Биогенная трансформация серы и железа

В организме  среднего человека (масса тела 70 кг) содержится около 1402 г серы. Суточная потребность взрослого человека в сере — около 4.

Однако  по своему отрицательному воздействию  на окружающую среду и человека сера (точнее, ее соединения) стоит на одном  из первых мест. Основной источник загрязнения  серой — сжигание каменного угля и других видов топлива, содержащих серу. При этом около 96% серы, содержащейся в топливе, попадает в атмосферу в виде сернистого газа SO₂.

В атмосфере  сернистый газ постепенно окисляется до оксида серы (VI). Оба оксида — и  оксид серы (IV), и оксид серы (VI) — взаимодействуют с парами воды с образованием кислотного раствора. Затем эти растворы выпадают в виде кислотных дождей. Оказавшись в почве, кислотные воды угнетают развитие почвенной фауны и растений. В результате создаются неблагоприятные условия для развития растительности, особенно в северных регионах, где к суровому климату добавляется химическое загрязнение. В результате гибнут леса, нарушается травяной покров, ухудшается состояние водоемов. Кислотные дожди разрушают изготовленные из мрамора и других материалов памятники, более того, они вызывают разрушение даже каменных зданий и изделий из металлов. Поэтому приходится принимать разнообразные меры по предотвращению попадания соединений серы из топлива в атмосферу. Для этого подвергают очистке от соединений серы нефть и нефтепродукты, очищают образующиеся при сжигании топлива газы.

Сама  по себе сера в виде пыли раздражает слизистые оболочки, органы дыхания  и может вызывать серьезные заболевания. ПДК серы в воздухе 0,07 мг/м³.

Многие  соединения серы токсичны. Особенно следует  отметить сероводород, вдыхание которого быстро вызывает притупление реакции  на его неприятный запах и может  привести к тяжелым отравлениям  даже с летальным исходом. ПДК  сероводорода в воздухе рабочих помещений 10 мг/м³, в атмосферном воздухе 0,008 мг/м³. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

1.4. Трансформация серы 

Сера – один из основных элементов питания растений. В природе она встречается  в составе неорганических веществ: сульфатов, сульфидов, в молекулярном виде.

      В живых организмах серы входит в состав аминокислот, белков, алкалоидов. В  трансформации серы участвуют все  природные компоненты: вода, воздух, почва, а также специализированные микроорганизмы. Одни из них окисляют соединения серы во внутриклеточных реакциях с выделением энергии, а другие восстанавливают. Эти химические реакции являются источником получения энергии для бактерий.

      Микроорганизмы, участвующие в трансформации  серы, относятся к хемолитотрофам, т. е. им свойственен неорганический характер окислительно-восстановительных реакций.

      Основная  доступная для растений форма  соединений серы – сульфат-ионы, образующиеся в почве в результате деятельности микроорганизмов. Докажем это, проведя  качественную реакцию на сульфат-ион  в пробах из настоя сенной палочки и накопительной культуры серобактерий. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

5. Учебно-исследовательский  эксперимент: качественная реакция на сульфат-ион, микробиологическое исследование накопительной  культуры серобактерий.

 

Опыт 1.

      Реактивы  и объекты: настой сенной палочки, накопительная  серобактерий, раствор хлорида бария.

      Подготовка  к опыту. Для получения накопительной  культуры десульфофицирующих бактерий готовят питательную смесь (на 1 л  воды): сегнетовая соль – 5 г, аспарагин  – 2 г, сульфат магния – гидрофосфат  калия – 1 г, сульфат железа –  следы. Смесь наливают в высокие конические колбы до самой пробки, заражают почвой и настаивают 7-10 суток при температуре 25-30 С.

      В высокий цилиндр наливают воду, прибавляют туда свежеосаждённый гидроксид железа (III), небольшое количество ила из водоёма и немного сена, предварительно вываренного в большом количестве воды. Содержимое сосуда настаивают при комнатной температуре и через несколько дней наблюдают появление на стенках ржавых пятен, которые постепенно разрастаются и образуют сплошной «войлок», состоящий преимущественно из бактерий.

      Отберите  пробы из выданных склянок и докажите содержание в них сульфат-ионов. Запишите сокращённое ионное уравнение реакции.

      В ходе дальнейшего круговорота эта форма иона восстанавливается. Сульфатредуцирующие бактерии, которые в результате своей жизнедеятельности образуют атомарный водород, осуществляют этот процесс по схеме:

SO + 8H – S + 4H2O + Q.

S + 8е – S

H - 1e – H

      При ассимиляции (у растений) и иммобилизации (у микроорганизмов) часть серы усваивается и фиксируется в организме:

 SO4 – S (орг.).

      Дальнейший  процесс связан с минерализацией органических соединений, содержащих серу. Происходит восстановление серы не специализированными гетеротрофными микроорганизмами:

S (орг.) – H2S,

и, таким образом, конечным продуктом восстановления сульфат-иона оказывается сероводород. Процесс восстановления серы получил  название десульфофикации.

      В природе этот процесс имеет немаловажное значение: он лежит в основе формирования в толщах морей и океанов слоёв, содержащих в высоких концентрациях сероводород. Так, в Чёрном море сероводородные воды занимают около 90% объёма. В бассейне Солёного озера (США) бактерии образуют в год до 10 т серы в виде сероводорода. Иловые отложения, содержащие сероводород, используют для лечения остеохондроза.

      Трансформация предусматривает и обратный процесс  – окисление образующегося сероводорода до сульфат-иона. Этот процесс осуществляют специализированные группы автотрофных  микроорганизмов – серобактерии (бесцветные – аэробно, пурпурные и зелёные – анаэробно).

      Сущность  процесса сульфофикации:

2H2S + O2 – 2S + 2H2O + Q;

2S + 2H2O +3O2 – 2H2SO4 + Q.

Серобактерии  могут запасать молекулярную серу. Энергию, получаемую от окисления, бактерии используют для восстановления углекислого газа. В условиях недостатка сероводорода в среде они переходят к окислению серы, запасённой в клетке, и окисляют её до серной кислоты. Последняя вступает во взаимодействие с гидрокарбонатом кальция с образованием гипса:

H2SO4 + Ca(HCO3)2 = CaSO4 + H2O +CO2.

    Круговорот  серы связан с круговоротом фосфора: когда в среде образуются сульфат-ионы, фосфор из нерастворимой формы переходит в растворимую и становится доступным к переработке:

FeHPO4 + S – FeS +HPO4.  

Опыт 2.

      Обсушиваем предметное стекло, обезжиренное в смеси Никифорова (спирт:эфир=1:1). Микробиологической петлёй, предварительно прокалённой, делаем мазок. Высушиваем его и фиксируем в пламени спиртовки. Окрашиваем в течении 2-3 мин (генциан-виолет, фуксин, метиловая синь) и смываем краситель. Готовый препарат высушиваем на воздухе. Изучаем его под микроскопом с объективом МИ-90, используя иммерсионное масло. Делаем рисунок и даём морфологическую характеристику обнаруженных форм.

      В накопительной культуре чаще всего  встречается Spirillum desulfuricans – вибрионоподобная палочка извилистой формы.

      Другая  распространённая форма этой группы, Vibrio desulfuricans – подвижный вибрион с одним или несколькими жгутиками, обычно обитает в шлаках и грязях.  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

2. Железо

    Желе́зо — элемент побочной подгруппы восьмой группы четвёртого периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева, атомный номер 26. Обозначается символом Fe (лат. Ferrum). Один из самых распространённых в земной коре металлов (второе место после алюминия).

    Простое вещество железо (CAS-номер: 7439-89-6) — ковкий металл серебристо-белого цвета с высокой химической реакционной способностью: железо быстро корродирует при высоких температурах или при высокой влажности на воздухе. В чистом кислороде железо горит, а в мелкодисперсном состоянии самовозгорается и на воздухе.

    На  самом деле железом обычно называют его сплавы с малым содержанием примесей (до 0,8%), которые сохраняют мягкость и пластичность чистого металла. Но на практике чаще применяются сплавы железа с углеродом: сталь (до 2% углерода) и чугун (более 2% углерода), а так же нержавеющая (легированная) сталь с добавками легирующих металлов (хром, марганец, никель и др.). Совокупность специфических свойств железа и его сплавов делают его «металлом № 1» по важности для человека.

    В природе железо редко встречается  в чистом виде, чаще всего оно  встречается в составе железо-никелевых метеоритов. Распространённость железа в земной коре — 4,65 % (4-е место после O, Si, Al^[2]). Считается также, что железо составляет бо́льшую часть земного ядра.

2.1. Физические свойства

    Железо — типичный металл, в свободном состоянии — серебристо-белого цвета с сероватым оттенком. Чистый металл пластичен, различные примеси (в частности — углерод) повышают его твёрдость и хрупкость. Обладает ярко выраженными магнитными свойствами. Часто выделяют так называемую «триаду железа» — группу трёх металлов (железо Fe, кобальт Co, никель Ni), обладающих схожими физическими свойствами, атомными радиусами и значениями электроотрицательности.

    Для железа характерен полиморфизм, он имеет четыре кристаллические модификации:

до 769 °C существует α-Fe (феррит) с объёмноцентрированной кубической решёткой и свойствами ферромагнетика (769 °C ≈ 1043 K — точка Кюри для железа)

в температурном интервале 769—917 °C существует β-Fe, который отличается от α-Fe только параметрами объёмноцентрированной кубической решётки и магнитными свойствами парамагнетика