Научная конференция ломоносовские чтения



жүктеу 3.58 Mb.
бет16/19
Дата26.08.2018
өлшемі3.58 Mb.
1   ...   11   12   13   14   15   16   17   18   19

6.2.2. Участие бактерий в процессе деструкции сульфидов
За последние десятилетия работами микробиологов установлено, что тионовые бактерии, и в первую очередь микроорганизмы Th. ferrooxidans, принимают участие в окислении сульфидных руд. При этом на первом этапе этих исследований (1950-1960-е годы) была доказана способность Th. ferrooxidans стимулировать в кислом растворе (pH<3) окисление закисного железа согласно реакции 4FeSO4+2H2SO4+O2 2Fe2(SO4)3+2H2O. Принимая эту реакцию в виде основополагающей, микробиологи создали представление о косвенном механизме бактериального окисления сульфидов (Кузнецов и др., 1962; Каравайко и др., 1972), согласно которому окисление минералов рассматривается как химический процесс, осуществляющийся с помощью сульфата трехвалентного железа, а бактериям отводится роль окислителя образующихся в растворе FeSO4 и серы. Так, для пирита этот процесс описывался следующими реакциями:

FeS2+3,5O2+H2O=FeSO4+H2SO4 - химическим путем,

2FeSO4+0,5O2+H2SO4=Fe2(SO4)3+H2O - бактериальным путем,

FeS2+Fe2(SO4)3=3FeSO4+2S - химическим путем,

S+1,5O2+H2O=H2SO4 - с помощью бактерий.

На представлениях о косвенной роли бактерий и первостепенном значении сульфата окисного железа базировались и первые промышленные технологии бактериального выщелачивания руд.

В 1960-е годы в Великобритании возникла электрохимическая гипотеза жизнеобеспечения микроорганизмов (работы П. Митчелла), согласно которой трансформация энергии окисления в энергию жизнеобеспечения клетки имеет промежуточную электрическую энергию. Иными словами, процесс окисления вещества связан с биохимическими реакциями в живой клетке потоком (транспортом) электронов с косного (окисляющегося) субстрата на клетку.

В это же время в минералогии интенсивно разрабатывается представление о природном окислении полупроводниковых минералов (сульфидов) как об электрохимическом процессе, сопоставимом с процессом коррозии металлов (работы М. Сато, Р. Гаррелса, Г. Свешникова, Л. Яхонтовой и др.) В чисто химическом варианте осуществление процессов окисления минерала предполагает наличие противоположного процесса восстановления на окислителе, находящемся в электролите (например, на кислороде, ионе Fe3+ и др.) и потребляющем электроны окислительной реакции. В бактериальном варианте таким потребителем электронов может стать живой окислитель - клетка микроорганизма, стимулирующая тем самым процесс окисления минерального субстрата.

С высказанной идеей согласуются данные о прямом контакте микроорганизма с окисляющимся минеральным веществом, которые стали появляться уже в конце 1950-х годов. В частности, было показано прямое воздействие Th. ferrooxidans на ковеллин и халькозин (Bryner, Anderson, 1957; Razzell, Trussell, 1963), а затем на пирит, халькопирит и борнит (Гайдаржиев V., Грудев C., 1972). Прямой контакт тионовых бактерий с сульфидами подтвердился электронно-микроскопическими исследованиями (Berry, Murr, 1976; Пивоварова, 1977). Снимки, полученные в сканирующем микроскопе, продемонстрировали избирательную адсорбцию бактериальных клеток на сульфидной поверхности, а не на поверхности содержащихся в изученных пробах силикатов.

В настоящее время появляется все больше доказательств в пользу электрохимической модели бактериального окисления сульфидов в условиях прямого контакта клетки микроорганизма с минералом. Клетка, благодаря своим окислительным ферментам и катализаторам, стимулирует окислительный процесс на минерале, в результате чего получает необходимую для своего существования и развития энергию. Микроорганизм выступает в роли живого окислителя, а с точки зрения электрохимической модели процесса окисления - живого катода. Минерал, становясь донором электронов для бактериальной клетки, окисляется, т.е. разрушается, занимая в этой системе анодную позицию. На разных минералах, в первую очередь в зависимости от их химической и структурной конституции, этот процесс в отношении его общего характера и интенсивности осуществляется индивидуально.

В настоящее время на основе электрохимической модели экспериментально исследован процесс бактериального окисления ряда сульфидных минералов - халькозина, борнита, халькопирита (Яхонтова, Нестерович, 1978; Яхонтова и др., 1980б), пирита (Яхонтова и др., 1980а), арсенопирита (Яхонтова и др., 1981б), пирротина и пентландита (Яхонтова, Нестерович, 1983).

Опыты проводились с использованием бактерий Th. ferrooxidans в сернокислом растворе (питательная среда 9К* ) pH=2,5-3 в условиях термостатирования препаратов (около +30оС) - культурального (минеральной суспензии с бактериями) и холостого (минеральной суспензии без бактерий). В течение экспериментов (12-14 сут) склянки с растворами в термостате размещались на качалке. В результате постоянного встряхивания растворов происходило перемешивание и, следовательно, улучшение контактирования бактериальных клеток с минеральными частицами. В термостат постоянно подавался воздух. Исходная концентрация Th. ferrooxidans в рабочем объеме (100 мл) минеральной суспензии обычно составляла 105 клеток. После окончания опытов определялась конечная концентрация бактерий, которая служила одним из критериев интенсивности окисления сульфида.

В склянках с культурным и холостым растворами в период эксперимента были размещены периодически подключающиеся к pH-метру минеральные электроды - миниатюрные кусочки мономинерального сульфида с полированной поверхностью, запрессованные в полистироловый цемент. Использованный в экспериментах сульфид предварительно тщательно исследовался минералогически в отношении химического состава, степени однородности, примесей, дефектов, типа проводимости и прочих особенностей.

В ходе эксперимента ежедневно проводилось измерение ЭП сульфида, ОП раствора-суспензии и pH раствора. Через сутки раствор в склянках количественно анализировался на содержание в нем элементов, входящих в состав сульфида. При этом отдельно определялись окись и закись железа, меди и других разновалентных элементов, а также исходное и конечное валовое содержание в растворах сульфатного аниона. В целом бактериальное окисление сульфида в описанных экспериментах изучалось c получением электрохимических (ЭП, ОП, pH), количественных химико-аналитических (состав растворов) и бактериальных (рост и развитие бактерий) параметров, описывающих этот процесс и представляемых в виде графиков и диаграмм.

Следует отметить, что указанным экспериментам обычно предшествует большая дополнительная работа, связанная не только с уже отмеченным исследованием окисляющегося минерала, но и с изучением процесса его химического (абиогенного) окисления и характера растворения в используемых сернокислых растворах с заданной величиной pH. Особое внимание уделяется получению данных по химизму и состоянию этих растворов в координатах Eh-pH, для чего изучается имеющаяся справочная и специальная литература, а иногда проводятся дополнительные эксперименты.

Специальные опыты по изучению абиогенного окисления сульфидов решают важнейшие вопросы, касающиеся, в первую очередь, вывода уравнений окисления минерала в различных областях Eh-pH - состояния раствора, особенно в кислых условиях - в среде развития Th. ferrooxidans, и определения форм, в виде которых компоненты сульфида оказываются в культуральном растворе, когда процесс окисления совершается с участием весьма активного окислителя - бактерий. Подобные исследования проведены для целого ряда сульфидов - пирита, халькопирита, халькозина, галенита, сфалерита, арсенопирита, станнина, пентландита, тетраэдрита и др. С их результатами можно познакомиться в уже указанных публикациях.

Так, в случае экспериментального изучения окисления халькозина предварительно (также опытным путем) было определено, что в сернокислой среде с pH<3 халькозин окисляется в соответствии с реакцией Cu2S+1,75O2+0,5H2O [CuHSO4]++Cu2++3. Образование комплексного катиона [CuHSO4]+ приводит к ощутимому повышению pH раствора, что хотя и снижает возможность дальнейшего формирования этого комплекса, но становится губительным для клеток Th. ferrooxidans. В связи с этим в ходе эксперимента приходилось регулировать величину pH раствора путем добавления определенного объема серной кислоты.

В результате было установлено наиболее интенсивное выщелачивание из сульфида меди (за 12 сут было извлечено около 15% Cu), существенно опережающее выход в раствор серы: в бактериальном процессе действовал механизм экстракции металла. Деструкция минерала осуществлялась в условиях проявления основного правила: ОП культурного раствора был постоянно выше ЭП сульфида. По окончании эксперимента концентрация Th. ferrooxidans в растворе оказалась 109кл/мл, что в 1000 раз превысило исходное содержание "живого вещества".

Экстрагирование меди из халькозина практически происходило в течение 6 сут эксперимента. Торможение и затем прекращение окисления частиц минерала, скорее всего, связано с интенсивным изменением их поверхности, благодаря потере кристаллической решеткой катионных узлов и возникшим затруднениям с выходом электронов с измененной поверхности сульфида. В практике выщелачивания меди в подобных случаях производится передробление или перетирание руды.

Один из основных выводов рассмотренного исследования заключается в том, что процесс бактериального выщелачивания металла из минерала оказалось возможным контролировать измерением или анализом ОП среды и ЭП сульфида - конец экстрагирования меди регистрируется выходом обоих графиков на стабильную позицию. Обратный характер изменения ОП (снижение) и ЭП (возрастание) в начале опыта связан с постоянным падением концентрации свободных ионов H+ в растворе и накоплением продуктов окислительной реакции, т.е. с выходом меди в раствор.

Процесс окисления сульфидов существенно усложняется, когда они образуют полиминеральные ассоциации - руды. Окисление руд направляется и контролируется особенностями электрохимических реакций, протекающих между контактирующими минералами и участвующими в этом процессе микроорганизмами.

В настоящее время имеются данные по бактериальному окислению простейших рудных ассоциаций - сульфидных пар, в частности тех, которые характерны для лучше обследованных микробиологами медноколчеданных месторождений. В связи с уже рассмотренным примером окисления халькозина наиболее интересным представляется опыт по бактериальному окислению пары халькозин-пирит (весовое отношение минералов в смеси равно 1). Результаты эксперимента показывают, что в течение опыта пирит по отношению к халькозину занимает устойчивую катодную позицию (его ЭП был постоянно выше ЭП халькозина). В данном случае было как бы два катода - пирит и микроорганизм Th. ferrooxidans, оба стимулировавшие процесс окисления халькозина. В результате выход меди в раствор резко увеличился и за 8 сут. составил 50% от содержания этого металла в минерале. В табл. 48 приведены результаты и других экспериментов с двойными смесями сульфидов. Во всех случаях добавка высокопотенциального ("катодного") сульфида способствовала интенсификации окисления другого минерала смеси, находившегося в анодном положении.

Таблица 48

Выход меди в раствор в опытах с мономинеральными и смешанными пробами за 8 сут.

(в % от содержания Cu в 1 г пробы сульфида)


Мономинеральные пробы

Выход меди

Смешанные пробы

Выход меди

Халькозин

Халькопирит

Борнит


12

25

30



Халькозин-пирит

Халькопирит-пирит

Борнит-пирит

Халькозин-халькопирит



50

60

50



50

 

Результаты, полученные на основании имеющихся экспериментов по бактериальному окислению сульфидов, позволяют сделать следующие выводы:

1. Окисление сульфидных минералов с помощью бактерий происходит по законам электродных (коррозионных) процессов, в которых сульфид-донор занимает по отношению к бактериальным клеткам анодное положение;

2. Бактериальное окисление сульфидов ощутимо интенсифицируется, когда минералы образуют смеси друг с другом. В смесях (полиминеральных рудах) минерал, обладающий более высоким электродным потенциалом, наряду с бактериальными клетками выполняет роль дополнительного катода, усиливающего процесс окисления низкопотенциального минерала;

3. В практике бактериального выщелачивания сульфидных руд следует учитывать минеральный тип руды, наличие в ее составе высокопотенциальных минералов и характер сочетаний их друг с другом. В случае нехватки в составе руды "катодных" сульфидов (например, пирита) можно рекомендовать их специальную добавку, увеличивающую выход металла в раствор;

4. Одна из важнейших проблем, связанных с бактериальной деструкцией сульфидов, а также с организацией и развитием биотехнологии, заключается в выявлении тонкой химико-структурной конструкции минералов на этот процесс. Использование общих соображений, опирающихся на структурную модель сульфидного минерала (например, кластерная позиция некоторых атомов в структуре - Fe в пирротине, Ni - в пентландите; тип проводимости в случае пирита или арсенопирита и др.) или на расчетные данные (величина Еа, ЭхП, эффективные заряды и пр.) для прогноза результатов бактериальной деструкции минерала, может иметь только общее, прикидочное значение. В каждом конкретном случае необходима большая исследовательская работа, выполняемая на высоком методическом уровне.


6.3. К ТЕОРИИ БИОКОСНЫХ (БИОМИНЕРАЛЬНЫХ) ВЗАИМОДЕЙСТВИЙ

В ЭКОСИСТЕМАХ С МИНЕРАЛЬНЫМ СУБСТРАТОМ
Вопрос о вкладе вещества земной коры в биогенез и жизнеобеспечение организмов в наше время обретает черты достаточно четких представлений о существовании функциональной связи живой клетки, в первую очередь одноклеточных микроорганизмов, с минеральным субстратом.

Как отмечалось, первым, кто вполне определенно высказался по данному вопросу, был В. И. Вернадский, когда, завершая круг своих философских и методологических исследований по биогеохимии в 1920- 1930-е годы, не раз отмечал, что живые организмы неразрывно связаны с косной материей земной коры, с минералами и горными породами и что эта связь носит жизнеобеспечивающий характер.

Однако в первой половине века, когда биология не располагала данными, необходимыми для исследования механизма биокосных взаимодействий, когда не была завершена теория функционирования клетки, решить рассматриваемую проблему было невозможно. Нужен был "прорыв в клетку", в ее конструктивный и энергетический метаболизм, что стало реальным после 1945 г., когда К. Портер с коллегами получил первое изображение бактериальной клетки под электронным микроскопом. В последующие два десятилетия трудами огромной армии ученых, работающих на стыке биологии с физикой и химией, удалось не только раскрыть структуру белковых молекул, осуществить синтез ферментов и проникнуть в процессы регуляции биосинтеза, но и разработать энергетическую модель функционирующей клетки, основанную на достижении новых наук - биофизики и биохимии, мембранологии и термодинамики открытых систем, теории информации и системного анализа (работы Э. Шредингера, М. Волькенштейна, И. Пригожина, Д. Парсонса, А. Верининова, В. Скулачева, А. Рубина и мн. др.).

Отмеченные успехи в биологии своевременно пополнились идеями об электрохимическом (донорно-акцепторном) механизме взаимодействия клетки микроорганизма с внешней средой, заложившими основы теории переноса (транспорта) массы, энергии и трансформации биокосных взаимодействий (в первую очередь, работы П. Митчелла), согласно которым клетка выступает в роли акцептора энергии и, следовательно, окислителя контактирующей с ней косной материи.

В соответствии с новыми представлениями жизнедеятельность микроорганизмов обеспечивается постоянно совершающимся их взаимодействием с внешней средой в условиях ферментного окисления веществ внешней среды - газов, структуриентов растворов и твердых фаз. При этом осуществляется сложная и не всегда однозначная направленность потоков вещества, энергии и информации в этом процессе - от косных структур среды в клеточные структуры организма и наоборот.

В результате провидческие идеи В. И. Вернадского о функциональной связи живого и косного вещества в биосфере получили полное подтверждение. Но следует заметить, что должного развития они не получили, так как общая направленность теории жизнеобеспечения практически замкнулась на решении чисто биологических, в первую очередь физиологических вопросов. Специфика биокосных систем, действующих в условиях биосферы как земной оболочки, представленной в качестве косного субстрата минеральным веществом, оказалась вне поля зрения биологов, биофизиков и мембранологов. В подавляющем большинстве случаев в качестве природных косных субстратов рассматриваются лишь газы (O2, CO2, H2), скопления органических веществ (почвенный гумус) и растворы в виде питательных сред, а в числе первоочередных проблем важнейшей считается фотосинтез.

Требовался новый "прорыв" в проблему, и он был обеспечен в 1970-е годы начавшейся практикой переработки сульфидных руд с помощью микроорганизмов, когда минеральный субстрат (сульфидная руда) начал привлекать к себе внимание. С первых шагов новой технологии (биотехнологии) в качестве биологического реагента оказалась универсальная культура тионовых бактерий Thiobacillus ferrooxidans, способная участвовать в выщелачивании металлов практически из всех типов сульфидных руд. Однако далеко не сразу сложилось представление о жизнеобеспечивающем взаимодействии тионовых бактерий с минеральным субстратом.

Переломное значение имели исследования, посвященные анатомии и физиологии клетки Th. ferrooxidans, фиксирование в ее структуре главного энергетического блока - мембраны и получение с помощью электронного микроскопа картины прямого контактирования бактерий с сульфидными частицами с захватом их в слизистую капсулу клетки (Авакян, Каравайко, 1970; Пивоварова, Головачева, 1985; Remsen, Lindgren, 1960). Тем самым появилась возможность рассматривать процесс выщелачивания сульфидов в виде прямой бактериальной деструкции, т.е. при взаимодействии микроорганизма с минералом.

Вопросы новой биотехнологической практики, особенно необходимость обеспечения ее производственной эффективности, способствовали становлению и развитию теории биокосных взаимодействий с участием минерального субстрата, раскрывающей основные законы функционирования биосферы. В настоящее время общее состояние этой теории таково, что возникла насущная необходимость разработки ряда важнейших проблем и в первую очередь таких как

1) механизмы биокосных взаимодействий и жизнеобеспечение;

2) энергетические параметры жизнеобеспечения в биокосных системах биосферы;

Ниже рассмотрено состояние этих проблем в теории биокосных взаимодействий.

1. В соответствии с отмеченными достижениями фундаментальных исследований взаимодействие в системе минеральный субстрат/микроорганизм, как и в прочих биокосных системах, осуществляется преимущественно в виде донорно-акцепторного механизма передачи массы, энергии и информации с учетом того, что реальные системы могут быть не только парными, но и более сложными. Минерал выступает донором по отношению к функционирующему организму - акцептору. При осуществлении подобной связи взаимодействие становится жизнеобеспечивающим. Хотя основные вопросы, связанные с взаимодействием в биокосных системах биосферы, рассмотрены и проанализированы в специальной работе (Яхонтова и др., 1991б), представляется уместным остановиться на главнейших моментах этого анализа.

Природные растворы практически всегда участвуют в биокосных взаимодействиях, поэтому их кислотность- щелочность, а также образующиеся в них трехмерные структуры ближнего порядка, представленные комплексными ионами с различными лигандами и полярными молекулами воды, имеют первостепенное значение. Они в заметной степени определяют характер протоструктур, на базе которых в дальнейшем формируются новообразованные минералы.

Учет структур формирующихся комплексных ионов, которые характеризуются взаимной координацией атомов, а также эффективных зарядов атомов-комплексообразователей, существенно уточняет представление о вероятном состоянии элементов в растворах, о характере их участия в биокосных взаимодействиях, в процессе транспорта носителей зарядов и в протекающих окислительно-восстановительных реакциях. В работе (Яхонтова и др., 1991д) впервые на разнообразных примерах показаны уникальные возможности данного подхода при анализе гипергенного минералообразования. В отношении биокосных взаимодействий они не менее впечатляющи. К примеру, смена в растворе комплекса [Fe+ 2,2(HSO4)2]+ на [Fe+ 2,5(HSO4)2]0 c изменением координации Fe (III) с 4 на 6 снижает донорное свойство сернокислого раствора, участвующего в биокосном взаимодействии. В ряду комплексов меди в углекислой среде [Cu+ 1,7(HCO3)3]- -Cu+ 1,6(HCO3)2]0-[Cu+ 1,4(HCO3)]+ с уменьшением координационного числа Cu (6-4-2) и соответственно эффективных зарядов, наоборот, нарастают донорные возможности раствора. Формирование того или иного комплекса связано с Eh- pH-состоянием среды.




Рис. 11. Распределение эффективных зарядов в фрагментах структуры лимонной (1) и янтарной (2) кислот

 

Метаболические продукты бактерий, попадая в раствор, активно участвуют во взаимодействиях с минералами, проявляя в различной степени акцепторную роль. В составе метаболитов обычно присутствие различных органических кислот (яблочной, янтарной, лимонной и др.) при преобладающей роли какой-либо одной. Используя остовно-электронный метод расчета эффективного заряда атомов, можно произвести сравнительную оценку акцепторных качеств этих кислот. Так, особо высокая акцепторная активность лимонной кислоты, продуцируемой бактериями, вытекает из высоких эффективных зарядов углерода (+ 0,95 и + 0,85) во всех трех типах структурных групп O-OH этой кислоты. В структуре янтарной кислоты отмеченных групп лишь две, и обе, по существу, являясь цис- и трансформами, имеют один и тот же эффективный заряд углерода (+ 0,85) и к тому же в структурной цепочке связаны с отрицательно заряженным углеродом (- 0,03), что резко снижает акцепторную активность метаболитов, концентрирующих янтарную кислоту (рис. 11).

В биокосном взаимодействии с помощью эффективных зарядов атомов в структуре минералов можно прогнозировать донорное качество минерального субстрата (табл. 43), где в уже рассмотренном ряду никелевых сульфидов полидимит-миллерит-пентландит возрастающей степени бактериальной деструкции соответствует постепенное уменьшение эффективного заряда Ni, т.е. увеличение донорной способности минералов.

Донорно-акцепторный механизм биокосного взаимодействия в другом аспекте может оцениваться как кислотно-основной, в соответствии с современными представлениями в химии акцептор энергии (электронов) является обобщенной кислотой Льюиса (окислителем), а теряющий электроны (окисляющийся) донор - основанием. С этих позиций функционирующий микроорганизм можно рассматривать в качестве "живой" кислоты- окислителя, а окисляющийся минеральный субстрат - в виде основания Льюиса.

Как уже показано, оценка кислотности- щелочности минерального субстрата, находящегося во взаимодействии с микроорганизмом, может быть произведена с помощью ЭхП, вычисленного, к примеру, известным методом, исходя из химического состава минерала (Ракчеев, 1989). Величина ЭхП, в принципе сопоставляемая с работой выхода электрона из структуры минерала и в этом смысле являющаяся мерилом степени окисленности последней, может свидетельствовать о выраженной тенденции в принадлежности минерала к "основанию" или "кислоте". Чем выше ЭхП, тем выше кислотность минерала и ниже его донорное качество. Но, как показали исследования деструкции отдельных минералов и их групп с помощью бактерий (Яхонтова и др., 1983, 1991е), метод ЭхП, не предназначенный для учета реального структурного состояния минерала (дефекты, полупроводниковые свойства, явления полиморфизма, степень упорядочения и др.), лишь ориентировочно и только для минералов одного структурного ряда и контрастного химизма, способен сопоставить их кислотно-основные свойства.

Например, в исследованной группе слоистых силикатов ряд увеличения кислотности и, следовательно, уменьшения донорных, жизнеобеспечивающих качеств выглядит следующим образом (в числителе - ЭхП, в знаменателе - извлечение SiO2 бактериями в %): шамозит 4,99/35-мусковит 5,20/15-каолинит 5,34/12-тальк 5,48/4. Показанная последовательность быстро нарушается, когда исследования переносятся на отдельные представители этой группы с различными конституционными изменениями (структурное упорядочение, фрактальность и пр.).

Энергетические показатели - важнейшие в характеристике деструкции минералов в их взаимодействии с микроорганизмами. К сожалению, накопленный опыт анализа энергетики минералообразования и функционирующих абиогенных систем, проводимого на основе разработок классической термодинамики, не может быть автоматически перенесен на механизм биокосных взаимодействий. В числе главнейших причин - неравновесность, необратимость и достаточно строгая направленность конкретных потоков взаимодействия от минерального субстрата к функционирующему организму и наоборот.

В осуществлении реакций, являющихся жизнеобеспечивающими, на определяющее место выходят кинетические параметры, связанные с высокой скоростью биологических процессов и диффузией, т.е. с переносом реагирующих веществ. Реальные природные обстоятельства биокосных взаимодействий требуют значительного снижения высоты, исходного энергетического барьера реакций, преодолеваемого в результате приложения к реагирующим единицам энергии активации, которое интенсифицирует их столкновение друг с другом, необходимое для возбуждения процесса взаимодействия.

Во многих случаях термодинамически выгодная реакция не может осуществляться по причине высокого значения в данных условиях (например, температурных) энергии активации. Хрестоматийным примером служит взаимодействие газообразных кислорода и водорода с образованием воды, требующее для своего осуществления приложения мощной энергии активации, например, в виде пламени либо электрического разряда.

Известно, что природные реакции осуществляются легче благодаря участию в них катализаторов, в роли которых обычно выступают микроэлементы, содержащиеся в растворе реагирующей системы. Катализаторы снижают энергию активации и, следовательно, высоту исходного энергетического барьера реакции, меняя общий характер (дизайн) энергетической траектории процесса.

В биокосных взаимодействиях реакции реализуются в условиях снижения энергий активации за счет специфической функции каталитических агентов живой материи - ферментов (энзимов), ускоряющих реакции, но не расходуемых при этом и не входящих в состав конечных продуктов. На рис. 12 схематично показана зависимость энергетического дизайна реакции и высоты ее барьера от участия ферментов - ферментативная реакция осуществляется в условиях резко сниженного энергетического барьера.

Тончайшая регуляция метаболизма клетки целиком обязана ферментам и их специфичности. Находясь в весьма малых концентрациях и обладая высокой "оборачиваемостью", ферменты катализируют следующие друг за другом многочисленные реакции, протекающие в клетке с большой скоростью. Остановка этих процессов означает гибель клетки. Аналогичную, но более активную роль выполняют также коферменты, содержащие в дополнение к белку лабильную небелковую часть, обычно представленную комплексно связанным металлом - это Fe цитохромной системы, Cu в аскорбиноксидазе, Mo в нитратредуктазе и др. Каждый фермент (или кофермент), катализируя единственную реакцию, входит в ферментную группу, связанную с определенным типом реакций - окислительно-восстановительных, гидролизных, реакций межструктурного переноса и изомеризации, реакций соединения молекул и др. Активность фермента принято измерять в единицах МЕ: 1 МЕ отвечает количеству фермента, превращающему 1 мк/моль (10- 6 моль) субстрата в минуту в стандартных условиях. Для каждого фермента имеется оптимум активности, зависящий от величины рН среды. Изменение рН на две единицы в ту или иную сторону приводит к полной ее потере.

Мельчайшие частицы минерального субстрата, размер которых меньше размера глобуля-фермента, взаимодействуя с бактериальной клеткой, оказываются захваченными ферментами с образованием ферментно-субстратных комплексов (ФСК). Для эффективного взаимодействия частица минерала в ФСК своей индексной "структурной группой" должна быть ориентированной относительно сруктурно-активного центра фермента, так называемого каталитического сайта: структурное подобие (соответствие) минеральной частицы и каталитического сайта фермента - главное условие для функционирования гетерогенного биокатализа и, следовательно, для успешного протекания реакций деструкции минерала (рис.13). Установлено, что более структурно-организованные частицы минерала имеют пониженную энтропию и, следовательно, повышенный "резерв акцепции" при взаимодействии с микроорганизмами и меньшую устойчивость при биокосном взаимодействии. Нужно также заметить, что глобулярный блок ферментов обладает упругой деформацией, способствующей дроблению минерала в ФСК и, следовательно, уменьшению энергии активности в деградационном процессе.




Рис. 12. Энергетический дизайн неферментативной (1) и ферментативной (2) реакций.

Еа - энергия активации неферментативной реакции; Еаф - энергия активации фермента-тивной реакции; G - изменение свободной энергии; Р - энерге-тический уровень конечного продукта реакции



Энергетика реакций, протекающих в бактериальной клетке, связана прежде всего с реакциями фосфорилирования, в первую очередь с многократно повторяющейся реакцией синтеза аденозинтрифосфата (АТФ), осуществляющейся с участием кислорода, групп PO4 и электронов, поступающих в клетку извне. В структуре АТФ три мостиковых кислорода (рис. 14), которые, имея высокую насыщенность зарядами (по 2,5 заряда против 2), являются специфическими "запасниками" энергии клетки, расходуемой на различные виды ее метаболизма через реакции окисления, в развитии которых АТФ, теряя группу PO4, переходит в АДФ и даже в АМФ (монофосфат). Восстановление (синтез) АТФ совершается путем нового цикла этого процесса, через присоединение РО4-групп к аденозиндифосфатной структуре и нового формирования высокоэнергетических связей на ее мостиковом кислороде. В этом заключается основная суть окислительно-восстановительного "дыхания" клетки.

В проблеме механизмов биокосного взаимодействия, и в частности, в вопросе о структурном подобии реагирующих минерала и бактериальной клетки, нельзя обойти сравнительно недавно обнаруженные на поверхности бактерий регулярные слои S, состоящие из белковых молекул, через которые клетка осуществляет связь с внешней средой (Северина, 1995).

Живая клетка, представляя собой открытую систему высочайшей организации, функционирует в сложном соответствии со вторым началом термодинамики, со сравнительно небольшим суммарным приращением энтропии, которое допускает ее локальное уменьшение, связанное с формированием высокоорганизованных белковых структур. В то же время жизнеобеспечение клетки происходит в условиях интенсивной деградации субстрата, в том числе и минерального, протекающей с резким увеличением энтропии. В результате общий энтропийный эффект биокосного взаимодействия во времени складывается из сравнительно небольшого внутреннего и интенсивного внешнего приращения энтропии (Елинов, 1989). Чтобы жить, возобновляя клеточные структуры, организм должен резко и постоянно увеличивать энтропию среды, т.е. деструктировать субстрат.




Рис. 14. Фрагмент структуры АТФ

 

Биокосные системы принадлежат к числу открытых систем, активно обменивающихся с внешней средой массой и энергией. Равновесное состояние такой системы фактически означает ее гибель. В функционирующих же открытых системах равновесие носит только стационарный характер, и процессы динамического взаимодействия связаны с направленным изменением прежде всего концентрации вещества в субстрате. Из этого следует, что энергетические превращения биокосной системы следует характеризовать не только соотношением энергетических уровней исходных и результирующих веществ, включая и "живое вещество", но и скоростью трансформации вещества и энергии в единицу времени, т.е. кинетическими параметрами (Рубин, 1984).

Реакции в механизме биокосного взаимодействия, являясь ферментативными, характеризуются постоянным изменением состояния ферментов из занятого (E1) в свободное (E0) по кинетической константе (k). В результате совершается функционально важный для жизнеобеспечения распад фермент-субстратного комплекса с образованием из субстрата S продукта p, что выражает зависимость

Зависимость скорости ферментативной реакции V от концентрации субстрата S и содержания ферментов в единице объема E описывает известное фундаментальное для биокатализа уравнение Михаэлиса-Ментен , которое при закономерной замене произведения k2E на максимальную скорость биокатализа VM упрощается . Кинетическая константа kM (константа Михаэлиса) в этом уравнении определяется экспериментально из графика V-S с учетом накопления продуктов распада субстрата во времени или путем графического дифференцирования кинетических кривых изменения концентрации субстрата.

С помощью уравнения Михаэлиса-Ментен можно решать различные практические вопросы в биогеотехнологии - определение кинетических параметров процессов выщелачивания минерального субстрата (руд), установления степени ингибирования реакций для продуктов ферментативного окисления минерального субстрата (Панин и др., 1985).

2. Один из сложнейших вопросов в теории биокосных взаимодействий - проблема устойчивости минерального субстрата и способы ее выражения.

Теоретически, с точки зрения классической термодинамики, устойчивость минерала как способность противостоять внешнему воздействию может быть описана свободной энергией формирования его кристаллической структуры и оценена с помощью изменения известных термодинамических потенциалов реакций взаимодействия системы. Однако следует заметить, что термодинамически выгодный процесс, осуществляющийся даже в равновесной системе, далеко не всегда может привести к ожидаемому результату, а теоретически стабильная в данных условиях фаза может в действительности оказаться невозможной. Отклонения такого рода связаны с кинетическими (временными) и динамическими (пространственными) условиями протекания реакций, например, с невозможностью преодолеть активационный барьер, способный полностью их заблокировать. Подобные случаи на примере с халькопиритом в свое время уже рассматривались (Яхонтова и др., 1978).

В энергетике неравновесной системы минерал-микроорганизм отмеченные условия, способные изменить характер и результат реакций, часто оказываются доминирующими. В коррекции термодинамических критериев устойчивости активно участвуют конституционные (топологические), к тому же обладающие переменной геологической спецификой особенности минерала, связанные с зонным строением кристаллов, с блочностью и фрактальностью минерального субстрата, не говоря уже о варьирующей ферментативной регулировке кинетики биодеструкции с существенным изменением активационного барьера и соответственно энергетического дизайна реакций. Полный учет отмеченных сторон взаимодействия - чрезвычайно сложная и пока, видимо, лишь намечаемая для решения задача. На практике, путем эксперимента с относительно простыми системами, могут быть получены полезные результаты, корректирующие теоретические расчеты. Представляется бесспорным, что устойчивость минерала в биокосном взаимодействии не может быть однозначно зафиксирована некоторыми константными величинами.

Что касается термодинамической функции устойчивости минерала, то, по-видимому, некоторую определенность можно получить, учитывая энергию кристаллической решетки в ее адекватном выражении через величину энергии атомизации как энергии сцепления атомов в кристалле (Урусов, 1975). К тому же в настоящее время появилась возможность использования расчетной, но в большей мере сопоставимой для различных субстратов удельной энергии атомизации, отнесенной к единице массы - Еm, кДж/г (Мамыров, 1989, 1991) и позволяющей ранжировать минералы в энергетические ряды виртуальной устойчивости.

Однако "метод энергии атомизации" при рассмотрении стабильности субстрата пригоден только для первого приближения к оценке его устойчивости и для сопоставления в пределах одного класса, характеризующегося спецификой ионности/ковалентности связей. Так, сульфиды (табл. 40) характеризуются изменением Еm от 1,5 до 10 кДж/г, а у главнейших силикатов границы устойчивости перемещаются в пределах 25- 35 кДж/г. Любопытно, что довольно инертные смолы и воски имеют Еm около 80 кДж/г, а кислород, СО2 и вода - соответственно 1, 37 и 54 кДж/г.

Экспериментальные исследования биокосных систем, действительно, свидетельствуют о более удовлетворительном контроле посредством Еm, когда эти минералы принадлежат к одному кристаллохимическому классу, но имеют некоторые "связевые" контрасты. Примером может быть уже рассмотренный ряд никелевых сульфидов: полидимит - миллерит - пентландит, в котором слева направо возрастает бактериальное извлечение Ni, т.е. снижается устойчивость, и в этом же направлении постепенно уменьшается величина Еm минералов. В другом ряду слоистых силикатов, охарактеризованном бактериальным выщелачиванием SiO2, монтмориллонит (6)-каолинит (12)-мусковит (15)-шамозит (35), изменение стабильности в единицах Еm оказалось соответственным 37-34-30-28.

Однако при резком возрастании значения тонких деталей реального состояния индивидов (зонное строение, упорядочение, блочность, дефектность и мн. др.) прогноз устойчивости минерала в биокосном взаимодействии с помощью Еm становится невозможным. К примеру, для четырех проб детально изученного монтмориллонита количество извлеченного SiO2 в одинаковых условиях эксперимента колебалось в пределах 2-4%, а для шести проб каолинита - соответственно от 12 до 27%, что связано с конституционными различиями минеральных индивидов. И хотя по величине Еm каолинит менее устойчив, чем монтмориллонит, обработанные бактериями образцы того и другого силиката образовали смешанный ряд устойчивости.

В биогеотехнологической практике переработки сульфидных руд приемлемые прогнозы по устойчивости минералов могут быть также получены путем использования экспериментальных данных измерения ЭП сульфидов. Метод ЭП привлекателен тем, что измерение ЭП происходит непосредственно на образцах, предназначенных для биодеструкции, и в растворах с функционирующими бактериями. В величине ЭП в определенной мере "заложены" электрические, полупроводниковые и топологические особенности проб. Электродный потенциал, отражая работу "выхода электронов" из структуры сульфида, т.е. кислотно-основные (донорно-акцепторные) свойства минерального субстрата, характеризует в то же время не только субстрат, но и взаимодействующую с ним среду (раствор). Возможности метода ЭП при исследовании сульфидов рассмотрены в специальной работе (Яхонтова, Грудев, 1987).

Накопленный опыт показывает, что сульфиды с дырочной полупроводимостью (p-тип) и, следовательно, с более широкой запрещенной зоной в бактериальных средах устойчивее. Их ЭП заметно выше по сравнению с электронными аналогами (n-тип). Так, в сернокислом растворе с рН 3 ЭП пирита р- и n-типа различаются существенно (0,6 и 0,45 В).

С помощью измеренных ЭП пробы сульфидов могут быть размещены в ряды, прогнозирующих их относительную устойчивость в биокосном взаимодействии. К примеру, в рассмотренной группе никелевых сульфидов (табл. 43) бактериальное извлечение Ni, как и в других случаях, контролировали закономерно меняющиеся величины ЭП минералов.

И все-таки наиболее надежный прогноз стабильности сульфидов в биокосном взаимодействии может быть получен с помощью комплекса электрофизических характеристик этих минералов (тип полупроводимости, концентрация носителей, их подвижность, величины электрохимического потенциала), которые можно получить экспериментально. В табл. 49 приведены результаты такого исследования шести мономинеральных проб арсенопирита n-типа, подвергнутых обработке тионовыми бактериями. Согласно этим данным, устойчивость сульфоарсенида определяется прямой зависимостью от концентрации электронов (n) и электрохимического потенциала ( ) и обратной - от подвижности электронов (Un). Иначе, устойчивость минерала выше, чем больше n и и меньше Un (Яхонтова и др., 1991а).

Таблица 49



Достарыңызбен бөлісу:
1   ...   11   12   13   14   15   16   17   18   19


©kzref.org 2017
әкімшілігінің қараңыз

    Басты бет