Автореферат (Мёссбауэровские исследования процессов восстановления атомов железа анаэробными диссимиляторными бактериями)

На правах рукописиШапкин Алексей АндреевичМЁССБАУЭРОВСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССОВВОССТАНОВЛЕНИЯ АТОМОВ ЖЕЛЕЗА АНАЭРОБНЫМИДИССИМИЛЯТОРНЫМИ БАКТЕРИЯМИСпециальность 01.04.07 - физика конденсированного состоянияАвтореферат диссертации на соискание ученой степени кандидатафизико-математических наукМосква– 2014Работа выполнена на кафедре общей физики физического факультетаМосковского Государственного Университета имени М. В. Ломоносова.Научный руководитель:кандидат физико-математических наук, доцентЧистякова НаталияИгоревнаОфициальные оппоненты:Черепанов Валерий Михайлович, доктор физико-математических наук,Национальный исследовательский центр "Курчатовский институт", ведущийнаучный сотрудникСедых Вера Дмитриевна, кандидат физико-математических наук, Институтфизики твердого тела РАН, старший научный сотрудник.Ведущая организация: Институт химической физики РАН им. Н.Н.

СеменоваЗащита состоится «2» октября 2014 г в 15 час. 30 мин. на заседаниидиссертационного совета Д 501.002.01 при Московском государственномуниверситете имени М. В. Ломоносова по адресу: 119991, ГСП-1, Москва,Ленинские горы, д.1, стр. 2, физический факультет, Южная физическаяаудитория.С диссертацией можно ознакомиться в Отделе диссертаций Научнойбиблиотеки МГУ имени М.В. Ломоносова (Ломоносовский просп., д.27)Автореферат разосланУченый секретарьдиссертационного советакандидат физико-математических наук2014 г.Лаптинская Т.

В.2ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность темы.Одной из важнейших задач современной физики является исследование свойствнаноматериалов, полученных в результате микробиологического синтеза. Как известно,для проведения большинства реакций по искусственному синтезунеобходимыкатализаторы. В то же время микробиологический синтез может быть проведен вусловиях, близких к природным, с использованием легкодоступных соединений.

В 1980-хбыла открыта новая физиологическая группа микроорганизмов – диссимиляторныежелезовосстанавливающие микроорганизмы [1]. Данные микроорганизмы получаютэнергию в результате переноса электронов с субстратов на атомы железа, что приводит кформированию новых минеральных фаз. Этот факт положил начало активнымисследованиям возможностей микробиологического синтеза [2].Предположительно,диссимиляторныежелезовосстанавливающиемикроорганизмы принимали участие в преобразовании соединений окисного железа вмагнетит в докембрийский период [3], поэтому предпринимаются активные попыткинайти аналоги этих геохимических процессов в современном цикле железа.

Другойсферой применения данных бактерий являются возобновляемые источники энергии.Существуюттопливныеэлементы,механизмработыкоторыхоснованнамикробиологическом синтезе. В качестве акцептора электронов используется один изэлектродов в топливном элементе. При этом в результате роста бактерий выделяетсяатомарный водород, который в дальнейшем можно использовать в качестве топлива.

Вкачестве продуктов биосинтеза такжепоявляются наночастицы минералов. Так какпроцесс бактериального преобразования протекает в органической среде, данные частицыпокрыты органической оболочкой и могут быть использованы в качестве носителей дляточечной доставки лекарств [4]. Кроме того, за счет большой химической активности,такие наночастицы могут использоваться для удаления ионов тяжелых металлов из почвыи водоемов [5,6,7].За последнее время открыто большое число различных диссимиляторныхжелезовосстанавливающихбактерий.Онивстречаютсяпрактическивовсехэкологических нишах, а в некоторых, например, в подземных экосистемах, преобладают,формируяоднородноесообществомикроорганизмов.Железовосстанавливающиемикроорганизмы этого и других семейств широко распространены также в почвах,морских и пресноводных водоемах, термальных площадках. Большинство данныхмикроорганизмов относится к мезофильным (Tопт = 20 – 25 С°) и нейтрофильным (pH 6–8)3организмам, но также известны ацидофильные (pH 6 и ниже), алкалофильные (pH 8.5 ивыше) и психрофильные (Tопт = 0 – 20 С°) представители этой группы [8].

Способность квосстановлению железа оказалась широко распространенной в микробном мире и былавыявлена у ряда микроорганизмов других физиологических групп таких как нитрат- исульфатвосстанавливающих бактерий.Цель работы.Целью настоящей работы являлось исследование процессов преобразованиясинтезированного ферригидрита, железосодержащих биотита и глауконита, подвергшихсявоздействию анаэробных железовосстанавливающих бактерий, выделенных из естественныхмест их обитания. В соответствии с поставленной целью, в работе решались следующиеосновные задачи.1.

Исследовать влияние концентрации ферригидрита в исходном растворе напродукты его преобразования бактерией Geoalkalibacter ferrihydriticus (штамм Z0531).2. Исследоватьвлияниеконцентрацииантрахинона-2, 6-дисульфонатавминеральной среде роста на продукты преобразования ферригидрита бактериейGeoalkalibacter ferrihydriticus (штамм Z-0531).3. Установить характер влияния объема минеральной среды, доступного бактерииGeoalkalibacterferrihydriticus(штамм Z-0531)дляпреобразования,наформирование новых фаз.4. Исследовать кинетику процессов преобразования ферригидрита бактериейGeoalkalibacterferrihydriticus(штамм Z-0531)ибактериейThermincolaferriacetica (штамм Z-0001).5.

Идентифицировать продукты преобразования ферригидрита при совместномросте бактерий Geoalkalibacter ferrihydriticus (штамм Z-0531) и Anaerobacillusalkalilacustris (штамм Z-0521).6. Идентифицировать продукты преобразования природных глауконита и биотитапри совместном росте бактерий Geoalkalibacter ferrihydriticus (штамм Z-0531) иClostridium alkalicellulosi (штамм Z-7026).Методы и методология исследования.Основным методом исследования являлся метод мессбауэровской спектроскопии,который позволяет получить ценную информацию о зарядовом и структурном состоянияхатомов железа. Измерения осуществлялись в широком диапазоне температуре (от 4.2 К до300 К) и во внешних магнитных полях. Анализ мессбауэровских данных проводился с4привлечением современных методов обработки спектров, использующих специальныематематические алгоритмы (описание влияния суперпарамагнитной релаксации на формулинии спектра). Для идентификации фазового и элементного состава привлекались данныерентгеновскойдифрактометрии,ИК-спектроскопия.Дляопределениясодержаниядвухвалентных атомов железа использовался химический метод с применением феррозина.Достоверность.Достоверность полученных результатов и сделанных выводов обусловленавоспроизводимостьюрезультатов,адекватностьюиспользованныхфизическихибиологических представлений при решении поставленных задач и соответствиемполученных в работе результатов известным экспериментальным данным.Научная новизна.Научная новизна работы определяется, в первую очередь, выбором ранеенеизученных объектов исследования (твердых фаз, полученных в процессе ростадиссимиляторных бактерии Geoalkalibacter ferrihydriticus (штамм Z-0531) и бактерииThermincola ferriacetica (штамм Z-0001), а также бинарных культур GeoalkalibacterferrihydriticusиAnaerobacillusalkalilacustris(штамм Z-0521)иGeoalkalibacterferrihydriticus и Clostridium alkalicellulosi (штамм Z-7026)), а также использованиемсовременных методов обработки и анализа мессбауэровских данных, существеннорасширяющих экспериментальные возможности мессбауэровской спектроскопии, чтопозволило впервые получить ряд важных результатов.1.

Установлено,чтосинтезированногоминеральнымиферригидритаосадкамибактериейпродуктоввосстановленияиG. ferrihydriticusбактериейT. ferriacetica являются сидерит и смесь нестехиометрического магнетита имаггемита.2. Показано, что уменьшение концентрации ферригидрита в среде роста бактерииG. ferrihydriticus приводит к уменьшению размера частиц формирующейся смесинестехиометрическогомагнетитаимаггемита,атакжекувеличениюотносительного содержания сидерита.3. Продемонстрировано, что изменение объема минеральной среды, доступнойбактерии G.

ferrihydriticus для преобразования, приводит либо к уменьшению, либок увеличению размера формирующихся частиц смеси нестехиометрическогомагнетита и маггемита в зависимости от концентрации ферригидрита, чтообусловлено различным количеством бактериальных клеток, приходящихся наединицу поверхности частиц восстанавливаемого бактерией минерала.54. Установлено, что увеличение концентрации антрахинона-2, 6-дисульфоната в средероста бактерии G.

ferrihydriticus приводит к уменьшению размера частиц смесинестехиометрического магнетита и маггемита от 12 нм до 6 нм.5. Показано, что увеличение времени культивации бактерии G. ferrihydriticus от 1месяцадо30месяцевприводиткувеличениюстепенистехиометрииформирующихся частиц магнетита в смеси с маггемитом, а увеличение временикультивации бактерии T. ferriacetica от 24 ч до 247 ч приводит к увеличениюразмера частиц смеси нестехиометрического магнетита и маггемита.6.

Показано, что совместный рост бактерий G. ferrihydriticus и A. alkalilacustris приконцентрации ферригидрита nFe(III) = 10 мМ приводит к формированию сидерита игидрооксикарбоната железа; при nFe(III) = 100мМ – к формированию смесинестехиометрического магнетита и маггемита с размером частиц ~ 10 нм, а такжесидерита.7. Продемонстрировано, что восстановление трехвалентных атомов железа вструктуре природных глауконита и биотита бактерией G. ferrihydriticus приводит кобразованиюмагнитоупорядоченнойфазы,котораяявляетсясмесьюнестехиометрического магнетита и маггемита.8. Установлено, что при совместном росте бинарной культуры G. ferrihydriticus иC.

alkalicellulosi в среде, содержащей природный глауконит, относительноесодержание формирующейся магнитоупорядоченной фазы больше, чем в случаероста монокультуры G. ferrihydriticus.Научная и практическая значимость.Полученные в диссертационной работе результаты мессбауэровских исследованийпродуктов преобразования синтезированного ферригидрита бактерией Geoalkalibacterferrihydriticus(штаммZ-0531)приразличныхконцентрацияхферригидритаиантрахинона-2, 6-дисульфоната и кинетики процессов преобразования ферригидритабактерией Geoalkalibacter ferrihydriticus (Z-0531) и бактерией Thermincola ferriacetica (Z0001) имеют существенное значение для понимания механизма образования сидерита имагнетита в естественных условиях.Изучениепродуктовпреобразованиясинтезированногоферригидритаприсовместном росте бактерий Geoalkalibacter ferrihydriticus (штамм Z-0531) и Anaerobacillusalkalilacustris (штамм Z-0521), а также природных глауконита и биотита при совместномросте Geoalkalibacter ferrihydriticus (штамм Z-0531) и Clostridium alkalicellulosi (штамм Z7026) имеют важное значение для решения фундаментальных задач геохимии, связанных6с моделированием процессов формирования железосодержащих минералов, протекавшихв докембрийскую эпоху.Предложен механизм формирования магнитных наночастиц разного размера,образующихся в результате биогенного преобразования ферригидрита.

Данный механизмможет быть использован при создании наночастиц заданного размера для применения вэкологии и медицине.Основные положения, выносимые на защиту.1. Минеральным осадком продукта преобразования бактерией G. ferrihydriticusявляются сидерит и смесь нестехиометрического магнетита и маггемита, вструктуре которой магнитные моменты имеют неколлинеарную ориентацию.2. Уменьшение концентрации ферригидрита приводит к уменьшению размера частицсмеси нестехиометрического магнетита и маггемита, а также к увеличениюотносительного содержания сидерита.3. Изменение объема минеральной среды, доступной бактерии G.