Автореферат (Мёссбауэровские исследования процессов восстановления атомов железа анаэробными диссимиляторными бактериями), страница 3

Обработка дифрактограмм осуществлялась с помощью программыHighScore и структурной базы данных JSPDS PDF4. Из значений ширин дифракционныхмаксимумов по формуле Дебая-Шерера была проведена оценка области когерентногорассеяния.Третьяглавасинтезированногосодержитрезультатыферригидритаиисследованияпроцессовприродныхглауконитапреобразованияибиотитажелезовосстанавливающими бактериями.В первом параграфе отражены результаты преобразования синтезированногоферригидрита монокультурой G. ferrihydriticus и монокультурой T.

ferriacetica.Так как рассматривались бактериальные преобразования синтезированногоферригидрита, то были проведены мессбауэровские исследования образца, содержащегосинтезированный ферригидрит после взаимодействия со средами культивации бактерииG. ferrihydriticus и бактерии T.

ferriacetica. Измерения, проведенные при низкихтемпературах и в сильных внешних магнитных полях, показали, что в структуреферригидрита атомы железа занимают две неэквивалентные позиции, причем магнитныемоменты атомов в этих позициях направлены в разные стороны. Соотношениесодержания атомов в этих позициях ~ 2:1.

Во внешнем магнитном поле магнитныемоменты ориентированы в виде пространственных конусов вдоль поля с углами раствора~55° и ~45°. Рентгеновский дифракционный анализ показал, что данные образцыотносятся к так называемым двухлинейчатым ферригидритам. Поэтому, на основемессбауэровских и рентгеновских данных можно утверждать, что данные образцыявляются слабыми ферримагнетиками. При комнатной температуре спектры данныхобразцов представляют собой суперпозицию двух квадрупольных дублетов вследствиевлияния суперпарамагнитной релаксации.

Измерения во внешнем магнитном поле синдукцией Bext = 1.03 Тл при T = 300 K или при температуре T = 81 K не привели кизменению формы линии спектра.Мессбауэровские исследования образцов, полученных в результате преобразованияферригидрита (при его различной концентрации) бактерией G. ferrihydriticus показали, что12при всех концентрациях формируется сидерит. Однако при низких концентрациях(nFe(III) ≤ 30 мМ) относительное содержание атомов железа в его структуре ~ 11 %, а привысоких концентрациях (nFe(III) ≥ 70 мМ) – ~ 2 %. Анализ спектров образцов, полученныхпривысокихконцентрацияхферригидрита,показал,чторазмерчастицмагнитоупорядоченной фазы увеличивается при увеличении концентраций от 11.5±0.5 нмдо 14.3±0.5 нм.

При низких концентрациях ферригидрита спектр представляет собойсуперпозицию двух квадрупольных дублетов, соответствующих атомам Fe3+, и одногоквадрупольного дублета, соответствующего Fe2+ в структуре сидерита. Особый интереспредставляет область концентраций ферригидрита 30 < nFe(III)< 70 Мм, в которойнаблюдается нестабильное фазообразование (Рис. 1). Наблюдается сильное изменениеформы линии спектра, и спектр переходит от спектра парамагнитного типа к спектрусуперпарамагнитного типа.АБN, %100N, %100969210098969410096928810099989710099989730 мМ9840 мМ9610098969410050 мМ999860 мМ70 мМ10096928810099.699.2-10-50v, мм/с510-10-50510v, мм/сРисунок 1. Мессбауэровские спектры ядер 57Fe в структуре минералов, полученных впроцессе роста бактерий G. ferrihydriticus при различной концентрации Fe(III) в средекультивации, измеренные при T = 300 K.

Повторность 1 – А, Повторность 2 – Б.Для объяснения появления области нестабильного фазообразования был предложенмеханизм бактериального преобразования ферригидрита. Пусть на одну частицугидроксида воздействует одна бактерия (Рис. 2). Воздействие идет на локальную областьчастицы, и при этом протекает процесс диффузии электронов. Идет процесс дегидратациии начинается локальное формирование структуры шпинели (5) [16].13(5)Когда примерно одна третья часть трехвалентных атомов железа восстановилась додвухвалентного состояния, начинают восстанавливаться атомы железа на поверхности.Кинетика этих процессов зависит от физико-химических условий минеральный среды,например pH среды, соотношения бикарбонатного буфера и др.

Так как процесснепосредственно бактериального восстановления протекает в локальной области, и врастворе есть другие частицы (на каждую из которых также локально воздействует однабактерия), то может протекать процесс объединения частиц, то есть увеличения линейныхразмеров сформированных частиц.eeeFe(III)Fe2+eFe2+Fe3O4+Fe3O4Fe2+Fe3O4Fe3O4Fe2+Рисунок 2. Трансформация частиц гидроксида железа при восстановлении Fe3+ до Fe2+.(низкая концентрация электронов).Другой предельный случай данного процесса – вся поверхность частицыподвержена воздействию бактерий, то есть на одну частицу приходятся несколькобактерий (Рис. 3).

Аналогично происходят диффузия электронов в структуру ивосстановление атомов Fe3+. В отличие от первого случая, процесс воздействия идет навсейповерхности,следовательно,отсутствуютобластисвободныеотпрямогобактериального воздействия. Это приводит к тому, что формируются частицы, ядрокоторых состоит из оксида железа, а поверхностным слоем являются соединения железа,зависящие от состава минеральной среды. Например, в случае использованиябикарбонатного буфера этим соединением является карбонад железа.eeeeFe2+eeFe3O4Fe3O4Fe(III)Fe2+eeeeРисунок 3. Трансформация частиц гидроксида железа при восстановлении Fe3+ до Fe2+.(высокая концентрация электронов).В случае, когда количество клеток в среде, приходящееся на одну частицу попадаетвпромежуточные,относительнорассмотренныхранее,значения,возникающие14флуктуации могут вызывать нестабильное фазообразование.

Для подтверждения такогомеханизма появления области фазовой нестабильности была синтезирована серияобразцов при различных объемах минеральной среды, доступного для биовосстановления,V1 < V2 < V3. В случае образцов, полученных для концентрации nFe(III) = 10 мМ, приувеличении объема среды, доступного для биовосстановления, относительное содержаниесидерита в образцах уменьшается. Измерение спектров образцов для всех значенийобъемов во внешнем магнитном поле при комнатной температуре не привело кизменению формы линии спектра, который является суперпозицией трех квадрупольныхдублетов – двух, соответствующих атомам Fe3+, и одного – Fe2+. Измерениямессбауэровских спектров образцов, полученных при концентрации nFe(III) = 100 мМ,показали, что увеличение объема от V1 к V3 приводит к уменьшению размера частиц.Крометого,уменьшаетсясоответствующаяатомамотносительнаяFe2.5+,тоестьинтенсивностьуменьшаетсякомпонентыстепеньспектра,стехиометрииформирующихся частиц магнетита. Рентгенофазовый анализ также показал, что приувеличении объема степень стехиометрии, а также размер области когерентногорассеяния (т.е.

размер частиц) уменьшаются (Табл. 1).Таблица 1. Интенсивности парциальных спектров, соответствующих атомам Fe2.5+ вструктуре минерала, полученного в процессе роста бактерий G. ferrihydriticus, измеренныепри T = 300 K. (nFe(III) = 100 мМ) и оценки размера частиц с использованием значенийпараметров мессбауэровского спектра и ширин дифракционных максимумов.ОбъемRCFe2.5+, %d, nmd, nm (XRD)V120.3±1.712.2±0.212.3±1.5V215.2±12.56.0±0.3-V3--2.8±1.5Мессбауэровские спектры образцов, полученных при концентрации nFe(III) = 45 мМ,измеренные при комнатной температуре, являются, как и в случае nFe(III) = 10 мМ,суперпозицией трех квадрупольных дублетов, при этом относительное содержаниесидерита меньше – ~ 1 %. Измерение спектров во внешнем магнитном поле приводит кпоявлению суперпарамагнитной компоненты спектра (Рис.

4). Такое поведение спектрасвязаносувеличениеммагнитногомоментаформирующихсячастицмагнитоупорядоченной фазы, а, следовательно, и размера частиц, что объясняется врамках предложенного механизма.Мессбауэровские исследования влияния дополнительного акцептора электроновантрахинона-2, 6-дисульфоната (хинон) на продукты бактериального преобразования прикомнатной температуре показали, что при увеличении его концентрации наблюдается15изменение формы линии спектра. Анализ параметров спектра показал, что происходитуменьшение размера частиц (Рис.

5). Хинон является синтетическим аналогом гуминовыхвеществ, которые могут связываться с атомами железа на поверхности магнетита.Поэтому хинон не дает частицам объединяться, что приводит к тому, что формируютсячастицы меньшего размера.АN, %RT10096928810010096RT, 981.03 Тл9692-10-5БN, %10096928850-1010-50510v, мм/сv, мм/сРисунок 4. Мессбауэровские спектры ядер Fe в структуре минералов, полученных впроцессе роста бактерий G. ferrihydriticus при различных объемах, доступных длябиовосстановления (А - V1, Б - V3), измеренные при T = 300 K и во внешнем магнитномполе Bext = 1.03 Тл.

(nFe(III) = 45 мМ).57Для идентификации магнитоупорядоченной фазы были проведены мессбауэровскиеизмерения в сильном магнитном поле (до 6 Тл) при низкой температуре (4.2 К). Анализданныхспектровпоказал,чтомагнитоупорядоченнаяфазаявляетсясмесьюнестехиометрического магнетита и маггемита, причем содержание атомов Fe2+ в этой фазе~ 30%. Другими словами, формируются частицы магнетита с соотношением Fe3+:Fe2+близким к теоретическому значению – 2:1.16АБd, нм1284000.4nq, г/л0.8Рисунок 5.

Зависимость размера частиц магнитоупорядоченной фазы от концентрациихинона в среде роста. А – повторность 1, Б – повторность 2.Изучение влияния спирта и ацетона на продукты бактериального восстановлениясинтезированного ферригидрита (nFe(III) = 100 мМ) проводилось с помощью методовмессбауэровскойспектроскопииирентгенофазовогоанализа.Анализспектров,измеренных в широком диапазоне температур, позволил более точно провести оценкуразмера частиц (Рис. 6). Добавление спирта и ацетона к продуктам восстановления16синтезированногоферригидритаприводиткнезначительномууменьшениюформирующихся частиц магнетита: 11.4±0.5 нм – в случае образца без добавления спиртаили ацентона, 10.8±0.5 нм – в случае добавления ацетона, и 11.2±0.5 нм – в случаедобавления спирта. Форма линий спектров образца без добавления спирта или ацетонаотличается от форм линий с добавлением.

Это может быть связано с тем, что спирт иацетон убирают молекулы воды с поверхности частиц, что приводит к уменьшениювзаимодествия между ними.6008β(d)(а)6(б)4(а)(б)(в)2β, Kα500(в)40000100.0080.016T-1, K-11110.51211.5d, нмРисунок 6. Зависимость параметра α от обратной температуры для спектров образцов(слева); оценка размера частиц формирующейся магнитоупорядоченной фазы (справа): а –без добавления спирта или ацетона; б – с добавлением спирта; в – с добавлением ацетона.Мессбауэровскиеисследованиякинетикипроцессовпреобразованиясинтезированного ферригидрита (nFe(III) = 90 мМ) бактерией G. ferrihydriticus показали, чтоувеличение времени культивации от 1 месяца до 30 месяцев приводит к тому, чтоувеличивается относительное содержание сидерита и атомов железа Fe2.5+ в структуремагнетита. Данное поведение может быть объяснено в рамках предложенного механизмабактериального преобразования ферригидрита.Исследования кинетики процесса преобразования ферригидрита (nFe(III) = 90 мМ)бактерией T.