ВКР: Мёссбауэровские исследования минералов, образованных в процессе алкалофильной железоредукции

ВВЕДЕНИЕ
В век новых технологий ученые стали все больше обращать внимание на биологические способы получения энергии и новых материалов. Как известно, для проведения большинства реакций по искусственному синтезу необходимы катализаторы, которые либо являются очень дорогими, либо высокотоксичны. В то же время микробиологический синтез может быть проведен в условиях, близких к природным, с использованием легкодоступных соединений. В 1980-х была открыта новая физиологическая группа микроорганизмов – диссимиляторные железовосстанавливающие микроорганизмы (далее железоредукторы) [1,2]. Данные микроорганизмы в результате переноса электронов с субстратов на атомы железа получают энергию, и этот факт положил начало активным исследованиям возможностей микробиологического синтеза. Предположительно, микроорганизмы этой группы принимали участие в преобразовании соединений окисного железа в магнетит в докембрийских период, поэтому принимаются активные попытки найти аналоги этих геологических процессов в современном цикле железа. Другой сферой применения данных бактерий являются возобновляемые источники энергии. Существуют топливные элементы, механизм которых основан на микробиологическом синтезе. В качестве акцептора электронов можно использовать один из электродов в топливном элементе. В результате роста бактерий выделяется атомарный водород, который в дальнейшем можно использовать в качестве топлива.
За последнее время открыто большое количество диссимиляторных железовосстанавливающих бактерий. Многие из них оказались филогенетически и фенотипически близки, что позволило выделить новое семейство Geobacteriaceae. Представители этого семейства встречаются практически во всех экологических нишах, а в некоторых, например, в подземных экосистемах преобладают, формируя однородное сообщество микроорганизмов. Также железовосстанавливающие микроорганизмы этого и других семейств широко распространены в почвах, морских и пресноводных водоемах, термальных площадках. Известные на сегодняшний день железоредуцирующие бактерии занимают практически все возможные экологические ниши. Большинство данных микроорганизмов относится к мезофильным и нейтрофильным организмам, но также известны ацидофильные, алкалофильные и психрофильные представители этой группы. Способность к восстановлению железа оказалась широко распространенной в микробном мире и выявлена у ряда микроорганизмов других физиологических групп таких как нитрат- и сульфатвосстанавливающих бактерий. Наиболее информативным методом для исследования процессов микробиологического восстановления нерастворимых форм железа является метод мёссбауэровской спектроскопии. Данный метод позволяет провести качественный и количественный фазовые анализы. Обладая рекордной разрешающей способностью, метод мёссбауэровской спектроскопии дает информацию о характере ближайшего окружения, химических связях и природе магнитного упорядочения, структурном, валентном и спиновом состояниях атомов железа. Настоящая работа посвящена исследованию структурных изменений, происходящих в синтезированном ферригидрите, железосодержащих гидрослюдах биотите и глауконите, подвергшихся воздействию, анаэробных алкалофильных железовосстанавливающих бактерий, выделенных из естественных мест обитания, и способных к восстановлению атомов Fe3+ в твердых фазах, методом мессбауэровской спектроскопии.

ГЛАВА 1. ДИССИМИЛЯТОРНЫЕ ЖЕЛЕЗОРЕДУЦИРУЮЩИЕ БАКТЕРИИ И ИХ РОЛЬ В БИОГЕННОМ ФОРМИРОВАНИИ МИНЕРАЛОВ ЖЕЛЕЗА (ПО ДАННЫМ ЛИТЕРАТУРЫ)
1.1 Диссимиляторные железоредуцируюшие бактерии. Мёссбауэровские исследования.
Из всех металлов, которые участвуют в биологических процессах, железо выделяется по разнообразию физиологических и биохимических функций, выполняемых организмами при его использовании. Предполагается, что организмы так широко и разнообразно используют железо в процессе жизнедеятельности не только из-за химических особенностей этого элемента, но, прежде всего, из-за распространенности и повсеместной доступности этого элемента на Земле [3]. В 1980-х была открыта новая физиологическая группа микроорганизмов – диссимиляторные железоредуцирующие микроорганизмы (далее железоредукторы). Данные микроорганизмы используют атомы Fe3+ в качестве внешнего акцептора электронов. В работе [1] авторы дают описание железоредуктора, использующего водород в качестве донора электронов, а в работе [2] – в качестве донора электронов выступает ацетат. Железоредукторы осуществляют процесс восстановления железа вне клетки и используют его для получения энергии и синтеза АТФ. Эти микроорганизмы получают энергию, восстанавливая оксиды и гидроксиды трехвалентного железа, а также растворимые формы железа, окисляя при этом как органические (например, ацетат, лактат, формиат и т.д.), так и неорганические (водород) субстраты. [4]. Микроорганизмы, способные к диссимиляторному восстановлению неорганических акцепторов электронов, являются звеном биогеохимического цикла углерода в разнообразных экосистемах, причем большинство развивается в умеренных температурах [5].