Биогеохимические факторы преобразования соединений железа в восстановительной обстановке
Диссертация
Исследование бактериального восстановления ферригидрита как наиболее вероятной для железоредукторов исходной фазы и акцептора электронов в современных условиях, а также изучение образующихся при этом минеральных фаз. Экспериментальное исследование кинетики образования магнетита термофильными железоредуцирующими бактериями и изучение физико-химических факторов, влияющих на этот процесс. Целью… Читать ещё >
Содержание
- Глава 1. Литературный обзор
- 1. 1. Биогенный цикл железа
- 1. 1. 1. Бактериальное окисление железа
- 1. 1. 2. Биогеохимическая деятельность железоокисляющих бактерий
- 1. 1. 3. Бактериальное восстановление железа
- 1. 2. Осадочные руды железа и участие микроорганизмов цикла железа в их образовании
- 1. 2. 1. Озерно-болотные руды
- 1. 2. 2. Железо-марганцевые конкреции океана
- 1. 2. 3. Железистые кварциты
- 1. 3. Термофильные железоредукторы
- 1. 1. Биогенный цикл железа
- Экспериментальная часть
- Глава 2. Объекты исследований
- 2. 1. Гидротермы о-ва Кунашир и кальдеры Узон
- 2. 1. 1. Кальдера Головнина
- 2. 1. 2. Вулкан Менделеева, источники Столбовские
- 2. 1. 3. Кальдера Узон, источник Железистый
- 2. 2. Низовое болото Абрамцево, Московская область
- 2. 1. Гидротермы о-ва Кунашир и кальдеры Узон
- Глава 3. Методики исследований
- 3. 1. Анаэробное культивирование микроорганизмов
- 3. 1. 1. Культивирование в жидких средах
- 3. 1. 2. Приготовление аморфной гидроокиси трехвалентного железа
- 3. 1. 3. Определение численности микроорганизмов методом 10-кратных разведений
- 3. 1. 4. Выделение колоний на ролл-тюбах
- 3. 1. 5. Подсчет клеток
- 3. 1. 6. Определение продуктов жизнедеятельности термофильных железоредукторов
- 3. 2. Потенциометрические определения
- 3. 2. 1. Потенциометрическая ячейка
- 3. 2. 2. Измерение рН
- 3. 2. 3. Измерение Eh
- 3. 3. Исследования твердой фазы
- 3. 3. 1. Рентгеноструктурный анализ
- 3. 3. 2. ЯГР-спектроскопия
- 3. 3. 3. Растровая электронная микроскопия
- 3. 3. 4. Просвечивающий микроскоп
- 3. 4. Экспериментальные серии
- 3. 4. 1. Динамика образования магнетита термофильными железоредукторами
- 3. 4. 2. Влияние парциального давления С02 на восстановление аморфной гидроокиси железа
- 3. 4. 3. Влияние соотношения твердой и жидкой фаз на восстановление аморфной гидроокиси железа
- 3. 4. 4. Влияние инертного органического вещества на восстановление аморфной гидроокиси железа
- 3. 1. Анаэробное культивирование микроорганизмов
- 4. 1. Распространение термофильных железоредуцирующих микроорганизмов в гидротермальных источниках о-ва Кунашир
- 4. 2. Выделение термофильных железоредукторов
- 4. 2. 1. Thermovenabulum ferriorganovorum gen. nov., sp. nov. — новая термофильная железоредуцирующая бактерия из кальдеры Узон, Камчатка
- 4. 2. 1. 1. Накопительные культуры и выделение микроорганизма
- 4. 2. 1. 2. Характеристика штамма Z
- 4. 2. 2. Deferricella thermoacetophila gen. nov., sp. nov. — новая термофильная ацетат-использующая железоредуцирующая бактерия с о-ва Кунашир
- 4. 2. 2. 1. Накопительные культуры и выделение микроорганизма
- 4. 2. 2. 2. Характеристика штамма Z
- 4. 2. 1. Thermovenabulum ferriorganovorum gen. nov., sp. nov. — новая термофильная железоредуцирующая бактерия из кальдеры Узон, Камчатка
- 5. 1. Динамика восстановления аморфной гидроокиси железа при росте штамма Z
- 5. 1. 1. Динамика роста штамма Z
- 5. 1. 2. Потребление ацетата
- 5. 1. 3. Восстановление гидроокиси железа
- 5. 1. 4. Изменение рН в процессе роста штамма Z
- 5. 1. 5. Изменение Eh в процессе роста штамма Z
- 5. 2. Анализ твердой фазы
- 5. 2. 1. Рентгеноструктурный анализ
Список литературы
- Аристовская Т. В. (1980). Микробиология процессов почвообразования. Ленинград, Наука, 187 с.
- Балашова В.В., Заварзин Г. А. (1980). Анаэробное восстановление окисного железа водородной бактерией Микробиология, т.48, с. 635−639
- Бейтс Р. (1968). Определение рН. Теория и практика. Л., Химия.
- Бергман И.А. (1986). Принципы и методы реконструкции вещественной природы докембрийских железистых формаций (ДЖФ). В кн: с.65−72.
- Биологический энциклопедический словарь (1989). М: Советкая энциклопедия.
- Вернадский В.И. (1936). Очерки геохимии. М.-Л., ОНТИ.
- Водяницкий Ю.Н., Добровольский В. В. (1998). Железистые минералы и тяжелые металлы в почвах. М., Наука, с. 70−72.
- Габе Д.Р., Рабинович В. А. (1964). Физико-химические условия развития Metallodenium perf. в илу. В кн.: Роль микроорганизмов в образовании железо-марганцевых озерных руд. Ленинград, Наука, с. 69.
- Габе ДР., Трошанов Э. П., Шерман Э. Э. (1964). Образование марганцево-железных прослоек в илу как биогенный процесс. В кн.: Роль микроорганизмов в образовании железо-марганцевых озерных руд. Ленинград, Наука, с. 109.
- Гаррелс P.M., Крайст Ч.Л (1968). Растворы, минералы, равновесия. М., Мир, с. 132−154.
- Гипергенные окислы железа в геологических процессах: сб. ст. (1975). М., Наука, с. 203−207.
- Дроздовская А.А. (1990). Химическая эволюция океана и атмосферы в геологической истории Земли. Киев, Наукова Думка, 208 с.
- Дубинина Г. А., Дерюгина З. П. (1969). Микробиологические процессы превращения форм железа в меромиктическом водоеме. Журнал общей биол., т 30, с. 602.
- Дуда В.И. и Калакуцкий Л.В. (1961) О роли микроорганизмов в восстановительных процессах в почве. Восстановление железа чистой культурой Pseudomoncis tralucida. Науч. Докл. Высш. школы, биол. науки, 2.
- Железисто-кремнистые формации докембрия европейской части СССР: Генезис железных руд. (1991). Киев, Наукова думка, с. 11−13.
- Железо-марганцевые корки и конкреции подводных гор Тихого океана.(1990) Под ред. Лисицина А. П., М., Наука, с. 5.
- Жилина Т.Н., Заварзин Г. А. (1978). Методы выделения и культивирования метанобразующих бактерий. В кн.: Теоретические и методические основы изучения анаэробных микроорганизмов. Пущино, с. 68−90.
- Заварзин Г. А. (1966). Железобактерии на вулканах острова Кунашир. Труды МОИП, 24, с. 217.
- Заварзин Г. А. (1972). Литотрофные микроорганизмы. М., Наука, с. 14, 261−292.
- Заварзин Г. А. (1984). Бактерии и состав атмосферы. М., Изд-во МГУ, 192 с.
- Заварзин Г. А. (1989). Микробное сообщество в прошлом и настоящем. Киев, Микробиол. журн., т. 51, с. 3−14.
- Заварзин Г. А. (2001). Становление биосферы. Вестник РАН (в печати)
- Зотов А.В., Сорокин В. П., Никитина И. Б. (1988). Некоторые особенности современной гидротермальной деятельности в кальдере вулк. Головнина (о-в Кунашир). В кн.: Современные гидротермы и минералообразование. М., Наука, с. 54−69.
- Каравайко Г. И., Кузнецов С. П., Голомзик А. И. (1972). Роль микроорганизмов в выщелачивании металлов из руд. М., Наука, с. 58.
- Кевбрин ВВ. и Заварзин Г.А. (1992). Влияние соединений серы на рост галофильной гомоацетатной бактерии Acetohalobium arabaticum. Микробиология т. 61, с. 812−817.
- Лебедев Л.М., Никитина И. Б. (1977). Особенности состава и металлоносность гидротерм аппаратов вулканов (на примере вулканов Менделеева и Головнина). В кн.: Современные гидротермы и минералообразование. М., Наука, с. 5−25.
- Лебедев Л.М., Зотов А. В., Никитина И. Б., Дуничев В. М., Шурманов Л. П. (1980). Современные процессы минералообразования на вулкане Менделеева (о-в Кунашир). М., Наука, с. 87.
- Мельник Ю.П. (1973). Физико-химические условия образования докембрийских железистых кварцитов. Киев, Наукова думка, с. 33−39, 252−256.
- Николаев В.И., Русаков B.C. (1985). Мессбауэровские исследования ферритов. М., Изд-во Моск. Ун-та., с. 224.
- Перфильев Б.В. и Габе Д.Р. (1964). Изучение методом микробного пейзажа бактерий, накопляющих марганец и железо в донных отложениях. В кн.: Рольмикроорганизмов в образовании железо-марганцевых озерных руд. Ленинград, Наука, с. 22, 46, 47.
- Резников А.А., Муликовская Е. П., Соколов И. Ю. (1970). Методы анализа природных вод. М., Недра, с. 111−112.
- Русаков B.C. (1999). Восстановление функций распределения сверхтонких параметров мессбауэровских спектров локально неоднородных систем. Известия РАН. Серия физическая, т.63, с. 1389−1396.
- Савенко B.C. (1985). О растворимости двуокиси марганца в водных растворах. Геохимия, т. 3, с. 416−419.
- Савенко B.C. (1989). Почему не растворяются глубоководные железомарганцевые конкреции? Океанология, т. 29, с. 270−273.
- Савенко B.C. (1990). О процессах формирования железомарганцевых конкреций (физико-химический анализ). Геохимия, т. 8, с. 1151−1160.
- Слободкин А.И., Ерощев-Шак В.А. Кострикина Н. А., Лаврушин В. Ю., Дайняк Л. Г., Заварзин Г. А. (1995). Образование магнетита термофильными анаэробными микроорганизмами. Докл. АН, т. 345, с.694−697.
- Слободкин А.И., Заварзина Д. Г., Соколова Т. Г., Бонч-Осмоловская Е.А. (1999). Диссимиляторное восстановление неорганических акцепторов электронов термофильными анаэробными прокариотами. Микробиология, т. 68, с. 600−622.
- Современные физические методы в геохимии. (1990). Под ред. В. Ф. Барабанова. Ленинград, Изд-во ЛГУ.
- Соколова-Дубинина Г. А., Дерюгина З. П. (1967). Изучение процессов образования железо-марганцевых конкреций в озере Пуннус-Ярви. Микробиология, т. 36, с. 1066.
- Страхов Н.М. (1947). Железорудные формации и их аналоги в истории земли. Тр. Геол. Инст. Ан СССР, с. 73.
- Страхов Н.М. (1962). Теория литогенеза. М, АН СССР, т. 2, с. 186−200.
- Страхов Н.М. (1963). Типы литогенеза и их эволюция в истории Земли. М., ГОНТИ, 535 с.
- Турова Е.С., Осипов Г. А. (1996). Изучение структуры микробного сообщества активного в биотрансформации минералов железа в каолине. Микробиология, т. 65, с. 682−689.
- Турова Е.С., Авакян Е. С., Каравайко Г. И. (1996). Роль сообщества бактерий в трансформации минералов железа в каолине. Микробиология, т. 65, с. 837−843.
- Фонарев В.И. (1987). Минеральные равновесия железистых формаций докембрия. М., Наука, с. 262.
- Холодов В.Н. (1993). К проблеме эволюции осадочного процесса в истории Земли. В кн.: Проблемы доантропогенной эволюции биосферы. М., Наука, с. 123−167.
- Холодов В.Н., Бутузова Г. Ю. (2001). Проблемы геохимии железа и фосфора в докембрии. Литология и полезные ископаемые, № 4, с. 339−352
- Холодный Н.Г. (1953). Железобактерии. М., изд-во Ан СССР.
- Чухров Ф.В. (1955). Коллоиды в земной коре. М., изд-во АН СССР, с. 207−216, 374−388,411.
- Чухров Ф.В., Звягин Б. Б., Горшков А. И., Ермилова Л. П., Балашова В. В. (1973). Ферригидрит. Известия АН СССР, сер. геол., т. 4, с. 23−33.
- Шлегель Г. (1987). Общая микробиология. М., Мир, с. 53, 102.
- Шульц М.М., Писаревский A.M., Полозова И. П. (1984 г). Окислительный потенциал. Ленинград, изд-во Химия, с. 118.
- Aristovkaya T.V. & Zavarzin G.A. (1970). Biochemistry of iron in soil. In: Soil biochemistry, v. 2, McLaren A.D. and Skujins J.J. (Ed.), p. 385−408.
- Arnold R.G., Dichristina T.J., Hoffmann M R. (1988). Reductive dissolution of Fe (III) oxides by Rseudomonas sp. 200. Biotechnol. Bioeng. 28: p. 1081−1096.
- Bell P.E., Mills A.L., Hermann J.S. (1987). Biogeochemical conditions favoring magnetite formation during anaerobic iron reduction. Appl. Environ. Microbiol. 53: p. 2610−2616.
- Beukes N.J. & Klein C. (1983) Iron Formation: Facts and problems. Trendall A.F. & Morris R.C. (Ed.). Amsterdam: Elsevier,.- p. 131−210.
- Blakemore, R.B. (1975) Magnetotactic bacteria. Science 190: p. 377−379.
- Blakemore R.P., Short K.A., Bazylinski D.A., Rosenblatt C, Frankel R.B. (1985) Microaerobic conditions are required for magnetite formation within Aquaspirillum magnetotactium. Geomicrobiol. J. 4: p. 53−71.
- Brock T.D. & Gustafson J. (1976). Ferric reduction by sulfur- and iron-oxidazing bacteria. Appl. Environ. Microbiol. 32: p. 567−571.
- Brown D.A., Kamineni DC., Sawicki J.A., Beveridge T.J. (1994). Minerals associated with biofilms occuring on exposed rock in a granitic underground research laboratory. Appl. Environ. Microbiol., 60: p. 3182−3191.
- Brown D.A., Sherriff B.L., Sawicki J.A. (1997). Microbial transformation of magnetite to hematite. Geochim. Cosmochim. Acta, 61: p. 3341−3348.
- Brown D.A., Sherriff B.L., Sawicki J.A., Sparling R. (1999). Precipitation of iron minerals by natural microbial consortium. Geochim Cosmochim. Acta, 63: p. 21 632 169.
- Bogg S. (1995) Iron-bearing sedimentary rocks. In: Principles of sedimentology and stratigraphy 2-nd ed., Prentice Hall, Englwood Clifs, N.Y., p. 256−266.
- Boone D.R., Liu Y., Zhao Z.J., Balkwill D.L., Drake G.R., Stevens Т.О., Aldrich H.C. (1995). Bacillus infernus sp. nov., an Fe (III) — and Mn (IV)-reducing anaerobe from the deep terrestrial subsurface. Int. J. Syst. Bacteriol. 45: p. 441−448.
- Caccavo J.R., Schamberger P.C., Keiding K., Nielsen P.H. (1997). Role og hydrophobicity in adhesion of dissimilatory Fe (III)-reducing bacterium Shewanella alga tp amorphous Fe (III) oxide. Appl. Environ. Microbiol. 60: p. 3752−3759.
- Cloud P. (1983). Banded-iron-formations a gradualist’s dilemma. In: Iron Formation: Facts and problems. Trendall A.F. & Morris R.C. (Ed.). Amsterdam: Elsevier, p. 401 416.69. Coldwell et all.,
- Dong H., Fredrickson J.K., Kennedy D.W., Zachara J.M., Kukkadapu R.K., Onstott T.C. (2000). Mineral transformation associated with microbial reduction ob magnetite. Chem. Geol., 169: p. 299−318.
- Ehrenreich A. and Widdel F. (1994). Phototrophic oxidation of ferrous minerals a new aspect in the redox microbiology of iron. Microbial Mats, p. 396 — 402.
- Emerson D. & Ghiorse C. (1992). Isolation, cultural maintenance and taxonomy of sheath-forming strain of Leptothrix discophora and characterization of manganese-oxidising activity associated with sheath. Appl. Environ. Microbiol. 58: p. 4001−4010.
- Frankel R.B. & Blakemore R.P., (1980) Navigation compass in magnetic bacteria. J. Magn. Magn. Mater. 15−18: p. 1562−1565.
- Frankel R.B. (1986) Magnetic sceletons in Davy Jones' Locker. Nature, 320: p. 575.
- Frankel R.B. (1987) Anaerobes pumping iron. Nature, 330: p. 208.
- Frankel R.B. & Blakemore R.P., (1989) Magnetite and magnetotaxis in microorganisms. Bioelectromagnetics 10: p. 223−237.
- Gaspard S., Vazquez, Holliger C. (1998). Localization and solubilization of the Iron (III) reductase of Geobacter sulfurreducens. Appl. Environ. Mocrobiol. 64: p. 3188−3194.
- Gibbs-Eggar Z., Jude В., Dominik J., Loizeau J-L., Oldfield F. (1999). Possible evidence for dissimilatory bacterial magnetite dominating the magnetic properties of recent lake sediments. Earth Planet. Sci. Lett. 168: 1−6.
- Greene A.C., Patel В. K.C., Sheehy A.J. (1997). Defferibacter thermophilus gen. nov., sp. nov., a novel thermophilic manganese- and iron-reducing bacterium isolated from the petrolium reservoir. Int. J. Syst. Bacteriol. 47: p. 505−509.
- Hesse P.P. (1994) Evidence of bacterial paleological origin of mineral magnetic cycles in oxic and sub-oxic Tasman Sea sediments. Marine Geology, 117: p. 1−17.
- Isley A. E. (1994). Hydrothermal plumes and the delivery of iron to Banded Iron Formation. Journ. Geol. 103: p. 169−185.
- Klein C. (1983). Diagenesis and metamorphism of precambrian banded-iron-formations. Iron Formation: Facts and problems. Trendall A.F. & Morris R.C. (Ed.). Amsterdam: Elsevier, p.417−470.
- Kostka J.E. & Nealson K.H. (1995). Dissolution and reduction of magnetite by bacteria. Environ. Sci. Technol. 29: p. 2535−2540.
- Lovley D.R. & Phillips E.J.P. (1986). Organic matter mineralization with the reduction of ferric iron in anaerobic sedimants. Appl. Environ. Microbiol. 51: p.683−689.
- Lovely D.R. (1987). Organic Matter Mineralization with the Reduction of Ferric Iron: A Review Geomicrobiology Journal, v. 5, № ¾, p. 375−399.
- Lovely D.R., Stolz J.F. Nord C.L., Phillips E.J.P. (1987) Anaerobic production of magnetite by a dissimilatory iron-reducing microorganism Nature, v. 330, p. 252 254.
- Lovley D.R. (1990). Magnetite formation during microbial dissimilatory iron reduction. In: Iron biominerals. Frankel R. B. & Blakemore R.P. Plenum Press, New York, p. 150−160.
- Myers C.R. & Nealson K.H. (1988). Bacterial manganese reduction and growth with manganese oxide as sole electron acceptor. Science. 240: p. 1319−1321.
- Myers C.R. & Myers J.M. (1993). Ferric reductase is associated with the membrane of anaerobically growth Shewanella putrefaciens MR-1. FEMS Microbiol. Lett. 108: p. 15−22.
- Nealson K.H. & Myers C.R. (1992) Microbial reduction of manganese and iron: new approaches to carbon cycling. Appl. Environ. Microbiol. 58: p. 439−443.
- Roden E.E. & Edmonds J.W. (1997). Phosphate mobilization in iron-rich anaerobic sediments: microbial Fe (III) oxide reduction versus iron-sulfide formation. Arch. Hydrobiol. 139: p. 347−378.
- Schidlowski M., Appel P. W.O., Eichmann R, Junge C.E. (1979). Carbon isotope geochemistry of the 3.7* 109-yr-old Isua Sediments, West Greenland: Implication for the Archean carbon and oxygen cycles. Geochim Cosmochim. Acta, 43: p. 189−199.
- Schwartz R. & Wong K. (1997). Early sediment diagenesis on Blake/Bahama Outer Ridge, North Atlantic Ocean, and its effects on sediment magnetism. J. Geophys. Res., 102: p. 7903−7914.
- Schwertmann U. & Cornell R.M. (1991) Iron oxides in the laboratory. Preparation and characterization. VCH Verlagsgesellschaft, p. 137.
- Spring S. & Schleifer K.-H. (1995) Diversity of magnetotactic bacteria. System. Appl. Microbiol. 18: p. 147−153.
- Straub K.L., Benz M., Schink В., Widdel F. (1996). Anaerobic, nitrate-dependent microbial oxidation of ferrous iron. Appl. Environ. Microbiol., 62, p. 1458−1460.
- Takeda et al., (2000). Appl. Environ. Microbiol., 66, p. 4998−5004.
- Towe K.M. & Bradley W.F. (1967). Mineralogical constitution of colloidal «hydrous ferric oxide». J. Colloid. Interface Sci. 24: p. 384−392.
- Vali H., Forster O., Amarantidis G., Petersen N. (1987). Magnetotactic bacteria and their magnetofossils in sediments. Earth Planet. Sci. Lett. 86: p. 389−400.
- Vagras M., Kasheff K., Blunt-Harris E., Lovley D R. (1998). Microbiological evidence for Fe (III) reduction on early Earth. Nature, 395: p. 65−67.
- Yolenik K., Seberini M., Neid J. (1975). Mossbauer and X-ray study of the nonstoichometry in magnetite.- Czech. J. Phys., v. 25b, n.9, p. 1063.
- Walker J.C.G., Klein C. et.al. (1983) Environmental Evolution of the Archean-Early Proterozoic Earth. In: Earth’s Earliest Biosphere: Its Origin and Evolution. J.W.Schopf (Ed.) Princeton University Press, p. 276−283.
- Walter W. R & Hofmann H.J. (1983). The paleontology and paleoecology of precambrian iron-formations. In: Iron Formation: Facts and problems. Trendall A.F. & Morris R.C. (Ed.) Amsterdam: Elsevier, p.373−400.
- Widdel F., Schnell S., Heising S., Ehrenreich A., Assmus B. and Schink B. (1993). Ferrous iron oxidation by anoxygenic phototrophic bacteria. Nature, 362, p.834−836.
- Wolin E.A., Wolin M.J., Wolfe R.S. (1963). Formation of methane by bacterial extracts. J. Biol. Chem., 238: p. 2882−2888.
- Yamazaki T. & Kawahata H. (1998). Organic carbon flux controls the morphology of magnetofossils in marine sediments. Geology, 26: p. 1064−1066.