Микробная биогеохимия Экологические функции в

Микробная биогеохимия

Экологические функции в ведении прокариот: o Круговороты веществ в природе o Нитратное, сульфатное, серное, карбонатное дыхание и др. o Окисление металлов o Образование и утилизация метана o Минерализующая деятельность и очищение поверхности земли от остатков органического материала o Формирование газового состава атмосферы o Образование гумуса и обеспечение плодородия почв o Формирование земной коры o Образование полезных ископаемых Основы понимания биогеохимической роли микроорганизмов были заложены на рубеже 19 и 20 в. исследованиями русских микробиологов Виноградского С. Н. , Надсона Г. А. , Омелянского В. П. , а также Вернадского В. И. , который указывал на большую роль микробов в перемеще- нии, концентрации, рассеивании химических элементов и поддержании биосферы в целом.

Геохимическая активность микробов, метаболизирующих природные органические вещества, более чем на порядок величин превышает минерализующую активность 6 -миллиардного населения Земли. Месторождения многих полезных ископаемых, разрабатываемых в настоящее время, своим возникновением полностью или частично обязаны деятельности микроорганизмов преимущественно прошлых геологических эпох.

Полезные ископаемые Гумусовые Горючие (сапропелевые) o. Торф o Природный газ o. Бурый уголь o Нефть o. Каменный уголь, антрацит o Горный воск o. Перегной почвы o Горючие сланцы Состав гумуса: лигнин, жиры, гуминовые кислоты, воск, смолы, полифенолы, полисахариды, белковые компоненты и др. Cytophaga

Биогеотехнология- использование геохимической деятельности микроорганизмов в горнодобывающей промышленности. Это экстракция и концентрирование металлов при биологической очистке сточных вод предприятий горнодобывающей промышленности и флотационных процессах: выщелачивание бедных, отработан-ных руд, десульфирование каменного угля, окисление пиритсодержащих пород.

Биогеотехнология обессеривания углей — использование тионовых бактерий для удаления серосодержащих соединений из углей.

Месторождения серы Молодые вулканические горные породы, содержащие самородную серу (более 5– 10 %). По минеральному составу среди них выделяют кальцитовые (известняковые), глинистые, гипсовые, опалитовые и кварцитовые типы, а по содержанию серы (%) – очень богатые (более 25), богатые (18– 25), рядовые (10– 18) и бедные (5– 10) сорта. Главнейшие геолого-промышленные типы месторождений: вулканогенный (месторождения Новое, Малетойваямское и др. на Курильских о-вах и Камчатке. Месторождения серных руд. Гуардак. Туркмения Месторождения серных руд. Гуардак. Туркмения

Биогеотехнология и повышение нефтеотдачи пластов — использование различных групп микроорганизмов для увеличения вторичной добычи нефти.

Один из способов предполагает использование комплекса углеводородокисляющих и метанобразующих бактерий

Типичный представитель метанообразующей бактерии — Methylomonas methanica — неспороносная, грамотрицательная палочка На основании распределения в подпочвенных слоях бактерий, окисляющих углеводороды, проводится микробиологическая разведка нефтяных и газовых месторождений. • Метилотрофные: Methylomonas methanica, Methylococcus, Flavobacterim, дрожжи, микобактерии, нокардии • Разлагающие парафины: нокардии, псевдомонады, коринебактерии, микобактерии.

Микрофлора Талаканского месторождения

За последние 300 – 400 лет в атмосфере Земли нарастает содержание парниковых газов (СО 2 , СН 4 ). Метан образуется, прежде всего, при анаэробном разложении органических соединений. Основные источники метана – увлажнённые и заболоченные почвы, рисовые поля, места захоронения отходов.

Метанобразующие бактерии, способные получать энергию за счёт восстановления CO 2 до метана: (CO 2 + 4 H 2 = CH 4 + 2 H 2 O). Некоторые способны сбраживать метиловый спирт или уксусную кислоту (CH 3 COOH = CH 4 + CO 2), причём метан образуется из углерода метильной группы. Methanothrix Methanosarcina

Methylomirabilis oxyfera, способный использовать метан в качестве источника энергии и получать кислород из окиси азота.

По вертикальной оси — глубина (в метрах под поверхностью морского дна). Черными точками и оранжевыми линиями показана концентрация метана в пробах. Треугольники и сплошная черная линия отражают отношение массы углеводородов к общей массе органического углерода. Синяя линия — процент делящихся клеток. Красная линия — число клеток на куб. см. Горизонтальной пунктирной линией показано положение вулканического прослоя, не позволяющего углеводородам просачиваться наверх. Справа указаны преобладающие разновидности архебактерий (ANME — археи, осуществляющие анаэробное окисление метана), а также минимальные и максимальные температуры для четырех проб.

Pyrococcus furiosus – археи, осуществляющие анаэробное окисление метана

Железоокисляющие бактерии –хемолитоавтотрофы, участники образования железных руд Железо присутствует в биосфере как один из основных элементов, но известно лишь немного бактерий, способных получать энергию путём его аэробного окисления. Ацидофильные: Leptospirillum ferrooxidans, Thiobacillus ferrooxidans – мезофиллы. Sulfobacillus, Thiobacillus spp. -умеренные термофилы. Acidianus, Sulfolobus spp. -экстремальные термофилы. Нейтрофильные: участвуют в образовании ржавых осадков, хлопьев из оксидов железа в очагах «цветения» ручьёв, засорении дренажных труб. Leptothrix, Sphaerotilus – нитчатые Hyphomicrobium Gallionella - простековые и стебельковые Ochrobium, Siderocapsa, Siderococcus - кокки с капсулой ɣ-Proteobacteria - палочки, вибрионы.

Gallionella Hyphomicrobium sulfonivorans Leptothrix Наиболее известные нейтрофильные железобактерии Gallionella и Leptothrix - участвуют в образовании ржавых осадков (охры) в болотах. Нитчатые, имеющие Caulobacter трубковидный чехол, бактерии Leptothrix окисляют Fe(II) с образованием вокруг нитей в большом количестве хлопьев из оксидов железа Fe(III). Sphaerotilus natans

В массовом количестве нейтрофильные железобактерии растут в дренажных трубах и железосодержащих ручьях. Из таких очагов «цветения» были выделены железоокисляющие хемолитотрофные микроорганизмы в форме обычных палочек, вибрионов и нитевидных форм.

Среди ацидофильных железоокисляющих прокариот известны облигатные и факультативны хемолитавтотрофы. Они обнаруживаются в большом количестве в сульфидных минералах (пирит и др. ); при доступе кислорода и воды они сильно подкисляют среду обитания, что часто наблюдается в угольных шахтах. Если кислые шахтные воды попадают в грунтовые, происходит выпадение сульфатов, которые снижают плодородие почвы. 4 Fe. SO + 2 H 2 SO 4 + 02 = 2 Fe 2(SO 4)3 + 2 Н 20

Механизм бактериального окисления сульфидов: 2 Fe. S 2 + 2 H 2 O + 7 O 2 Fe 2+ + SO 4 2 - +4 H+ 4 Fe 2+ + O 2 + 4 H+ 4 Fe 3+ + 2 Н 2 О 2 Fe 3+ + Fe. S 2 3 Fe 3+ + 2 S 0 + 3 O 2 + 2 H 2 O 2 SO 4 2 - + 4 H+ 4 Fe 3+ + Cu. S 4 Fe 2+ + Cu 2+ + S 0 Thiobacillus ferrooxidans, например, окисляет пирит до сульфата и Fe 2+, который далее окисляется до Fe 3+. Ионы Fe 3+ химически окисляют нерастворимые сульфиды металлов (такие как Fe. S 2 и Cu. S) с образованием молекулярной серы (S 0). Сера и Fe 2+ окисляются бактериями до сульфата и F 3+ соответственно. Растворенный Fe 3+ может также вызвать непрямые химические окисления минералов.

Биогеотехнология бактериального выщелачивания металлов Основана на использовании способности ацидофильных железобактерий к выщелачиванию меди, марганца, урана, золота и др. драгоценных и редких металлов из бедных руд, переработка которых металлургическими методами экономически нецелесообразна. Технология состоит в том, что рудные отвалы или отходы металлургических производств, содержащие сульфиды редких металлов, орошают подкисленной водой, что способствует бактериальному окислению сульфидных минералов до серной кислоты и Fe(III) и сопровождается снижением Н до 1, 0 -1, 5. Кислота растворяет медь, переводя ее в двухвалентную форму.

Отработанные промывные воды пропускают через аэрируемый реактор, где Fe(II) реокисляется бактериями до Fe(III), после чего этими водами вновь орошают отвалы пород. Микробное выщелачивание экономически весьма рентабельно, с его помощью в США, например, добывается до 15 -20% меди.

Бактериальное выщелачивание руд делится на кучное и чановое. Кучное выщелачивание : на подготовленной цементированной площадке крупные куски руды чередуют с мелкими, предусматривают вентиляционные ходы. Отвалы периодически орошают кислыми бактериальными растворами. При чановом выщелачивании успешно протекает процесс освобождения оловянных и золотых концентратов от мышьяка. В этих концентратах мышьяк присутствует в основном в виде арсепопирита — сульфида, легко окисляемого Th. ferrooxidans.