Автореферат (1103727)
Текст из файла
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.
Характеристики
Тип файла PDF
PDF-формат наиболее широко используется для просмотра любого типа файлов на любом устройстве. В него можно сохранить документ, таблицы, презентацию, текст, чертежи, вычисления, графики и всё остальное, что можно показать на экране любого устройства. Именно его лучше всего использовать для печати.
Например, если Вам нужно распечатать чертёж из автокада, Вы сохраните чертёж на флешку, но будет ли автокад в пункте печати? А если будет, то нужная версия с нужными библиотеками? Именно для этого и нужен формат PDF - в нём точно будет показано верно вне зависимости от того, в какой программе создали PDF-файл и есть ли нужная программа для его просмотра.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
