Oksidacija anorganskih žveplovih spojin. Oksidacija organske snovi - osnova življenja

Oksidacijsko-redukcijske reakcije, ki vključujejo organske snovi, njihove sorte, opredelitev proizvodov

Vse IAD v organskih organih lahko razdelimo v 3 skupine:

Popolna oksidacija in gorenje

Blaga oksidacija

Uničujoča oksidacija

1. Popolna oksidacija in gorenje. Kisik (druge snovi, ki podpirajo zgorevanje, kot so dušikovi oksidi), koncentrirana dušikova kislina in žveplova kislina se lahko uporabijo kot oksidanti, lahko se uporabijo trdne soli, pri segrevanju pa se sprosti kisik (klorati, nitrati, permanganati itd.), Drugi oksidanti (npr. bakrov (II) oksid). Pri teh reakcijah opazimo uničenje vseh kemičnih vezi v organski snovi. Izdelki oksidacije organskih snovi so ogljikov dioksid in voda.

2. Blaga oksidacijaV tem primeru se veriga ogljika ne razbije. Blaga oksidacija vključuje oksidacijo alkoholov v aldehide in ketone, oksidacijo aldehidov v karboksilne kisline, oksidacijo alkenov v dihidrične alkohole (Wagnerjeva reakcija), oksidacijo acetilena v kalijev oksalat, toluen v benzojsko kislino itd. V teh primerih se kot oksidacijska sredstva uporabijo razredčene raztopine kalijevega permanganata, kalijevega dikromata, dušikove kisline, raztopine srebrovega oksida, bakrovega (II) oksida, bakrovega (II) hidroksida.

3. Uničujoča oksidacija. Pojavlja se v težjih pogojih kot blage oksidacije, ki jo spremlja razpok nekaterih vezi ogljik-ogljik. Kot oksidanti se pri segrevanju uporabljajo bolj koncentrirane raztopine kalijevega permanganata in kalijevega dikromata. Mediji teh reakcij so lahko kisli, nevtralni in alkalni. Od tega bodo odvisni reakcijski produkti.

Uničenje (prekinitev verige ogljika)pojavlja se v alkenih in alkinah - na večkratni vezi, v derivatih benzena - med prvim in drugim ogljikovim atomom, če računamo iz obroča, v terciarnih alkoholih - v atomu, ki vsebuje hidroksilno skupino, v ketonih - v atomu s karbonilno skupino.

Če med uničenjemizločen je bil fragment, ki vsebuje 1 atom ogljika, nato pa je oksidiran v ogljikov dioksid (v kislem mediju), bikarbonat in (ali) karbonat (v nevtralnem mediju), karbonat (v alkalnem mediju). Vsi daljši fragmenti se pretvorijo v kisline (v kislem mediju) in soli teh kislin (v nevtralnem in alkalnem mediju). V nekaterih primerih niso pridobljene kisline, ampak ketoni (med oksidacijo terciarnih alkoholov, razvejani radikali v homologih benzena, v ketonih, v alkenih).

Naslednji diagrami prikazujejo možne možnosti za oksidacijo derivatov benzena v kislem in alkalnem okolju. Različne barve so poudarile ogljikove atome, vključene v redoks proces. Označevanje vam omogoča sledenje "usodi" vsakega ogljikovega atoma.

Oksidacija derivatov benzena v kislem okolju

Oksidacija  - je proces odboja elektronov po atomu, molekuli ali ionu, ki ga spremlja povečanje stopnje oksidacije. Toda po tej opredelitvi lahko zelo veliko organskih reakcij pripišemo oksidacijskim reakcijam, na primer:

dehidrogeniranje alifatskih spojin, ki vodi do tvorbe dvojnih vezi ogljik-ogljik:

(stopnja oksidacije ogljikovega atoma, iz katere gre vodik, se spreminja od -2 do -1),

reakcije substitucije alkana:

(oksidacijsko stanje atoma ogljika se spreminja od -4 do -3),

reakcije vezave halogenov na večkratno vez:

(stopnja oksidacije ogljikovega atoma spremeni od -1 do 0) in mnoge druge reakcije.

Čeprav so te reakcije formalno povezane z oksidacijskimi reakcijami, so v organski kemiji tradicionalno oksidacijo  je definiran kot proces, s katerim spojina zaradi preoblikovanja funkcionalne skupine prehaja iz ene kategorije v višjo:

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

Večina oksidacijskih reakcij vključuje vnos kisikovega atoma v molekulo ali tvorbo dvojne vezi z obstoječim kisikovim atomom zaradi izgube atomov vodika.

In kakšne spojine lahko dajo kisik organskim snovem?

Oksidacijska sredstva

Za oksidacijo organskih snovi se običajno uporabljajo spojine prehodnih kovin, kisika, ozona, peroksidov in spojin žvepla, selena, joda, dušika in drugih.

Med oksidacijskimi sredstvi na osnovi prehodnih kovin prednostno uporabimo kromove (VI) in manganove (VII), (VI) in (IV) spojine.

Najpogostejše spojine kroma (VI) so raztopina kalijevega bikromata K 2 Cr 2 O 7 v žveplovi kislini, raztopina kromovega trioksida CrO 3 v razredčeni žveplovi kislini ( johnsonov reagent) kompleks kromovega trioksida s piridinom in reagent Saretta  - CrO3 kompleks s piridinom in HCl (piridinijev klorokromat).

Ko se organska snov oksidira, se krom (VI) v katerem koli mediju reducira na krom (III), vendar oksidacija v alkalnem mediju v organski kemiji ni primerna za uporabo.

Kalijev permanganat KMnO 4 v različnih okoljih kaže različne oksidativne lastnosti, medtem ko se moč kisika v kislem okolju povečuje:

Kalijev manganat K 2 MnO 4 in mangan (IV) oksid MnO 2 imata le oksidativne lastnosti v kislem okolju.

Bakrov (II) hidroksid se običajno uporablja za oksidacijo aldehidov. Reakcijo izvedemo s segrevanjem, obenem pa se modri bakrov hidroksid (II) najprej obrne v bakrov hidroksid (I) rumene barve, ki se nato razgradi na rdeč bakrov oksid (I). Raztopina amonijaka hidroksida srebra se uporablja tudi kot oksidacijsko sredstvo za aldehide ( reakcija srebrnega ogledala)

I. Določanje stopnje oksidacije v organskih snoveh. \\ T

Algebraična metoda

V organskih snoveh je mogoče določiti stopnjo oksidacije elementov. algebraična metodaIzkazalo se je povprečna stopnja oksidacije. Ta metoda je najbolj uporabna, če so vsi ogljikovi atomi organske snovi na koncu reakcije dosegli enako stopnjo oksidacije (reakcija zgorevanja ali popolna oksidacija).

Razmislite:

Primer 1. Zaračunavanje koncentrata žveplove kisline saharoze z nadaljnjo oksidacijo:

C12H22O11 + H2S04C02 + H20 + S02

Poišči stopnjo oksidacije ogljika v saharozi: 0

V elektronski bilanci upoštevamo vseh 12 atomov ogljika: \\ t

12C 0 - 48 e ® 12C +4 48 1

Oksidacija

S + 6 + 2 e®S +4 2 24

izterjavo

C12H22O11 + 24 H2SO4o 12C02 + 35H2O + 24 SO2

V večini primerov niso vsi atomi organskih snovi podvrženi oksidaciji, ampak le nekateri. V tem primeru se v bilanco elektronov vnesejo samo atomi, ki spremenijo stopnjo oksidacije, zato je treba poznati stopnjo oksidacije vsakega atoma.

2.grafično:

1) je prikazana celotna strukturna formula snovi;

2) puščica za vsako vez kaže premik elektrona na najbolj elektronegativni element;

3) vse C-C vezi veljajo za nepolarne;

Ogljik karboksilne skupine premakne 3 elektrona iz sebe, njegovo oksidacijsko stanje je +3, metil ogljik privlači 3 elektrone iz vodika, njegovo oksidacijsko stanje pa je 3.

Ogljik aldehidne skupine daje 2 elektrona (+2) in privlači 1 elektron k sebi (-1), za celotno stopnjo oksidacije ogljika aldehidne skupine +1. Ogljik radikala pritegne 2 elektrona iz vodika (-2) in daje 1 elektroni na klor (+1), za celotno oksidacijsko stanje tega ogljika -1.

N С С С Н С Н

Naloga 1. Določite povprečno stopnjo oksidacije ogljikovih atomov z algebrsko metodo in stopnjo oksidacije vsakega ogljikovega atoma po grafični metodi v naslednjih spojinah:

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

Metil fenil keton

Ta proces se izvaja predvsem s tremi skupinami mikroorganizmov: fotosintetične bakterije (vijolične in zelene), same žveplove bakterije, tionske bakterije.

Pred kratkim so odkrili, da vas nekatere heterotrofne bakterije. mesentericus, ti. subtilis, aktinomicete, glive in kvasovke so prav tako sposobni oksidirati žveplo v prisotnosti organske snovi, vendar je ta stranski proces počasen in energija, ki se sprosti med oksidacijo, ne uporabljajo.

Fotosintetične bakterije  - vijolične in zelene prokariontske mikroorganizme, ki živijo predvsem v vodnih telesih in izvajajo "anaerobno fotosintezo" brez sproščanja molekularnega kisika. Vse fototrofne bakterije v Bergiejevi determinanti so združene v vrstni red Rhodospirillales na podlagi njihove sposobnosti za anaerobno fotosintezo; obstajata dve podredi: Rhodospirillineae - vijolična (rodobacterium), Chlorobiineae - chlorobacterium (zelene bakterije). Večina fotosintezirajočih bakterij so strogi anaerobi in fototrofi, čeprav med vijoličnimi in zelenimi bakterijami obstajajo vrste, ki zaradi dihanja lahko heterotrofno rastejo v temi. Kot donor vodika med fotosintezo bakterije uporabljajo reducirane žveplove spojine, molekularni vodik in nekatere vrste - organske spojine.

Najbolj dobro raziskane iz vrst rhodobacterium družine Chromatiaceae, rod Chromatium - žveplo vijolične bakterije. Predstavniki slednjih so ovalne ali paličaste oblike, imajo mobilnost zaradi polarnih zastavic; so obvezni anaerobni fotolitotrofni organizmi, ki vodikovi sulfid oksidirajo zaporedoma na S 0 in naprej na SO4 2-. Včasih se v celicah odlagajo žveplene globule, ki se postopoma spreminjajo v sulfate, ki se spuščajo ven.

Med zelenimi žveplovimi bakterijami so dobro raziskani predstavniki rodu Chlorobium. To so predvsem rodovitne in vibrioidne oblike, pomnožene z delitvijo, pogosto obdane s sluzastimi kapsulami, strogimi anaerobi in obveznimi fotolitotrofi. Mnogi od njih prinašajo oksidacijo žvepla le v stopnjo prostega žvepla. Elementarno žveplo se pogosto odlaga zunaj celic, vendar se žveplo ne nabira v samih celicah.

Fotosintetične bakterije so široko porazdeljene v vodnih telesih; običajno živijo v okolju, ki vsebuje vodikov sulfid (ribnike, morske lagune, jezera itd.) in ohranjajo njegovo visoko koncentracijo. V tleh te bakterije nimajo pomembne vloge, v akumulacijah pa je njihova aktivnost zelo pomembna.

Žveplove bakterije  - Obsežna skupina brezbarvnih mikroorganizmov, ki se razvijajo v prisotnosti vodikovega sulfida, uvaja kapljice žvepla v celice. Prve raziskave te skupine bakterij je opravil S. N. Vinogradsky leta 1887, 1888. Z uporabo prvotne mikrokulturne metode, ki omogoča dolgoročno spreminjanje okolja in opazovanje živih predmetov, je Vinogradsky ugotovil, da se žveplo, ki se odlaga v celicah Beggiatoa (tipičen predstavnik žveplove bakterije), tvori iz vodikovega sulfida in ga lahko mikroorganizem oksidira v žveplovo kislino. Hkrati je najprej predlagal koncept obstoja kemosinteze v bakterijah (zlasti v nitastih); lahko rastejo v odsotnosti organskih spojin, proces oksidacije anorganskega žvepla pa jim služi kot vir energije za dihanje. Vendar je prisotnost kemoautotrofije pri večini brezbarvnih žveplovih bakterij še vedno nerazumna, saj jih je mogoče izolirati v čisti kulturi: čeprav mikroorganizmi uspejo, niso popolnoma prepričani, da imajo izolirani sevi enako fiziologijo kot v naravi. Značilnost, ki jo je S.NV Vinogradsky (1888) podarila serobakterijam, je trenutno praktično nespremenjena.

Brezbarvne žveplove bakterije predstavljajo heterogeno skupino z eno skupno značilnostjo - sposobnost odlaganja žvepla v celice. Sistematika teh organizmov se razvija le na ravni rodu; vse te se ne morejo šteti za trdno uveljavljene. GA Zavarzin (1972) po morfoloških značilnostih razlikuje med njimi oblike: nitaste, enocelične z velikimi celicami in enocelične z manjšimi.

Vlaknaste bakterije spadajo v pet rodov; med njimi so najbolj znani Beggiatoa, Thiothrix in Thioploca.

Rod Beggiatoa predstavljajo brezbarvni nitasti organizmi, ki tvorijo trihome, ki po strukturi spominjajo na trihome alg, vendar za razliko od slednjih vsebujejo vključke žvepla. Trichomes nikoli ne vežejo na substrat, imajo mobilnost zaradi nastale sluzi in se nahajajo v sedentarnih vodah z nizko vsebnostjo vodikovega sulfida, ki pripadajo mikroaerofilom. Na površini blata v vodnih telesih, na njihovih mestih kopičenja, tvorijo velike bele lise ali občutljivo belo mrežo. Vse vrste te vrste oksidirajo vodikov sulfid in sulfide v elementarno žveplo, ki se odlaga v celicah, v primeru pomanjkanja vodikovega sulfida ali sulfida - v zunanjem okolju. Žveplo, odloženo v celicah, se oksidira v žveplovo kislino in sprosti. V kombinaciji s kovinami nastajajo sulfati.

Predstavniki rodu Thiothrix so po sestavi zelo podobni žveplenim bakterijam iz rodu Beggiatoa, vendar se razlikujejo od slednjih po tem, da se pritrdijo na substrat s posebno sluznico, ki jo navadno najdemo v hitro tekočih vodikovih sulfidnih vodah. Njihove niti se zdijo črne zaradi velike akumulacije deponiranega žvepla. Thiothrix daje belkasto obraščanje na podvodnih objektih v mobilnem okolju. Thioploca snopi se nahajajo v mnogih vodnih telesih, v zgornjih plasteh blata; V navpični smeri prečkajo oksidacijska in redukcijska obzorja, nenehno se gibljejo navzgor in navzdol, ko se voda premika v kisik, nato pa v spodnji medij vodikovega sulfida. V debelih sluzastih kapsulah, pokritih zunaj s koščki detritusa, so prepleteni trihomi (lahko so od 1 do 20). Bakterije Thioploca so bile izolirane iz kalcijevega morskega blata in sladke vodne blata.

Enocelične serobakterije z velikimi celicami predstavljajo trije rodovi: Achromatium, Thiovulum in Macronionas: velikost celic pri vseh vrstah - 10-40 mikronov; pomnožimo z delitvijo ali zožitvijo; oblika celic je ovalna in cilindrična. Poleg kapljic žvepla celice pogosto vsebujejo tudi kalcijev karbonat.

Enocelične oblike z majhnimi celicami so združene v dveh rodovih: Thiospira in Thiobacterium. Tiospira je bila malo raziskana. Rod Thiobacterium vključuje tri vrste. Te fiksne majhne palice, obdane s sluzastimi kapsulami, so sposobne tvoriti zoogel; žveplo v celicah ni odloženo pri vseh vrstah.

Brezbarvne žveplove bakterije - tipični vodni mikroorganizmi, so pogoste v vodnih telesih, kjer je vodikov sulfid vsaj slabo oblikovan. Vsi so mikroaerofili, zelo občutljivi na koncentracijo vodikovega sulfida: v mediju, nasičenem z vodikovim sulfidom, hitro izumrejo, pri koncentraciji manj kot 40 mg / l pa se najbolj veličastno razvijejo.

Optimalni pogoji za njih so ustvarjeni v neravnotežnih sistemih, kjer se vodikov sulfid kopiči počasi in je alkalni ali blizu nevtralnega medija. Med brezbarvnimi žveplovimi bakterijami rastejo tudi pri nizkih temperaturah in pri visokih temperaturah - do 50 ° C (v termalnih vrelcih). Lahko prenesejo visoke koncentracije soli in se razvijejo v črnem blatu slanih jezer v skoraj nasičeni raztopini soli. Še vedno so najpogostejše v sladkih vodah.

V ribnikih na površini blata je mogoče najti množice žveplovih bakterij, zato se sproščeni vodikov sulfid v blatu oksidira in ne zastrupi vodne mase. V primeru kontaminacije vodne mase z vodikovim sulfidom lahko bakterije na eni globini tvorijo tako imenovano "bakterijsko ploščo" ali film, nad katerim ni vodikov sulfid, pod njim pa kisik. Na primer, v Črnem morju se tak film nahaja na globini 200 m in preprečuje vstop vodikovega sulfida nad to raven. Žveplove bakterije, ki jih naseljujejo na meji aerobnih in anaerobnih območij, so v kaotičnem, neprestanem gibanju: segajo za vodikovim sulfidom in se dvignejo za kisikom. Vodikov sulfid oksidirajo do elementarnega žvepla in pridobijo energijo, potrebno za sintezo organskih snovi. S kemosintetiko se zaradi oksidacije 25 g H 2 S / m 2 lahko asimilira 8 g s / m2 na leto (Sorokin, 1970). Po izumrtju se mikrobiološka telesa, obogatena z elementarnim žveplom, potopijo v vodikov sulfidni del, delno dosežejo dno, kjer se z razgradnjo razžvepljevalne bakterije raztopi žveplo v vodikov sulfid. Predpostavlja se, da je v debelini morske vode v mejni plasti (O 2 in H 2 S) prva stopnja oksidacije vodikovega sulfida izvedena s kemičnimi sredstvi (Skopindev, 1973).

Žveplove bakterije so pogosto koncentrirane v velikih količinah v virih vodikovega sulfida.

Udeležba žveplovih bakterij v ciklu žvepla je verjetno nepomembna, čeprav se zdi pomembno, da je njihova vloga pri preprečevanju zastrupitve vodnih sulfatov z vodikovim sulfidom in vpliv na migracijo in odlaganje kovin.

Glavno vlogo pri oksidaciji žvepla imajo tionske bakterije.

Tionske bakterije - Enotna morfološka in biokemična skupina mikroorganizmov, ki jih najdemo v tleh, svežih in slanih vodnih telesih, usedlinah in v kamninah. Tionske bakterije prejmejo energijo z oksidacijo mineralnih reduciranih žveplovih spojin, kot so vodikov sulfid, sulfidi, sulfit, tiosulfat, tetrationat, tiocianat, ditionit, pa tudi molekulsko žveplo. Žveplo, ki nastane kot vmesni proizvod, se odlaga zunaj celic. Kot sprejemnik elektronov uporabljajo prosti kisik, nekatere vrste pa - nitratni kisik. Glede na vrsto prehrane lahko tionske bakterije razdelimo v skupine: avtotrofi, miksotrofi in litoterotrofi. Večina thionic bakterij je aerobna, čeprav so znani fakultativni anaerobi, kot je Th. denitrifisans. Odvisno od habitata se obnašajo drugače: v aerobnih pogojih izvajajo proces z udeležbo molekularnega kisika, v anaerobnih pa preidejo na denitrifikacijo in reducirajo nitrate v molekularni dušik. Znani so štirje rodovi tionskih bakterij: Thiobacillus - paličast, gibljiv; Tiomikrosira - spiralna, mobilna; Tiodendron - mikrokolonije ovalnih ali spiralno zvitih celic, ki so povezane s stebli ali razvejanimi hifami. Sulfolobus - nagnjen, z zmanjšano celično steno. Ker so bakterije rodu Thiobacillus, ki so razširjene v kopenskih in vodnih ekosistemih, še posebej aktivne v ciklu žvepla, se večinoma preučujejo.

Glede na kislost okolja so tiobacili razdeljeni v dve skupini: tisti, ki rastejo v nevtralnih ali alkalnih pogojih (pH 6-9) in tisti, ki rastejo v kislih pogojih (acidofilno). Za tiobacilus prve skupine je optimalna vrednost pH v območju 6-9; njene vrste so: T. thioparus, T. denitrificans, T. novellus, T. thiocyanooxidans, T. neapolitanus. Vsi oksidirajo vodikov sulfid, žveplo in tiosulfat. Razmislite o najbolj preučenih predstavnikih te skupine.

T. thioparus je avtotrofna bakterija, ki jo je izoliral Beyerink (1904), razvija se, ko je medij nevtralen, premikajoč (ima en polarni flagellum), gram-negativen je zmožen oksidirati vodikov sulfid, hidrosulfidni ion in iz sulfidov samo kalcijev sulfid. Oksidacijski produkti so žveplo, politionati (predvsem tetrationati) in žveplova kislina. Lahko se razvije kot mikroaerofil in je zelo nestabilen do kislosti.

Tako lahko nastane akumulacija elementarnega žvepla zaradi: a) redukcije sulfatov z razžvepljevanjem bakterij; b) oksidacija vodikovega sulfida s tionskimi bakterijami. Elementarno žveplo se nabira na blatnem dnu somornih jezer in se nahaja na dnu Kaspijskega morja, kjer nastane zaradi oksidacije vodikovega sulfida, sproščenega iz blata.

Nastanek številnih žvepla je povezan z oksidacijsko aktivnostjo thionic bakterij. Sedimentne žvepla geografsko sovpadajo z gipsastimi kamninami perma, spodnje krede, paleogena, neogena in se nahajajo ob mejah geostrukturnih elementov, dvignjenih ali potopljenih. Pogosto omejene na brahantične črte z naftnimi polji, kjer so skale običajno razdrobljene, razpokane, se uničijo antiklinski loki, kar olajša pretok vodikovega sulfida in nasičene vode na površje. Tukaj v kisikovem okolju, ki ga obilno naseljujejo thionske bakterije, proces oksidacije vodikovega sulfida z akumulacijo elementarnega žvepla. Takšne so nahajališča v Srednji Aziji: Gaurdak, Shorsu, Žveplovi griči v Karakumu.

T. thiocyanooxidans je v mnogih pogledih podoben T. thioparus, vendar se razlikuje od tega, da poleg vodikovega sulfida in rodonita oksidira. Te bakterije najdemo (Happold, Kay, 1934) in izoliramo v čisto kulturo (Happold, Johnston, Rogers, 1954). Morfološko, T. thiocyanooxidans - palice z enim polarnim bičem, avtotrofnim, aerobnim; za njih je ugodno nevtralno okolje; prisotnost organske snovi v koncentraciji več kot 1% zavira njihov razvoj.

T. novellus je miksotrofni organizem, odkrit in izoliran iz tal R. L. Starkeyja leta 1934, gram-negativen, stacionar, paličasto oblikovan, dobro raste na organskih medijih, vendar pod določenimi pogoji lahko preide iz heterotrofnega tipa prehrane v avtotrofno.

Denitrifikacijska tionska bakterija je majhen, nesporni bacil, mobilni, ki ga je Beierinck najprej odkril: (1904) v anaerobnih pogojih, oksidira okolje in njegove anorganske spojine v sulfate, hkrati pa zmanjša nitrate v molekularni dušik.

V aerobnih pogojih ne pride do zmanjšanja nitratov in bakterije kot oksidant uporabljajo kisik, zrak.

Skupina mikroorganizmov, ki se razvijajo v kislem okolju, vključuje: T. ferrooxidans, T. intermedius, T. thiooxidans. Vrednost pH 2-4 je za njih optimalna, vendar lahko rastejo pri pH od 0,5 do 7. Prvi dve vrsti ne rastejo pri pH\u003e 5: T. tiooksidani so najbolj acidofilni mikroorganizmi v naravi, saj ohranja sposobnost preživetja pri pH približno 0 .

T. thiooxidans - mobilni, flagellum bacillus, oblikuje sluz, avtotrof, je bil odkrit pri proučevanju razgradnje žvepla v tleh (Waxman, Ioffe, 1922). Lahko oksidira, kot je bilo pred kratkim ugotovljeno, nekaj organskih žveplovih spojin. Glavni substrat, ki ga ta organizem oksidira, je molekularna žveplo in včasih tiosulfat, v aerobnih pogojih pa ta proces preide v stopnjo izolacije žveplove kisline. Oksidacijska energija se uporablja za absorbiranje ogljikovega dioksida. Sposobnost tega tipa, da oksidira vodikov sulfid in druge spojine, ni dokončno razjasnjena, ker so te spojine nestabilne v kislem okolju.

Tionska železov oksidacijska bakterija T. ferrooxidans je zelo zanimiv organizem, opisan in izoliran iz kislih drenažnih rudniških vod (Coiner, Hinkle, 1947), majhna palica z polarnim flagelom, mobilna, ne tvori spore, ne obarva z gramom, reproducira se z delitvijo, kemolitotrofom pH 1,7-3,5 - optimalno, aerobno. Med tiobakterijami ima posebno mesto, saj sposobnost avtotrofne rasti ne povzroča le energija, pridobljena z oksidacijo žveplovih spojin, ampak tudi železov oksid, ki se pri oksidaciji sprošča v oksid. Ker je ion Fe 2+ pri pH<4 в стерильной среде устойчив против окисления кислородом воздуха, то Т. ferrooxidans можно было бы отнести к железобактериям, среди которых организм занимает определенную экологическую нишу, но по таксономическим признакам он ближе к тионовым бактериям, особенно Т. thiooxidans. Источник энергии для этого организма - окисление пирита, марказита, пирротина, антимонита и других сульфидов; остальные тиобактерии обладают меньшей способностью окислять нерастворимые в воде сульфиды тяжелых металлов. Окисление Fe 2+ этим организмом - сложный, до конца не выясненный процесс. Установлено, что окисление 1 г/ат Fe 2 + до трехвалентного при pH 1,5 дает энергию - 11,3 ккал и при этом выделяется теплота - 10 ккал/моль (Медведева, 1980).

Za T. ferrooxidans je značilna visoka odpornost na težke kovine: prenese 5% raztopino bakrovega sulfata, koncentracija Cu 2 g / l ali arzen 1 g / l, razvije se z majhnimi odmerki dušika, fosforja in rahlim zračenjem, zato živi v coni. oksidacija sulfidnih usedlin. Oksidirano železo v kislem okolju ne tvori nobenih oblikovanih struktur in celice bakterij so skoraj vedno proste. Bakterije oksidirajo elementarno žveplo, sulfide, tiosulfat, tetrationit, hidrosulfid. V sulfidnih usedlinah ima dvojno funkcijo: žveplo sulfate oksidira v žveplovo kislino, ki raztaplja železne hidrokside, nastane železov oksid sulfat, ki reagira s sulfidi in prispeva (zaradi redukcije železa) kemično oksidacijo dvovalentnega žvepla, ki je del sulfidov, do šestvalentnega.

Številne tionske bakterije lahko oksidirajo različne sulfidne minerale (Cu, Zn, Pb, Ni, Co, As), sodelujejo pri spremembi valentnih stanj urana in vanadija, vzdržijo visoke koncentracije kovin, razvijejo v raztopini bakrovega sulfata s koncentracijo do 6%. Obseg dejavnosti teh organizmov je impresiven. Tako je bilo za en dan iz deponije Degtyarskoe odstranjenih 6115 kg bakra in 1706 kg cinka (Kravaiko et al., 1967). Mnoge bakterije najdemo na rudnih mineralih in zaradi oksidacije prejmejo energijo, potrebno za asimilacijo ogljikovega dioksida. Tionske bakterije, pripisane rodu T. ferrooxidans, najdemo v vseh antimonskih depozitih. Antimonit oksidira v kislih pogojih okolja (v prisotnosti pirita). V nevtralnih in šibko alkalnih pogojih lahko druge bakterije, T. denitrificans, pospešijo oksidacijo antimonita. V prvi fazi se oksidacija žvepla antimonita pojavi pod vplivom T. ferrooxidans ali drugih tiobacilov; antimonijev sulfat je nestabilen in hidrolizira Sb2; Nastane antimonov peroksid, mineralni senarmonit. Oksidacija trivalentnega antimona v višjih oksidih Sb 5+ se pojavi, ko je izpostavljena avtotrofnemu mikroorganizmu Stibiobacter senarmontii, za katerega je nevtralno okolje najbolj ugodno. Chebosynthesizing mikroorganizem oksidira sarmonit - Stibiobacter gen. nov: mineral skupine stibiconitov (Lyalikova, 1972).

Heterotrofne bakterije so razširjene v rudnih nahajališčih, katerih geokemična aktivnost je še zelo slabo preučena. Vendar pa je bilo ugotovljeno, da so nekateri izmed njih (Pseudomonas denitrificans, P. fluorescens), izolirani iz sulfidnih rud, oksidirani. Še vedno ni jasno, ali lahko uporabljajo oksidacijsko energijo reduciranih žveplovih spojin. Seveda je njihova aktivnost povezana z nastajanjem organskih kislin, ki lahko razgradijo minerale.

Torej, v oksidacijskem območju sulfidnih nanosov, nastane sulfatno okolje, sulfidi se zamenjajo s sulfati, vremenski vplivi so kisli, minerali rudnih kamnin hkrati uničijo, zamenjajo jih sekundarni minerali - jarosite, goethite, anglesite, antlerite, digenite itd. Lestvico železovih oksidov tvori tako imenovani "železni klobuk". Če so kamnine gostitelja karbonatne, potem se pri izpostavljenosti žveplovi kislini tvori velika količina sadre, nevtralizira se žveplova kislina. Če so kamnine nekarbonatne, potem agresivne sulfatne vode odstranijo alkalne in zemeljsko alkalijske kovine, težke kovine železne skupine in druge iz vodonosnikov v obliki sulfatov; nastanejo beljene cone, kjer ostanejo najbolj stabilni minerali žveplove kisline, kremen, kaolinit iz sekundarnih mineralov.

Na izhodu na površje v obliki virov kisle vode, obogatene s sulfati bakra, cinka, kobalta, železa, aluminija, niklja in drugih elementov, povzročajo nastanek kislih (tionskih) solončakov. V podobnih solinah v bližini enega od bakreno-sulfidnih nahajališč južnega Urala se je med suho stepo pojavil breza.

Na močvirnatih morskih obalah, pri sušenju obalnih delt, ki je povezana z oksidacijo hidrotroilita in pirita, ki so nastale v preteklosti zaradi obnove sulfatnih morskih voda z višjo vsebnostjo vode na ozemlju in prevladujočega obnavljalnega režima, so skupne kisle prsti (tionske). Oksidacijo sulfidov s tionskimi bakterijami spremlja tvorba žveplove kisline, zamenjava kalcijevih karbonatov z mavcem, raztapljanje aluminijevih in železovih oksidov z nastajanjem alumna: Al 2 (SO 4) 3, Fe 2 (SO 4) 3. Kislo pobeljena alumna tla nastanejo v zmernih zemljepisnih širinah na nizkih obalah Švedske in Finske (Botnijski zaliv), na polderjih in po poljih na Nizozemskem, niso redki v deltah subtropskih in tropskih rek, ki so v delti Murray, v jugovzhodni Aziji, Južni Ameriki, kjer imajo lokalna imena, na primer: "poto-poto", "katclay" itd.

Za nastanek žvepla, ki se pojavlja na površini, je značilno žveplovo kislino, okoli katere nastane območje svetlo belih izluženih kamnin, nastanejo kisle "vitriol" vode z visoko vsebnostjo železovega sulfata. Ko se te vode pomešajo s svežimi vodami, se obori zarjaveli precipitat železovega oksida hidrata (limonita), ki oblikuje območje preperevanja žveplove kisline.

Med razvojem sulfidnih rud in žveplovega premoga se sulfidi, izločeni na površino, oksidirajo; nastajajo kisle rudarske vode, v katerih se razvijajo thionske bakterije. Te vode so zelo agresivne, korodirajo kovinsko opremo. Kisle vode s pH 1,5-2,0 izhajajo iz odlagališč odpadkov, kupi premoga, ki vsebujejo razpršene sulfide, vegetacija umre pod njihovim vplivom, opažajo ostro zakisljevanje in degradacijo tal. Za lokalizacijo in nevtralizacijo teh tokov se v njihovo pot položijo posebne apnenčaste pregrade, izvaja se apnenje tal, onesnaženih s kislimi vodami.

Frakcioniranje izotopov žvepla. V zemeljski skorji so razporejeni štirje stabilni izotopi žvepla. Razmerje izotopov žvepla v različnih naravnih objektih ni enako. Standardno je sprejemljivo razmerje S 32 in S 34 v sulfidnih meteoritih, kjer je 22,21.

Obstaja težnja, da se izčrpa težki izotop naravnih žveplovih spojin, ki nastanejo ob sodelovanju mikroorganizmov, to so sulfidi sedimentnega izvora in biogeni vodikov sulfid; Nasprotno, sulfidi magmatskih kamnin in izhlapevalni sulfati so obogateni glede na standard z lahkim izotopom žvepla.

Če ugotovite napako, označite del besedila in kliknite Ctrl + Enter.

Oksidacija organske snovi - osnova življenja

Organska snov in energija, ki jo vsebuje, ki nastane v celicah katerega koli organizma v procesu asimilacije, je podvržena obratnemu procesu - disimilaciji. Ko se disimilacija sprosti, se kemična energija v telesu sprosti v različne oblike energije - mehanske, toplotne itd. Energija, ki se sprosti med disimilacijo, je ista materialna osnova, ki izvaja vse življenjske procese - sintezo organskih snovi, samoregulacijo telesa, rast, razvoj , reprodukcija, reakcije telesa na zunanje vplive in druge manifestacije življenja.

Disimilacija ali oksidacija v živih organizmih se izvaja na dva načina. V večini rastlin, živali, ljudi in protozojskih organizmov pride do oksidacije organskih snovi z udeležbo atmosferskega kisika. Ta proces se imenuje "dih" ali aerobni (od lat. Aer - zrak) proces. Pri nekaterih skupinah rastlin, ki lahko obstajajo brez zraka, pride do oksidacije brez kisika, torej anaerobno, in se imenuje fermentacija. Razmislite o vsakem od teh procesov posebej.

Koncept "dihanja" je prvotno pomenil le vdihavanje in izdihavanje zraka s pljuči. Nato se je izmenjava plinov med celico in okoljem imenovala »dihanje« - poraba kisika in sproščanje ogljikovega dioksida. Nadaljnje poglobljene študije so pokazale, da je dihanje zelo kompleksen večstopenjski proces, ki poteka v vsaki celici živega organizma z obveznim sodelovanjem bioloških katalizatorjev - encimov.

Organska snov, preden se spremeni v "gorivo", ki daje energijo celici in telesu kot celoti, je treba ustrezno obdelati z encimi. Ta obdelava obsega razgradnjo velikih molekul biopolimerov - beljakovin, maščob, polisaharidov (škrob in glikogen) - v monomerih. S tem se doseže določena univerzalizacija hranilnega materiala.

Tako se namesto več sto različnih polimerov, kot je hrana, v črevesju živali tvori več ducatov monomerov - aminokislin, maščobnih kislin, glicerola in glukoze, ki se nato prek krvi in ​​limfatičnih poti dostavijo živalskim in človeškim tkivom. Celice te snovi še bolj univerzalizirajo. Vsi monomeri se pretvorijo v enostavnejše molekule ogljikove verige karboksilne kisline, ki vsebujejo od dva do šest atomov. Če obstaja več ducatov monomerov, jih je dvajset aminokislin, potem je le deset karboksilnih kislin. Torej je specifičnost hranil končno izgubljena.

Vendar so karboksilne kisline le predhodniki materiala, ki ga lahko imenujemo „biološko gorivo“. Sami se še ne morejo uporabljati v energetskih procesih celice. Naslednja faza univerzalizacije je odstranitev vodika iz karboksilnih kislin. Tako nastane ogljikov dioksid (CO 2), ki ga telo izdihuje. Vodikov atom vsebuje elektron in proton. Za energijo celice in organizma kot celote (bioenergija) je vloga teh sestavnih delov atoma daleč od enakovredne. Energija, zaprta v atomskem jedru, ni dostopna celici. Transformacijo elektrona v atomu vodika spremlja sproščanje energije, ki se uporablja v procesih celične aktivnosti. Zato sprostitev elektrona konča zadnjo fazo univerzalizacije biogoriva. V tem obdobju specifičnost organskih snovi, njihovih sestavin in karboksilnih kislin ni pomembna, saj vse na koncu vodijo k nastanku nosilca energije - elektrona.

Vzbujen elektron se združuje s kisikom. Po prejemu dveh elektronov se kisik negativno nabira, doda dva protona in tvori vodo. To je dejanje celičnega dihanja.

Oksidacija organskih snovi v celicah poteka v mitohondrijih, ki imajo, kot je bilo že omenjeno v prejšnji brošuri, vlogo dinama, ki pretvarja energijo zgorevanja ogljikovih hidratov in maščob v energijo adenozin trifosfata (ATP).

Oksidacija v telesu je predvsem ogljikovih hidratov. Začetni in končni procesi oksidacije ogljikovih hidratov se lahko izrazijo z naslednjo formulo: C6H12O6 + 6O2 = 6SO 2 + 6H 2 O + energija.

V živalskih in rastlinskih organizmih je proces dihanja v bistvu enak: njegov biološki pomen v obeh primerih vključuje sprejemanje energije iz vsake celice zaradi oksidacije organskih snovi. ATP, ki nastane pri tem postopku, se uporablja kot akumulator energije. S to baterijo se napolni potreba po energiji, ne glede na to, kje v celicah organizma nastane.

Rastline v procesu dihanja porabijo kisik na povsem enak način kot živali in sproščajo ogljikov dioksid. Pri živalih in rastlinah je dihanje neprekinjeno dan in noč. Prenehanje dihanja, na primer z ustavitvijo dostopa kisika, neizogibno vodi v smrt, saj vitalne aktivnosti celic ne moremo vzdrževati brez stalne uporabe energije. Pri vseh živalih, razen mikroskopsko majhnih, kisik ne more v zadostnih količinah neposredno vstopiti v celice in tkiva v zraku. V teh primerih se izmenjava plina z okoljem izvaja s posebnimi organi (sapnik, škrge in pljuča). Pri vretenčarjih se oskrba s kisikom v vsaki posamezni celici odvija skozi kri in je zagotovljena z delom srca in celotnega krvnega obtoka. Kompleksnost izmenjave plina pri živalih nam je dolgo časa preprečevala, da bi ugotovili resnično bistvo in pomen tkivnega dihanja. Znanstveniki našega stoletja so si zelo prizadevali dokazati, da oksidacija ne poteka v pljučih in ne v krvi, ampak v vsaki živi celici.

V rastlinskem organizmu so mehanizmi izmenjave plina veliko enostavnejši kot pri živalih. Kisik zraka prodre v vsak list rastlin s posebnimi odprtinami - puči. Izmenjava plina v rastlinah poteka po vsej telesni površini in je povezana z gibanjem vode skozi žilne snope.

Organizme, katerih oksidacija nastane zaradi prostega kisika (atmosferskega ali raztopljenega v vodi), se imenujejo, kot je že omenjeno, aerobno. Ta vrsta izmenjave je značilna za veliko večino rastlin in živali.

Vsa živa bitja na Zemlji v procesu dihanja letno oksidirajo milijarde ton organske snovi. Hkrati se sprosti ogromna količina energije, ki se uporablja v vseh manifestacijah življenja.

Francoski znanstveniki L. Pasteur so v zadnjem stoletju pokazali možnost razvoja nekaterih mikroorganizmov v okolju brez kisika, to je "življenje brez zraka". Oksidacija organskih snovi brez kisika se imenuje fermentacija, organizmi, ki so sposobni aktivnega življenja v okolju brez kisika, pa se imenujejo anaerobne. Tako je fermentacija oblika disimilacije v anaerobni vrsti izmenjave.

Med fermentacijo organske snovi v nasprotju z dihanjem ne oksidirajo v končne produkte (CO 2 in H 2 O), ampak nastajajo vmesne spojine. Energija, ki jo vsebujejo organske snovi, ni sproščena, del ostaja v vmesnih fermentacijskih snoveh.

Fermentacija, kot je dihanje, poteka skozi vrsto kompleksnih kemijskih reakcij. Končni rezultati alkoholnega vrenja so na primer predstavljeni z naslednjo formulo: C6H12O6 = 2C02 + 2C2H5OH + 25 kcal / g mol.

Zaradi alkoholnega vrenja nastane delni oksidacijski produkt - etilni alkohol - iz sladkorja (glukoze) in sprosti le majhen del energije, ki jo vsebujejo ogljikovi hidrati.

Primer anaerobnih organizmov lahko služi kot glivice kvasovk, ki dobivajo energijo za življenje, asimilirajo ogljikove hidrate in jih izpostavljajo alkoholnemu vrenju v procesu disimilacije. Mnogi anaerobni mikroorganizmi razgradijo ogljikove hidrate v mlečno, masleno, ocetno in druge produkte nepopolne oksidacije. Nekatere vrste bakterij lahko kot vir energije uporabljajo ne le sladkorje, aminokisline in maščobe, temveč tudi izdelke za izločanje živali, kot so sečnina in sečna kislina, ki jih vsebuje urin, in snovi, ki sestavljajo iztrebke. Tudi penicilin, ki ubije veliko bakterij, uporablja ena vrsta bakterij kot hranilo.

Tako je v procesu sinteze organskih spojin, kot da bi jih »ohranili« ali shranili energijo kemijskih vezi, porabljene za njihovo sintezo. Ponovno se sprošča v obratnem procesu razgradnje organskih snovi. V smislu energije so živa bitja, kot smo že omenili, odprti sistemi. To pomeni, da potrebujejo energijo od zunaj v obliki, ki omogoča, da se uporablja za delo, ki je neločljivo povezano z življenjskimi manifestacijami, in sprošča isto energijo v okolje, vendar v oslabljeni obliki, na primer v obliki toplote, ki se razprši v okolje. Zaradi neprekinjenih procesov sinteze in razpadanja, asimilacije in disimilacije v živih bitijih, obstaja konstantno kroženje snovi in ​​transformacija energije. Kolikšna količina energije je bila absorbirana, ker je bila večina sproščena med disimilacijo. Energija, ki se sprošča med disimilacijo, izvaja procese, ki označujejo bistvo življenja in vse njegove manifestacije.

<<< Назад

Posreduj \u003e\u003e\u003e