Практическое значение и примеры процессов с участием железоокисляющих бактерий

 

Федеральное государственное  бюджетное образовательное

Учреждение ВПО СамГТУ

 

Кафедра Технологии пищевых  производств и парфюмерно-

косметических продуктов

 

 

 

 

 

 

ОТЧЁТ О САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ РАБОТЕ

(СРС)

по дисциплине

«ОБЩАЯ БИОТЕХНОЛОГИЯ»

 

на тему Практическое значение и примеры процессов с участием железоокисляющих бактерий

 

 

 

 

 

 

                                  Выполнил:

                                     Студент ________________  Курсачова О.А. III-ФПП-5

                                       Принял:

                                       Руководитель ________________________Чечина О.Н.

                                       Отметка о защите________________________________

                                       Преподаватель _______________________Чечина  О.Н.

 

 

 

Самара 2013

 

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ                                                                                              3

1.ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ                                                                      

1.1. Исследование микроорганизмов

1.2. Применение железоокисляющих  микроорганизмов

1.3. Методы бактериального  окисления металлов

1.4 Микроорганизмы способные повредить металл и защитные покрытия

ВЫВОДЫ                                                                                                

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ                              

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ВВЕДЕНИЕ

Известно значительное число  микроорганизмов, прямо или косвенно участвующих в окислении железа. Некоторые из них были открыты  еще в середине прошлого века, но до сих пор в виде чистых культур  удалось получить лишь немногие. Поэтому  сведения о биологии большинства  таких форм весьма ограничены и основаны па изучении либо только природного материала, либо накопительных культур.

        На  основании имеющихся данных можно,  однако, заключить, что многие  из них являются гетеротрофами.  К числу таковых принадлежат  микроорганизмы, окисляющие комплексные  органические соединения железа. В результате этого железо  в виде гидрата окиси откладывается  на поверхности клеток. Такие  микроорганизмы встречаются и  в водоемах, и в почве. К числу  водных форм относятся Siderocapsa, Blastocaulis, Neumanniella, Ochrobium и некоторые другие. В почве в разложении гуматов железа, видимо, участвуют почкующиеся бактерии родов Hyphomicrobium, Pasteuria и Seliberia stellata. Описаны также разнообразные по морфологии микроорганизмы, которые, судя по ряду данных, могут окислять неорганические соединения железа в болотах, ручьях, железистых источниках, дренажных трубах, в озерах и других водоемах с образованием охристых осадков. Некоторые встречаются и в почве. Именно такие формы были названы железобактериями. К ним принадлежат представители нитчатых бактерий (Leptothrix, Тохоthrix, Crenothrix), а также GaUionella, Siderococcus, Methallogenium. Наиболее широко распространены нитчатые бактерии, называемые Leptothrix ochracea. По описаниям палочковидные клетки этой бактерии собраны в цепочки и окружены влагалищем, где откладывается гидрат окиси железа. Благодаря наличию жгутиков клетки способны к движению и могут покидать влагалище. Обычно встречается в ручьях, у выхода железистых источников на болотах, образуя скопления в виде ржавых пятен.  

1.ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

1.1. Исследование микроорганизмов

Хотя еще С. Н. Виноградский (1888) показал, что L. ochracea превращает закисное железо в окисное, способность этих бактерий к автотрофному образу жизни не доказана и все данные о биологии основаны, по существу, на исследовании природного материала. Окончательно не решено даже, является Leptothrix самостоятельным родом или это представители Sphaerotilus, гетеротрофной нитчатой бактерии, которая способна откладывать вокруг клеток окислы железа. Кроме L. ochracea, описан ряд других видов Leptothrix, но сведения о них также весьма ограничены [1].

Второй организм, который  давно привлекает к себе внимание в связи с особенностями морфологии и физиологических свойств, —  это Gallionella. Выделяют несколько видов, наиболее известен Gallionella ferruginea. Согласно описаниям Н. Г. Холодного, Gallionella состоит из бобовидных отдельных клеток, которые выделяют с вогнутой стороны гидрат окиси железа, образующего переплетенные нити. Более поздние работы с использованием электронной микроскопии подтвердили, что в культурах Gallionella встречаются вибриоидные клетки со жгутиками. От таких клеток могут отходить стебельки в виде нитей, состоящих из отдельных волокон. Обнаружено также наличие на нитях расширений (мембранных мешков) и мелких округлых телец, похожих на почки. Химические реакции доказывают наличие в нитях белка. Все это говорит о том, что данные образования не являются чисто гидратом окиси железа, а, видимо, имеют «живые элементы». Работы последних лет позволяют предполагать, что под названием Gallionella описаны комплексные культуры, один из компонентов которых, видимо, относится к микоплазмам. Очевидно, вопрос о природе Gallionella будет совсем решен после выделения несомненно чистых культур. Пока таковых не имеется, хотя накопительные культуры получить довольно просто. Для этого используют минеральную среду, содержащую сульфид железа или металлическое железо, и обеспечивают снабжение углекислотой. Тот факт, что Gallionella растет на такой среде и фиксирует 14СО2, говорит о возможности ее существования в автотрофных условиях.Для окончательных выводов необходимы дальнейшие исследования [1].

 Сведения о других  микроорганизмах, перечисленных  выше, еще более ограничены. Есть  основания полагать, что в число  железобактерий попало немало  микроорганизмов, для которых  процесс окисления железа не  имеет какоголибо физиологического  значения, но они могут концентрировать  железо в слизи, окружающей  клетки, когда в результате изменения  условий оно окисляется химическим  путем и переходит в нерастворимую  форму. Такая способность обнаружена  у многих нитчатых бактерий  и сине-зеленых водорослей. Описаны  также случаи отложения окислов  железа на водной растительности [1].

        Однако  известны действительно хемоавтотрофные  микроорганизмы, которые получают  энергию в результате окисления  закисного железа. Таковым является Thiobacillus ferrooxidans. Как уже указывалось выше, по своей морфологии и физиологическим свойствам этот микроорганизм, несомненно, принадлежит к к тионовым бактериям. Th. ferrooxidans в отличие от других представителей тиобацилл способен окислять соединения не только серы, но и двухвалентного железа. Клетки этой грамотрицательной бактерии имеют вид коротких палочек (0,3—0,4 X 0,7—1,7 мкм) с одним полярным жгутиком. Размножаются поперечным делением. Оптимальное значение рН для роста < 4,0 (1,8—3,5), температуры 28—30 °С. Растет на простых синтетических средах с аммонием или нитратами в аэробных условиях. Окисляет молекулярную серу и различные ее соединения (S2, S2O3/2-, S204/2-, S4O6/2-, S03/2-), в том числе сульфиды тяжелых металлов. Поэтому широко распространен в месторождениях различных сульфидных минералов. Окисление Т. ferrooxidans двухвалентного железа происходит согласно уравнению:

Поскольку реакция сопровождается малым выходом энергии (46,2 • 103 дж/г  окисленного железа), то для поддержания  роста бактериям приходится окислять весьма большие количества железа. Так, при образовании 1 г сырой  биомассы происходит окисление 500 г  сернокислого железа. Образование Т. ferrooxidans АТФ сопряжено с функционированием  электрон-транспортной дыхательной  цепи, которая, как и у ряда других хемоавтотрофов, укорочена. Это связано  с тем, что Fe2+ имеет весьма высокий  положительный потенциал (Е'0 = 0,77 В). Полагают, что сначала железо образует с фосфатом комплексное соединение, имеющее более низкий окислительно-восстановительный  потенциал (Е'0 = 0В), и лишь затем передает электрон в дыхательную цепь (рис. 141) на уровне либо убихинона, либо цитохрома. Поэтому образование восстановленного НАД Т. ferrooxidans происходит в результате действия системы обратного переноса электрона с затратой энергии[1].

Т. ferrooxidans обычно выращивают на минеральных средах, содержащих углекислоту и восстановленные соединения серы или соли двухвалентного железа. Лишь недавно появились сообщения о способности некоторых штаммов этих бактерий расти на среде с глюкозой в отсутствие неорганических окисляемых субстратов. Однако способность Т. ferrooxidans к переключению на такой гетеротрофный метаболизм требует дальнейшего изучения и проверки [1].

До последнего времени  не было известно других бактерий, способных, подобно Т. ferrooxidans, расти в автотрофных условиях, окисляя двухвалентное железо. Однако сейчас такая возможность показана еще у двух микроорганизмов. Один из них, как уже указывалось выше, принадлежит к дольчатым бактериям Sulfolobus и способен, кроме железа, окислять молекулярную серу. Второй микроорганизм представляет собой небольших спирилл и растет на минеральной среде, окисляя железо. Он назван Leptospirillum ferrooxidans. Есть также •сообщения, что такой способностью обладают .некоторые представители рода Metallogenium [1].

        Имеющиеся  данные позволяют заключить, что  автотрофные и некоторые гетеротрофные  микроорганизмы принимают участие  в превращениях железа в природе,  в частности в образовании  железистых отложений, из которых  формируются осадочпые железные  руды в болотах, озерах и  других водоемах [1].

        Весьма  существенное значение имеет  также деятельность Т. ferrooxidans в месторождениях сульфидных руд. Способность Т. ferrooxidans окислять практически все известные сульфидные минералы находит практическое применение в гидрометаллургии [1].

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

   Тионовые бактерии  принимают также активное участие  в круговороте серы:

Рис. 1. Схема круговорота серы

 

1.2. Бактериальное выщелачивание

Важность применения биогеотехнологии металлов связана с исчерпаемостью доступных природных ресурсов минерального сырья и снеобходимостью разработки сравнительно небогатых и трудноперерабатываемых месторождений. При этом биологические технологии не обезображивают поверхность Земли, не отравляют воздух и не загрязняют водоемы стоками в отличие от добычи ископаемых открытым способом, при котором значительное количество земельных площадей разрушается. Биогеотехнологические методы, микробиологическая адсорбция и бактериальное выщелачивание, позволяют получить дополнительное количество цветных металлов за счет утилизации «хвостов» обогатительных фабрик, шламов и отходов металлургических производств, а также переработки так называемых забалансовых руд, извлечением из морской воды и стоков. Применение биологических методов интенсифицирует процессы добычи минерального сырья, удешевляет их, при этом исключает необходимость применения трудоемких горных технологий; позволяет автоматизировать процесс [2].

В настоящее время процесс  бактериального выщелачивания для  получения меди достаточно широкого применяют повсеместно; меньшие масштабы имеет бактериальное выщелачивание урана. На основании многочисленных исследований принято считать бактериальное выщелачивание перспективным процессом для внедрения в горнодобывающую промышленность. В меньших масштабах применяется в горнодобывающей промышленности другой биотехнологический процесс – извлечение металлов из водных растворов. Это направление обещает существенные перспективы, так как предполагает достаточно дешевые процессыочистки стоков от металлов и экономичное получение при этом сырья. В 1947 г. в США Колмер и Хинкли выделили из шахтных дренажных вод микроорганизмы, окисляющие двухвалентное железо и восстанавливающие серу. Микроорганизмы были идентифицированы как Thiobacillus ferrooxydans. Вскоре  было доказано, что эти железоокисляющие бактерии в процессе окисления переводят медь из рудных минералов в раствор. Затем были выделены и описаны многие другие микроорганизмы, участвующие в процессах окисления сульфидных минералов. Спустя несколько лет, в 1958 г., в США был зарегистрирован первый патент на получение металлов из концентратов с помощью железоокисляющих микроорганизмов. Бактерии Thiobacillus ferrooxidans очень широко распространены в природе, они встречаются там, где имеют место процессы окисления железа или минералов. Они являются в настоящее время наиболее изученными. Помимо Thiobacillus ferrooxidans, широко известны также Leptospirillum ferrooxidans. Первые окисляют сульфидный и сульфитный ионы, двухвалентное железо, сульфидные минералы меди, урана. Спириллы не окисляют сульфидную серу и сульфидные минералы, но эффективно окисляют двухвалентное железо в трехвалентное, а некоторые штаммы окисляют пирит. Сравнительно недавно выделены и описаны бактерии Sulfobacillus thermosulfidooxidans, Thiobacillus thiooxidans, T. acidophilus. Окислять S0, Fe2+ и сульфидные минералы способны также некоторые представители родов Sulfolobus и Acidianus. Среди этих микроорганизмов – мезофильные и умеренно термотолерантные формы, крайние ацидофилы и ацидотермофилы [2].

Для всех этих микроорганизмов  процессы окисления неорганических субстратов являются источником энергии. Данные литотрофные организмы углерод используют в форме углекислоты, фиксация которой реализуется через восстановительный пентозофосфатный цикл Кальвина. Несколько позднее было установлено, что нитрифицирующие бактерии способны

выщелачивать марганец из карбонатных руд и разрушать алюмосиликаты. Среди микроорганизмов, окисляющих NH4+ → NO2–, это представители родов Nitrosomonas, Nitrosococcus, Nitrosospira, Nitrobacter, Nitrococcus и др. Определенный интерес для биосорбции металлов из растворов представляют денитрифицирующие бактерии; наиболее активные среди них –

представители родов Pseudomonas, Alcaligenes, Bacillus. Эти микроорганизмы, являясь факультативными анаэробами, используют в качестве акцептора электронов окислы азота (NO3–, NO2–, N2O) или кислород, а донорами электронов могут служить различные органические соединения, водород, восстановленные соединения серы [2].

Оказалось, что некоторые  гетеротрофные микроорганизмы способны

разрушать горные породы в  результате выделения органических продуктов обмена – органических кислот, полисахаридов; источником энергии  и углерода для организмов служат различные органические вещества. Так,

силикатные породы деструктурируют  представители рода Bacillus в результате разрушения силоксанной связи Si-O-Si; активными деструкторами силикатов являются также грибы родов Aspergillus, Penicillum и др [2].

 

1.3. Методы бактериального окисления металлов

Различают «прямые» и «не-прямые» методы бактериального окисления металлов.

Процесс окисления  железа и серы бактериями является прямым

окислительным процессом:

4 FeSO4 + O2 + 2 H2SO4 → 2 Fe2(SO4)3 + 2 H2O,

S8 + 12 O2 + 8 H2O → 8 H2SO4.

В результате прямого бактериального окисления окисляются пирит:

4 FeS2 + 15 O2 + 2 H2O → 2 Fe2(SO4)3 + 2 H2SO4

и сфалерит:

ZnS + 2 O2 → ZnSO4.

Ион трехвалентного железа, образующийся в результате окисления

бактериями двухвалентного железа, служит сильным окисляющим агентом, переводящим в раствор  многие минералы, например халькоцит:

Cu2S + 2 Fe2(SO4)3 → 2 CuSO4 + 4 FeSO4 + S0

и уранит:

UO2 + Fe2(SO4)3 → UO2 SO4 + 2 FeSO4.

Выщелачивание, происходящее при участии иона Fe3+, который

образуется в  результате жизнедеятельности бактерий, называется непрямым окислением. Часто в ходе непрямого окисления минералов образуется элементарная сера, которая может непосредственно окисляться