Oxidarea compușilor anorganici de sulf. Oxidarea materiei organice - baza vieții
Oxidarea-reducerea reacțiilor care implică substanțe organice, soiurile lor, definiția produselor
Toate IAD în materie organică pot fi împărțite în 3 grupe:
Oxidarea completă și arderea
Oxidare ușoară
Oxidarea distructivă
1. Oxidarea completă și arderea. Oxidul (alte substanțe care susțin arderea, cum ar fi oxizii de azot), acidul azotic concentrat și acidul sulfuric pot fi utilizați ca oxidanți, pot fi utilizați săruri solide când sunt încălzite, oxigenul este eliberat (clorați, nitrați, permanganați etc.) , oxid de cupru (II)). În aceste reacții, se observă distrugerea tuturor legăturilor chimice în materie organică. Produsele de oxidare a materiei organice sunt dioxid de carbon și apă.
2. Oxidarea ușoarăÎn acest caz, lanțul de carbon nu se rupe. O oxidare ușoară include oxidarea alcoolilor la aldehide și cetone, oxidarea aldehidelor la acizii carboxilici, oxidarea alchenelor la alcoolii dihidrici (reacția Wagner), oxidarea acetilenei până la oxalatul de potasiu, toluenul până la acidul benzoic etc. În aceste cazuri, ca agenți oxidanți se utilizează soluții diluate de permanganat de potasiu, dicromat de potasiu, acid azotic, soluție de amoniac de oxid de argint, oxid de cupru (II), hidroxid de cupru (II).
3. Oxidarea distructivă. Se întâlnește în condiții mai severe decât oxidarea ușoară, însoțită de ruperea unor legături carbon-carbon. Ca agenți oxidanți, atunci când sunt încălzite, se utilizează soluții mai concentrate de permanganat de potasiu și dicromat de potasiu. Mediul acestor reacții poate fi acid, neutru și alcalin. Produsele de reacție vor depinde de aceasta.
Distrugerea (ruperea lanțului de carbon)apare în alchene și alchine - pe o legătură multiplă, în derivați de benzen - între primul și al doilea atom de carbon, dacă numărăți dintr-un inel, în alcooli terțiari - într-un atom care conține o grupare hidroxil, în cetone - într-un atom cu o grupare carbonil.
În timpul distrugeriiun fragment care conține un atom de carbon s-a stins, apoi se oxidează la dioxid de carbon (într-un mediu acid), bicarbonat și (sau) carbonat (într-un mediu neutru), carbonat (într-un mediu alcalin). Toate fragmentele mai lungi sunt transformate în acizi (într-un mediu acid) și sărurile acestor acizi (într-un mediu neutru și alcalin). În unele cazuri, nu se obțin acizii, ci cetonele (în timpul oxidării alcoolilor terțiari, radicalilor ramificați în omologii benzenului, în cetone, în alcene).
Următoarele diagrame prezintă opțiuni posibile pentru oxidarea derivaților de benzen într-un mediu acid și alcalin. Diferite culori au evidențiat atomii de carbon implicați în procesul redox. Evidențierea vă permite să urmăriți "soarta" fiecărui atom de carbon.
Oxidarea derivaților de benzen într-un mediu acid
oxidare - este procesul de recul de electroni de către un atom, moleculă sau ion, însoțit de o creștere a gradului de oxidare. Dar, în urma acestei definiții, foarte multe reacții organice pot fi atribuite reacțiilor de oxidare, de exemplu:
dehidrogenarea compușilor alifatici care conduc la formarea legăturilor carbon-carbon:
(gradul de oxidare a atomului de carbon de la care trece hidrogenul, variază de la -2 la -1)
reacțiile de substituție cu alcani:
(starea de oxidare a unui atom de carbon se modifică de la -4 la -3)
reacțiile de cuplare a halogenilor cu o legătură multiplă:
(gradul de oxidare a atomului de carbon se modifică de la -1 la 0) și multe alte reacții.
Deși aceste reacții sunt în mod formal legate de reacțiile de oxidare, în chimia organică, cu toate acestea, în mod tradițional oxidare este definit ca fiind procesul prin care, ca rezultat al transformării unui grup funcțional, un compus trece de la o categorie la una mai mare:
alchenă ® alcool ® aldehidă (cetonă) ® acid carboxilic.
Cele mai multe reacții de oxidare implică introducerea unui atom de oxigen într-o moleculă sau formarea unei legături duble cu un atom de oxigen existent datorită pierderii atomilor de hidrogen.
Și ce fel de compuși sunt capabili să dea oxigen substanțelor organice?
Agenți oxidanți
Pentru oxidarea substanțelor organice, se folosesc de obicei compuși ai metalelor de tranziție, oxigen, ozon, peroxizi și compuși ai sulfului, seleniului, iodului, azotului și altele.
Dintre agenții de oxidare bazați pe metale de tranziție, sunt preferabil utilizați compușii de crom (VI) și mangan (VII), (VI) și (IV).
Compușii cei mai obișnuiți de crom (VI) sunt o soluție de bicromat de potasiu K2Cr2O7 în acid sulfuric, o soluție de trioxid de crom CrO3 în acid sulfuric diluat ( reactiv Johnson), un complex de trioxid de crom cu piridină și reactiv Saretta - complex CrO3 cu piridină și HCI (clorocromat de piridiniu).
Atunci când materia organică este oxidată, cromul (VI) în orice mediu este redus la cromul (III), totuși, oxidarea într-un mediu alcalin în chimia organică nu găsește aplicații practice.
Permanganatul de potasiu KMnO 4 în medii diferite prezintă proprietăți oxidante diferite, în timp ce rezistența oxidantului crește într-un mediu acid:
Manganatul de potasiu K 2 MnO 4 și oxidul de mangan (IV) MnO 2 prezintă proprietăți oxidante numai într-un mediu acid.
Oxidul de cupru (II) este utilizat în mod obișnuit pentru a oxida aldehidele. Reacția se efectuează cu încălzire, în același timp hidroxidul albastru de cupru (II) se transformă mai întâi în hidroxid de cupru (I) de culoare galbenă, care se descompune apoi la oxidul de cupru roșu (I). O soluție de amoniac de hidroxid de argint este, de asemenea, utilizată ca agent de oxidare pentru aldehide ( oglindă de argint reacție)
I. Determinarea gradului de oxidare în substanțele organice.
Metoda algebrică
În substanțele organice este posibil să se determine gradul de oxidare a elementelor. metoda algebrică, se pare rata medie de oxidare. Această metodă este cea mai aplicabilă dacă toți atomii de carbon ai substanței organice la sfârșitul reacției au obținut același grad de oxidare (reacție de ardere sau oxidare completă)
Luați în considerare:
Exemplul 1. Încărcarea zaharozelor concentrate de acid sulfuric cu oxidare ulterioară:
C12H22O11 + H2SO4C02 + H20 + S02
Găsiți gradul de oxidare a carbonului în zaharoză: 0
În echilibrul electronic luați în considerare toate cele 12 atomi de carbon:
12C 0 - 48 e ® 12C +4 48 1
oxidare
S + 6 + 2 e ®S +4 2 24
recuperare
C12H22O11 + 24 H2S04 * 12CO2 + 35H20 + 24 SO 2
În majoritatea cazurilor, nu toți atomii de materie organică suferă oxidare, ci doar unii. În acest caz, numai atomii care schimbă gradul de oxidare sunt introduși în echilibrul electronilor și, prin urmare, este necesar să se cunoască gradul de oxidare a fiecărui atom.
2.metodă grafică:
1) este reprezentată formula structurală completă a substanței;
2) pentru fiecare legătură, săgeata indică deplasarea electronului către cel mai electronegativ element;
3) toate obligațiunile C-C sunt considerate nepolar;
Carbonul grupului carboxil modifică 3 electroni de la sine, starea sa de oxidare este +3, carbonul metil atrage 3 electroni de la hidrogen, iar starea sa de oxidare este de 3 ori.
Carbonul din grupul aldehidic dă doi electroni (+2) și atrage un singur electron (-1), pentru un grad total de oxidare a carbonului din grupul aldehidic +1. Carbonul radicalului atrage doi electroni de la hidrogen (-2) și dă 1 electron la clor (+1), pentru o stare totală de oxidare a acestui carbon -1.
N С С С ≡ С Н
Sarcina 1. Se determină gradul mediu de oxidare a atomilor de carbon prin metoda algebrică și gradul de oxidare a fiecărui atom de carbon prin metoda grafică în următorii compuși:
1) 2-aminopropan 2) glicerină 3) 1,2-diclorpropan 4) alanină
Metilfenilcetona
Acest proces se desfășoară în principal prin trei grupe de microorganisme: bacterii fotosintetice (purpuriu și verde), bacterii de sulf, bacterii thionice.
Relativ recent a descoperit că unele bacterii heterotrofice te. mesentericus, tu. subtilis, actinomycetes, ciuperci și drojdii sunt de asemenea capabile să oxidizeze sulful în prezența materiei organice, dar acest proces lateral este lent și energia eliberată în timpul oxidării nu este utilizată de către ei.
Bacteriile fotosintetice - microorganisme procariote purpuriu și verde, trăiesc în principal în corpurile de apă și efectuează "fotosinteza anaerobă" fără eliberarea oxigenului molecular. Toate bacteriile fototrofice din determinantul Bergie sunt combinate în ordinea Rhodospirillales pe baza capacității lor de fotosinteză anaerobă; există două subordonări: Rhodospirillineae - violet (rodobacterium), Chlorobiineae - clorobacterium (bacterii verzi). Cele mai multe bacterii fotosintetice sunt anaerobe stricte și fototrofe, deși printre bacteriile verzi și verzi există specii care se pot dezvolta heterotrofic în întuneric datorită respirației. Ca donator de hidrogen în timpul fotosintezei, bacteriile folosesc compuși ai sulfului redus, hidrogen molecular și unele specii - compuși organici.
Cea mai bine studiată din ordinea familiei rhodobacterium Chromatiaceae, genul Chromatium - bacterii violetice purpurii. Reprezentanții acestora din urmă sunt ovale sau în formă de tijă, au mobilitate datorită flagelului polar; ele sunt obligatorii pentru organismele fotolitotrofice anaerobe, oxidează hidrogen sulfurat succesiv la S0 și în continuare la SO4 2-. Uneori, globulele de sulf sunt depozitate în celulele lor, care treptat transformă în sulfați eliberați în exterior.
Printre bacteriile verzi de sulf, reprezentantii genului Chlorobium sunt bine studiate. Acestea sunt în principal forme în formă de tijă și vibrioide, înmulțite prin diviziune, adesea înconjurate de capsule mucoase, anaerobe stricte și fotolitotrofe obligatorii. Mulți dintre ei aduc oxidarea sulfului numai în stadiul de sulf liber. Sulful elementar este adesea depozitat în afara celulelor, dar sulful nu se acumulează în celule în sine.
Fotosinteticele bacterii sunt distribuite pe scară largă în corpurile de apă; trăiesc de obicei într-un mediu care conține hidrogen sulfurat (iazuri, lagune maritime, lacuri etc.) și își menține concentrația ridicată. În sol, aceste bacterii nu joacă un rol semnificativ, în timp ce în rezervoare activitatea lor este de mare importanță.
Bacterii de sulf - O echipă extinsă de microorganisme incolore, care se dezvoltă în prezența hidrogenului sulfurat, depozitează sulfuri în interiorul celulelor. Primele studii ale acestui grup de bacterii au fost efectuate de S. N. Vinogradsky în 1887, 1888. Aplicând metoda inițială de microcultură, care permite schimbarea mediului și observarea unui obiect viu pentru o lungă perioadă de timp, Vinogradsky a constatat că sulful depus în celulele Beggiatoa (un reprezentant tipic al bacteriilor sulfurate) este format din hidrogen sulfurat și poate fi oxidat de acest microorganism până la acidul sulfuric. În același timp, el a propus mai întâi conceptul existenței chemosintezei în bacterii (în special în cele filamentoase); ele pot crește în absența compușilor organici, iar procesul de oxidare a sulfului anorganic servește ca sursă de energie pentru respirație. Cu toate acestea, prezența chemoautotrofiei în cele mai multe bacterii sulfurate incolore este încă nerezonabilă, deoarece este posibilă izolarea acestora în cultura pură: deși microorganismele reușesc, ele nu sunt complet sigur că tulpinile izolate au aceeași fiziologie ca cele observate în natură. Caracteristica dată serobacteriilor de S. N. Vinogradsky (1888) rămâne practic neschimbată în prezent.
Bacteriile sulfurate incolore reprezintă un grup heterogen cu o singură caracteristică comună - capacitatea de a depune sulf în celule. Sistematica acestor organisme se dezvoltă numai la nivelul genului; nu toate pot fi considerate ferm stabilite. GA Zavarzin (1972), prin trăsături morfologice, distinge între ele forme: filamentoase, unicelulare cu celule mari și singelulare cu cele mai mici.
Bacteriile filamentoase aparțin la cinci genuri; cele mai faimoase dintre ele sunt Beggiatoa, Thiothrix și Thioploca.
Genul Beggiatoa este reprezentat de organisme filamentoase incolore care formează trichomi, asemănătoare cu trichomii de alge în structură, dar spre deosebire de cele din urmă, ele conțin incluziuni de sulf. Trichomii nu se atașează niciodată substratului, au mobilitate datorată mucusului format și se găsesc în apele sedentare cu un conținut scăzut de hidrogen sulfurat aparțin microaerofililor. Pe suprafața nămolurilor din corpurile de apă, în locurile lor de acumulare, ele formează pete albe mari sau o plasă albă delicată. Toate speciile de acest fel oxidează hidrogenul sulfurat și sulfurile la sulful elementar, care este depozitat în interiorul celulelor și în cazul lipsei de hidrogen sulfurat sau sulfură - în mediul extern. Sulful depus în interiorul celulelor este oxidat în acid sulfuric și eliberat. Atunci când sunt combinate cu metale, se formează sulfați.
Reprezentanții genului Thiothrix sunt foarte asemănătoare cu structura bacteriilor sulfuroase din genul Beggiatoa, dar diferă de acestea din urmă prin faptul că se atașează la substrat cu un disc mucus special, care se găsește de obicei în apele sulfuroase cu curgere rapidă. Firele lor apar negre din cauza acumulării mari de sulf depus. Thiothrix produce murdărire albă pe obiecte subacvatice într-un mediu mobil. Tufurile de tip thioplocă se găsesc în mai multe corpuri de apă, în straturile superioare ale nămolului; situate vertical, traversează orizonturile de oxidare și de reducere, continuând să se deplaseze în sus și în jos pe măsură ce apa se deplasează la oxigen, apoi la mediul de hidrogen sulfurat inferior. În capsula mucoasă groasă, acoperită în exterior cu bucăți de detritus, sunt trichomi intercalate (pot fi de la 1 la 20). Thioploca bacterii au fost izolate din nămoluri marine bogate în calciu și pui de apă dulce.
Serobacteriile unicelulare cu celule mari sunt reprezentate de trei genuri: Achromatium, Thiovulum și Macronionas: dimensiuni ale celulelor la toate speciile - 10-40 microni; înmulțirea prin divizare sau constricție; forma celulelor este ovală și cilindrică. Pe lângă picăturile de sulf, celulele conțin adesea carbonat de calciu.
Formele unicelulare cu celule mici sunt combinate în două genuri: Thiospira și Thiobacterium. Thiospira a fost puțin studiat. Genul Thiobacterium include trei specii. Aceste bastoane mici fixate, înconjurate de capsule mucoase, sunt capabile să formeze un zoogel; sulf în celule nu este depus în toate speciile.
Bacteriile sulfurate incolore - microorganisme acvatice tipice, sunt comune în corpurile de apă, unde hidrogenul sulfurat este cel puțin slab format. Toate acestea sunt microaerofile, foarte sensibile la concentrația de hidrogen sulfurat: într-un mediu saturat cu hidrogen sulfurat, acestea mor rapid, la o concentrație mai mică de 40 mg / l, se dezvoltă cel mai magnific.
Condițiile optime pentru ele sunt create în sisteme de neechilibru, unde hidrogenul sulfurat se acumulează încet și există un mediu alcalin sau aproape de neutru. Printre bacteriile sulfurate incolore se dezvoltă bine atât la temperaturi scăzute, cât și la temperaturi ridicate - până la 50 ° C (în izvoare termale). Pot rezista la concentrații mari de sare și se dezvoltă în noroiul negru al lacurilor sărate, într-o soluție de sare aproape saturată. Ele sunt încă cele mai frecvente în apele dulci.
În acumulările de masă de bacterii de sulf se găsesc în bazinele de pe suprafața nămolului, prin urmare, hidrogenul sulfurat eliberat în nămol oxidează și nu otrăvește masa de apă. În cazul contaminării masei de apă cu hidrogen sulfurat, bacteriile pot forma la o adâncime sau alta o așa numită "placă bacteriană" sau film, deasupra căruia nu există hidrogen sulfurat și sub oxigen. De exemplu, în Marea Neagră, un astfel de film este situat la o adâncime de 200 m și previne intrarea hidrogenului sulfurat deasupra acestui nivel. Bacteriile de sulf care o locuiesc la granița zonelor aerobe și anaerobe se află într-o mișcare haotică, neîncetată: coborând în urma sulfului hidrogen, urcând în spatele oxigenului. Ei oxidează hidrogen sulfurat la sulful elementar și obțin energia necesară pentru sinteza substanțelor organice. Prin chemosinteză, datorită oxidării a 25 g H2S / m2, 8 g s / m2 pe an pot fi asimilați (Sorokin, 1970). După deportare, corpurile microbiene îmbogățite cu sulf elementar sunt scufundate în zona de sulfură de hidrogen, parțial ajung la fund, unde descompunerea bacteriilor se descompune, iar sulful este readus din nou la hidrogen sulfurat. Se presupune că în grosimea apei de mare din stratul de graniță (O 2 și H 2 S) prima etapă de oxidare a hidrogenului sulfurat se realizează prin metode chimice (Skopindev, 1973).
Bacteriile de sulf sunt adesea concentrate în cantități mari în surse de sulfură de hidrogen.
Participarea bacteriilor sulfurate la ciclul de sulf este probabil nesemnificativă, deși rolul lor în prevenirea otrăvirii cu hidrogen sulfurat al straturilor de apă și efectul asupra migrației și depunerii de metale pare a fi semnificativ.
Principalul rol în oxidarea sulfului este dat bacteriilor thionice.
Bacterii thionice - Un singur grup morfologic și biochimic de microorganisme găsite în soluri, corpuri de apă proaspătă și salină, depozite de sulf și în roci. Bacteriile tionice primesc energie prin oxidarea compușilor cu conținut redus de sulf, cum ar fi hidrogen sulfurat, sulfuri, sulfit, tiosulfat, tetrathionat, tiocianat, ditionit, precum și sulful molecular. Sulful format ca produs intermediar este depozitat în afara celulelor. Ca acceptor de electroni, folosesc oxigen liber, iar unele tipuri - oxigen nitrat. În funcție de tipul de nutriție, bacteriile tionice pot fi împărțite în grupuri: autotrofe, mixotrofe și litoterotrofe. Majoritatea bacteriilor thionice sunt aerobe, deși sunt cunoscute anaerobe facultative, cum ar fi Th. denitrifisans. În funcție de habitat, se comportă diferit: în condiții aerobe efectuează un proces cu participarea oxigenului molecular, în condiții anaerobe, trec la denitrificare și reduce nitrații la azot molecular. Sunt cunoscute patru gene de bacterii thionice: Thiobacillus - în formă de tijă, motilă; Thiomicrospira - spirală, mobilă; Thiodendron - microcolonii de celule ovale sau elicoidale torsadate conectate prin tulpini sau hifele ramificate. Sulfolobus - lobat, cu un perete celular redus. Deoarece bacteriile din genul Thiobacillus, care este larg răspândită în ecosistemele terestre și acvatice, sunt în mod special active în ciclul de sulf, ele sunt în principal studiate.
În ceea ce privește aciditatea mediului, tiobacilii sunt împărțiți în două grupe: acelea care cresc în condiții neutre sau alcaline (pH 6-9) și cele care cresc în condiții acide (acidofile). Pentru tiobacilii din grupa I, valoarea optimă a pH-ului este în intervalul 6-9; speciile sale sunt: T. thioparus, T. denitrificans, T. novellus, T. thiocyanooxidans, T. neapolitanus. Toți oxidează hidrogen sulfurat, sulf și tiosulfat. Luați în considerare cei mai studenți reprezentanți ai acestui grup.
T. thioparus este o bacterie autotrofică izolată de Beyerink (1904), se dezvoltă atunci când mediul este neutru, mobil (are un flagel polar), gram-negativ este capabil să oxideze hidrogen sulfurat, ion hidrosulfid și sulfură de calciu numai din sulfuri. Produsele de oxidare sunt sulf, politionați (în principal tetrathionați) și acid sulfuric. Se poate dezvolta ca un microaerofil și este foarte instabil la aciditate.
Astfel, acumularea de sulf elementar se poate datora: a) reducerii sulfatilor prin desulfurizarea bacteriilor; b) oxidarea hidrogenului sulfurat de bacterii thionice. Solul elementar se acumulează pe fundul noroios al lacurilor sărăcăcioase și se găsește în partea de jos a Mării Caspice, unde se formează datorită oxidării hidrogenului sulfurat eliberat din siloz.
Formarea multor depozite de sulf este asociată cu activitatea de oxidare a bacteriilor thionice. Depozitele de sulf sedimentare coincid din punct de vedere geografic cu rocile purtătoare de gips de la Permian, Cretacic inferior, Paleogene, Neogene și sunt situate de-a lungul granițelor elementelor geostructurale ridicate sau scufundate. Deseori restrâns la brachyanticlines cu câmpuri petroliere, în cazul în care stancile sunt de obicei fragmentate, crăpate, arcurile de anticline sunt distruse, ceea ce facilitează fluxul de hidrogen sulfurat și apă saturată la suprafață. Aici, în mediul de oxigen, populat abundent de bacterii thionice, procesul de oxidare a hidrogenului sulfurat cu acumularea de sulf elementar. Acestea sunt depozitele din Asia Centrală: Gaurdak, Shorsu, Sulfuric hillocks în Karakum.
T. tiocianooxidanii este în multe feluri similar cu T. thioparus, dar diferă prin faptul că oxidizează în afară de hidrogen sulfurat și rodonită. Aceste bacterii se găsesc (Happold, Kay, 1934) și izolate într-o cultură pură (Happold, Johnston, Rogers, 1954). Morfologic, T. tiocinooxidanii - bastoane cu un flagel polar, autotrofic, aerobic; pentru ei un mediu neutru este favorabil; prezența materiei organice la o concentrație mai mare de 1% inhibă dezvoltarea acestora.
T. novellus este un organism mixotrofic, descoperit și izolat din solul lui R. L. Starkey în 1934, gram-negativ, staționar, în formă de tijă, crește bine pe medii organice, dar în anumite condiții se poate trece de la un tip heterotrofic de nutriție la unul autotrofic.
Bacteria denitrificatoare tionică este un bacil mic, indiscutabil, mobil, descoperit pentru prima oară de Beierinck: (1904) în condiții anaerobe, oxidează mediul și compușii anorganici la sulfați, reducând în același timp nitrații la azot molecular.
În condiții aerobe, nu se produce reducerea nitraților, iar bacteriile folosesc oxigenul, aerul ca agent de oxidare.
Grupul de microorganisme care se dezvoltă într-un mediu acid include: T. ferrooxidans, T. intermedius, T. thiooxidans. Valoarea pH-ului 2-4 este optimă pentru ele, dar ele pot crește la un pH de la 0,5 la 7. Primele două specii nu cresc la pH\u003e 5: T. Tiooxidanții sunt microorganismele cel mai acideofilice în natură, deoarece mențin viabilitatea la un pH de aproximativ 0 .
T. thiooxidans - bacilul de flagel, mobil, formează mucus, autotroph, a fost descoperit atunci când studiază descompunerea sulfului în sol (Waxman, Ioffe, 1922). Abilitatea de a oxida, așa cum a fost recent stabilită, niște compuși organici ai sulfului. Principalul substrat oxidat de acest organism este sulful molecular și, uneori, tiosulfatul, în condiții aerobe, acest proces se duce la stadiul de izolare a acidului sulfuric. Energia de oxidare este utilizată pentru a absorbi dioxidul de carbon. Abilitatea acestui tip de a oxida hidrogen sulfurat și alți compuși nu a fost clarificată în cele din urmă, deoarece acești compuși sunt instabili într-un mediu acid.
Bacteria de oxidare a fierului de fier T. ferrooxidans este un organism foarte interesant, este descris și izolat din apele de ape de ape de ape acide (Coiner, Hinkle, 1947), un baston mic cu flagel polar, mobil, nu formează un spore, nu pătrunde prin Gram, reproduce prin divizare, chemolitotrof, pH 1.7-3.5 - optim, aerob. Acesta ocupă o poziție specială în rândul tioobacteriilor, deoarece capacitatea de creștere autotrofică este cauzată nu numai de energia obținută prin oxidarea compușilor de sulf, ci și de oxidul feros eliberat în timpul oxidării în oxid. Deoarece ionul este Fe2 + la pH<4 в стерильной среде устойчив против окисления кислородом воздуха, то Т. ferrooxidans можно было бы отнести к железобактериям, среди которых организм занимает определенную экологическую нишу, но по таксономическим признакам он ближе к тионовым бактериям, особенно Т. thiooxidans. Источник энергии для этого организма - окисление пирита, марказита, пирротина, антимонита и других сульфидов; остальные тиобактерии обладают меньшей способностью окислять нерастворимые в воде сульфиды тяжелых металлов. Окисление Fe 2+ этим организмом - сложный, до конца не выясненный процесс. Установлено, что окисление 1 г/ат Fe 2 + до трехвалентного при pH 1,5 дает энергию - 11,3 ккал и при этом выделяется теплота - 10 ккал/моль (Медведева, 1980).
T. ferrooxidans se caracterizează prin rezistență ridicată la concentrațiile de metale grele: rezistă la o soluție de sulfat de cupru de 5%, o concentrație de Cu de 2 g / l sau 1 g / l arsenic, se dezvoltă cu doze mici de azot, fosfor și ușoară aerare, oxidarea depozitelor de sulfuri. Fierul oxidat într-un mediu acid nu formează structuri formate, iar celulele bacteriilor sunt aproape întotdeauna libere. Bacteriile oxidează sulful elementar, sulfurile, tiosulfatul, tetrathionitul, hidrosulfura. În depozitele de sulfuri se efectuează o dublă funcție: oxidarea sulfului de sulfați la acidul sulfuric, care la rândul său dizolvă hidroxizi de fier, se formează sulfat de oxid de fier, acesta din urmă reacționând cu sulfuri, contribuie (datorită reducerii fierului) la oxidarea chimică a sulfului bivalent care face parte din sulfuri, la hexavalent.
Un număr de bacterii thionice pot oxida diverse minerale sulfuroase (Cu, Zn, Pb, Ni, Co, As), pot participa la schimbarea stărilor de valență ale uraniului și vanadiului, pot suporta concentrații mari de metale, se dezvoltă într-o soluție de sulfat de cupru cu o concentrație de până la 6%. Scara de activitate a acestor organisme este impresionantă. Astfel, pentru o zi, 6115 kg de cupru și 1706 kg de zinc au fost îndepărtate din depozitul Degtyarskoe (Kravaiko et al., 1967). Multe bacterii se găsesc pe minereuri minerale și primesc, datorită oxidării lor, energia necesară pentru asimilarea dioxidului de carbon. Bacteriile bacteriene, atribuite genului T. ferrooxidans, se găsesc în toate depozitele de antimoniu. Ei oxidează antimonitul în condiții acide ale mediului înconjurător (în prezența piritei). În condiții neutre și slab alcaline, alte bacterii, T. denitrificans, pot accelera oxidarea antimonitului. În prima etapă, oxidarea cu sulf a antimonitului are loc sub influența T. ferrooxidans sau a altor tiobacili; sulfatul de antimoniu este instabil și hidrolizează Sb2; Se formează peroxidul de antimoniu, senarmonitul mineral. Oxidarea antimonului trivalent la oxizii mai mari ai Sb 5+ are loc atunci când este expus microorganismului autotrofic Stibiobacter senarmontii, pentru care mediul neutru este cel mai favorabil. Cherobosinteza microorganismului oxidant senarmonit - Stibiobacter gen. nov .: mineralul grupului de stibiconit (Lyalikova, 1972).
Bacteriile hetetrotrofice sunt răspândite în depozitele de minereuri, a căror activitate geochimică este încă foarte prost studiată. Cu toate acestea, sa stabilit că unele dintre ele (Pseudomonas denitrificans, P. fluorescens), izolate din minereurile de sulfuri, sunt oxidate. Indiferent dacă pot utiliza energia de oxidare a compușilor cu sulf redus, nu este încă clară. Evident, activitatea lor este asociată cu formarea de acizi organici care pot descompune mineralele.
Deci, în zona de oxidare a depozitelor de sulfuri, se formează un mediu sulfat, sulfurile sunt înlocuite cu sulfați, vremea este acidă, mineralele de roci purtătoare de minereu sunt simultan distruse, sunt înlocuite cu minerale secundare - jarosit, goethit, anglesit, antlerit, digenit etc. Scara oxizilor de fier este formată din așa-numita "pălărie de fier". Dacă rocile gazdă sunt carbonate, atunci când sunt expuse la acid sulfuric, se formează o cantitate mare de gips, acidul sulfuric este neutralizat. Dacă rocile sunt necarbonate, atunci apele sulfatice agresive elimină metalele alcaline și alcalino-pământoase, metalele grele din grupul de fier și altele din acvifere sub formă de sulfați; se formează zonele albite, unde rămân cele mai stabile minerale din acid sulfuric, cuarț, și caolinită din minerale secundare.
La ieșirea la suprafață sub formă de surse, apele acide, îmbogățite cu sulfați de cupru, zinc, cobalt, fier, aluminiu, nichel și alte elemente, cauzează formarea de solonchaci acide (tionice). În mlaștini asemănătoare cu sarea din apropierea unuia dintre depozitele de sulfură de cupru din Uralul de Sud, o groapă de mesteacan a apărut printre stepa uscată.
Acidul alum (thionic) este comun pe coastele mării, în uscarea Deltasului de coastă, care este asociat cu oxidarea hidrotroilitului și a piritului, care s-au format în trecut din cauza restaurării sulfatului apelor mării cu un conținut mai mare de apă pe teritoriu și dominația regimului de restaurare. Oxidarea sulfurilor cu bacterii thionice este insotita de formarea acidului sulfuric, inlocuirea carbonatilor de calciu cu gips, dizolvarea oxizilor de aluminiu si fier cu formarea de alum: Al 2 (SO 4) 3, Fe 2 (SO 4) 3. Acidul bogat în soluri de alum formate în latitudini temperate pe coastele de jos ale Suediei și Finlandei (Golful Botnic), pe polderi și marșuri din Țările de Jos, nu sunt neobișnuite în deltele râurilor subtropicale și tropicale, descoperite în Delta Murray, în Asia de Sud-Est, aveți nume locale, de exemplu: "poto-poto", "katclay" etc.
Acoperirea acidului sulfuric este caracteristică depozitelor de sulf care apar pe suprafață, în jurul căreia se formează o zonă de roci strălucitoare, albe, se formează ape "vitriol" acide cu un conținut ridicat de sulfat feros. Când aceste ape sunt amestecate cu ape dulci, se precipită un precipitat ruginos de hidrat de fier (limonit), încadrat în zona de acid sulfuric.
În timpul dezvoltării minereurilor de sulfuri și a cărbunelui sulfuros, sulfurile extrase la suprafață sunt oxidate; se formează ape miniere acide, în care se dezvoltă bacterii thionice. Aceste ape sunt echipamente foarte agresive, corodate cu metale. Se observă ape acide cu un pH de 1,5-2,0 de la haldele de gunoi, grămezi de cărbune care conțin sulfuri împrăștiate, vegetația moartă sub influența lor, acidifiere accentuată și degradarea solului. Pentru a localiza și neutraliza aceste fluxuri, în calea lor se introduc bariere speciale de calcar, se efectuează calcarizarea solurilor contaminate cu ape acide.
Fracționarea izotopilor de sulf. Patru izotopi stabili de sulf se distribuie în crusta pământului. Raportul izotopilor de sulf în diferite obiecte naturale nu este același. Ca standard, raportul S 32 și S 34 în meteoriti de sulfuri este acceptat, unde este 22,21.
Există tendința de a epuiza izotopul greu al compușilor naturali de sulf formați cu participarea microorganismelor, acestea fiind sulfuri de origine sedimentară și hidrogen sulfurat biogenic; sulfurile de roci ignifuge și sulfații de evaporat, dimpotrivă, sunt îmbogățite comparativ cu standardul cu un izotop ușor de sulf.
Dacă găsiți o eroare, evidențiați o bucată de text și dați clic pe Ctrl + Enter.
Oxidarea materiei organice - baza vieții
Substanța organică și energia conținută în ele, care se formează în celulele oricărui organism în procesul de asimilare, suferă un proces invers - disimilare. Atunci când este eliberată disimilarea, energia chimică este eliberată în organism în diferite forme de energie - mecanică, termică etc. Energia eliberată în timpul disimilației este aceeași bază materială care realizează toate procesele de viață - sinteza substanțelor organice, autoreglementarea organismului, creșterea, dezvoltarea , reproducerea, reacțiile corporale la influențele externe și alte manifestări ale vieții.
Disipierea, sau oxidarea, în organismele vii se realizează în două moduri. În cele mai multe plante, animale, oameni și organisme de protozoare, oxidarea substanțelor organice are loc cu participarea oxigenului atmosferic. Acest proces se numește "respirație", sau aerobic (din lat. Aer - aer) proces. În unele grupuri de plante care pot exista fără aer, oxidarea are loc fără oxigen, adică anaerob, și se numește fermentație. Luați în considerare fiecare dintre aceste procese separat.
Conceptul de "respirație" inițial însemna numai inhalarea și expirarea aerului de către plămâni. Apoi, schimbul de gaze între celulă și mediul său a fost numit "respirație" - consumul de oxigen și eliberarea dioxidului de carbon. Studiile aprofundate au arătat că respirația este un proces complex în mai multe etape care are loc în fiecare celulă a unui organism viu, cu participarea obligatorie a catalizatorilor biologici - enzimelor.
Substanța organică, înainte de a se transforma într-un "combustibil" care dă energie celulei și corpului ca întreg, trebuie tratată corespunzător cu enzime. Acest tratament constă în defalcarea moleculelor mari de biopolimeri - proteine, grăsimi, polizaharide (amidon și glicogen) - în monomeri. Astfel, se obține o anumită universalizare a materialului nutritiv.
Astfel, în loc de multe sute de polimeri diferiți, cum ar fi alimente, se formează mai multe zeci de monomeri - aminoacizi, acizi grași, glicerol și glucoză în intestinele animalelor, care sunt apoi transmise celulelor țesuturilor de origine animală și umană prin căile sangvine și limfatice. Celulele continuă să universalizeze aceste substanțe. Toți monomerii sunt transformați în molecule de acid carboxilic cu lanț de carbon mai simple, conținând de la doi la șase atomi. Dacă există mai mulți duzini de monomeri, dintre care douăzeci sunt aminoacizi, atunci există doar zece acizi carboxilici. Astfel, specificitatea nutrienților este în cele din urmă pierdută.
Dar acizii carboxilici sunt doar precursori ai materialului, care poate fi numit "combustibil biologic". Ele nu pot fi folosite în procesele energetice ale celulei. Următoarea etapă a universalizării este îndepărtarea hidrogenului din acizii carboxilici. Aceasta produce dioxid de carbon (CO 2), pe care organismul îl exhalează. Atomul de hidrogen conține un electron și un proton. Pentru energia celulozei și a întregului organism (bioenergie), rolul acestor părți componente ale atomului este departe de a fi echivalent. Energia închisă în nucleul atomic nu este accesibilă celulei. Transformarea electronului în atomul de hidrogen este însoțită de eliberarea energiei, care este utilizată în procesele de viață ale celulei. Prin urmare, eliberarea electronului se termină în ultima etapă a universalizării biocombustibililor. În această perioadă, specificitatea substanțelor organice, a constituenților lor și a acizilor carboxilici nu contează, deoarece toate acestea conduc în cele din urmă la formarea unui purtător de energie - un electron.
Electronul excitat se combină cu oxigenul. După ce au primit doi electroni, oxigenul este încărcat negativ, adaugă două protoni și formează apă. Acesta este actul respirației celulare.
Oxidarea substanțelor organice în celule are loc în mitocondrii, care, după cum sa menționat deja în broșura anterioară, joacă rolul unui dinam care convertește energia arderii de carbohidrați și grăsimi în energia adenozin trifosfatului (ATP).
Oxidarea în organism sunt în principal carbohidrați. Procesele inițiale și finale de oxidare a carbohidraților pot fi exprimate prin următoarea formulă: C 6 H 12 O 6 + 6O 2 = 6CO 2 + 6H 2 O + energie.
În organismele de origine animală și vegetală, procesul de respirație este în esență același: sensul biologic în ambele cazuri constă în a primi energie din fiecare celulă ca urmare a oxidării substanțelor organice. ATP-ul format în acest proces este folosit ca un acumulator de energie. Este cu această baterie că nevoia de energie este completat, indiferent de unde se află în celulele oricărui organism.
În procesul de respirație, plantele consumă oxigen exact în același mod ca și animalele și eliberează dioxid de carbon. În ambele animale și plante, respirația este continuă zi și noapte. Încetarea respirației, de exemplu, prin oprirea accesului la oxigen, duce în mod inevitabil la moarte, deoarece activitatea vitală a celulelor nu poate fi menținută fără utilizarea continuă a energiei. La toate animalele, cu excepția micilor microscopici, oxigenul nu poate ajunge în cantități suficiente direct în celulele și țesuturile aerului. În aceste cazuri, schimbul de gaze cu mediul este realizat cu ajutorul unor organe speciale (trahee, gâturi și plămâni). La vertebrate, aprovizionarea cu oxigen a fiecărei celule individuale are loc prin sânge și este asigurată de activitatea inimii și a întregului sistem circulator. Complexitatea schimbului de gaze la animale pentru o lungă perioadă de timp ne-a împiedicat să găsim adevărata esență și semnificația respirației tisulare. Oamenii de stiinta din secolul nostru au facut multe eforturi pentru a dovedi ca oxidarea nu are loc in plamani si nu in sange, ci in fiecare celula vii.
Într-un organism vegetal, mecanismele schimbului de gaze sunt mult mai simple decât la animale. Oxigenul aerului pătrunde în fiecare frunză a plantelor prin deschideri speciale - stomatele. Schimbul de gaze în plante se realizează pe întreaga suprafață a corpului și este asociat cu mișcarea apei prin legăturile vasculare.
Organismele a căror oxidare se produce datorită oxigenului liber (atmosferic sau dizolvat în apă) sunt numite, după cum sa menționat mai sus, aerobic. Acest tip de schimb este caracteristic pentru marea majoritate a plantelor și animalelor.
Toate creaturile vii de pe Pământ, în timpul procesului de respirație, oxidează anual miliarde de tone de materie organică. În același timp, se eliberează o cantitate enormă de energie, care este folosită în toate manifestările vieții.
Oamenii de știință francezi L. Pasteur din secolul trecut au arătat posibilitatea dezvoltării unor microorganisme într-un mediu fără oxigen, adică "viață fără aer". Oxidarea substanțelor organice fără oxigen se numește fermentație, iar organismele capabile de viața activă într-un mediu lipsit de oxigen sunt numite anaerobe. Astfel, fermentația este o formă de disimilare în tipul de schimb anaerob.
În timpul fermentației, spre deosebire de respirație, substanțele organice nu sunt oxidate la produsele finale (CO 2 și H 2 O), ci se formează compuși intermediari. Energia conținută în substanțele organice nu este total eliberată, o parte din ea rămâne în substanțele fermentatoare intermediare.
Fermentația, cum ar fi respirația, se realizează printr-o serie de reacții chimice complexe. De exemplu, rezultatele finale ale fermentației alcoolice sunt reprezentate de următoarea formulă: C6H12O6 = 2CO2 + 2C2H5OH + 25 kcal / g mol.
Ca urmare a fermentației alcoolice, se formează un produs parțial de oxidare - alcool etilic din zahăr (glucoză) și se eliberează doar o mică parte din energia conținută în carbohidrați.
Un exemplu de organisme anaerobe poate servi ca ciuperci de drojdie, care primesc energie pentru viață, asimilând carbohidrații și supunându-le fermentației alcoolice în procesul de disimilare. Multe microorganisme anaerobe descompun carbohidrații în acid lactic, butiric, acid acetic și alte produse de oxidare incompletă. Unele tipuri de bacterii pot utiliza ca sursă de energie nu numai zaharuri, aminoacizi și grăsimi, ci și produse de excreție animală, cum ar fi ureea și acidul uric, conținute în urină și substanțele care compun excrementele. Chiar și penicilina, care ucide multe bacterii, este folosită de un tip de bacterii ca nutrient.
Astfel, în procesul de sinteză a compușilor organici, este ca și cum s-ar "conserva" în ei sau ar fi stocat energia legăturilor chimice cheltuite pe sinteza lor. Acesta este eliberat din nou în timpul procesului invers de descompunere a substanțelor organice. În ceea ce privește energia, ființele vii sunt, așa cum sa menționat deja, sisteme deschise. Aceasta înseamnă că ei au nevoie de energie din afară într-o formă care să permită folosirea ei pentru a realiza o lucrare care este în mod inextricabil legată de manifestările vieții și eliberează aceeași energie în mediu, dar într-o formă defectuoasă, de exemplu sub formă de căldură, mediul înconjurător. Datorită proceselor continue de sinteză și degradare, asimilare și disimilare în ființele vii, există o circulație constantă a substanțelor și transformarea energiei. Ce cantitate de energie a fost absorbită, cât de mult este eliberată în timpul disimilării. Energia eliberată în timpul disimilării realizează procese care caracterizează esența vieții și toate manifestările ei.
| <<< Назад
|
Înainte \u003e\u003e\u003e |