Бактерии в геохимических круговоротах. Круговорот серы. Заморные явления в водоемах и сероводородное заражение Черного моря презентация

Химический элемент + электроны ? восстановление.
Химический элемент - электроны ? окисление.
Сульфат (S 6+) + 8 электронов ?
сульфид (S 2-).

Схема трансформации серных соединений

Описания новых официально утвержденных (валидных) видов и родов сульфатвосстанавли-вающих бактерий. По оси абцисс - годы, по оси ординат количество валидных родов (Genera) и видов (Species).

«…количество валидных родов (Genera) и видов (Species).»
А.С. Пушкин «Капитанская дочка» – капитан Миронов и его инвалиды.
Кто такие инвалиды?
Вопрос 1.
Что означает «валидный род / вид»?
Вопрос 2.
Где в природе много доступных бактериям сульфатов?

Скорость восстанов-ления сульфатов, мкг S/г ила-сутки, в поверхностных горизонтах донных осадков. Масштабная линейка представлена на рисунке.
Индийский океан. Числа - номера станций.

Скорость восстановления сульфатов, мкг S/г ила-сутки, в поверхностных горизонтах донных осадков. Масштабная линейка - на рисунке. Балтийское море.

Зависимость интенсивности сульфатредукции в поверхностных илах Азовского и Черного морей и Индийского океана от глубины станции. По оси абцисс - глубина водоема, км; по оси ординат - интенсивность сульфатредукции, мкг S/кг ила.

Расчетное распределение органического углерода в Черном море по разрезу "берег-батиаль". На оси абцисс указаны номера станций, приведенные в порядке увеличения глубины.
1 – исходное содержание органического вещества, кг с/м2;
2 – расчетное потребление органического вещества на сульфатредукцию, кг с/м2;
3 – расчетное потребление органического вещества на сульфатредукцию, %.

Сульфатредукция: восстановление
сульфатной серы до сероводорода,
сопряженное с
окислением
углеводов
до карбонатов
(«полное
окисление»).
Вайнштейн М.Б.
Вопрос:
Что такое «полное» и «неполное» окисления?
И почему Джон Постгейт обиделся, когда Фридрих Виддель назвал бактерию в его честь?

Влияние субстратов на жирнокислотный состав Desulfovibrio giganteus DSM 4123.

Первая культура сульфатредуцирующих бактерий была выделена в Нидерландах
М. Бейеринком.

Почему на сульфатредукторов обратили внимание в Нидерландах?

Влияние величины ОВП на образование сероводорода типовыми штаммами разных видов СВБ.

Схема трансформации серных соединений

Интенсивность сульфатредукции в водной толще озера Черный Кичиер и Черного моря

Распределение серных соединений в воде оз. Могильное и в лабораторном эксперименте

Лет 20 назад была попытка разведения мидий под Одессой – вроде устричных плантаций, - однако, случился сероводородный замор, и всё хозяйство погибло. Тогда это трактовалось как подъем глубинных сероводородных вод Черного моря и вызвало ряд журналистских статей о том, что сероводород начал подниматься из глубин Черного моря и скоро достигнет поверхности и отравит все живое!
Вопрос:
Каковы основные причины этого замора?

Происхождение Черноморского сероводорода
1-я гипотеза: гнилостный.
2-я: сульфатредукционный.
3-я: древний, поступающий по разломам.
Методы проверки:
расчетный химический по балансу,
расчетный химический по соотношению «сульфат : хлорид»,
изотопный,
подтверждение современного процесса,
подтверждение присутствия бактерий.

Образование метана культурой Desulfosarcina variabilis ВКМ В-1167 при росте на различных субстратах

Образование углеводородных газов при засеве морским илом (Индийский океан) анаэробных сред для бактерий

Образование нанноклетки и нанноформ у СВБ. Desulfomicrobium baculatum ВКМ В-1378 после обработки ВЧ (600 МГц, 10 мин): нанноклетка имеет сферическую форму.

Бактерии в геохимических круговоротах
Биовыщелачивание тионовыми бактериями
и участие микроорганизмов в круговороте серы

Классический метод добычи ценных металлов из руд – пирометаллургия – выплавка при высокой температуре. Этот метод непригоден, если содержание металла не более 1%.
При низких содержаниях металлов их добывают растворением из руд – гидрометаллургия. Минеральное сырье практически нерастворимо в воде, поэтому требуется разрушение основной структуры минералов или хелатирование металлов.
Первый в мире патент на биовыщелачивание (выщелачивание растворами с использованием бактерий) был выдан в США в 1958 г.
Наиболее востребованными оказались тионовые бактерии, используемые для добычи ценных металлов из сульфидных руд.
Классические виды тионовых бактерий автотрофны, то есть не нуждаются в добавлении дополнительных ростовых субстратов в руду, и используют энергию окисления сульфидов – компонентов минерального сырья руды.

Проблемы биовыщелачивания ацидофилами: внесение серной кислоты
Основные добавки для химического выщелачивания - минеральные кислоты, из которых предпочтение обычно отдается серной как сильной и нелетучей даже при разогреве. Например, по патенту США 4,098,870 (1978) для выщелачивания железо-никелевой руды вносят серную кислоту из расчета 0,8 на 1 часть сухой руды.
Внесение кислоты
разрушает/растворяет некоторые минералы,
способствует окислению минеральных сульфидов,
создает благоприятные условия для строгих ацидофилов.
Вместе с этим внесение серной кислоты экономически невыгодно:
увеличивает себестоимость металла за счет цены кислоты,
требует затрат на последующую ремедиацию закисленного участка.
По заказу CANMET-Mining and Mineral Sciences Laboratories, Канада, мы получили грант МНТЦ на выполнение проекта «Выщелачивание никелевых руд умеренными ацидофилами».

Мы исследовали 16S рДНК бактерий из образцов трех видов отвалов (хвостов) канадской никелевой руды c нейтральными значениями рН. Все варианты схожи по составу бактериальных сообществ: в них преобладали неизвестные и некультивируемые на стандартных средах виды Acidithiobacillus.

Доминирующие группы бактерий в отвалах канадских руд
В соответствии с определенной величиной сходства ≥97% найденных бактериальных последовательностей с известными в базе данных GenBank 39 полученных нами клонов были идентифицированы как представители Acidithiobacillus, Leptospirillum, Halothiobacillus и Pseudomonas. Наиболее широко был представлен род Aciditiobacillus.
В целом доминирование в бактериальном разнообразии микробиот может быть представлено по следующей схеме в порядке убывания: Acidithiobacillus > Leptospirillum > Halothiobacillus > Thiomonas > Pseudomonas > Delftia.

Бактериальные сообщества из рудных отвалов в накопительных культурах
В экспериментах по выщелачиванию накопительные культуры, засеянные образцами инкубировали при различных условиях: A1 – pH 2, 28 оC; A2 – pH 4, 28 оC; A3 – pH 2, 45 оC; A4 – pH 4, 45 оC; B1 – рH 2, 28 оC; B2 – pH 4, 28 оC; B3 – pH 2, 45 оC; B4 – pH 4, 45 оC; C1 – pH 2, 28 оC; C2 – pH 4, 28 оC; C3 – pH 2, 45 оC; C4 – pH 4, 45 оC.
A0 A1 A2 A3 A4 B0 B1 B2 B3 B4 C0 C1 C2 C3 C4
Буквами А, В и С обозначены образцы отвалов, A0, B0 и С0 – исходный состав микрофлоры образцов.

Филогенетический анализ 16S рДНК накопительных культур привел к тем же результатам, что и анализ исходных отвалов руд: в культурах были обнаружены многочисленные «некультивируемые» штаммы бактерий родов Acidithiobacillus, Leptospirillum и Halothiobacillus.

Модельные опыты
по выщелачиванию
никеля из
сульфидных руд
Выщелачивание руд
природной
микрофлорой
рудных
отвалов.

BioHeap Ltd - австралийская компания, специализируется в бактериальном кучном выщелачивании на протяжении 10 лет (более 10 миллион дол. США)

Сравнительное выщелачивание никеля из образцов сульфидных руд культурами тионовых бактерий:
- Acidithiobacillus thiooxidans NCIMB 8342,
Thiobacillus concretivorus (A. thiooxidans) NCIMB 8345,
Acidithiobacillus albertensis DSM 14366,
Thiobacillus denitrificans DSM 12475,
Halothiobacillus halophilus DSM 6132

Сравнительное выщелачивание никеля культурой бактерий Halothiobacillus halophilus DSM 6132 и природной микрофлорой

Выщелачивание никеля культурами бактерий H. halophilus и Acidithiobacillus sp. из руды C

Основной итог завершенного проекта МНТЦ
Замена кислотолюбивых штаммов микроорганизмов на умеренные позволит отказаться от применения серной кислоты, уменьшить себестоимость и расходы на восстановление закисленного грунта.
Применение умеренно кислотолюбивых штаммов на первом этапе позволяет использовать более кислотолюбивые на втором без дополнительного внесения серной кислоты и без образования мешающих выходу ценных металлов окислов железа.

J. T. Pronk, W. M. Meijer, W. Hazeu, J. P. Van Dijken,
P. Bos, and J. G. Kuenen
Growth of Thiobacillus ferrooxidans on Formic Acid Applied аnd Environmental Microbiology
1991, V. 57, № 7, pр. 2057-2062
«… Thiobacillus ferrooxidans ATCC 21834, which, however, could not grow on formate in normal batch cultures. However, the organism could be grown on formate when the substrate supply was growth limiting, e.g., in formate-limited chemostat cultures. The cell densities achieved by the use of the latter cultivation method were higher than cell densities reported for growth of T. ferrooxidans on ferrous iron or reduced sulfur compounds. Inhibition of formate oxidation by cell suspensions, but not cell extracts, of formate-grown T. ferrooxidans occurred at formate concentrations above 100 μM. This observation explains the inability of the organism to grow on formate in batch cultures. Cells grown in formate-limited chemostat cultures retained the ability to oxidize ferrous iron at high rates. Ribulose 1,5-bisphosphate carboxylase activities in cell extracts indicated that T. ferrooxidans employs the Calvin cycle for carbon assimilation during growth on formate. Oxidation of formate by cell extracts was NAD(P) independent.»

Изменения рН, концентрации никеля и сульфатов в жидкой среде с рудой С, ее микроорганизмами и культурой H. halophilus

Тионовые бактерии способны не только окислять минеральные сульфиды, но и другие соединения серы. На рисунке: продукты окисления тиосульфата
Thiobacillus concretivorus в присутствии корродируемой трубной стали

Коррозия бетона за счет образования сульфата
( серная кислота + бетон ? гипс )
бактериями Т. concretivorus
Контроль
С бактериями,
срез корочки гипса
С бактериями

Участие микроорганизмов в круговороте серы
by: Robertson, Kuenen, 1992

Осаждение тяжелых металлов
сульфатвосстанавливающими бактериями

rH2 = Eh / 0,029 + 2 рН