ВКР: Исследования биогенных преобразований ферригидрита и магнетита

ВВЕДЕНИЕ
Исследование микробиологического синтеза железосодержащих минералов, является важной задачей современной физики. Некоторые бактерии способны восстанавливать внеклеточно различные оксиды и гидроксиды железа в анаэробных условиях, получая таким образом энергию для дальнейшего роста и жизнедеятельности. Диссимиляторные железоредуцирующие бактерии используют атомы Fe3+ в качестве акцептора электронов, а в качестве донора могут использовать ацетат, этанол и H2 [1-3]. Такие микроорганизмы являются звеном биогеохимического цикла железа [4], принимают активное участие в формировании осадочных формаций железистых кварцитов, состоящих преимущественно из слоев кварца, гематита, магнетита и маггемита. Особый интерес к бактериям, способным биоминерализировать различные соединения железа, вызван тем, что в лабораторных условиях можно получить наночастицы магнетита и ферригидрита [5,6].
Большой интерес вызывают магнитные свойства наноразмерного магнетита и ферригидрита. В настоящее время магнитные наноматериалы тщательно изучаются для возможного применения в медицине например, для целевой доставки лекарств, как контрастное вещество для магниторезонансной томографии. Использование таких частиц для направленной доставки лекарств обеспечивает транспортировку точного количества препарата до конкретной пораженной ткани, не затрагивая здоровые ткани. Таким образом, уменьшая возможность побочных эффектов и передозировок. Полученные в результате микробиологического синтеза магнитные наноматериалы, обладают такими свойствами, как биосовместимость и низкая токсичность [7]. Настоящая работа посвящена исследованию формирующихся железосодержащих фаз в процессе роста бактерий: Geoalkalibacter ferrihydriticus, Contubernalis аlkalaceticum, Ectothiorodospira, Geolkalibacter, Natronincola, Fuchsiella ferrireducens в присутствии синтезированного магнетита или ферригидрита в минеральной среде при различных условиях: без добавления ацетата в минеральную среду, с добавлением ацетата или этанола. Кроме того, в работе исследовались образцы разного размера, полученные при разном объеме минеральной среды, доступной для восстановления бактерией Geoalkalibacter ferrihydriticus. Обнаружение и идентификация железосодержащих фаз, изучение их свойств проводились методами мессбауэровской спектроскопии, ядерного резонансного неупругого рассеяния синхротронного излучения, рамановской спектроскопии, кроме того были проведены магнитные измерения и рентгенофазовый анализ.

ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМ БИОГЕННОГО ПРЕОБРАЗОВАНИЯ (ПО ДАННЫМ ЛИТЕРАТУРЫ)
1.1. Процессы биоминерализации железосодержащих минералов
Биоминерализация – совокупность биохимических процессов, в ходе которых происходит образование неорганических твердых веществ с участием живых организмов. Существует два основных механизма данного процесса: а) биологически контролируемая минерализация (БКМ) и б) биологически индуцированная (стимулированная) минерализация (БИМ). Главным отличаем БКМ от БИМ, является то, что минералы формируются внутриклеточно, и бактерия оказывает полный контроль над всеми этапами зарождения и роста минерала. Поэтому, полученные в процессе БКМ минералы характеризуются малой нестехиометрией, все частицы чаще всего одного размера и со стойкой морфологией [8]. Магнетотактические бактерии – большая группа бактерий, преимущественно проживающих на дне водоемов [9]. В клетках этих бактерий обнаружены частицы магнетита, окруженные бислойной мембраной (магнетосомы), что позволяет им ориентироваться в соответствии с внешним магнитным полем (например, магнитным полем Земли). У таких бактерий отдельные кристаллы соединены в одну или несколько цепочек. За счет однодоменной структуры, магнитные моменты каждой частицы цепи выстраиваются параллельно друг другу вдоль цепи, таким образом цепь имеет очень устойчивый постоянный магнитный дипольный момент. Этот механизм подобен магнитной стрелке, благодаря этому бактерии способны плавать вдоль магнитных силовых линий. Минералы, «выращенные» магнетотактическими бактериями, не имеют примесей. Кристаллизация магнетита в магнетотактических бактериях происходит по реакции:
Главное преимущество БИМ заключается во внеклеточном протекании процесса, однако структура и свойства минералов, полученных в результате такого процесса, сильно зависят от условий окружающей среды. Биологически 7 индуцированная минерализация чаще всего протекает в анаэробных средах или на кислородно-бескислородных границах. В таких условиях бактерии используют минеральные (нерастворимые) формы соединений металлов переменой валентности в качестве акцепторов электронов. Способность микроорганизмов к облигатной железоредукции в анаэробных условиях впервые была показана Балашовой и Заварзиным в 1979 году. Способность к металлоредукции наиболее изучена для диссимиляторных бактерий отнесенных к родам Geobacter и Shewanella. Однако до сих пор не ясен механизм переноса электронов от клетки к нерастворимому субстрату. Выделяют три основных механизма экстраклеточного транспорта электронов [10]: