Учебно-исследовательский эксперимент: качественная реакция на сульфат-ион, микробиологическое исследование накопительной культуры серобактерий

 

Опыт 1.

       Реактивы и объекты: настой сенной палочки, накопительная серобактерий, раствор хлорида бария.

       Подготовка к опыту. Для получения накопительной культуры десульфофицирующих бактерий готовят питательную смесь (на 1 л воды): сегнетовая соль – 5 г, аспарагин – 2 г, сульфат магния – гидрофосфат калия – 1 г, сульфат железа – следы. Смесь наливают в высокие конические колбы до самой пробки, заражают почвой и настаивают 7-10 суток при температуре 25-30 С.

       В высокий цилиндр наливают воду, прибавляют туда свежеосаждённый гидроксид железа (III), небольшое количество ила из водоёма и немного сена, предварительно вываренного в большом количестве воды. Содержимое сосуда настаивают при комнатной температуре и через несколько дней наблюдают появление на стенках ржавых пятен, которые постепенно разрастаются и образуют сплошной «войлок», состоящий преимущественно из бактерий.

       Отберите пробы из выданных склянок и докажите содержание в них сульфат-ионов. Запишите сокращённое ионное уравнение реакции.

       В ходе дальнейшего круговорота эта форма иона восстанавливается. Сульфатредуцирующие бактерии, которые в результате своей жизнедеятельности образуют атомарный водород, осуществляют этот процесс по схеме:

SO + 8H – S + 4H2O + Q.

S + 8е – S

H - 1e – H

       При ассимиляции (у растений) и иммобилизации (у микроорганизмов) часть серы усваивается и фиксируется в организме:

 SO4 – S (орг.).

       Дальнейший процесс связан с минерализацией органических соединений, содержащих серу. Происходит восстановление серы не специализированными гетеротрофными микроорганизмами:

S (орг.) – H2S,

и, таким образом, конечным продуктом восстановления сульфат-иона оказывается сероводород. Процесс восстановления серы получил название десульфофикации.

       В природе этот процесс имеет немаловажное значение: он лежит в основе формирования в толщах морей и океанов слоёв, содержащих в высоких концентрациях сероводород. Так, в Чёрном море сероводородные воды занимают около 90% объёма. В бассейне Солёного озера (США) бактерии образуют в год до 10 т серы в виде сероводорода. Иловые отложения, содержащие сероводород, используют для лечения остеохондроза.

       Трансформация предусматривает и обратный процесс – окисление образующегося сероводорода до сульфат-иона. Этот процесс осуществляют специализированные группы автотрофных микроорганизмов – серобактерии (бесцветные – аэробно, пурпурные и зелёные – анаэробно).

       Сущность процесса сульфофикации:

2H2S + O2 – 2S + 2H2O + Q;

2S + 2H2O +3O2 – 2H2SO4 + Q.

Серобактерии могут запасать молекулярную серу. Энергию, получаемую от окисления, бактерии используют для восстановления углекислого газа. В условиях недостатка сероводорода в среде они переходят к окислению серы, запасённой в клетке, и окисляют её до серной кислоты. Последняя вступает во взаимодействие с гидрокарбонатом кальция с образованием гипса:

H2SO4 + Ca(HCO3)2 = CaSO4 + H2O +CO2.

Круговорот серы связан с круговоротом фосфора: когда в среде образуются сульфат-ионы, фосфор из нерастворимой формы переходит в растворимую и становится доступным к переработке:

FeHPO4 + S – FeS +HPO4. 

 

Опыт 2.

       Обсушиваем предметное стекло, обезжиренное в смеси Никифорова (спирт:эфир=1:1). Микробиологической петлёй, предварительно прокалённой, делаем мазок. Высушиваем его и фиксируем в пламени спиртовки. Окрашиваем в течении 2-3 мин (генциан-виолет, фуксин, метиловая синь) и смываем краситель. Готовый препарат высушиваем на воздухе. Изучаем его под микроскопом с объективом МИ-90, используя иммерсионное масло. Делаем рисунок и даём морфологическую характеристику обнаруженных форм.

       В накопительной культуре чаще всего встречается Spirillum desulfuricans – вибрионоподобная палочка извилистой формы.

       Другая распространённая форма этой группы, Vibrio desulfuricans – подвижный вибрион с одним или несколькими жгутиками, обычно обитает в шлаках и грязях.

 

 

Железо

Желе́зо — элемент побочной подгруппы восьмой группы четвёртого периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева, атомный номер 26. Обозначается символом Fe (лат. Ferrum). Один из самых распространённых в земной коре металлов (второе место после алюминия).

Простое вещество железо (CAS-номер: 7439-89-6) — ковкий металл серебристо-белого цвета с высокой химической реакционной способностью: железо быстро корродирует при высоких температурах или при высокой влажности на воздухе. В чистом кислороде железо горит, а в мелкодисперсном состоянии самовозгорается и на воздухе.

На самом деле железом обычно называют его сплавы с малым содержанием примесей (до 0,8%), которые сохраняют мягкость и пластичность чистого металла. Но на практике чаще применяются сплавы железа с углеродом: сталь (до 2% углерода) и чугун (более 2% углерода), а так же нержавеющая (легированная) сталь с добавками легирующих металлов (хром, марганец, никель и др.). Совокупность специфических свойств железа и его сплавов делают его «металлом № 1» по важности для человека.

В природе железо редко встречается в чистом виде, чаще всего оно встречается в составе железо-никелевых метеоритов. Распространённость железа в земной коре — 4,65 % (4-е место после O, Si, Al^[2]). Считается также, что железо составляет бо́льшую часть земного ядра.

Физические свойства

Железо — типичный металл, в свободном состоянии — серебристо-белого цвета с сероватым оттенком. Чистый металл пластичен, различные примеси (в частности — углерод) повышают его твёрдость и хрупкость. Обладает ярко выраженными магнитными свойствами. Часто выделяют так называемую «триаду железа» — группу трёх металлов (железо Fe, кобальт Co, никель Ni), обладающих схожими физическими свойствами, атомными радиусами и значениями электроотрицательности.

Для железа характерен полиморфизм, он имеет четыре кристаллические модификации:

до 769 °C существует α-Fe (феррит) с объёмноцентрированной кубической решёткой и свойствами ферромагнетика (769 °C ≈ 1043 K — точка Кюри для железа)

в температурном интервале 769—917 °C существует β-Fe, который отличается от α-Fe только параметрами объёмноцентрированной кубической решётки и магнитными свойствами парамагнетика

в температурном интервале 917—1394 °C существует γ-Fe (аустенит) с гранецентрированной кубической решёткой

выше 1394 °C устойчив δ-Fe с объёмоцентрированной кубической решёткой

Металловедение не выделяет β-Fe, как отдельную фазу, и рассматривает её как разновидность α-Fe. При нагреве железа или стали выше точки Кюри (769 °C ≈ 1043 K) тепловое движение ионов расстраивает ориентацию спиновых магнитных моментов электронов, ферромагнетик становится парамагнетиком — происходит фазовый переход второго рода, но фазового перехода первого рода с изменением основных физических параметров кристаллов не происходит.

Для чистого железа при нормальном давлении, с точки зрения металловедения, существуют следующие устойчивые модификации:

       От абсолютного нуля до 910 ºC устойчива α-модификация с объёмноцентрированной кубической (ОЦК) кристаллической решёткой. Твёрдый раствор углерода в α-железе называется ферритом.

       От 910 до 1400 ºC устойчива γ-модификация с гранецентрированной кубической (ГЦК) кристаллической решёткой. Твёрдый раствор углерода в γ-железе называется аустенитом.

       От 910 до 1539 ºC устойчива δ-модификация с объёмноцентрированной кубической (ОЦК) кристаллической решеткой. Твёрдый раствор углерода в δ-железе (так же, как и в α-железе) называется ферритом. Иногда различают высокотемпературный δ-феррит и низкотемпературный α-феррит (или просто феррит), хотя их атомные структуры одинаковы.

Наличие в стали углерода и легирующих элементов существенным образом изменяет температуры фазовых переходов (см. фазовую диаграмму железо-углерод).

В области высоких давлений (свыше 104 МПа, 100 тыс. атм.) возникает модификация ε-железа с гексагональной плотноупакованной (ГПУ) решёткой.

Явление полиморфизма чрезвычайно важно для металлургии стали. Именно благодаря α- γ переходам кристаллической решетки происходит термообработка стали. Без этого явления железо, как основа стали не получило бы такого широкого применения.

Железо тугоплавко, относится к металлам средней активности. Температура плавления железа 1539 °C, температура кипения — около 3200 °C.

 

                  

 

               

Трансформация железа

 

           Многие составные части пищевых цепей интенсивно накапливают железо, например водная флора (сине-зелёные водоросли, тростник хвощ), бактерии, являющиеся кормом для малощетинковых червей. Далее осуществляется передача его по трофическим цепям к более высокоорганизованным существам. Интенсивна деятельность железобактерий приводит к тому, что железо в водоёмах не рассеивается, а окисляется и концентрируется в донных отложениях.

           Нитчатые формы железобактерий являются обитателями поверхности вод. Железобактерии, как геологические агенты, участвуют в образовании железистых отложений, формируя осадочные железные руды.

           В основе деятельности железобактерий лежит процесс окисления  Fe до Fe. Так, минерал сидерит под воздействием железобактерий превращается в Fe(OH):

4FeCO3 + 6H2O +O2 = 4Fe(OH)3 + 4CO2

Fe +1e – Fe

O2 + 4e – 2O

           Выделяют две группы железобактерий. Первую – сравнительно небольшую группу – составляют ацидофильные «истинные» железобактерии. Процесс окисления у этих железобактерий протекает в кислой среде. Живут они в кислых источниках, озёрах, но в наибольших масштабах их деятельность проявляется в рудных месторождениях, торфяниках, Процесс можно записать следующим образом:

4FeSO4 + O2 + 2HSO4 = 2Fe(SO)3 + 2H2O +Q

           Вторую – более обширную группу – составляют микроорганизмы, окисляющие ионы Fe в нейтральной или щелочной среде. С их деятельностью связано образование железомарганцевых конкреций в пресноводных и морских водоёмах. Железобактерии выделяют в окружающую среду пероксид водорода, под действием которого окисление осуществляется по схеме:

2Fe + H2O2 + H – 2Fe +2H2O.

           Кроме того, окисление ионов Fe до Fe происходит и самопроизвольно, без непосредственного участия микроорганизмов, но в присутствии железобактерий скорость этого процесса резко возрастает, т.е. железобактерии играют роль катализаторов.

           В природе в анаэробных условиях могут происходить микробиологические процессы восстановления железа при сопряжённом окислении органических веществ гетеротрофными микроорганизмами (например, клостридиумом).

 

2.3. Учебно-исследовательский эксперимент

 

Опыт 3

           Реактивы и объективы: растворы хлорида железа (II), гидроксида натрия, гексацианоферрата (II) калия; накопительная культура железобактерий.

           Получите гидроксид железа (II) реакцией обмена. Оставив его для окисления, наблюдайте за происходящими изменениями.

           У вас на столах есть накопительная культура железобактерий. Докажите, что железо в обоих случаях имеет степень +3, проведя качественную реакцию на этот ион. Запишите уравнения химических реакций в ионном виде.

           Интересные работы по морфологии и распространению железобактерий провёл Н. Г. Холодный. Ему удалось доказать, что в течение почти 100 лет исследователи за тело железобактерий принимали футляр из гидроксида железа (III). Он сумел получить эти микроорганизмы без футляра.

           Проведём микробиологическое изучение культуры железобактерий.

 

Опыт 4

           Готовим препарат (по общей схеме), микроскопируем его. Делаем рисунок и даём морфологическую характеристику форм железобактерий.

           Среди железобактерий имеются кокковидные, палочковидные и нитчатые формы. За последнее время выяснилось, что большинство форм железобактерий не принадлежит к автотрофам или являются факультативными автотрофами.