Круговорот железа в биосфере.

Тема: Круговорот железа в биосфере.

Контрольная работа

По дисциплине «Биогеография животных»

Волгоград,2020

Введение 3

Морфология и биология железобактерий. 4

Группа железобактерий по С.Н. Виноградскому. 7

Значение железа, практическое использование 13

Заключение 15

Список использованной литературы 16

Железо необходимо всем живым организмам. В природе оно существует в органических и неорганических соединениях. Оно входит в состав гемоглобина и многих окислительных ферментов, таких, например, как каталаза, пероксидаза, цитохром- оксидаза, всегда обнаруживается в зеленых растениях.

На почвах, лишенных соединений железа, растения очень скудны, наблюдается их хлороз. Для многих микробов присутствие солей железа в питательной среде - необходимое условие для нормальной жизнедеятельности.

Главную роль в круговороте железа в природе играют микробы (в данном случае железобактерии). К группе железобактерий относятся организмы, принадлежащие к различным систематическим единицам: нитчатые бактерии, флексибактерии, одноклеточные бактерии из разных таксономических групп, микоплазмы, цианобактерии.

На наличие их в природе впервые указал X. Эренберг в 1836 г. Позже, в 1888 г. С. Н. Виноградский подтвердил существование этой физиологической группы бактерий. Установлено, что она получает энергию путем окисления закисных соединений железа. Окисление железа рассматривается как дыхательный акт железобактерий, при котором клетки получают энергию, необходимую для хемотрофного восстановления углекислого газа.

Железобактерии — бактерии, способные окислять двухвалентное железо (Fe²⁺) до трёхвалентного (Fe³⁺) и использовать освобождающуюся при этом энергию на усвоение углерода из углекислого газа или карбонатов.

Они чрезвычайно широко распространены как в пресных, так и в морских водоемах, играют большую роль в круговороте железа в природе. Благодаря их жизнедеятельности на дне болот и морей образуется огромное количество отложенных руд железа и марганца.

Сами железобактерии обычной формы для рода Bacterium, это — короткие палочки с округлыми концами, совершенно бесцветные; влагалища их, т. е. стенки трубочек, довольно массивные, вначале также бесцветны, и лишь постепенно окрашиваются благодаря накоплению в их толще гидрата окиси железа. Железобактерии - аэробы, автотрофы. Углерод они усваивают из углекислоты. Энергию для усвоения углекислоты и для всей своей жизнедеятельности получают путем окисления закисного железа по уравнению:

2FeCО 3+3Н 2О+1/2О 2=2Fe(ОН)3+2СО 2+29 ккал.

На построение 1 г своего тела им надо окислить 279 г закисного железа с образованием 534 г гидрата окиси железа. Отсюда видно, какое большое количество окиси железа они должны производить.

Виноградский в 1888 г. впервые высказал мнение, что окисление железа этими бактериями есть несомненный жизненный акт, соответствующий дыханию; как и всякий экзотермический процесс, он является источником свободной энергии. Работы Р. Лиске в 1911 и 1920 гг. подтвердили это точными опытами. Бактерии поглощают из воды растворенные в ней соли закиси железа и окисляют их в соли окиси. Последние постепенно пропитывают стенки трубочек, и уже в их толще переходят в менее растворимые основные соли, чтобы еще позднее выпасть в осадок гидрата окиси железа. Когда стенки трубочек уже сильно пропитаны железом, бактерии бросают их, и пустые влагалища ржавого или даже бурого цвета падают на дно водоема, где и накопляются массами.

В природных условиях железобактерии живут в застоявшейся и проточной воде при рН=4-10 и температурах от 5 до 400С, оптимальная температура для их жизнедеятельности 240С. Одни из железобактерий нуждаются для своего роста в органических веществах, для других они не требуются.

Многие из них ассимилируют углерод из растворенной в воде двуокиси углерода. Имеются микроорганизмы, способные окислять железо в кислой среде при рН = 4,5 и менее, к ним относится Thiobacillus ferrooxidans.

В среде, близкой к нейтральной, существуют железобактерии, обладающие мощным ферментативным аппаратом, позволяющим им конкурировать с процессом химического окисления. Такие железобактерии часто встречаются в хорошо аэрируемых ручьях при выходе подземных вод на поверхность. Из этих бактерий наиболее известны Leptothrix и Gallionella. Железобактерии способны разрушать органические комплексы железа, трудно разрушаемые в химических окислительных процессах. Внутри клеток железобактерий образуется окись железа. Количество выделяемой железобактериями гидроокиси во много раз превышает внутриклеточное содержание железа.

Способность железобактерий выделять железосодержащий шлам создает проблемы при транспортировании по трубопроводам воды, содержащей растворенное железо и кислород. Железобактерии создают на стенках труб корки и бугорки. К этой части стенок труб доступ кислорода затруднен. Поверхность металла без отложений, превращается благодаря свободному доступу кислорода в оксидную пленку, защищающую металл от коррозийного воздействия. Неоднородности на поверхности труб приводят к возникновению локальных электрохимических элементов. Оксидная пленка здесь играет роль катода, а металл под корками и бугорками шлама - анода.

В результате происходит анодное растворение металла и обогащение воды ионами железа, столь необходимыми в свою очередь для жизнедеятельности железобактерий, а под бугорком образуется язва.

Этот термин был введен С. Н. Виноградским (1888) для микроорганизмов аноргоксидантов, которые способны использовать для жизненных процессов энергию окисления закисного железа в окисное. Физиологию их хорошо изучил С.Н. Виноградский (1888).

Микроорганизмы, окисляющие Fe, можно разделить на четыре группы.

1. В первую группу входят облигатно-ацидофильные автотрофные бактерии, окисляющие железо в кислой среде: Thiobacillus ferrooxidans, строгий хемолитотроф, ассимилирует двуокись углерода из атмосферы за счет энергии, получаемой при окислении Fe²+: 4FeSO₄ + 2H₂SO₄+ O₂ = 2Fe₂ (SO₄)₃ + 2Н₂O. Энергетическая эффективность этого процесса очень низка и для связывания 16 г С0₂ требуется окислить 120 г FeSO₄.

Th. ferrooxidans может окислять также двухвалентное железо карбоната до трехвалентного и получать около 40 ккал энергии: 4FeCO₃ + O₂ + 6H₂O = 4Fe(OH)₃ + 4CO₂. В природе Th. ferrooxidans обычно развивается в условиях: наличия закисного железа в виде солей или сульфидных минералов; присутствия углекислоты и кислорода; достаточного количества N, Р и минеральных солей; оптимума температуры 30—35°. Способен окислять Fe в кислой среде и осуществлять хемолитотрофный обмен Leptospirillum ferrooxidans, относящийся к небольшим спириллам, обитающим в водоемах.

Термофильный организм Brierly, выделенный в 1973 г., paстущий в кислой среде, окисляет не только Fe, но и S. Он очень сходен с микоплазмами, развивается в температурный границах 45—70° и при оптимуме pH 2.

2. Вторая группа «собственно железобактерий» (вернее — железомарганцевых бактерий) включает микроорганизмы, окисляющие Fe и Mn при реакции среды, близкой к нейтральной,, и поэтому образующие скопления гидроокислов железа (охру) и марганца. Установлено, что железобактерии, обитающие в почвах или водоемах с нейтральной или слабощелочной реакцией среды (Metallogenium, Leptothrix, Siderocapsa), при окислении органического вещества выделяют в качестве продуктов метаболизма перекись водорода, которая может не только угнетать рост и развитие клеток, но и вызывать их полный лизис.

К гетеротрофным микроорганизмам, окисляющим преимущественно Fe, относят нитчатые железобактерии из родов Leptothrix и Sphaerotilus, образующие цепочки клеток, заключенные в общий чехол, где происходит отложение окислов Fe и Mn. Это единственные железобактерии, чистые культуры которых удалось получить, но все же слабо изучены их морфология, физиология и систематика.

Нитчатые железобактерии — аэробы, оптимальные условия для их роста создаются в микроаэрофильных зонах. Оптимум pH 5,8—6,8, а пределы развития лежат в интервале 5—10.

Sphaerotilus natans — обычно обитает в загрязненных водоемах; в незагрязненных, где есть закисное железо, он растет с отложением окислов железа в чехлах (окислы марганца никогда в этом организме не накапливаются).

Leptothrix ochracea — одна из наиболее распространенных нитчатых железобактерий, свободно плавающая в воде, образует скопления ржавых окислов в ручьях, болотах, на выходе железистых источников. Участвует и в формировании железистых руд. Продуцируемые этим организмом тонкие железистые трубочки одинакового диаметра покрывают дно рек, озер и болот как бы тонким пушистым осадком от желтого до оранжевого цвета.

Цилиндрический чехол этих бактерий, содержащий цепочки клеток, по мере отложения гидроокиси железа ограничивает доступ к ним закисного железа и кислорода, поэтому клетки оставляют старые чехлы и, выползая наружу, образуют новые. Таким образом появляются охристые осадки в водоемах. Вес накопленного железа превышает вес самих клеток в сотни раз.

К этой же группе железобактерий относятся мелкие, не имеющие клеточной стенки организмы родов Siderococcus к Gallionella, принадлежащие к микоплазмам. Значительно участие Siderococcus в образовании железистых отложений в озерах. В больших количествах они были обнаружены в илах озер Карелии. Один из представителей этого рода — Siderococcus limoniticus — строгий микроаэрофил, чаще обитает в илах на границе окислительно-восстановительной зоны и крайне редко — в водной толще. Зона роста в виде охристой тонкой прослойки обычно располагается в самом нижнем слое окислительного горизонта. Мелкие клетки этого организма обладают нитевидным придатком, объединяются по 8—10 штук в плавающие колонии, хотя жгутиков не имеют. Нередко клетки Siderococcus сосредоточены на поверхности других микроорганизмов и, по-видимому, паразитируют на них. Все представители этого рода могут окислять только Fe+², но не Mn+².

К необычным по форме организмам относится Gallionella, населяющая водоемы и встречающаяся в больших количествах в переувлажненных горизонтах подзолистых почв тяжелого механического состава. Для нее характерны винтообразно закрученные ленты, или нити, состоящие из волокон, накапливающих окисное железо. На концах нитей (стебелька) обычно присутствуют бактериальные клетки.

3. Третью группу образуют гетеротрофы, которые не растут на свойственных сапрофитам средах. Они развиваются лишь в присутствии такого энергетического материала, как органоминеральные комплексы железа и марганца с ульминовыми и фульвокислотами. На основании детальных исследований микрофлоры подзолистых почв они выделены в особый род — Pedomicrobium, отнесенный к семейству Hyphomicrobiaceae. Все представители этого рода — одноклеточные, крупные, палочковидные или овальные, почкующиеся организмы, развиваются в нейтральной или слабощелочной среде, тип питания — гетеротрофный, микроаэрофилы, откладывают либо бесформенные, либо сконцентрированные на гифах окислы железа или марганца. Обитают в относительно хорошо аэрируемых подзолистых почвах и песчаных подзолах, обнаружены в буроземах, серых лесных почвах и в красноземах Кавказа.

Наиболее распространен P. ferrugineum Arist.; его ожелезненные колонии состоят из клеток, соединенных сильно ветвящимися тонкими нитями. Реже встречается P. podsolicum Arist., похожий по форме колоний на предыдущий вид, но отличается тем, что аккумулирует не только Fe, но и Mn. Р. manganicum Arist. — новый вид, выделенный из подзолистых почв, образует мелкие, до 0,5 мм в диаметре, темноокрашенные, покрытые гидроокислами марганца, колонии; клетки диаметром около 0,4 мкм, обычно круглые, реже овальные; колонии имеют причудливую форму, похожую на колонии P. ferrugineum встречается реже, чем другие виды. В результате деятельности видов Pedomicrobium в почвах образуются железистые и железомарганцевые конкреции.

4. Четвертую группу железобактерий представляют органогетеротрофы, способные разрушать комплексные органические соединения Fe, но без изменения его валентности. Гумусовые вещества подзолистых почв содержат железо как в закисной, так и в окисной формах. Под воздействием микроорганизмов рода Seliberia - эти органоминеральные комплексы разрушаются, валентность железа, входящего в их состав, не изменяется. Seliberia stellata — звездообразующая бактерия, клетки ее соединены в звездные комплексы подвижные благодаря жгутикам. Накопление Fe начинается всегда в центре звезды, а затем уже оно откладывается на радиально расположенных клетках. В природе встречаются звездообразующие бактерии и покрытые отложениями гидроокиси железа, и свободные от нее. Аккумуляцию железа этими микроорганизмами нужно рассматривать как побочный результат использования органоминерального соединения при гетеротрофном типе обмена. Несмотря на значительно меньшее участие таких бактерий в биологической аккумуляции железа, чем различных видов Pedomicrobium, все же их доля в накоплении этого элемента в почве достаточно существенна; в иллювиальных горизонтах гумусово-иллювиальных подзолов звездообразующие бактерии преобладают в микробных пейзажах.

Разлагают органические соединения Fe и Mn также и Arthrobacter и Naumanniella, откладывающие их окислы в капсуле. Представителей рода Arthrobacter — Siderocapsa впервые выделил из водных растений Молиш (1910); обнаружены они и в различных водоемах, озерах, почве. Это мелкие палочки и кокки погружены в капсулу, развиваются обычно при pH 6,7—7, при температуре 4—16°. В процессе жизнедеятельности используют гуматы железа, окисляя органический радикал и отлагая остающееся железо.

Накопление железа происходит не только при разложении сложных железогумусовых комплексов, но и низкомолекулярных железоорганических соединений. В опытах с культурами Pseudomonas fluorescens и Acinetobacter лимоннокислое железо разлагалось с образованием осадка, содержащего 40% железа и 12% углерода.

Железобактерии окисляют гидрат закиси железа и карбонаты железа, обладая ферментом, ускоряющим превращение Fe" в Fe"'; окисляя огромное количество закиси железа, выносимой на поверхность земли подземными водами, железобактерии превращают ее в нерастворимую гидроокись этого металла, активно участвуя в круговороте железа в биосфере. Миграция железа в земной коре по направлению от центра Земли к ее поверхности и переход этого элемента из рассеянного состояния в более концентрированное осуществляется при помощи железобактерий, которые играют огромную роль в хозяйственной деятельности человека. Наибольшее влияние на распространение и рост железобактерий оказывает концентрация растворенных в воде закисных соединений железа, особенно двуокисей закисного железа.

Хотя в природных водах могут встречаться и другие соединения железа - соли органических кислот, гуматы, гидрозоли Fe2(OH)6 и т. д., однако для роста и размножения железобактерий наибольшее значение имеют бикарбонаты закиси железа. Железобактерии, кроме того, участвуют в образовании залежей многих металлических руд: алюминия, марганца, меди, ванадия и др. Содержание бикарбоната закиси железа в воде различных железистых источников Днепровской биологической станции с. Гористое и ближайших окраин Киева, по данным Н.Г. Холодного, колебалось в пределах 10-30 мг в 1 л. Однако железобактерии могут довольствоваться и более низким содержанием закиси железа, особенно в проточной воде, которая непрерывно добавляет их клеткам все новое количество дыхательного материала.

В горных породах земной коры (до глубины приблизительно 15 км) закись железа содержится в значительном количестве в гранитах, диоритах, габбро, а также в песчаниках, шифере и других осадочных породах. В кристаллических породах она входит в состав силикатов, а в осадочных - кроме силикатов всегда встречаются карбонаты железа (сидерит, железный шпат). Постоянным компонентом кристаллических и осадочных пород является и окись железа в форме свободных окислов и силикатов. Широко распространены также сульфиды железа (пирит, мирказит). Поверхностные слои земной коры (до 15 км) содержат 3,39 % FeO и 2,69 % Fe2O3; следовательно, закиси железа в земной коре больше, чем окиси.

Значение железа, практическое использование.

Железо - один из самых используемых металлов, на него приходится до 95 % мирового металлургического производства.

В живых организмах железо является важным микроэлементом, катализирующим процессы обмена кислородом (дыхания). В организме взрослого человека содержится около 3,5 грамма железа (около 0,02%), из которых 75% являются главным действующим элементом гемоглобина крови, остальное входит в состав ферментов других клеток, катализируя процессы дыхания в клетках. Недостаток железа проявляется как болезнь организма (хлороз у растений и анемия у животных).

Обычно железо входит в ферменты в виде комплекса, называемого гемом. В частности, этот комплекс присутствует в гемоглобине -- важнейшем белке, обеспечивающем транспорт кислорода с кровью ко всем органам человека и животных. И именно он окрашивает кровь в характерный красный цвет.

Комплексы железа, отличные от гема, встречаются, например, в ферменте метан-моноксигеназе, окисляющем метан в метанол, в важном ферменте рибонуклеотид-редуктазе, который участвует в синтезе ДНК.

Чистое металлическое железо применяют для изготовления сердцевин трансформаторов электромоторов, электромагнитов и мембран микрофонов, потому что оно способно быстро намагничиваться и размагничиваться.

Сплавы железа (чугун и сталь) являются основными конструкционными материалами практически во всех отраслях современного производства.Оксид железа(III) применяется для производства чугуна и стали, приготовления коричневой краски. Ферриты используются при производстве теле- и радиоаппаратуры, компьютеров, средств связи. Хлорид железа(III) применяют для очистки воды, в текстильной промышленности, в органическом синтезе как катализатор. Сульфат железа(III) применяют при очистке воды, а также в медицине.

Применение железа в строительстве

Применение железа строительной отраслью в наши дни нельзя переоценить, ведь металлоконструкции являются основой абсолютно любого современного строения. В этой сфере Fe используется в составе обычных сталей, литейного чугуна и сварочного железа. Данный элемент находится везде, начиная с ответственных конструкций и заканчивая анкерными болтами и гвоздями.

Возведение строительных конструкций из стали обходится гораздо дешевле, к тому же здесь можно говорить и о более высоких темпах строительства. Это заметно увеличивает использование железа в строительстве, в то время как сама отрасль осваивает применение новых, более эффективных и надежных сплавов на основе Fe.

Использование железа в промышленности

Использование железа и его сплавов – чугуна и стали – это основа современного машино-, станко-, авиа-, приборостроения и изготовления прочей техники. Благодаря цианидам и оксидам Fe функционирует лакокрасочная промышленность, сульфаты железа применяются при водоподготовке. Тяжелая промышленность и вовсе немыслима без использования сплавов на основе Fe+C. Словом, Железо – это незаменимый, но вместе с тем доступный и относительно недорогой металл, который в составе сплавов имеет практически неограниченную сферу применения.

Применение железа в медицине

Известно, что в каждом взрослом человеке содержится до 4 грамм железа. Этот элемент крайне важен для функционирования организма, в частности, для здоровья кровеносной системы (гемоглобин в эритроцитах). Существует множество лекарственных препаратов на основе железа, которые позволяют повышать содержание Fe во избежание развития железодефицитной анемии.

В живых организмах железо является важным микроэлементом, катализирующим процессы обмена кислородом (дыхания). В организме взрослого человека содержится около 3,5 грамма железа (около 0,02%), из которых 75% являются главным действующим элементом гемоглобина крови, остальное входит в состав ферментов других клеток, катализируя процессы дыхания в клетках. Недостаток железа проявляется как болезнь организма (хлороз у растений и анемия у животных).

Термин железобактерии был введен С. Н. Виноградским (1888) для микроорганизмов аноргоксидантов, которые способны использовать для жизненных процессов энергию окисления закисного железа в окисное.

К этой группе микроорганизмов исследователи проявляют большой интерес, что объясняется их существенным значением как в природных процессах, так и в практической деятельности людей. Одной из первых обобщающих работ по их изучению была монография Н. Г. Холодного (1922) «Железобактерии», ряд статей В. О. Калиненко (1946). Тем не менее до сих пор нет полной ясности относительно того, какие микроорганизмы следует причислять к железобактериям, нет четкости ни в их систематике, ни в их таксономии.

За счет жизнедеятельности железобактерий (нитевидные бактерии и одиночные железобактерии) происходит круговорот железа в природе. Они окисляют железо до гидроксида железа, а углерод получают из углекислоты. Таким образом, железобактерии получают энергию для своей жизнедеятельности, а после смерти осаждаются в почве в виде болотной руды.

1. Гусев М. В. Микробиология: Учебник для студ. биол. специальностей вузов / М.В. Гусев, Л. А.Минеева. - 4-е изд., стер. - М.: Издательский центр «Академия», 2003. - 464 с

2. Колешко О. И., Завезенова Т. В., «Микробиология с основами вирусологии» Учебник/ О.И. Колешко, Т.В, Завезенова. - Иркутск: Изд-во Иркут, ун-та,1999

3. Лысогоров Н.В. 'Когда отступает фантастика' \\Издание 2-е, дополненное - Москва: Молодая гвардия, 1968 - с.256 ил

4. Тахтаджяи А. Л., Жуковский П. М., Красильников Н. А., Федоров А. А./ Жизнь растений. В шести томах. Том 1. Введение бактерий и актиномицеты. / А. Л. Тахтаджяи, П. М. Жуковский, Н. А. Красильников, А. А. Федоров . "Просвещение", 1974. 487 с

5. https://www.activestudy.info/mikrobiologicheskie-processy-okisleniya-i-koncentracii-zheleza-i-marganca/

6. http://www.armatech.ru/articles/zhelezobakterii/

7. http://medbiol.ru/medbiol/microbiol/0005e1a2.htm