Жизнь микробов в экстремальных условиях - Кашнер Д.
Скачать (прямая ссылка):
Хотя эта реакция может происходить и в стерильных условиях, она ускоряется в результате прямого катализа, осуществляемого Т. ferrooxidans на поверхности минерала (Beck, Brown, 1968; Silverman, 1967). Окисление пирита ускоряется также благодаря взаимодействию с нонами трехвалентиого железа (Lundgren et al., 1972) по следующей схеме:
FeS2 + 14Fe3+ + 8НаО 15Fe2+ + 2S02r + 16Н+. (2>
Трехвалеитное железо, необходимое для этой реакции, образуется при окислении двухвалентного, катализируемом, возможно,. Metallogenium до тех пор, пока pH не падает до 3,5, а концентрация ионов двухвалентного железа не достигает 0,1 г-л-1 (Walsh,. Mitchell, 1972). При pH ниже 4 реакция катализируется Т. ferrooxidans (Temple, Colmer, 1951; Silverman, Lundgren, 1959a). Уравнение реакции можно записать следующим образом:
2Fe2+ + ~ 02 + 2Н+ ->¦ 2Fe3+ + Н20. (3>
Источником двухвалентного железа для этой реакции служит первоначально реакция (1), а затем также и реакция (2). Хотя реакция (3) может идти и без помощи бактерий, ее скорость при pH меньше 4 исключительно низка (Silverman, Lundgren, 1959b). Скорость реакции (3) определяет скорость окисления FeS2 в це~
лом, и именно на этом этапе бактерии вносят свой вклад в регуляцию скорости окисления FeS2 (Singer, Stumm, 1970). Кислота в сточных водах появляется при гидролизе значительной части трехвалентного железа, возникающего вследствие окисления двухвалентного железа в реакции (3):
Fe3+ + 3H20 ^ Fe(OH)3 + ЗН+. (4)
Образующийся гидроксид железа взаимодействует далее с серной кислотой, содержащейся в сточных водах, в результате чего получается нерастворимый сульфат железа:
2Fe(OH)3 + 3H2S04 Fe2(S04)3 + 6Н20. (5)
Суммируя реакции (1) — (5), можно показать, что на каждые два моля FeS2, превращающегося в Fe2(S04)3, образуется 1 моль серной кислоты. В действительности обычно образуется несколько больше серной кислоты, так как трехвалентное железо, возникающее из двухвалентного в реакции (3), чаще превращается в основной сульфат железа Fe(0H)S04 или в ярозит (AFe3(S04)2(0H)6), где А обозначает К или NH4 (Duncan, Walden, 1972). Алюминий, встречающийся в кислых сточных водах, появляется в основном в результате коррозирующего действия H2S04 на алюмосиликатные минералы, входящие в состав скальных и осадочных пород, а также песка, с которыми сточные воды вступают в контакт.
Кислые сточные воды из сульфидных месторождений медной руды образуются частично благодаря реакциям, аналогичным тем, которые обусловливают появление таких же сточных вод в битуминозных угольных шахтах (Beck, 1967; Кузнецов и др., 1963; Silverman, Ehrlich, 1964; Zajic, 1969). Пирит (FeS2), который обычно сопутствует сульфидам меди, таким, как халькопирит (CuFeS4), халькозин (Cu2S), ковеллин (CuS), борнит (Cu5FeS4) и др., окисляется в процессе реакций, рассмотренных выше [(1) — (5)], и может быть основным источником железа и кислоты в сточных водах. Кроме того, кристаллы халькопирита при контакте с воздухом и водой окисляются в реакции, одним из продуктов которой является Fe(0H)S04:
2CuFeS3 + Н20 + 8 — 02 2Cu2+ + 2Fe(0H)S04 + 2SO'_. (6)
2
Скорость окисления халькопирита существенно возрастает в присутствии Т. ferrooxidans, в то время как в стерильных условиях он, как и все минералы, относительно стабилен (Ruzzel, Trussel, 1963). Действие бактерий усиливается в присутствии поверхностно-активных веществ (Duncan et al, 1964). Кислый сульфат трехвалентного железа служит эффективным окислите-
лем халькопирита лишь при низкой концентрации ионов трех-валентного железа (ниже 1 г-л-1; Ehrlich, неопубликованные данные).
Кристаллы халькозина (Cu2S) в составе руды могут окисляться при контакте с воздухом и водой в следующей серии реакций:
Cu,S + -i. 02 + 2Н+ Cu2+ + CuS + HsO. (!)
В качестве промежуточного продукта в реакции (7) образуется,, по-видимому, дигенит Cu9S5 (Nielsen, Beck, 1972). CuS затем окисляется до CuS04 согласно уравнениям:
CuS 4~ Оа + 2Н+ -*¦ Cu2+ + S° + Н20, (8>
S° + -|-0! + HJ0->-H,S01. (9>
Эти реакции катализируются Т. ferrooxidans, хотя с низкой скоростью они идут и в отсутствие этого организма (Fox, 1967; Niel< sen, Beck, 1972). Реакцию (9) кроме Т. ferrooxidans способен ка* тализировать также Т. thiooxidans. Показано, что Т. ferrooxidans может использовать энергию реакции (7) для ассимиляции СОг (Nielsen, Beck, 1972). Безусловно, этот организм может также извлекать дополнительную энергию из реакций (8) и (9). Окисление CU2S удалось воспроизвести при помощи бесклеточного экстракта из Т. ferrooxidans (Imai et al., 1973).
Содержащиеся в руде кристаллы ковеллина при контакте с воздухом и влагой окисляются в соответствии с уравнениями реакций (8) и (9) (Fox, 1967). Хотя этот процесс медленно происходит и в стерильных условиях, он, как и окисление халькозина,, существенно ускоряется в присутствии Т. ferrooxidans. Следует отметить, что если окисление ковеллина в конечном счете не сопровождается потреблением кислоты [реакции (8) и (9)], то при окислении халькозина [реакции (7) — (9)] расходуется два моля Н+ на один моль халькозина. В природных условиях необходимая для этого кислота может поставляться в результате окисления пирита [реакции (1) — (5)].
