenilio sulfido ar sulfido, išorinėje aplinkoje. Ląstelių viduje nusodinta siera oksiduojama į sieros rūgštį ir atpalaiduojama. Suderinus su metalais, susidaro sulfatai.

„Thiothrix“ genties atstovai struktūroje labai panašūs į Beggiatoa genties sieros bakterijas, tačiau skiriasi nuo pastarųjų, nes jie prisiriša prie pagrindo specialiu gleivinės disku, paprastai esančiu greitai tekančiame vandenilio sulfido vandenyje. Jų siūlai yra juodi, nes didelė kaupiasi sieros. Thiothrix suteikia povandeninį užterštumą povandeniniuose objektuose mobilioje aplinkoje. Tioploka kuokšteliai randami daugelyje vandens telkinių, viršutiniuose dumblo sluoksniuose; vertikaliai, jie kerta oksidacijos ir redukcijos horizontus, nuolat judindami aukštyn ir žemyn, kai vanduo patenka į deguonį, po to į dugno vandenilio sulfido terpę. Jų storoje gleivinės kapsulėje, padengtoje su detrito gabaliukais, yra susipynusios trichomos (jos gali būti nuo 1 iki 20). Tioploka bakterijos buvo išskirtos iš kalcio turtingų jūros dumblo ir gėlo vandens telkinių.

Vienaląsčių serobakterijų su didelėmis ląstelėmis atstovauja trys gentys: Achromatium, Thiovulum ir Macronionas: visų rūšių ląstelių dydžiai - 10-40 mikronų; padauginti iš dalijimosi ar susiaurėjimo; ląstelių formos yra ovalios ir cilindrinės. Be sieros lašelių, ląstelėse dažnai yra kalcio karbonato.

Vienaląsčios formos su mažomis ląstelėmis yra sujungtos dviejose gentyse: Thiospira ir Thiobacterium. Thiospira buvo mažai ištirtas. Tiobakterijų gentyje yra trys rūšys. Šios fiksuotos mažos lazdos, apsuptos gleivinės kapsulių, gali sudaryti zoogelį; sieros ląstelėse nėra kaupiamos visose rūšyse.

Bespalvės sieros bakterijos - tipiški vandens mikroorganizmai, yra paplitę vandens telkiniuose, kur vandenilio sulfidas yra mažai suformuotas. Visi jie yra mikroaerofilai, labai jautrūs vandenilio sulfido koncentracijai: vandenyje, prisotintoje vandenilio sulfidu, jie greitai nyksta, esant mažesnei nei 40 mg / l koncentracijai, jie didžiausiąja prasme išsiskiria.

Optimalios sąlygos joms sukuriamos nesubalansuotose sistemose, kuriose vandenilio sulfidas kaupiasi lėtai ir yra šarminė arba arti neutralaus srauto terpės. Tarp bespalvių sieros bakterijų gerai auga tiek žemoje temperatūroje, tiek aukštoje temperatūroje - iki 50 ° C (šilumos šaltiniuose). Jie gali atlaikyti didelę druskos koncentraciją druskos ežerų juodoje purvoje, beveik sotintoje druskos tirpale. Jie vis dar yra labiausiai paplitę gėluosiuose vandenyse.

Dumblo paviršiuje tvenkiniuose galima rasti sieros bakterijų masinį kaupimąsi, todėl dumble išsiskyręs vandenilio sulfidas oksiduojasi ir nesulenkia vandens masės. Vandens masės užteršimo vandenilio sulfidu atveju bakterijos gali susidaryti viename ar kitame gylyje taip vadinamoje „bakterinėje plokštelėje“ arba plėvelėje, virš kurios nėra vandenilio sulfido ir žemiau - deguonies. Pavyzdžiui, Juodojoje jūroje toks filmas yra 200 m gylyje ir neleidžia vandenilio sulfido patekti į šį lygį. Sieros bakterijos, kurios joje gyvena aerobinių ir anaerobinių zonų ribose, yra chaotiškoje, nenutrūkstančio judėjimo: atsilieka už vandenilio sulfido, einančios už deguonies. Jie oksiduoja vandenilio sulfidą į elementinę sierą ir gauna reikalingą energiją organinių medžiagų sintezei. Chemosintezės būdu, dėl 25 g H 2S / m 2 oksidacijos, galima įsisavinti 8 g s / m2 per metus (Sorokin, 1970). Po nugaros, mikroorganizmų elementai, praturtinti elementine siera, panardinami į vandenilio sulfido zoną, iš dalies pasiekia dugną, kur, dalyvaujant desulfuruojančioms bakterijoms, siera vėl atkuriama į vandenilio sulfidą. Daroma prielaida, kad jūros vandens storyje ribiniame sluoksnyje (O2 ir H2S) pirmasis vandenilio sulfido oksidacijos etapas atliekamas cheminėmis priemonėmis (Skopindev, 1973).

Sieros bakterijos dažnai koncentruojamos dideliais kiekiais vandenilio sulfido šaltiniuose.

Sieros bakterijų dalyvavimas sieros cikle tikriausiai yra nereikšmingas, nors jų vaidmuo užkertant kelią vandens sluoksnių apsinuodijimui vandenilio sulfidais ir poveikis metalų migracijai ir nusėdimui yra reikšmingas.

Pagrindinis sieros oksidacijos vaidmuo yra skiriamas tioninėms bakterijoms.

Tioninės bakterijos - Viena morfologinė ir biocheminė mikroorganizmų grupė, randama dirvožemyje, šviežioje ir druskos vandens telkiniuose, sieros nuosėdose ir uolose. Tioninės bakterijos gauna energiją oksiduojant sumažintus mineralinius sieros junginius, tokius kaip vandenilio sulfidas, sulfidai, sulfitas, tiosulfatas, tetrationatas, tiocianatas, ditionitas ir molekulinė siera. Sieras, susidaręs kaip tarpinis produktas, yra kaupiamas už ląstelių ribų. Kaip elektronų priėmėjas, jie naudoja laisvą deguonį ir kai kuriuos tipus - nitratų deguonį. Pagal mitybos tipą, tioninės bakterijos gali būti suskirstytos į grupes: autotrofai, mixotrophs ir litoterotrofai. Dauguma thioninių bakterijų yra aerobinės, nors žinomi fakultatyviniai anaerobai, pvz., Th. denitrifisanai. Priklausomai nuo buveinės, jie elgiasi skirtingai: aerobinėmis sąlygomis jie vykdo molekulinį deguonį, anaerobiškai pereina prie denitrifikacijos ir sumažina nitratų kiekį iki molekulinio azoto. Yra žinomos keturios tioninių bakterijų gentys: tiobacillus - strypo formos, judrus; Thiomicrospira - spiralė, mobilus; Tiodendronas - ovalios arba spiraliai susuktos ląstelės, sujungtos su koteliais arba šakotomis hiphaomis, mikrokolonijos. Sulfolobus - šoninė, su sumažinta ląstelių sienele. Kadangi Thiobacillus genties bakterijos, kurios yra plačiai paplitusios sausumos ir vandens ekosistemose, yra ypač aktyvios sieros cikle, jos daugiausia tiriamos.

Kalbant apie aplinkos rūgštingumą, tiobaciliai yra suskirstyti į dvi grupes: tas, kurios auga neutraliose arba šarminėse sąlygose (pH 6-9) ir tie, kurie auga rūgštinėse sąlygose (acidofilinis). 1 grupės tiobacilui optimali pH vertė yra 6-9; jo rūšys yra: T. thioparus, T. denitrificans, T. novellus, T. tiocyanooxidans, T. neapolitanus. Jie visi oksiduoja vandenilio sulfidą, sierą ir tiosulfatą. Apsvarstykite labiausiai ištirtus šios grupės atstovus.

T. thioparus yra autotrofinė bakterija, izoliuota Beyerink (1904), išsivysto, kai terpė yra neutrali, mobilus (turi vieną polinį vėliavą), gram-neigiamas geba oksiduoti vandenilio sulfidą, hidrosulfido joną ir sulfidus, tik kalcio sulfidą. Oksidacijos produktai yra siera, politionatai (pirmiausia tetrationai) ir sieros rūgštis. Jis gali išsivystyti kaip mikroaerofilis ir labai nestabilus dėl rūgštingumo.

Taigi elementinės sieros kaupimasis gali atsirasti dėl: a) sulfatų redukcijos desulfuruojant bakterijas; b) vandenilio sulfido oksidavimas tioninėmis bakterijomis. Elementinė siera kaupiasi purvinų ežerų purvo dugne ir randama Kaspijos jūros dugne, kur susidaro dėl vandenilio sulfido, išsiskiriančio iš dumblo, oksidacijos.

Daugelio sieros nuosėdų susidarymas siejamas su oksiduojančiu veikliosios biono aktyvumu. Sieros sieros nuosėdos geografiškai sutampa su persijos, apatinės kretos, paleogeno, neogeno gipso turinčiomis uolomis, kurios yra išilgai ar panardintos geostruktūrinių elementų ribose. Dažnai apsiriboja brachyantine linijomis su naftos telkiniais, kur akmenys paprastai yra fragmentiški, įtrūkę, antiklinių arkos yra sunaikintos, o tai palengvina vandenilio sulfido ir prisotinto vandens srautą į paviršių. Čia deguonies aplinkoje, gausiai apgyvendintose tioninėmis bakterijomis, vandenilio sulfido oksidacijos procesas su elementinės sieros kaupimu. Tokie yra indėliai Vidurinėje Azijoje: Gaurdak, Shorsu, Sieros kalnai Karakume.

T. tiocianooksidanai daugeliu atžvilgių yra panašūs į T. tiooparą, tačiau skiriasi tuo, kad jis oksiduojasi ne tik vandenilio sulfido, bet ir rodito. Šios bakterijos randamos (Happold, Kay, 1934) ir išskiriamos į grynąją kultūrą (Happold, Johnston, Rogers, 1954). Morfologiškai, T. tiocianooksidanai - lazdos su vienu poliariniu žiedu, autotrofiniu, aerobiniu; jiems neutrali aplinka yra palanki; organinių medžiagų buvimas daugiau kaip 1% koncentracijos slopina jų vystymąsi.

T. novellus yra mixotrofinis organizmas, aptiktas ir izoliuotas nuo R. L. Starkey dirvožemio 1934 m., Gramnegatyvus, stacionarus, strypo formos, gerai auga organinėse terpėse, tačiau tam tikromis sąlygomis jis gali pereiti nuo heterotrofinio mitybos tipo prie autotrofinio.

Denitrifikuojanti tioninė bakterija yra nedidelė, neginčijama bacillus, judrioji, pirmiausia aptikusi Beierinck: (1904) anaerobinėmis sąlygomis, oksiduoja aplinką ir jos neorganinius junginius į sulfatus, tuo pačiu metu sumažina nitratus iki molekulinio azoto.

Aerobinėse sąlygose nitratų kiekio sumažėjimas nevyksta, o bakterijos kaip oksidatorius naudoja deguonį, orą.

Mikroorganizmų, besivystančių rūgščioje aplinkoje, grupėje yra: T. ferrooxidans, T. intermedius, T. tiooxidans. 2-4 pH yra jiems optimalus, tačiau jie gali augti esant nuo 0,5 iki 7. Pirmosios dvi rūšys nesukelia pH\u003e 5: T. tiooksidanai yra pats rūgštingiausias mikroorganizmas gamtoje, nes jis išlaiko gyvybingumą esant maždaug 0 pH. .

T. tiooksidanai - flagellum bacillus, mobilieji, tiria gleivę, autotrofą, tiriant sieros skaidymą dirvožemyje (Waxman, Ioffe, 1922). Geba oksiduotis, kaip neseniai nustatyta, kai kurie organiniai sieros junginiai. Pagrindinis šio organizmo oksiduotas substratas yra molekulinė siera ir kartais tiosulfatas, aerobinėmis sąlygomis šis procesas vyksta į sieros rūgšties izoliavimo etapą. Oksidacijos energija naudojama anglies dioksido absorbavimui. Šio tipo gebėjimas oksiduoti vandenilio sulfidą ir kitus junginius nėra galutinai išaiškintas, nes šie junginiai rūgštinėje aplinkoje yra nestabilūs.

Tioninės geležies oksiduojančios bakterijos T. ferrooksidanai yra labai įdomūs organizmai, aprašyti ir izoliuoti nuo rūgščių drenažo kasyklų vandenų (Coiner, Hinkle, 1947), nedidelė lazdelė, turinti judančią poliarinę vėliavą, nesudaro sporų, nedažo gramais, atgamina dalijimu, chemolitotrofu, pH 1,7-3,5 - optimaliai, aerobinis. Ji užima ypatingą poziciją tarp tiobakterijų, nes gebėjimą autotrofinį augimą lemia ne tik sieros junginių oksidacijos metu gauta energija, bet ir juodųjų metalų oksidas, išsiskiriantis oksidacijos metu. Kadangi jonų pH yra pH 2+<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. ferrooksidanams būdingas didelis atsparumas sunkiųjų metalų koncentracijai: jis atlaiko 5% vario sulfato tirpalą, Cu koncentracija 2 g / l arba 1 g / l arseno, susidaro mažomis azoto, fosforo ir nedidelės aeracijos dozėmis, todėl gyvena zonoje sulfido nuosėdų oksidacija. Oksiduotas geležis rūgščioje aplinkoje nesudaro formuotų struktūrų, o bakterijų ląstelės beveik visada yra laisvos. Bakterijos oksiduoja elementinę sierą, sulfidus, tiosulfatą, tetrationitą, hidrosulfidą. Sulfidų nuosėdose ji atlieka dvigubą funkciją: ji oksiduoja sulfatų sierą į sieros rūgštį, kuri, savo ruožtu, ištirpina geležies hidroksidus, susidaro geležies oksido sulfatas, kuris reaguoja su sulfidais (dėl geležies sumažėjimo) prisideda prie dvivalenčio sieros, kuri yra dalis sulfidų, cheminio oksidacijos. iki šešiavalenčio.

Keletas thioninių bakterijų gali oksiduoti įvairius sulfidinius mineralus (Cu, Zn, Pb, Ni, Co, As), dalyvauti keičiant urano ir vanadžio valentinės būsenos pokyčius, atlaikyti dideles metalų koncentracijas, susidaro vario sulfato tirpale, kurio koncentracija yra iki 6%. Šių organizmų veiklos mastas yra įspūdingas. Taigi vieną dieną iš Degtyarskoe nuosėdų pašalinta 6115 kg vario ir 1706 kg cinko (Kravaiko ir kt., 1967). Daugelis bakterijų randamos rūdų mineraluose ir dėl jų oksidacijos gauna anglies dioksido įsisavinimui reikalingą energiją. Tioninės bakterijos, priskirtos T. ferrooxidans gentims, randamos visuose antimono nuosėdose. Jie oksiduoja antimonitą rūgštinėse aplinkos sąlygose (esant piritui). Neutraliai ir silpnai šarminėmis sąlygomis kitos bakterijos, T. denitrificans, gali pagreitinti antimonito oksidaciją. Pirmajame etape antimonito oksidacija vyksta T. ferrooxidans ar kitų tiobacilių įtakoje; antimono sulfatas yra nestabilus ir hidrolizuoja Sb2; Susidaro antimono peroksidas, mineralinis senarmonitas. Trivalentinės antimono oksidavimas aukštesniais Sb 5+ oksidais atsiranda, kai jis yra veikiamas autotrofiniu mikroorganizmu Stibiobacter senarmontii, kuriam neutraliausia aplinka yra palankiausia. Mikroorganizmas, sintetinantis oksiduojantis senarmonitas - Stibiobacter gen. nov .: stibikonito grupės mineralas (Lyalikova, 1972).

Heterotrofinės bakterijos yra plačiai paplitusios rūdos nuosėdose, kurių geocheminis aktyvumas vis dar labai mažai tiriamas. Tačiau nustatyta, kad kai kurie iš jų (Pseudomonas denitrificans, P. fluorescens), išskirti iš sulfidinių rūdų, oksiduojami. Ar jie gali naudoti sumažintų sieros junginių oksidacijos energiją, vis dar nėra aišku. Akivaizdu, kad jų aktyvumas siejamas su organinių rūgščių, kurios gali skaidyti mineralus, formavimu.

Taigi, sulfido nuosėdų oksidavimo zonoje atsiranda sulfato aplinka, sulfidai pakeičiami sulfatais, atmosferos rūgštingumas, tuo pačiu metu sunaikinami rūdos uolienų mineralai, jie pakeičiami antriniais mineralais - jarozitu, goititu, anglesitu, antleritu, digenitu ir pan. Geležies oksidų skalę sudaro vadinamasis „geležies skrybėlė“. Jei šeimininko uolienos yra karbonatai, tada, kai yra veikiamas sieros rūgštis, susidaro didelis gipso kiekis, sieros rūgštis neutralizuojama. Jei akmenys yra ne karbonatai, tuomet agresyvūs sulfato vandenys pašalina šarminius ir šarminius metalus, geležies grupės sunkiuosius metalus ir kitus iš vandeningųjų sluoksnių sulfatų pavidalo; susidaro balintos zonos, kuriose išlieka stabiliausios sieros rūgšties mineralai, kvarcas ir kaolinitas iš antrinių mineralų.

Išėjimo į paviršių šaltinių pavidalu, rūgštūs vandenys, praturtinti vario, cinko, kobalto, geležies, aliuminio, nikelio ir kitų elementų sulfatais, sukelia rūgštinių (tioninių) solonchakų susidarymą. Panašiuose druskos pelkėse šalia vieno iš Pietų Uralo vario-sulfido nuosėdų tarp sausų stepių atsirado beržo giraitė.

Rūgštinis aliuminis (tioninis) dirvožemis yra paplitęs pelkėtose jūros pakrantėse, džiovinant pakrantės Deltas, kuris yra susijęs su hidrotroillito ir pirito oksidacija, kuri buvo suformuota praeityje dėl jūros vandenų, turinčių didesnį vandens kiekį vandenyje, atkurimo ir atkūrimo režimo dominavimo. Sulfidų oksidacija su tioninėmis bakterijomis lydi sieros rūgšties susidarymą, kalcio karbonatų keitimą gipsu, aliuminio ir geležies oksidų ištirpinimą su aliuminio formavimu: Al 2 (SO 4) 3, Fe 2 (SO 4) 3. Rūgštinis drumstas aliuminio dirvožemis formuojasi vidutinio dydžio platumose Švedijos ir Suomijos žemumose (Botnijos įlankoje), Nyderlandų polderiuose ir žygiuose, jie nėra neįprasti subtropinių ir tropinių upių deltose, aptinkamose Murray deltoje, Pietryčių Azijoje, Pietų Amerikoje, Pietų Amerikoje. turėti vietinius pavadinimus, pavyzdžiui: „poto-poto“, „katclay“ ir tt

Sieros rūgšties atmosfera yra būdinga ant paviršiaus atsirandantiems sieros nuosėdoms, aplink kurią susidaro ryškiai baltų, išplautų uolienų zona, susidaro rūgštūs „vitriolio“ vandenys su dideliu geležies sulfato kiekiu. Kai šie vandenys sumaišomi su gėlais vandenimis, nusodina rūdžių geležies oksido hidrato (limonito) nuosėdų, suformuojant sieros rūgšties atmosferos zoną.

Rengiant sulfidų rūdas ir sieros rūgštis, į paviršių išgauti sulfidai oksiduojami; susidaro rūgštiniai minų vandenys, kuriuose susidaro tioninės bakterijos. Šie vandenys yra labai agresyvūs, koroziniai metaliniai įrenginiai. Rūgštiniai vandenys, kurių pH yra 1,5–2,0 srautai iš atliekų sąvartynų, anglies krūvos, turinčios išsklaidytų sulfidų, jų įtakoje miršta augalija, ryškus rūgštėjimas ir dirvožemio degradacija. Šiems srautams lokalizuoti ir neutralizuoti, jų keliuose dedamos specialios kalkingos kliūtys, atliekamos rūgštiniais vandenimis užteršto dirvožemio kalkinimas.

Sieros izotopų frakcionavimas. Žemės plutoje išskiriami keturi stabilūs sieros izotopai. Sieros izotopų santykis skirtinguose gamtos objektuose nėra tas pats. Standarte santykis S 32 ir S 34 sulfidinių meteoritų atveju yra priimtinas, kai jis yra 22,21.

Yra polinkis mažinti sunkiųjų izotopų natūralių sieros junginių, susidariusių dalyvaujant mikroorganizmams, tai yra nuosėdų kilmės sulfidai ir biogeninis vandenilio sulfidas; priešingai, kapsulių uolienų ir garų sulfatų sulfidai, palyginti su standartu, yra papildyti lengvu sieros izotopu.

Jei radote klaidą, pažymėkite tekstą ir spustelėkite Ctrl + Enter.

Organinės medžiagos oksidavimas - gyvenimo pagrindas

Organinė medžiaga ir jose esanti energija, kuri formuojasi bet kurio organizmo ląstelėse asimiliacijos procese, vyksta atvirkštiniu būdu - disimiliacija. Išlaisvinus disimiliaciją, organizme cheminė energija išsiskiria į įvairias energijos formas - mechanines, šilumines ir kt. Disimiliacijos metu išsiskirianti energija yra tas pats materialus pagrindas, kuris atlieka visus gyvybės procesus - organinių medžiagų sintezę, organizmo savireguliavimą, augimą, vystymąsi reprodukcija, kūno reakcijos į išorinį poveikį ir kitas gyvenimo apraiškas.

Dissimiliacija arba oksidacija gyvuose organizmuose atliekama dviem būdais. Daugumoje augalų, gyvūnų, žmonių ir pirmuonių organizmų organinių medžiagų oksidacija vyksta dalyvaujant atmosferos deguoniui. Šis procesas vadinamas „kvėpavimu“ arba aerobiniu (iš Lotynų. Kai kuriose augalų grupėse, galinčiose egzistuoti be oro, oksidacija vyksta be deguonies, ty anaerobiškai, ir vadinama fermentacija. Apsvarstykite kiekvieną iš šių procesų atskirai.

„Kvėpavimo“ koncepcija iš pradžių reiškė tik plaučius įkvėpus ir įkvėpus orą. Tada dujų mainai tarp ląstelės ir jos aplinkos buvo vadinami „kvėpavimu“ - deguonies suvartojimu ir anglies dioksido išsiskyrimu. Tolimesni išsamūs tyrimai parodė, kad kvėpavimas yra labai sudėtingas daugiapakopis procesas, kuris vyksta kiekviename gyvo organizmo ląstelėje, privalomai dalyvaujant biologiniams katalizatoriams - fermentams.

Organinės medžiagos, prieš pradedant tapti „degalu“, kuris duoda energiją ląstelei ir visam kūnui, turi būti tinkamai apdorotos fermentais. Šis gydymas susideda iš didelių biopolimerų molekulių - baltymų, riebalų, polisacharidų (krakmolo ir glikogeno) - monomerų. Taip pasiekiama tam tikra maistinių medžiagų universalizacija.

Taigi vietoj daugelio šimtų skirtingų polimerų, tokių kaip maistas, gyvūnų žarnyne susidaro keliolika monomerų - amino rūgščių, riebalų rūgščių, glicerolio ir gliukozės, kurie per kraują ir limfinį kelią patenka į gyvūnų ir žmogaus audinių ląsteles. Ląstelės toliau universalizuoja šias medžiagas. Visi monomerai paverčiami paprastesnėmis anglies grandinės karboksirūgšties molekulėmis, turinčiomis nuo dviejų iki šešių atomų. Jei yra keliolika monomerų, dvidešimt iš jų yra aminorūgštys, tada yra tik dešimt karboksirūgščių. Taigi maistinių medžiagų specifika pagaliau prarandama.

Tačiau karboksirūgštys yra tik medžiagos pirmtakai, kurie gali būti vadinami „biologiniais degalais“. Jie patys negali būti naudojami ląstelės energijos procesuose. Kitas universalizavimo etapas yra vandenilio pašalinimas iš karboksirūgščių. Tai gamina anglies dioksidą (CO 2), kurį organizmas iškvepia. Vandenilio atomas turi elektroną ir protoną. Ląstelės ir viso organizmo (bioenergijos) energijai šių atomų sudedamųjų dalių vaidmuo toli gražu nėra lygiavertis. Atominėje branduolyje esanti energija nėra prieinama ląstelei. Elektrono transformaciją vandenilio atomo metu lydi energijos išsiskyrimas, kuris naudojamas ląstelės gyvenimo procesuose. Todėl elektrono išleidimas baigia paskutinį biokuro universalizacijos etapą. Per šį laikotarpį organinių medžiagų, jų sudedamųjų dalių ir karboksirūgščių specifiškumas nesvarbu, nes visi jie galiausiai lemia energijos nešiklio - elektrono - susidarymą.

Sujaudintas elektronas sujungia su deguonimi. Gavęs du elektronus, deguonis kraunamas neigiamai, pridedamas du protonai ir susidaro vanduo. Tai yra ląstelių kvėpavimo aktas.

Organinių medžiagų oksidavimas ląstelėse vyksta mitochondrijose, kurios, kaip jau buvo pažymėta ankstesnėje brošiūroje, atlieka dinamą, kuris angliavandenių ir riebalų degimo energiją paverčia adenozino trifosfato (ATP) energija.

Oksidacija organizme yra daugiausia angliavandeniai. Pradiniai ir galutiniai angliavandenių oksidacijos procesai gali būti išreikšti pagal šią formulę: C6H12O6 + 6O2 = 6СO 2 + 6H 2 O + energija.

Gyvūnų ir augalų organizmuose kvėpavimo procesas iš esmės yra tas pats: jo biologinė reikšmė abiem atvejais - tai energijos gavimas iš kiekvienos ląstelės dėl organinių medžiagų oksidacijos. Šiame procese sudarytas ATP naudojamas kaip energijos akumuliatorius. Būtent su šiuo akumuliatoriumi reikia papildyti energijos poreikį, nesvarbu, kur yra bet kurio organizmo ląstelių.

Kvėpavimo procese augalai suvartoja deguonį lygiai taip pat, kaip ir gyvūnai, ir išskiria anglies dioksidą. Tiek gyvūnams, tiek augalams kvėpavimas yra nepertraukiamas dieną ir naktį. Kvėpavimo nutraukimas, pavyzdžiui, sustabdant deguonies prieigą, neišvengiamai sukelia mirtį, nes gyvybiškai svarbi ląstelių veikla negali būti palaikoma be nuolatinio energijos naudojimo. Visiems gyvūnams, išskyrus mikroskopiškai mažus, deguonis negali pakankamai kiekio tiesiogiai patekti į oro ląsteles ir audinius. Tokiais atvejais dujų mainai su aplinka atliekami naudojant specialius organus (trachėja, žiaunos ir plaučiai). Stuburiniuose gyvūnuose deguonies tiekimas kiekvienai atskirai ląstelei vyksta per kraują ir yra užtikrinamas širdies ir visos kraujotakos sistemos darbais. Dujų mainų sudėtingumas gyvūnams ilgą laiką neleido mums išsiaiškinti tikrosios audinių kvėpavimo esmės ir reikšmės. Mūsų amžiaus mokslininkai labai stengėsi įrodyti, kad oksidacija vyksta ne plaučiuose, o ne kraujyje, bet visose gyvose ląstelėse.

Augalų organizme dujų mainų mechanizmai yra daug paprastesni nei gyvūnų. Oro deguonis įsiskverbia į kiekvieną augalų lapą per specialias angas - stomatas. Dujų mainai augaluose atliekami per visą kūno paviršių ir yra susijęs su vandens judėjimu per kraujagyslių ryšulius.

Organai, kurių oksidacija vyksta dėl laisvo deguonies (atmosferos arba ištirpinto vandenyje), vadinami aerobiniais, kaip jau minėta pirmiau. Šis keitimasis būdingas daugumai augalų ir gyvūnų.

Visi gyvi būtybės Žemėje kvėpavimo procese kasmet oksiduoja milijardus tonų organinių medžiagų. Tuo pačiu metu išsiskiria didžiulis energijos kiekis, naudojamas visose gyvenimo apraiškose.

Prancūzijos mokslininkai L. Pasteur praėjusiame amžiuje parodė galimybę sukurti kai kuriuos mikroorganizmus be deguonies, ty „gyvenimą be oro“. Organinių medžiagų be deguonies oksidacija vadinama fermentacija, o organizmai, galintys aktyviai gyventi aplinkoje, kurioje nėra deguonies, vadinami anaerobiniais. Tokiu būdu fermentacija yra išskaidymo forma anaerobiniame mainų tipe.

Fermentacijos metu, priešingai nei kvėpavimas, organinės medžiagos nėra oksiduojamos į galutinius produktus (CO 2 ir H2O), tačiau susidaro tarpiniai junginiai. Organinių medžiagų energija ne visai išsiskiria, dalis jos lieka tarpinėse fermentuojančiose medžiagose.

Fermentacija, kaip kvėpavimas, atliekama naudojant keletą sudėtingų cheminių reakcijų. Pavyzdžiui, galutiniai alkoholio fermentacijos rezultatai pateikiami pagal šią formulę: C6H12O6 = 2CO2 + 2C2H5OH + 25 kcal / g mol.

Alkoholio fermentacijos metu iš cukraus (gliukozės) susidaro dalinis oksidacijos produktas - etilo alkoholis, ir išskiriama tik nedidelė dalis angliavandenių.

Anaerobinių organizmų pavyzdys gali tarnauti kaip mielių grybai, kurie gauna energiją gyvybei, asimiliuoja angliavandenius ir daro juos alkoholio fermentacijai skilimo procese. Daugelis anaerobinių mikroorganizmų išskiria angliavandenius iki pieno, sviesto, acto rūgšties ir kitų netinkamo oksidacijos produktų. Kai kurie bakterijų tipai gali būti naudojami kaip energijos šaltinis ne tik cukrumi, amino rūgštimis ir riebalais, bet ir šlapime esančiais produktais, tokiais kaip karbamidas ir šlapimo rūgštis, ir medžiagos, sudarančios išmatą. Net peniciliną, kuris žudo daug bakterijų, naudoja viena tipo bakterijos kaip maistinė medžiaga.

Taigi, organinių junginių sintezės procese, tarsi jie būtų „konservuojami“ ar saugomi iki jų sintezei sunaudotų cheminių ryšių energijos. Jis atpalaiduojamas atvirkštinio organinių medžiagų skilimo proceso metu. Kalbant apie energiją, gyvos būtybės, kaip jau minėta, yra atviros sistemos. Tai reiškia, kad jiems reikia energijos iš išorės tokiu pavidalu, kad ji galėtų būti naudojama darbams, kurie yra neatskiriamai susiję su gyvenimo apraiškomis, ir išlaisvina tą pačią energiją į aplinką, bet pablogėjusi forma, pavyzdžiui, šilumos pavidalu. aplinkai. Dėl nuolatinių sintezės ir skilimo procesų, asimiliacijos ir skilimo gyvose būtybėse yra nuolatinė medžiagų apykaita ir energijos transformacija. Kokios energijos kiekis buvo absorbuojamas, nes daugelis jų išsiskiria disimiliacijos metu. Disimiliacijos metu išlaisvinta energija vykdo procesus, apibūdinančius gyvenimo esmę ir visas jos apraiškas.

<<< Назад

Persiųsti \u003e\u003e\u003e