Мёссбауэровские исследование процессов восстановления атомов железа анаэробными диссимиляторными бактериями

Шапкин, Алексей Андреевич

Мёссбауэровские исследование процессов восстановления атомов железа анаэробными диссимиляторными бактериями тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

Шапкин, Алексей Андреевич АВТОР

кандидата физико-математических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Москва МЕСТО ЗАЩИТЫ

2014 ГОД ЗАЩИТЫ

01.04.07 КОД ВАК РФ

Диссертация по физике на тему «Мёссбауэровские исследование процессов восстановления атомов железа анаэробными диссимиляторными бактериями»

Автореферат диссертации на тему "Мёссбауэровские исследование процессов восстановления атомов железа анаэробными диссимиляторными бактериями"

На правах рукописи

Шапкин Алексей Андреевич

МЁССБАУЭРОВСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ ВОССТАНОВЛЕНИЯ АТОМОВ ЖЕЛЕЗА АНАЭРОБНЫМИ ДИССИМИЛЯТОРНЫМИ БАКТЕРИЯМИ

Специальность 01.04.07 - физика конденсированного состояния

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва-2014

7 АВГ ¿т

005551509

Работа выполнена на кафедре общей физики физического факультета Московского Государственного Университета имени М. В. Ломоносова.

Научный руководитель:

кандидат физико-математических наук, доцент Чистякова Наталия Игоревна

Официальные оппоненты:

Черепанов Валерий Михайлович, доктор физико-математических наук, Национальный исследовательский центр "Курчатовский институт", ведущий научный сотрудник

Седых Вера Дмитриевна, кандидат физико-математических наук, Институт физики твердого тела РАН, старший научный сотрудник.

Ведущая организация: Институт химической физики РАН им. H.H. Семенова

Защита состоится «2» октября 2014 г в 15 час. 30 мин. на заседании

диссертационного совета Д 501.002.01 при Московском государственном

университете имени М.В.Ломоносова по адресу: 119991, ГСП-1, Москва,

Ленинские горы, д.1, стр. 2, физический факультет, Южная физическая' аудитория.

С диссертацией можно ознакомиться в Отделе диссертаций Научной библиотеки МГУ имени М.В. Ломоносова (Ломоносовский просп., д.27)

Автореферат разослан 2014 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета ,

кандидат физико-математических наук ,_ Лаптинская Т. В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы.

Одной из важнейших задач современной физики является исследование свойств наноматериалов, полученных в результате микробиологического синтеза. Как известно, для проведения большинства реакций по искусственному синтезу необходимы катализаторы. В то же время микробиологический синтез может быть проведен в условиях, близких к природным, с использованием легкодоступных соединений. В 1980-х была открыта новая физиологическая группа микроорганизмов - диссимиляторные железовосстанаеливающие микроорганизмы [1]. Данные микроорганизмы получают энергию в результате переноса электронов с субстратов на атомы железа, что приводит к формированию новых минеральных фаз. Этот факт положил начало активным исследованиям возможностей микробиологического синтеза [2].

Предположительно, диссимиляторные железовосстанаеливающие

микроорганизмы принимали участие в преобразовании соединений окисного железа в магнетит в докембрийский период [3], поэтому предпринимаются активные попытки найти аналоги этих геохимических процессов в современном цикле железа. Другой сферой применения данных бактерий являются возобновляемые источники энергии. Существуют топливные элементы, механизм работы которых основан на микробиологическом синтезе. В качестве акцептора электронов используется один из электродов в топливном элементе. При этом в результате роста бактерий выделяется атомарный водород, который в дальнейшем можно использовать в качестве топлива. В качестве продуктов биосинтеза также появляются наночастицы минералов. Так как процесс бактериального преобразования протекает в органической среде, данные частицы покрыты органической оболочкой и могут быть использованы в качестве носителей для точечной доставки лекарств [4]. Кроме того, за счет большой химической активности, такие наночастицы могут использоваться для удаления ионов тяжелых металлов из почвы и водоемов [5,6,7].

организмам, но также известны ацидофильные (рН 6 и ниже), алкалофильные (рН 8.5 и выше) и психрофильные (Т01тг = 0-20 С°) представители этой группы [8]. Способность к восстановлению железа оказалась широко распространенной в микробном мире и была выявлена у ряда микроорганизмов других физиологических групп таких как нитрат- и сульфатвосстанавливающих бактерий.

Цель работы.

Целью настоящей работы являлось исследование процессов преобразования синтезированного ферригидрита, железосодержащих биотита и глауконита, подвергшихся воздействию анаэробных железовосстанавливающих бактерий, выделенных из естественных мест их обитания. В соответствии с поставленной целью, в работе решались следующие основные задачи.

1. Исследовать влияние концентрации ферригидрита в исходном растворе на продукты его преобразования бактерией Geoalkalibacter ferrihydriticus (штамм Z-0531).

2. Исследовать влияние концентрации антрахинона-2,6-дисульфоната в минеральной среде роста на продукты преобразования ферригидрита бактерией Geoalkalibacter ferrihydriticus (штамм Z-0531).

3. Установить характер влияния объема минеральной среды, доступного бактерии Geoalkalibacter ferrihydriticus (штамм Z-0531) для преобразования, на формирование новых фаз.

4. Исследовать кинетику процессов преобразования ферригидрита бактерией Geoalkalibacter ferrihydriticus (штамм Z-0531) и бактерией Thermincola ferriacetica (штамм Z-0001).

5. Идентифицировать продукты преобразования ферригидрита при совместном росте бактерий Geoalkalibacter ferrihydriticus (штамм Z-0531) и Anaerobacillus alkalilacustris (штамм Z-0521).

6. Идентифицировать продукты преобразования природных глауконита и биотита при совместном росте бактерий Geoalkalibacter ferrihydriticus (штамм Z-0531) и Clostridium alkalicellulosi (штамм Z-7026).

Методы и методология исследования.

Основным методом исследования являлся метод мессбауэровской спектроскопии,

который позволяет получить ценную информацию о зарядовом и структурном состояниях

атомов железа. Измерения осуществлялись в широком диапазоне температуре (от 4.2 К до

300 К) и во внешних магнитных полях. Анализ мессбауэровских данных проводился с

привлечением современных методов обработки спектров, использующих специальные математические алгоритмы (описание влияния суперпарамагнитной релаксации на форму линии спектра). Для идентификации фазового и элементного состава привлекались данные рентгеновской дифрактометрии, ИК-спектроскопия. Для определения содержания двухвалентных атомов железа использовался химический метод с применением феррозина.

Достоверность.

Достоверность полученных результатов и сделанных выводов обусловлена воспроизводимостью результатов, адекватностью использованных физических и биологических представлений при решении поставленных задач и соответствием полученных в работе результатов известным экспериментальным данным.

Научная новизна.

Научная новизна работы определяется, в первую очередь, выбором ранее неизученных объектов исследования (твердых фаз, полученных в процессе роста диссимиляторных бактерии Geoalkalibacter ferrihydriticus (штамм Z-0531) и бактерии Thermincola ferriacetica (штамм Z-0001), а также бинарных культур Geoalkalibacter ferrihydriticus и Anaerobacillus alkalilacustris (штамм Z-0521) и Geoalkalibacter ferrihydriticus и Clostridium alkalicellulosi (штамм Z-7026)), а также использованием современных методов обработки и анализа мессбауэровских данных, существенно расширяющих экспериментальные возможности мессбауэровской спектроскопии, что позволило впервые получить ряд важных результатов.

1. Установлено, что минеральными осадками продуктов восстановления синтезированного ферригидрита бактерией G. ferrihydriticus и бактерией Т. ferriacetica являются сидерит и смесь нестехиометрического магнетита и маггемита.

2. Показано, что уменьшение концентрации ферригидрита в среде роста бактерии G. ferrihydriticus приводит к уменьшению размера частиц формирующейся смеси нестехиометрического магнетита и маггемита, а также к увеличению относительного содержания сидерита.

3. Продемонстрировано, что изменение объема минеральной среды, доступной бактерии G. ferrihydriticus для преобразования, приводит либо к уменьшению, либо к увеличению размера формирующихся частиц смеси нестехиометрического магнетита и маггемита в зависимости от концентрации ферригидрита, что обусловлено различным количеством бактериальных клеток, приходящихся на единицу поверхности частиц восстанавливаемого бактерией минерала.

4. Установлено, что увеличение концентрации антрахинона-2, 6-дисульфоната в среде роста бактерии G.ferrihydriticus приводит к уменьшению размера частиц смеси нестехиометрического магнетита и магтемита от 12 нм до 6 нм.

5. Показано, что увеличение времени культивации бактерии G.ferrihydriticus от 1 месяца до 30 месяцев приводит к увеличению степени стехиометрии формирующихся частиц магнетита в смеси с маггемитом, а увеличение времени культивации бактерии Т. ferriacetica от 24 ч до 247 ч приводит к увеличению размера частиц смеси нестехиометрического магнетита и магтемита.

6. Показано, что совместный рост бактерий G.ferrihydriticus и A. alkalilacustris при концентрации ферригидрита riFe(iii) = 10 мМ приводит к формированию сидерита и гидрооксикарбоната железа; при nFe(iii) = ЮОмМ - к формированию смеси нестехиометрического магнетита и маггемита с размером частиц ~ 10 нм, а также сидерита.

7. Продемонстрировано, что восстановление трехвалентных атомов железа в структуре природных глауконита и биотита бактерией G. ferrihydriticus приводит к образованию магнитоупорядоченной фазы, которая является смесью нестехиометрического магнетита и маггемита

8. Установлено, что при совместном росте бинарной культуры G.ferrihydriticus и С. alkalicellulosi в среде, содержащей природный глауконит, относительное содержание формирующейся магнитоупорядоченной фазы больше, чем в случае роста монокультуры G. ferrihydriticus.

Научная и практическая значимость.

Полученные в диссертационной работе результаты мессбауэровских исследований продуктов преобразования синтезированного ферригидрита бактерией Geoalkalibacter ferrihydriticus (штамм Z-0531) при различных концентрациях ферригидрита и антрахинона-2, 6-дисульфоната и кинетики процессов преобразования ферригидрита бактерией Geoalkalibacter ferrihydriticus (Z-0531) и бактерией Thermincola ferriacetica (Z-0001) имеют существенное значение для понимания механизма образования сидерита и магнетита в естественных условиях.

Изучение продуктов преобразования синтезированного ферригидрита при совместном росте бактерий Geoalkalibacter ferrihydriticus (штамм Z-0531) и Anaerobacillus alkalilacustris (штамм Z-0521), а также природных глауконита и биотита при совместном росте Geoalkalibacter ferrihydriticus (штамм Z-0531) и Clostridium alkalicellulosi (штамм Z-7026) имеют важное значение для решения фундаментальных задач геохимии, связанных

с моделированием процессов формирования железосодержащих минералов, протекавших в докембрийскую эпоху.

Предложен механизм формирования магнитных наночастиц разного размера, образующихся в результате биогенного преобразования ферригидрита. Данный механизм может быть использован при создании наночастиц заданного размера для применения в экологии и медицине.

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Минеральным осадком продукта преобразования бактерией й./еггШу&Шсия являются сидерит и смесь нестехиометрического магнетита и маггемита, в структуре которой магнитные моменты имеют неколлинеарную ориентацию.

2. Уменьшение концентрации ферригидрита приводит к уменьшению размера частиц смеси нестехиометрического магнетита и маггемита, а также к увеличению относительного содержания сидерита.

3. Изменение объема минеральной среды, доступной бактерии & /егпЪу&ШсиБ для преобразования, приводит либо к уменьшению, либо к увеличению размера формирующихся частиц смеси нестехиометрического магнетита и маггемита в зависимости от концентрации ферригидрита, что обусловлено различным количеством бактериальных клеток, приходящихся на единицу поверхности частиц восстанавливаемого бактерией минерала.

4. Увеличение концентрации хинона в среде роста бактерии С. [егггкуйгШсих приводит к уменьшению размера частиц смеси нестехиометрического магнетита и маггемита от 12 нм до 6 нм.

5. Увеличение времени культивации бактерии б. /еггИгу^Шсш от 1 месяца до 30 месяцев приводит к увеличению степени стехиометрии формирующихся частиц магнетита в смеси с маггемитом.

6. В результате восстановления атомов железа в структуре ферригидрита бактерией Т./етасеИса формируются сидерит и смесь нестехиометрического магнетита и маггемита. При этом увеличение времени культивации от 24 ч до 247 ч приводит к увеличению размера частиц смеси нестехиометрического магнетита и маггемита.

7. Совместный рост бактерий О. /егг1кус1гШси5 и А. ЫкаШасизЪгз при концентрации ферригидрита пкС(Ш) = ЮмМ приводит к формированию сидерита и гидрооксикарбоната железа; при пре(Ш)=Ю0мМ - к формированию смеси нестехиометрического магнетита и маггемита с размером частиц ~10нм, а также сидерита.

8. Восстановление трехвалентных атомов железа в структуре природных глауконита и биотита бактерией G. ferrihydriticus приводит к образованию магнитоупорядоченной фазы, которая является смесью нестехиометрического магнетита и маггемита.

9. При совместном росте бинарной культуры G. ferrihydriticus и С. alkalicellulosi в среде, содержащей природный глауконит, относительное содержание формирующейся магнитоупорядоченной фазы больше, чем в случае роста монокультуры G. ferrihydriticus.

Личный вклад диссертанта.

Диссертанту принадлежит основная роль в выполнении мессбауэровских измерений и моделировании мессбауэровских спектров совместно с Чистяковой Н.И. и Русаковым B.C. Автор принимал участие (совместно с Киселевой Т.Ю.) в проведение рентгенофазового анализа на кафедре физики твердого тела МГУ имени М.В.Ломоносова. На всех этапах исследовательской работы диссертант участвовал в постановке задач, проведении экспериментов и обсуждении полученных результатов. Совместно с научным руководителем были подготовлены научные статьи.

Апробация работы.

Результаты диссертационной работы докладывались на следующих международных конференциях: International Conference on the Applications of the Mossbauer Effect. Vienna, Austria (19-24 July, 2009); Mossbauer Spectroscopy in Materials Science, Liptovsky Jyn, Slovakia (31 January - 5 February, 2010); 3rd Joint International Conference on Hyperfine Interactions and International Symposium on Nuclear Quadrupole Interactions, CERN/Geneva, Switzerland (13-17 September, 2010); Международный молодежный научный форум «ЛОМОНОСОВ-2010», Москва, МГУ имени М.В.Ломоносова (12 - 15 апреля 2010); International Conference on the Applications of the Mossbauer Effect, Kobe, Japan (25-30 September 2011); Moscow International Symposium of Magnetism, Moscow, Russia (21-25 August, 2011); Mossbauer Spectroscopy in Materials Science, Olomouc, Czech Republic (11-15 June, 2012); XII Международная конференция «Мессбауэровская спектроскопия и ее применения», Суздаль, Россия (6-10 октября, 2012); International Conference on the Applications of the Mossbauer Effect, Opatija, Croatia (16 September,2013).

Публикации.

Полученные в диссертационной работе результаты были опубликованы в 20 печатных работах, 7 из которых - статьи в рецензируемых журналах, входящих в список ВАК (приведены в конце автореферата).

Благодарность.

Автор выражает глубокую благодарность научному руководителю кандидату физико-математических наук, доценту Н.И. Чистякова за предложенную интересную тему исследований, постановку задачи, помощь и внимательное отношение на всех этапах работы над диссертацией. Автор благодарит доктора физико-математических наук, профессора B.C. Русакова за обсуждение результатов и ценные советы. Автор благодарит сотрудников Института Микробиологии им. С.Н. Виноградского РАН кандидата геолого-минералогических наук Заварзину Д.Г. и доктора биологических наук Жилину Т.Н. за предоставленные образцы и обсуждение результатов.

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, списка цитируемой литературы и приложения. В заключительных параграфах каждой из глав посвященных результатам диссертационной работы, формулируются краткие итоги. Объем диссертации составляет 126 страниц, включая 47 рисунков, 26 таблиц и список цитируемой литературы из 109 наименований.

Содержание работы

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цели и задачи исследования, представлены основные положения, выносимые на защиту, приведены методы исследования, обозначена достоверность полученных результатов, показана научная и практическая ценность проведенных исследований.

В первой главе дается обзор литературы, отражающей современное состояние проблем исследований бактериального преобразования железосодержащих минералов анаэробными диссимиляторными бактериями. Содержится информация о влиянии условий роста (температуры, рН, состава среды роста и др.) на процессы биоминерализации. Представлены данные о структурном и зарядовом состоянии атомов железа в некоторых железосодержащих минералах. В главе проанализированы работы, в которых были представлены результаты мессбауэровских, магнитных и рентгеновских

исследований биогенных минералов железа. В результате проведенного анализа в последнем параграфе главы сформулированы цель и задачи исследования.

Вторая глава посвящена условиям синтеза и приготовления образцов и методам их исследования. В соответствии с тематикой работы были выбраны железовосстанавливающие бактерии Geoalkalibacter ferrihydriticus (штамм Z-0531) [9] и не восстанавливающие атомы железа бактерии Anaerobacillus alkalilacustris (штамм Z-0521) [10] и Clostridium alkalicellulosi (штамм Z-7026) [11], относящиеся к мезофильному и алкалофильному бактериальному сообществу, и железовосстанавливающая бактерия Thermincola ferriacetica (Z-0001) [12], относящаяся к термофильному и нейтрофильному бактериальному сообществу. Для подтверждения воспроизводимости результатов использовался метод повтороностей, то есть для каждого эксперимента было синтезировано по два образца (за исключением опытов по изучению кинетики процессов восстановления атомов железа, а также влияния спирта и ацетона на продукты биовосстановления). Для исследования влияния концентрации синтезированного ферригидрита или антрахинона-2, 6-дисульфоната в среде роста G. ferrihydriticus на продукты бактериального преобразования концентрации менялись в диапазоне nFe(in)= 5-S-150 мМ и riq = 0-5-1 г/л, соответственно. Для выявления влияния объема минеральной среды, доступной для биовосстановления, была синтезирована серия образцов при различных ориентациях сосудов: горизонтальном, дном вниз и дном вверх, для трех концентраций пре(Ш)= 10;45;100 мМ. В случае исследования кинетики процесса преобразования синтезированного ферригидрита бактериями G. ferrihydriticus или Т. ferriacetica время культивации менялось t = 5+150 мес. и t = 24+247 ч., соответственно. Ацетон и спирт добавлялись к продуктам преобразования синтезированного ферригидрита (nFe(iii) =100 мМ) бактерии G. ferrihydriticus с целью изучения их влияния на частицы магнитоупорядоченной фазы.

Для изучения преобразования синтезированного ферригидрита бинарной культурой G. ferrihydriticus и A. alkalilacustris были выбраны две концентрации ферригидрита пре(Ш) = 10;100мМ, при этом в среду роста добавлялся маннит. Маннит является субстратом роста для бактерии A. alkalilacustris, продукты его биоразложения являются донором электронов для бактерии G. ferrihydriticus. Для исследования бактериального восстановления атомов железа в структуре природных глауконита или биотита бактерией G. ferrihydriticus и бинарной культурой G. ferrihydriticus и С. alkalicellulosi в среду культивации бактерий в обоих случаях добавлялась микроцеллюлоза, в случае монокультуры — ацетат. Бактерия С. Alkalicellulosi сбраживает микроцеллюлозу, и продукты данного процесса являются донорами электронов для

С./еггШус1гШси$. Полученные минеральные осадки высушивались в атмосфере азота. Затем образцы измельчались в яшмовой ступке под слоем этилового спирта в целях предотвращения окисления. Полученный мелкодисперсный порошок пересыпался в плексигласовые бюксы, а для измерения во внешних магнитных полях образцы заворачивались в фольгу.

Основным методом исследования являлся метод мессбауэровской спектроскопии. Измерения мёссбауэровских спектров образцов проводились на спектрометре МС-1101Э в геометрии поглощения в режиме постоянных ускорений в диапазоне температур 4".8-5-300 К. Измерение мёссбауэровских спектров при низких температурах и во внешних магнитных полях, ориентированных перпендикулярно направлению пролета у-квантов, проводились в Карловом университете (Прага, Чешская республика). В качестве источника у-квантов использовался мессбауэровский источник 57Со в матрице Ш1, калибровка проводилась с помощью эталонного образца ог-Ре. Анализ мёссбауэровских спектров проводился с помощью программы 5рес1хК.е1ах [13].

В результате биопреобразования ферригидрита формируются частицы магнитоупорядоченной фазы, являющейся смесью магнетита и маггемита. Мессбауэровские спектры малых частиц оксидов железа (с1 < 30 нм) при комнатной температуре являются спектрам суперпарамагнитного типа. Для обработки этих спектров использовалась модель, состоящая из трех парциальных спектров в приближении многоуровневой суперпарамагнитной релаксации [14]: первый соответствует атомам Бе3* в третраэдрическом окружении кислорода, второй - атомам Ре3+ в октаэдрическом окружении кислорода, третий - атомам Ре2'5+ в октаэдрическом окружении. Используя значения минимизируемого параметра а, связанного с энергией магнитной анизотропии (1), где К - эффективная константа магнитной анизотропии, V — объем частицы, Т -температура. Эффективную константу магнитной анизотропии К можно представить в виде суммы константы, соответствующей атомам в объеме частицы — Кт/, и константы соответствующей атомам на поверхности - К5 (где с1 - диаметр частицы) (10) [15]. Следовательно, перепишем выражение (1) с учетом (2) в виде (3).

— (1) к(Т

К = КУ+~К5, (2)

Таким образом, зная тангенс угла наклона прямой и решая графически уравнение

(4), можно провести оценку размера частиц с учетом вклада магнитной анизотропии от поверхностных атомов в энергию частицы.

а = — {Kvd^ + 6d2Ks) - =

Skt v v SJT r T>

где

P =~4Kvd^ + 6d2Ksl

(4)

Рентгендифракционные исследования образцов проводились на дифрактометре Empyrean Panalytical (Нидерланды) в геометрии Брэгга-Брентано (9-29 сканирования), Хка(Си) = 1.5406. Обработка дифрактограмм осуществлялась с помощью программы HighScore и структурной базы данных JSPDS PDF4. Из значений ширин дифракционных максимумов по формуле Дебая-Шерера была проведена оценка области когерентного рассеяния.

Третья глава содержит результаты исследования процессов преобразования синтезированного ферригидрита и природных глауконита и биотита железовосстанавливающими бактериями.

В первом параграфе отражены результаты преобразования синтезированного ферригидрита монокультурой G. ferrihydriticus и монокультурой Т. ferriacetica.

Так как рассматривались бактериальные преобразования синтезированного ферригидрита, то были проведены мессбауэровские исследования образца, содержащего синтезированный ферригидрит после взаимодействия со средами культивации бактерии G. ferrihydriticus и бактерии Т. ferriacetica. Измерения, проведенные при низких температурах и в сильных внешних магнитных полях, показали, что в структуре ферригидрита атомы железа занимают две неэквивалентные позиции, причем магнитные моменты атомов в этих позициях направлены в разные стороны. Соотношение содержания атомов в этих позициях ~ 2:1. Во внешнем магнитном поле магнитные моменты ориентированы в виде пространственных конусов вдоль поля с углами раствора -55° и -45°. Рентгеновский дифракционный анализ показал, что данные образцы относятся к так называемым двухлинейчатым ферригидритам. Поэтому, на основе мессбауэровских и рентгеновских данных можно утверждать, что данные образцы являются слабыми ферримагнетиками. При комнатной температуре спектры данных образцов представляют собой суперпозицию двух квадрупольных дублетов вследствие влияния суперпарамагнитной релаксации. Измерения во внешнем магнитном поле с индукцией Лея = 1.03 Тл при Т = 300 К или при температуре Т= 81 К не привели к изменению формы линии спектра.

Мессбауэровские исследования образцов, полученных в результате преобразования ферригидрита (при его различной концентрации) бактерией G. ferrihydriticus показали, что

при всех концентрациях формируется сидерит. Однако при низких концентрациях (пре(ш) < 30 мМ) относительное содержание атомов железа в его структуре ~11 %, а при высоких концентрациях (п^ш) > 70 мМ) — 2 %. Анализ спектров образцов, полученных при высоких концентрациях ферригидрита, показал, что размер частиц магнитоупорядоченной фазы увеличивается при увеличении концентраций от 11.5±0.5 нм до 14.3±0.5 нм. При низких концентрациях ферригидрита спектр представляет собой суперпозицию двух квадрупольных дублетов, соответствующих атомам Ре3+, и одного квадрупольного дублета, соответствующего Ре2+ в структуре сидерита. Особый интерес представляет область концентраций ферригидрита 30 < прС(ш)< 70 Мм, в которой наблюдается нестабильное фазообразование (Рис. 1). Наблюдается сильное изменение формы линии спектра, и спектр переходит от спектра парамагнитного типа к спектру суперпарамагнитного типа.

-10 -5 О 5 10 -10 -5 О 5 10

V, мм/с V, мм/с

Рисунок 1. Мессбауэровские спектры ядер 57Ре в структуре минералов, полученных в процессе роста бактерий й. /егг1Иус1г111Сиз при различной концентрации Ре(Ш) в среде культивации, измеренные при Т- 300 К. Повторность 1 - А, Повторность 2 - Б.

Для объяснения появления области нестабильного фазообразования был предложен механизм бактериального преобразования ферригидрита. Пусть на одну частицу гидроксида воздействует одна бактерия (Рис. 2). Воздействие идет на локальную область частицы, и при этом протекает процесс диффузии электронов. Идет процесс дегидратации и начинается локальное формирование структуры шпинели (5) [16].

2 Fe3+00Я + Ре2+ + 2 ОН" = Ре3+/,е|+0. + 2Я,0

(5)

Когда примерно одна третья часть трехвалентных атомов железа восстановилась до двухвалентного состояния, начинают восстанавливаться атомы железа на поверхности. Кинетика этих процессов зависит от физико-химических условий минеральный среды, например рН среды, соотношения бикарбонатного буфера и др. Так как процесс непосредственно бактериального восстановления протекает в локальной области, и в растворе есть другие частицы (на каждую из которых также локально воздействует одна бактерия), то может протекать процесс объединения частиц, то есть увеличения линейных размеров сформированных частиц.

Рисунок 2. Трансформация частиц гидроксида железа при восстановлении Бе3' до Ре2+. (низкая концентрация электронов).

Другой предельный случай данного процесса - вся поверхность частицы подвержена воздействию бактерий, то есть на одну частицу приходятся несколько бактерий (Рис. 3). Аналогично происходят диффузия электронов в структуру и восстановление атомов Ре3+. В отличие от первого случая, процесс воздействия идет на всей поверхности, следовательно, отсутствуют области свободные от прямого бактериального воздействия. Это приводит к тому, что формируются частицы, ядро которых состоит из оксида железа, а поверхностным слоем являются соединения железа, зависящие от состава минеральной среды. Например, в случае использования бикарбонатного буфера этим соединением является карбонад железа.

Рисунок 3. Трансформация частиц гидроксида железа при восстановлении Ре3+ до Ре2+. (высокая концентрация электронов).

В случае, когда количество клеток в среде, приходящееся на одну частицу попадает

в промежуточные, относительно рассмотренных ранее, значения, возникающие

флуктуации могут вызывать нестабильное фазообразование. Для подтверждения такого механизма появления области фазовой нестабильности была синтезирована серия образцов при различных объемах минеральной среды, доступного для биовосстановления, Vi<V2<V3. В случае образцов, полученных для концентрации Пре(ш)=10мМ, при увеличении объема среды, доступного для биовосстановления, относительное содержание сидерита в образцах уменьшается. Измерение спектров образцов для всех значений объемов во внешнем магнитном поле при комнатной температуре не привело к изменению формы линии спектра, который является суперпозицией трех квадрупольных дублетов — двух, соответствующих атомам Fe3+, и одного - Fe2+. Измерения мессбауэровских спектров образцов, полученных при концентрации nFe(iii) = 100 мМ, показали, что увеличение объема от Vi к V3 приводит к уменьшению размера частиц. Кроме того, уменьшается относительная интенсивность компоненты спектра, соответствующая атомам Fe2'5+, то есть уменьшается степень стехиометрии формирующихся частиц магнетита. Рентгенофазовый анализ также показал, что при увеличении объема степень стехиометрии, а также размер области когерентного рассеяния (т.е. размер частиц) уменьшаются (Табл. 1).

Таблица 1. Интенсивности парциальных спектров, соответствующих атомам Fe23+ в структуре минерала, полученного в процессе роста бактерий G. ferrihydriticus, измеренные при Г=300К. («ре(Ш)= ЮО мМ) и оценки размера частиц с использованием значений параметров мессбауэровского спектра и ширин дифракционных максимумов.

Объем ЙСре2.5+, % d, nm d, nm (XRD)

Vi 20.3±1.7 12.2±0.2 12.3±1.5

V2 15.2±12.5 6.0±0.3 -

v3 - - 2.8±1.5

Мессбауэровские спектры образцов, полученных при концентрации прс(Ш) = 45 мМ, измеренные при комнатной температуре, являются, как и в случае пщт) = 10 мМ, суперпозицией трех квадрупольных дублетов, при этом относительное содержание сидерита меньше - ~ 1 %. Измерение спектров во внешнем магнитном поле приводит к появлению суперпарамагнитной компоненты спектра (Рис. 4). Такое поведение спектра связано с увеличением магнитного момента формирующихся частиц магнитоупорядоченной фазы, а, следовательно, и размера частиц, что объясняется в рамках предложенного механизма.

Мессбауэровские исследования влияния дополнительного акцептора электронов антрахинона-2, 6-дисульфоната (хинон) на продукты бактериального преобразования при комнатной температуре показали, что при увеличении его концентрации наблюдается

изменение формы линии спектра. Анализ параметров спектра показал, что происходит уменьшение размера частиц (Рис. 5). Хинон является синтетическим аналогом гуминовых веществ, которые могут связываться с атомами железа на поверхности магнетита. Поэтому хинон не дает частицам объединяться, что приводит к тому, что формируются частицы меньшего размера.

А ы о/„ Б

Рисунок 4. Мессбауэровские спектры ядер з7Ре в структуре минералов, полученных в процессе роста бактерий & /еггИгу&Шсш при различных объемах, доступных для биовосстановления (А - Б - У3), измеренные при Т= 300 К и во внешнем магнитном поле Вея = 1.03 Тл. (лре(ш)= 45 мМ).

Для идентификации магнитоупорядоченной фазы были проведены мессбауэровские измерения в сильном магнитном поле (до 6 Тл) при низкой температуре (4.2 К). Анализ данных спектров показал, что магнитоупорядоченная фаза является смесью нестехиометрического магнетита и маггемита, причем содержание атомов Ре2+ в этой фазе ~30%. Другими словами, формируются частицы магнетита с соотношением Ре3+:Ре2+ близким к теоретическому значению — 2:1.

16-1

• А

• • ОБ

2 К

•о

12-

~Г

0.4

п , г/л

0.8

Рисунок 5. Зависимость размера частиц магнитоупорядоченной фазы от концентрации хинона в среде роста. А - повторность 1, Б - повторность 2.

Изучение влияния спирта и ацетона на продукты бактериального восстановления синтезированного ферригидрита (нРе(ш) = 100 мМ) проводилось с помощью методов мессбауэровской спектроскопии и рентгенофазового анализа. Анализ спектров, измеренных в широком диапазоне температур, позволил более точно провести оценку размера частиц (Рис. 6). Добавление спирта и ацетона к продуктам восстановления

синтезированного ферригидрита приводит к незначительному уменьшению формирующихся частиц магнетита: 11.4±0.5 нм - в случае образца без добавления спирта или ацентона, 10.8±0.5 нм - в случае добавления ацетона, и 11.2±0.5нм - в случае добавления спирта. Форма линий спектров образца без добавления спирта или ацетона отличается от форм линий с добавлением. Это может быть связано с тем, что спирт и ацетон убирают молекулы воды с поверхности частиц, что приводит к уменьшению взаимодествия между ними.

г1, к-1 а, нм

Рисунок 6. Зависимость параметра а от обратной температуры для спектров образцов (слева); оценка размера частиц формирующейся магнитоупорядоченной фазы (справа): а -без добавления спирта или ацетона; б - с добавлением спирта; в - с добавлением ацетона.

Мессбауэровские исследования кинетики процессов преобразования синтезированного ферригидрита (^фщ = 90 мМ) бактерией в. /еггЛус1гШси$ показали, что увеличение времени культивации от 1 месяца до 30 месяцев приводит к тому, что увеличивается относительное содержание сидерита и атомов железа Ре2 5+ в структуре магнетита. Данное поведение может быть объяснено в рамках предложенного механизма бактериального преобразования ферригидрита.

Исследования кинетики процесса преобразования ферригидрита (яре(Ш)= 90 мМ) бактерией Т./егпасеПса показали, что увеличение времени культивации приводит к уменьшению относительной интенсивности парамагнитной компоненты спектра и увеличению интенсивности суперпарамагнитной, при этом содержание сидерита практически не изменялось (Рис. 7). Размер частиц магнитоупорядоченной фазы возрастал от 3.8±0.8 нм до 10.1±0.5 нм с увеличением времени культивации бактерии от 24 ч до 247 ч.

Для подтверждения наличия двухвалентных атомов железа в составе магнитоупорядоченной фазы были проведены мессбауэровские измерения при Г=4.8К для образцов, полученных для времен культивации бактерии 24 ч и 247 ч. Было установлено, что при времени 24 ч в образцах содержится смесь ферригидрита и нестехиометрического магнетита и маггемита, а при времени 247 ч в образцах содержится только смесь нестехиометрического магнетита и маггемита.

80 —

£ 60 — о

ей 40 —

20 —

100

150

200

250

Рисунок 7. Зависимость относительного содержания фаз в образцах в зависимости от времени культивации бактерии: РН - синтезированный ферригидрит, М -магнитоупорядоченная фаза, 8 - сидерит.

Во втором параграфе отражены результаты преобразования синтезированного ферригидрита бинарной культурой С. /егпИу&Шсия и А. а1ка1Пааа/ги и природных глауконита и биотита бинарной культурой & /етИусЬ-Шсш и С. А1каНсе11и1оз1

Мессбауэровские спектры образцов, полученные в результате преобразования ферригидрита (ире(Ш) = 10 мМ) бинарной культурой для двух времен культивации (7 и 21 день) являются спектрами парамагнитного типа. Увеличение времени культивации не приводит к значительному изменению формы линии спектра. Мессбауэровские спектры, измеренные при комнатной температуре, являются суперпозицией четырех квадрупольных дублетов, два из которых соответствует атомам Ре3+, а два других — атомам Ре2+. Параметры одного из квадрупольных дублетов соответствуют атомам Ре2+ в структуре сидерита. Параметры второго квадрупольного дублета, соответствующего атомам Ре2+, близки к параметрам сидерита, однако значение квадрупольного расщепления больше. Параметры квадрупольных дублетов, соответствующих атомам ре3+ отличаются от параметров, соответствующих атомам железа в структуре ферригидрита. Для идентификации сформированных фаз были проведены измерения при 7*= 4.8 К, которые показали, что в результате бактериального преобразования формируются три новых фазы: сидерит, гидрооксикарбонат и нестехиометричный магнетит (Рис. 8). Наличие гидрооксикарбоната в образцах было подтверждено методами ИК-спектрометрии.

Мессбауэровские спектры образцов, полученных в результате преобразования ферригидрита (пщШ) = 100 мМ) бинарной культурой для двух времен культивации (7 и 21 день) являются суперпозицией трех зеемановских секстетов и одного квадрупольного дублета. Параметры квадрупольного дублета соответствуют атомам Ре2+ в структуре

100 98 -96

1 10

сидерита. Измерение спектров при Г=4.8 К (Рис. 9) позволило идентифицировать

магнитоупорядоченную фазу как смесь нестехиометрического магнетита (содержание атомов Ре2+ -18%) и маггемита. Для оценки размера частиц были проведены мессбауэровские измерения в диапазоне температур Т = 81+300 К,

-10 -5 0 5

V, мм/с

Рисунок 8 Мессбауэровский спектр

57т- которые показали, что размеры частиц не

ядер re в структуре минерала,

полученного в процессе роста изменяются при увеличении времени

бактерий G. ferrihydriticus и _ „ ,.. „ , .

. „ ,., „ . культивации от 7 дней (11.7±0.5нм) до 21 дня

A. aLkalilacustris при содержании

Fe(III) пре(Ш)=Ю мМ, измеренные при (12.0 ± 0.5 нм). Кроме того, наблюдается слабое Г = 4.8 К для времени культивации -

п., увеличение относительного содержания сидерита

.Z1 день.

в образцах от 11.9 ±0.5% до 16.9 ±0.7%, что также объясняется в рамках предложенного механизма.

Спектры ядер S7Fe в структуре природных глауконита и биотита является суперпозицией четырех квадрупольных дублетов, два из которых соответствуют атомам Fe3+, а два других — Fe2^. Наличие четырех неэквивалентных позиций связано с наличием транс- и цис-октаэдров, которые обусловлены ориентацией ОН-групп. В случае роста бактерии

1— -10

~г

—1 10

Т-1-г

0 5

V, мм/с

Рисунок 9 Мессбауэровский спектр ядер 57Ре в структуре минерала, полученного в процессе роста й. ferrihydriticus наблюдалось формирование бактерий О. ferrihydriticus и „ .

. „ , . магнитоупорядоченнои фазы, поэтому модель

А. шШиасшКгз при содержании т

Ре(Ш) пре(ш)= 100 мМ, измеренный для анализа спектра состояла из четырех при Г= 4.8 К.

квадрупольных дублетов и одного зеемановского секстета, соответствующего формирующейся фазе. С целью более точного определения относительного содержания формирующейся фазы, мессбауэровские спектры были измерены при Г= 81 К.

В случае бактериального роста в среде с добавлением природного глауконита, параметры парциального спектра, соответствующего атомам железа в структуре этой фазы, д = 0.44±0.02 мм/с, е = 0.01±0.02 мм/с, Я„ = 495±2кЭ, соответствуют атомам Ре3+. При этом, в случае бинарной культуры & ferrihydriticus и С. А1каИсе1Ы1оз1, наблюдается формирование наибольшего количества магнитоупорядоченнои фазы - ЯС = 24.2±0.8 %; В сравнении с ростом монокультуры & ferrihydriticus с добавлением в среду культивации

ацетата относительное содержание формирующейся магнитоупорядоченной фазы в образцах меньше - ЛС= 16.2±1.9 %. Однако, добавление микроцеллюлозы (в отсутствии ацетата) в среду роста монокультуры также приводит к формированию этой фазы (КС = 18.7±1.2 %). Это может быть обусловлено повышением ферментативной активности монокультуры. Низкотемпературные измерения (7*= 4.8 К) позволили идентифицировать формирующуюся магнитоупорядоченную фазу (Рис. 10). Параметры парциальных спектров, соответствующих этой фазе, ЛС= 18.5±2.7%, д = 0.40±0.01 мм/с, <е> = -0.013±0.011 мм/с, Н„ = 512±1 кЭ, «С = 4.4±2.4%, д = 0.95±0.05 мм/с, <е> = 0.15±0.04 мм/с, Н„ = 494±3 кЭ, близки к параметрам для атомов железа Ре3+ и Ре2+ в структурах магнетита и для атомов Ре3+ в структуре маггемита с замещениями титаном и алюминием [17, 18].

-10

-5

V, мм/с

57т-

Рисунок 10. Мессбауэровские спектры ядер Ре в структуре минералов, полученных в результате взаимодействия глауконита: со средой культивации (верхний) и с бинарной культурой (нижний) (Г = 4.8 К).

В случае бактериального роста в среде с добавлением природного глауконита, параметры парциального спектра, соответствующего атомам железа в структуре этой фазы - д = 0.44±0.04 мм/с, <е> = 0.02±0.04 мм/с, #„ = 493±3 кЭ, соответствуют атомам Ре . В случае роста бинарной культуры в. /еггИгу&Шсиэ и С. а1каИсе11и1о$1 или монокультуры & /егпЬу&Шсю с добавлением в среду культивации микроцеллюлозы, наблюдается формирование магнитоупорядоченной фазы с практически одинаковым относительным содержанием - ЛС = 9.5±1.0%. В сравнении с ростом монокультуры с

добавлением в среду культивации ацетата относительное содержание формирующейся магнитоупорядоченной фазы выше-ЛС= 12.1±0.7 %.

Низкотемпературные измерения (Т = 4.8 К) позволили идентифицировать формирующуюся магнитоупорядоченную фазу (Рис. 11). Поскольку относительное содержание магнитоупорядоченной фазы достаточно мало, для обработки была взята разность между двумя спектрами образцов: биотита в среде роста и биотита после преобразования бинарной культурой (Рис. 11). Для полученного разностного спектра было восстановлено распределение сверхтонкого магнитного поля в области расположения ядра 57Ре. В результате были определены следующие параметры мессбауэровского спектра: д = 0.49±0.11 мм/с, е = -0.004±0.054 мм/с, Н„ = 512±11 кЭ. Эти параметры, как и в случае глауконита, близки к параметрам спектра атомов железа в

маггемите или магнетите с возможным замещением атомами алюминия или титана.

N,»/0

100 и+ИЧрйШ

99 -

97.!

5 j У^Мич^/ИкЛ

-10 -5 0 5

V, мм/с

0.03

о 0.02 ЕС

^ 0.01

-5 0 V, мм/с

400 450 500 Н, кЭ

Рисунок 11. Мессбауэровские спектры ядер з7Ре в структуре минералов, полученных в результате взаимодействия биотита: со средой культивации (а) и с бинарной культурой (б) (слева); разность между спектрами (а) и (б) и распределение сверхтонкого магнитного поля в области расположения ядра 57Ре (слева) (Г = 4.8 К).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.

Впервые методами мессбауэровской спектроскопии исследованы продукты преобразования синтезированного ферригидрита бактерией Оеоа1каИЬааег /егг1Иус1гШсш (штамм Z-0531) при различной концентрации ферригидрита и антрахинона-2,6-дисульфоната (хинона) в минеральной среде роста, а также кинетика процессов преобразования ферригидрита бактерией Оеоа1каИЬас1ег /егггку&Шсш (г-0531) и

бактерией Thermincola ferriacetica (Z-0001). В результате проведенных исследований установлено следующее.

1. Минеральным осадком продукта преобразования бактерией G. ferrihydriticus являются сидерит и смесь нестехиометрического магнетита и маггемита, в структуре которой магнитные моменты имеют неколлинеарную ориентацию.

3. Изменение объема минеральной среды, доступного бактерии G. ferrihydriticus для преобразования, приводит либо к уменьшению, либо к увеличению размера формирующихся частиц смеси нестехиометрического магнетита и маггемита в зависимости от концентрации ферригидрита, что обусловлено различным количеством бактериальных клеток, приходящихся на единицу поверхности частиц восстанавливаемого бактерией минерала.

4. Увеличение концентрации хинона в среде роста бактерии G. ferrihydriticus приводит к уменьшению размера частиц смеси нестехиометрического магнетита и маггемита от 12 нм до 6 нм.

5. Увеличение времени культивации бактерии G. ferrihydriticus от 1 месяца до 30 месяцев приводит к увеличению степени стехиометрии формирующихся частиц магнетита в смеси с маггемитом.

6. В результате восстановления атомов железа в структурах ферригидрита бактерией Т. ferriacetica формируются сидерит и смесь нестехиометрического магнетита и маггемита. При этом увеличение времени культивации от 24 ч до 247 ч приводит к увеличению размера частиц смеси нестехиометрического магнетита и маггемита.

Впервые проведены мессбауэровские исследования продуктов преобразования синтезированного ферригидрита при совместном росте бактерий Geoalkalibacter ferrihydriticus (штамм Z-0531) и Anaerobacillus alkalilacustris (штамм Z-0521), а также природных глауконита и биотита при совместном росте бактерий Geoalkalibacter ferrihydriticus (штамм Z-0531) и Clostridium alkalicellulosi (штамм Z-7026). В результате проведенных исследований установлено следующее.

1. Совместный рост бактерий G. ferrihydriticus и A. alkalilacustris при концентрации ферригидрита лодп) =10 мМ приводит к формированию сидерита и гидрооксикарбоната железа; при пре(Ш) = ЮОмМ - к формированию смеси нестехиометрического магнетита и маггемита с размером частиц ~ 10 нм, а также сидерита.

2. Восстановление трехвалентных атомов железа в структурах природных глауконита и биотита бактерией G. ferrihydriticus приводит к образованию магнитоупорядоченной фазы, которая является смесью нестехиометрического магнетита и маггемита.

3. При совместном росте бинарной культуры G. ferrihydriticus и С. alkalicellulosi в среде, содержащей природный глауконит, относительное содержание формирующейся магнитоупорядоченной фазы больше, чем в случае роста монокультуры G. ferrihydriticus.

Цитируемая литература:

1. Балашов В.В., Заварзин Г.А. Анаэробное восстановление окисного железа водородной бактерией //Микробиология. - 1979. - Т. 48. - №. 5 - С. 773.

2. Lovley D.R., Stolz J.F., Nord G.L.Jr., Phillips E.J.P. Anaerobic production of magnetite by a dissimilatory iron-reducing microorganism //Nature. - 1987. - T. 330. — №. 6145. - C. 252.

3. Konhauser K.O., Hamade Т., Raiswell R., Morris R.C., Ferris F.G., Southam G., Canfield D.E. Could bacteria have formed the Precambrian banded iron formations? //Geology. -2002.-T. 30. - №. 12.-C. 1079.

4. Neuberger Т., Schopf В., Hofmann H., Hofmann M., Rechenberg B. Superparamagnetic nanoparticles for biomedical applications: Possibilities and limitations of a new drug delivery system //Journal of Magnetism and Magnetic Materials. -2005. - T. 293. -№. 1. - C. 483.

5. Madden A.S., Swindle A.L., Beazley M.J., Moon J., Ravel В., Phelps T.J. Long-term solid phase fate of co-precipitated U(VI)-Fe(III) following biological iron reduction by Thermoanaerobacter //American Mineralogist. - 2012. - T. 97. - №. 10. - C. 1641.

6. Veeramani H., Alessi D.S., Suvorova E.I., Lezama-Pacheco J.S., Stubbs J.E., Sharp J.O., Dippon U., Kappler A., Bargar J.R., Bemier-Latmani R. Products of abiotic U(VI) reduction by biogenic magnetite and vivianite //Geochimica et Cosmochimica Acta. — 2011. — T. 75. — №. 9.-C. 2512.

7. Cutting R.S., Coker V.S., Telling N.D., Kimber R.L., Реагсе C.I., Ellis B.L., Lawson R.L., Lann G., Pattrick A., Vaughan D.J., Arenholz E., Lloyd J.R. Optimizing Cr(VI) and Tc(VIII) remediation through nanoscale biomineral Engineering //Envirom. Sci. Technol. - 2010. - T. 44. - №. 7.-C. 2577.

8. Заварзин Г.А., Колотилова H.H. Введение в природоведческую микробиологию: учебное пособие. М.: книжный дом «Университет». -2001.-256с.

9. Zavarzina D.G., Kolganova T.V., Boulygina E.S., Kostrikina N.A., Tourova Т. P., ZhilinaT.N. Geoalkalibacter ferrihydriticus gen. nov. sp. nov., the first alkalaphilic representive of the family Geobacteracea, isolated from a soda lake //Microbiology. - 2006 -Т. 75.-№. 6.-C. 673.

10. Zavarzina D.G., Tourova T.P., Kolganova T.V., Boulygina E.S. and Zhilina T.N. Description of Anaerobacillus alkalilacustre gen. nov., sp. nov.—Strictly Anaerobic Diazotrophic Bacillus Isolated from Soda Lake and Transfer of Bacillus arseniciselenatis, Bacillus macyae, and Bacillus alkalidiazotrophicus to anaerobacillus as the New Combinations A. Arseniciselenatis comb, nov., A. macyae comb, nov., and A. alkalidiazotrophicus comb. nov. //Microbiology. - 2009 - T. 78. - №. 6. - C. 723.

П.Жилина Т.Н., Кевбрин B.B., Турова Т.П., Лысенко A.M., Кострикина Н.А., Заварзин Г.А. Clostridium Alkalicellulosi sp. nov. - обигатно алкалофильный целлюлозолитик из содового озера Прибайкалья //Микробиология. - 2005 - Т. 74. - №. 5. - С. 642.

12. Zavarzina D.G., Sokolova T.G., Tourova Т.Р., Chernyh N.A., Kostrikina N.A., Bonch-Osmolovskaya E.A. Thermincola ferriacetica sp. nov., a new anaerobic, thermophilic, facultatively chemolithoautotrophic bacterium capable of dissimilatory Fe (III) reduction //Extremophiles. - 2007. - Т. 11. - №. 1. - С. 1.

13. Matsnev M.E., Rusakov V.S. SpectrRelax: An application for Mossbauer spectra modeling and fitting //MOSSBAUER SPECTROSCOPY IN MATERIALS SCIENCE-2012: Proceedings of the International Conference MSMS-12. - AIP Publishing, 2012. - T. 1489. -№. l.-C. 178.

14. Jones D.H., Srivastava K.K.P. Many-state relaxation model for the Mossbauer spectra of superparamangnets //Physical Review B. - 1986. - T. 34. - №. 11. - C. 7542.

15. Bodker F., Morup S., Linderoth S. Surface effects in metallic iron nanoparticles //Physical Review Letters. - 2007. - T. 72. - №. 2. - C. 282.

16. Tronc E., Belleville P., Jolivet J.-P., Livage J. Transformation of ferric hydroxide into spinel by Fe(II) adsorption//Langmuir. - 1992-T. 8.-№. l.-C. 313.

17. Da Costa G.M., De Grave E., Vandenberghe R.E. Mossbauer studies of magnetite and Al-substituted maghemites //Hyperfine Interactions. - 1998 - Т. 117. - №. 1-4. - C. 207.

18. Ballet O., Coey J.M.D. Magnetic properties of sheet silicates; 2:1 Layer minerals //Phys. Chem. Minerals. - 1982 - T. 8. - №. 5. - C. 218.

19. Minai Y., Nakamura Y., Tominaga Т., Porg C.W., Watts A.B. A Mossbauer Study of Oceanic Sediments from Site 612, Deep Sea Drilling Project, Leg 951 //Earthquake chemistry: collectrd papers. - 1988 - Т. 1. - C. 359.

Основные результаты диссертации опубликованы в работах:

1. Чистякова Н.И., Русаков B.C., Назарова К.А. Шапкин А.А., Жилина Т.Н., Заварзина

Д.Г. Исследования процессов образования минералов железа диссимиляторной

алкалофильной бактерией Geoalkalibacter ferrihydriticus методами мёссбауэровской спектроскопии //Известия РАН, Серия физическая. - 2010. - Т. 74. - №. 3. - С. 433.

2. Chistyakova N.I., Rusakov V.S., Nazarova К.А., Shapkin A.A., Zhilina T.N., Zavarzina D.G. Mössbauer study of formation of iron oxides and carbonate by dissimilatory alkaliphilic bacterium //Journal of Physics: Conference Series. - IOP Publishing, 2010. -T. 217. -№. l.-C. 012055.

3. Chistyakova N.I., Rusakov V.S., Nazarova K.A., Shapkin A.A., Zhilina T.N., Zavarzina D.G., Lancok A., Kohout J. Investigations of iron minerals formed by dissimilatory alkaliphilic bacterium with 57Fe Mössbauer spectroscopy //MOSSBAUER SPECTROSCOPY IN MATERIALS SCIENCE—2010. - AIP Publishing, 2010.-T. 1258.-№. l.-C. 68.

4. Chistyakova N.I., Rusakov V.S., Shapkin A.A., Zhilina T.N., Zavarzina D.G. Reduction of amorphous Fe (Ill)-hydroxide by binary microbial culture, a Mössbauer study //Hyperfine Interactions. - 2010.-T. 197. -№. 1-3.-C. 325.

5. Заварзина Д.Г., Кевбрин B.B., Жилина Т.Н., Чистякова Н.И., Шапкин A.A., Заварзин Г.А. Восстановление синтезированного ферригидрита бинарной анаэробной культурой Anaerobacillus alkalilacustris и Geoalkalibacter ferrihydriticus при росте на манните, pH 9.5 //Микробиология. - 2011. - Т. 80. - №. 6. - С. 731.

6. Chistyakova N.I., Rusakov V.S., Shapkin A.A., Zavarzina D.G., Zhilina T.N. Mössbauer study of dissimilatory reduction of iron contained in glauconite by alkaliphilic bacteria //Hyperfine Interactions. - 2012. -T. 208. -№. 1-3. - C. 85.

7. Chistyakova N.I., Rusakov V.S., Shapkin A.A., Pigalev P.A., Kazakov A.P., Zhilina T.N., Zavarzina D.G., Lancok A., Kohout J., Greneche J.-M. Mössbauer and Magnetic Study of Solid Phases Formed by Dissimilatory Iron-Reducing Bacteria //Solid State Phenomena. - 2012. - T. 190.-C. 721.

8. Chistyakova N.I., Rusakov V.S., Shapkin A.A., Starokurov Yu.V., Kazakov A.P., Zavarzina D. G., Zhilina T.N., Lancok A. Kohout J. Mössbauer study of biogenic formation processes of iron minerals //MOSSBAUER SPECTROSCOPY IN MATERIALS SCIENCE-2012: Proceedings of the International Conference MSMS-12. - AIP Publishing, 2012. - T. 1489.-№. l.-C. 95.

9. Шапкин A.A., Чистякова Н.И., Русаков B.C., Жилина Т.Н., Заварзина Д.Г. Мёссбауэровские исследования процесса бактериального восстановления железа в природных биотите и глауконите //Известия РАН, Серия физическая. - 2013. - Т. 77. - №. 6.-С. 812.

Подписано к печати 16. ПА. {<4-

"ТкрЕпя {00 £3

Отпсчат?-но в отделе оперативной печати

физического факультста. МГУ

Текст научной работы диссертации и автореферата по физике, кандидата физико-математических наук, Шапкин, Алексей Андреевич, Москва

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ им. М.В. ЛОМОНОСОВА

ФИЗИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ

На правах рукописи

04201460873

Шапкин Алексей Андреевич

МЁССБАУЭРОВСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ ВОССТАНОВЛЕНИЯ АТОМОВ ЖЕЛЕЗА АНАЭРОБНЫМИ ДИССИМИЛЯТОРНЫМИ

БАКТЕРИЯМИ

Специальность: 01.04.07 - физика конденсированного состояния

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание учёной степени кандидата физико-математических наук

Научный руководитель: кандидат физико-математических наук, доцент Н.И. Чистякова

МОСКВА-2014 г.

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ...................................................................................................................4

ГЛАВА I. ДИССИМИЛЯТОРНЫЕ ЖЕЛЕЗОРЕДУЦИРУЮЩИЕ БАКТЕРИИ И ИХ РОЛЬ В БИОГЕННОМ ФОРМИРОВАНИИ МИНЕРАЛОВ ЖЕЛЕЗА (ПО ДАННЫМ ЛИТЕРАТУРЫ).............................11

§1.1 Бактериальное преобразование железосодержащих минералов....................11

§1.2. Особенности структуры железосодержащих минералов...............................16

§1.3. Цель и задачи исследования..............................................................................21

ГЛАВА II. МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА.......................................................23

§2.1 Условия синтеза исследуемых образцов и способы их приготовления........23

§2.2 Мёссбауэровский спектрометр и дополнительное оборудование.................27

§2.3. Элементы теории суперпарамагнитной релаксации в мёссбауэровской спектроскопии....................................................................................................33

ГЛАВА III. РЕЗУЛЬТАТЫ.....................................................................................36

§3.1. Исследования процессов восстановления синтезированного ферригидрита алкалофильными анаэробными бактериями...................................................37

§3.1.1. Исследования структурных и зарядовых состояний атомов железа в структуре синтезированного ферригидрита. 37

§3.1.2 Исследование процесса восстановления синтезированного ферригидрита бактерией Сеоа1каИЬас(ег/егпкусЬ'Шст (штамм 2-0531). 42

§3.1.2.1 Исследование влияния концентрации ферригидрита на процесс восстановления синтезированного ферригидрита бактерией

СеоаШаНЬаМег/еггИгус1гШсш (штамм 2-0531)........................................................42

§3.1.2.2 Исследование влияния объема минеральной среды, доступной для восстановления бактерией ОеоаШаНЬаМег/егпкус1гШст (штамм 2-0531), на

формирование новых фаз...........................................................................................48

§3.1.2.3 Исследование влияния антрахинона дисульфоната на процесс восстановления синтезированного ферригидрита бактерией

СеоЫкаНЬаМег/егпкус1гШсш (штамм 2-0531)........................................................60

§3.1.2.4 Исследование влияния спирта и ацетона на продукты восстановления синтезированного ферригидрита бактерией Сеоа1каИЬас1ег/еггШус1гШсш (штамм

2-0531)..........................................................................................................................69

§3.1.2.4 Исследование влияния времени культивации на процесс восстановления синтезированного ферригидрита бактерией Сеоа1каИЬас1ег/еггИгуёгШст (штамм

2-0531).......................................................................................................................... 73

§3.1.3. Исследование процесса восстановления синтезированного ферригидрита бактерией ТЪегттсо1а/егпасейса (штамм 2-0001). 77

§3.2. Исследование процесса восстановления атомов железа бинарными культурами..........................................................................................................83

§3.2.1 Исследование процесса восстановления трехвалентных атомов железа бинарной культурой Anaerobacillus alkalilacustris (штамм Z-0521) и Geoalkalibacterferrihydriticus (штамм Z-0531) 83

§3.2.1.1. Исследование процесса восстановления трехвалентных атомов железа бинарной культурой Anaerobacillus alkalilacustris (штамм Z-0521) и Geoalkalibacter ferrihydriticus (штамм Z-0531) (Концентрация синтезированного

ферригидрита и^цц =10 мМ)....................................................................................84

§3.2.1.2. Исследование процесса восстановления трехвалентных атомов железа бинарной культурой Anaerobacillus alkalilacustris (штамм Z-0521) и Geoalkalibacter ferrihydriticus (штамм Z-0531) (Концентрация синтезированного

ферригидрита =100 мМ)..................................................................................89

§3.2.2. Исследование процесса восстановления атомов FeJ+ бинарной культурой С. alkalicellulosi (штамм Z-7026) и G. ferrihydriticus (штамм Z-0531). 94

§3.2.2.1 Исследование процесса восстановления атомов Fe3+ бинарной культурой С. alkalicellulosi (штамм Z-7026) и G. ferrihydriticus (штамм Z- 0531) в

структуре глауконита..................................................................................................95

§3.2.2.2 Исследование процесса восстановления атомов Fe3+ бинарной культурой С. alkalicellulosi (штамм Z-7026) и G. ferrihydriticus (штамм Z-0531) в

структуре биотита.....................................................................................................100

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.......................................................................................................105

ЛИТЕРАТУРА.........................................................................................................109

ПРИЛОЖЕНИЕ.......................................................................................................120

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы

Одной из важнейших задач современной физики является исследование свойств наноматериалов, полученных в результате микробиологического синтеза. Как известно, для проведения большинства реакций по искусственному синтезу необходимы катализаторы. В то же время микробиологический синтез может быть проведен в условиях, близких к природным, с использованием легкодоступных соединений. В 1980-х была открыта новая физиологическая группа микроорганизмов - диссимиляторные железовосстанавливающие микроорганизмы [1]. Данные микроорганизмы получают энергию в результате переноса электронов с субстратов на атомы железа, что приводит к формированию новых минеральных фаз. Этот факт положил начало активным исследованиям возможностей микробиологического синтеза [2].

Предположительно, диссимиляторные железовосстанавливающие микроорганизмы принимали участие в преобразовании соединений окисного железа в магнетит в докембрийский период [3], поэтому предпринимаются активные попытки найти аналоги этих геохимических процессов в современном цикле железа. Другой сферой применения данных бактерий являются возобновляемые источники энергии. Существуют топливные элементы, механизм которых основан на микробиологическом синтезе. В качестве акцептора электронов можно использовать один из электродов в топливном элементе. При этом в результате роста бактерий выделяется атомарный водород, который в дальнейшем можно использовать в качестве топлива. Продуктами биосинтеза могут быть также наночастицы минералов. Так как процесс бактериального преобразования протекает в органической среде, данные частицы обладают органической оболочкой и могут быть использованы в качестве носителей для точечной доставки лекарств [4]. Кроме того, за счет большой химической активности такие наночастицы могут использоваться для удаления ионов тяжелых металлов из почв и водоемов [5,6,7].

За последнее время открыто большое число различных диссимиляторных железовосстанавливающих бактерий. Они встречаются практически во всех экологических нишах, а в некоторых, например, в подземных экосистемах, преобладают, формируя однородное сообщество микроорганизмов. Железовосстанавливающие микроорганизмы этого и других семейств широко распространены также в почвах, морских и пресноводных водоемах, термальных площадках. Большинство данных микроорганизмов относится к мезофильным (Т0пт = 20-25 С°) и нейтрофильным (рН 6-8) организмам, но также известны ацидофильные (рН 6 и ниже), алкалофильные (рН 8.5 и выше) и психрофильные (Т0пт = 0-20 С°) представители этой группы [8]. Способность к восстановлению железа оказалась широко распространенной в микробном мире и была выявлена у ряда микроорганизмов других физиологических групп таких как нитрат- и сульфатвосстанавливающих бактерий.

Цель работы

Целью настоящей работы являлось исследование процессов преобразования синтезированного ферригидрита, железосодержащих биотита и глауконита, подвергшихся воздействию анаэробных железовосстанавливающих бактерий, выделенных из естественных мест их обитания. В соответствии с поставленной целью в работе решались следующие основные задачи.

1. Исследовать влияние концентрации ферригидрита в исходном растворе на продукты его преобразования бактерией Оеоа1каИЬас(ег /етку&Шст (штамм 2-0531).

2. Исследовать влияние концентрации антрахинона-2,6-дисульфоната в минеральной среде роста на продукты преобразования ферригидрита бактерией Сеоа1каИЬасСег/егг1Иу(1гШси8 (штамм 2-0531).

3. Установить характер влияния объема минеральной среды, доступного бактерии Сеоа1каИЬас1ег /егг1Иус1гШст (штамм 2-0531) для преобразования, на формирование новых фаз.

4. Исследовать кинетику процессов преобразования ферригидрита бактерией Сеоа1каИЬасгег /еггИгус1гШст (штамм 2-0531) и бактерией

Thermincola ferriacetica (штамм Z-0001).

Методы и методология исследования

Основным методом исследования являлся метод мессбауэровской спектроскопии, который позволяет получить ценную информацию о зарядовом и структурном состояниях атомов железа. Измерения осуществлялись в широком диапазоне температуре (от 4.2 К до 300 К) и во внешних магнитных полях. Анализ мессбауэровских данных проводился с привлечением современных методов обработки спектров, использующих специальные математические алгоритмы (описание влияния суперпарамагнитной релаксации на форму линии спектра). Для идентификации фазового и элементного состава привлекались данные рентгеновской дифрактометрии, ИК-спектроскопия. Для определения содержания двухвалентных атомов железа использовался химический метод с применением феррозина.

Основные положения, выносимые на защиту

магнетита и маггемита в зависимости от концентрации ферригидрита, что обусловлено различным количеством бактериальных клеток, приходящихся на единицу поверхности частиц восстанавливаемого бактерией минерала.

4. Увеличение концентрации хинона в среде роста бактерии <7. /еггШус1гШсш приводит к уменьшению размера частиц смеси нестехиометрического магнетита и маггемита от 12 нм до 6 нм.

5. Увеличение времени культивации бактерии С. ]егпкус1гШсиз от 1 месяца до 30 месяцев приводит к увеличению степени стехиометрии формирующихся частиц магнетита в смеси с маггемитом.

6. В результате восстановления атомов железа в структуре ферригидрита бактерией Т. /егпасеИса формируются сидерит и смесь нестехиометрического магнетита и маггемита. При этом увеличение времени культивации от 24 ч до 247 ч приводит к увеличению размера частиц смеси нестехиометрического магнетита и маггемита.

7. Совместный рост бактерий (7. [егпкус1гШст и А. аИсаШасш^я при концентрации ферригидрита пРе(ш)=10мМ приводит к формированию сидерита и гидрооксикарбоната железа; при пРе(Ш) = ЮОмМ - к формированию смеси нестехиометрического магнетита и маггемита с размером частиц -10 нм, а также сидерита.

8. Восстановление трехвалентных атомов железа в структурах природных глауконита и биотита бактерией С. /егпку&Шст приводит к образованию магнитоупорядоченной фазы, которая является смесью нестехиометрического магнетита и маггемита.

9. При совместном росте бинарной культуры (т. /еггИгуёгШст и С. а1каИсе11и1о81 в среде, содержащей природный глауконит, относительное содержание формирующейся магнитоупорядоченной фазы больше, чем в случае роста монокультуры С. /еггИгус!гШст.

Достоверность и апробация результатов

Достоверность полученных результатов и сделанных выводов обусловлена воспроизводимостью результатов, адекватностью использованных физических и

биологических представлений при решении поставленных задач и соответствием полученных в работе результатов известным экспериментальным данным. Полученные в диссертационной работе результаты были опубликованы в 20 печатных работах, 7 из которых - статьи в рецензируемых журналах, входящих в список ВАК, и представлены на следующих международных и российских научных конференциях: International Conference on the Applications of the Mossbauer Effect, Vienna, Austria (19 - 24 July, 2009); Mossbauer Spectroscopy in Materials Science. Liptovsky Jyn, Slovakia (31 January - 5 February, 2010); 3rd Joint International Conference on Hyperfine Interactions and International Symposium on Nuclear Quadrupole Interactions, CERN/Geneva, Switzerland (13 - 17 September, 2010); Международный молодежный научный форум «ЛОМОНОСОВ-2010», Москва, МГУ имени М.В.Ломоносова (12 - 15 апреля 2010); International Conference on the Applications of the Mossbauer Effect, Kobe, Japan (25 - 30 September 2011); Moscow International Symposium of Magnetism, Moscow, Russia (August 21-25, 2011); Mossbauer Spectroscopy in Materials Science, Olomouc, Czech Republic (11 - 15 June, 2012); XII Международная конференция «Мессбауэровская спектроскопия и ее применения», Суздаль, Россия (6-10 октября, 2012); International Conference on the Applications of the Mossbauer Effect, Opatija, Croatia (1 -6 September, 2013).

Научная новизна

1. Установлено, что минеральными осадками продуктов восстановления синтезированного ферригидрита бактерией С. /еггИгус1гШст и бактерией Т. /егпасейса являются сидерит и смесь нестехиометрического магнетита и маггемита.

2. Показано, что уменьшение концентрации ферригидрита в среде роста бактерии С. /еггИгу&ьйсш приводит к уменьшению размера частиц формирующейся смеси нестехиометрического магнетита и маггемита, а также к увеличению относительного содержания сидерита.

3. Продемонстрировано, что изменение объема минеральной среды, доступного бактерии & /еггИгу&Шсш для преобразования, приводит либо к уменьшению, либо к увеличению размера формирующихся частиц смеси нестехиометрического магнетита и маггемита в зависимости от концентрации ферригидрита, что обусловлено различным количеством бактериальных клеток, приходящихся на единицу поверхности частиц восстанавливаемого бактерией минерала.

4. Установлено, что увеличение концентрации антрахинона-2, 6-дисульфоната в среде роста бактерии С. /егпкуйгШсш приводит к уменьшению размера частиц смеси нестехиометрического магнетита и маггемита от 12 нм до 6 нм.

5. Показано, что увеличение времени культивации бактерии С. /егпку&Шсш от 1 месяца до 30 месяцев приводит к увеличению степени стехиометрии формирующихся частиц магнетита в смеси с маггемитом, а увеличение времени культивации бактерии Т. /егпасе^са от 24 ч до 247 ч приводит к увеличению размера частиц смеси нестехиометрического магнетита и маггемита.

6. Показано, что совместный рост бактерий С. /егпкуёгШсиз и А. аШаШастгпз при концентрации ферригидрита пРе(Ш) = 10 мМ приводит к формированию сидерита и гидрооксикарбоната железа; при пРе(Ш) = 1 ООмМ - к формированию смеси нестехиометрического магнетита и маггемита с размером частиц -10 нм, а также сидерита.

7. Продемонстрировано, что восстановление трехвалентных атомов железа в структурах природных глауконита и биотита бактерией G. ferrihydriticus приводит к образованию магнитоупорядоченной фазы, которая является смесью нестехиометрического магнетита и маггемита.

8. Установлено, что при совместном росте бинарной культуры G. ferrihydriticus и С. alkalicellulosi в среде, содержащей природный глауконит, относительное содержание формирующейся магнитоупорядоченной фазы больше, чем в случае роста монокультуры G. ferrihydriticus.

Научная и практическая значимость