ÉLŐLÉNYEK ÉS ÁSVÁNYOK, A BIOÁSVÁNYOK

Átírás

1 ÉLŐLÉNYEK ÉS ÁSVÁNYOK, A BIOÁSVÁNYOK A mikróbák (mikroorganizmusok) szerepe az ásványok kiválásában és oldódásában; biotechnológiai alkalmazások. Ásványok az élőlények (növények, állatok) felépítésében. Kapcsolat a biológiai és ásványtani folyamatok között (az ásvány mikróba határfelületen lejátszódó reakciók). Minden kristályos anyag az élő organizmusban sejtműködés eredménye. A képződött kristályos anyag mindig körbe van véve szerves anyagokkal (az így keletkezett szilárd fázis az ún. bioásvány, pl. bioapatit). Eddig közel 80 ásványt vagy ásványszerű kristályos anyagot mutattak ki fosszilis vagy élő állatokban, illetve növényekben.

2 A BIOÁSVÁNYOK JELLEMZŐI A mikróbák hogyan tudják megváltoztatni a fiziko-kémiai jelleget a környezetükben? Mit és hogyan tudnak kiválasztani a mikróbák, illetve a többsejtűek? A legtöbb bioásvány kis szemcseméretű (nm m), ún. nanorészecskékből áll, épp ezért nagy fajlagos felület, nagy kémiai reakcióképesség jellemzi. A kristályszerkezetet a rövid távú rendezettség, illetve a teljes rendezetlenség (amorf állapot) jellemzi. A kolloidális sajátságoknak megfelelően a bioásványok esetén jelentősek az adszorpciós jelenségek. A mikroorganizmusok jelentősen tudják módosítani a mállási folyamatok arányát, mechanizmusát és végtermékeit.

3 A MIKRÓBÁK NÉHÁNY JELLEMZŐJE A heterotróf mikroorganizmusok, az állatok és az ember szerves anyagokat égetnek el (oxidálnak) energiaforrásként. Az autotróf mikroorganizmusok a szenet szervetlen vegyületekből nyerik. A fotoautotróf mikróbák fényenergiát használnak CO2 megkötésére (CO2-ból C-t állítanak elő). A kemoautotróf mikróbák kémiai reakciókból tudnak energiát nyerni, pl. kén, nitrogén vagy vas oxidációjából. Ez utóbbiak lesznek fontosak számunkra az ásványokkal szoros kapcsolatuk miatt.

4 HOL ÉLNEK A MIKRÓBÁK? Mikróbák nemcsak a Föld felszínén élnek, hanem több km-rel a felszín alatt is, elsősorban üledékekben, de pl. megtalálhatók az óceáni kéreg bazaltjában. Forró vízben (tenger alatti hidrotermás rendszerekben, szárazföldi forróvizes forrásokban), extrém hidegben, extrém sótartalom, vagy savasság alatt, erős radioaktív sugárzásban, magas fémkoncentrációban (pl ppm As). Nagy mennyiségben találhatók üledékekben, sejt / gramm. A felszín alatt ismert mikroorganizmusok 95%-a aktívan kapcsolódik földtani képződményekhez (talaj, kőzet).

5 MIKRÓBÁK ÁSVÁNYOK HATÁRFELÜLET A mikroorganizmusok megtelepedését ásványokon, kőzeteken vizsgálandó, tiszta baktériumos kultúrákat hoztak létre különböző ásványokhoz. IR felvételekkel bizonyították a szerves vegyületek, baktériumok jelenlétét. bazalton bazalt kőzetalkotó ásványain

6 ÁSVÁNYKIVÁLÁSOK BIOGÉN KÖZREMŰKÖDÉSSEL Az egy- vagy többsejtűek ásványkiválásokat indukálnak, hoznak létre. Ásvány szerves anyag aggregátumokra példák: Ferromágneses magnetit (vagy greigit) kristályok belső kiválasztása baktériumokban, navigációs célokból. Hasonló jelenség ismert lazacokban, lepkékben, madarakban és az emberi agyban).

7 Kovaanyag kiválasztás diatómákkal, radioláriákkal. Ezek az egysejtűek SiO 2 -ben telítetlen vizekből amorf SiO 2 -t választanak ki (mely később átkristályosodhat). Mikróbák kolóniája arzenopirit felszínén

8 Algák és foraminiferák CaCO 3 -ot választanak ki a sejtcellák közötti térben, de hasonlóan ásványszerű, biogén kiválások a kagylók, csigák házai. Egyes trilobitákban a szemlencsét kalcit-krisztallitok alkotják. A kalcit és aragonit mellett ritkán barit és cölesztin is szerepel a szilárd vázanyagok között. A gerinceseknél a csontrendszer és a fogak felépítésében hidroxilapatithoz hasonló anyag jelenik meg.

9 MIKRÓBÁK SZEREPE A DIAGENETIKUS ÁSVÁNYKÉPZŐDÉSÉBEN Egyes brazíliai folyókban élő baktériumok felszínén kationok (főleg vas) kötődnek meg. Ez a megkötődési pont egy kiindulási magként szolgálhat egy finom szemcsés autigén ásványfázis számára. Megfigyelték a kiválásokat gélszerű vagy mikrokristályos állapotukban (mint Fe,Al-tartalmú szilikátokat, chamositszerű anyagokat), vagy mint a sejtfalat teljesen beborító bekérgezést. Olyan folyóban, ahol kevés oldott fémet mutattak ki nem figyeltek meg a baktériumokon ásványi kiválásokat. Ezzel jelezni lehet, hogy milyen és mennyi oldott fém lehet egyegy folyóban. Egyúttal a jelenség a fémeknek a hidroszférából az üledékek irányába mutató folyamatát jelzi. A baktériumok tehát fontos szerepet játszanak a fémek akkumulációjában az üledékekben.

10 MIKRÓBÁK ENZIMJEI ÁLTAL KATALIZÁLT REDOX-REAKCIÓK A vasoxidáló mikróbáknak ott van jelentőségük, ahol az anorganikus oxidatív hatás el van fojtva. Így neutrális oxigénszegény oldatokban (neutrofil), vagy erősen savas közegben (acidofil mikróbák). A folyamat lényege: protonok létrejötte a sejtek felszínén, egyúttal Fe-oxidok kiválása. A folyamat során szulfidok oldódása és Fe2+ oxidációja egyidőben zajlik. Hasonló a Mn-oxidációja is. Az Mn2+/Mn4+ biológiai oxidációja ötször gyorsabb, mint anorganikus úton (részben tenger alatti Mn-gumók, todorokit). Szemléletesen azt mondják: ahogyan az állatok oxigént lélegeznek be, hogy elégessék (oxidálják) az ételüket és ezzel energiát nyerjenek. Ehhez hasonlóan egyes baktériumok (pl. Acidithiobacillus ferrooxidans) a ként lélegzik be hogy oxidálják az ételüket (energiát nyerjenek).

11 VASOXIDÁLÓ MIKRÓBÁK Bizonyos mikróbák nagy méretű kolóniákat alkotnak mélyművelésű bányákban, a redukált, vasgazdag talajvíz és a környező fém-szulfidok közegében, ahol a kifolyó bányavíz 7-9-es ph-jú. Jellemzőik a kéregszerű vagy cseppköves kiválások, a finom szemcseméret (2-3nm), ferrihidrit, ferroxihit, schwertmannit, goethit, hematit ásványok. Első lépésben ferrihidrit és ferroxihit jön létre, ezekből képződik aztán goethit és hematit. Ez a tipikus ásványegyüttese a vasoxidáló mikróbáknak. Mivel ezen kiválások felszíne pozitív töltésű, ezért ezek megtapadhatnak a negatív töltésű sejtfalak rostjain. Ferrihidrit: Fe5(OH,O)12 hexagonális Ferroxihit: FeO(OH) hexagonális Schwertmannit Fe16[O16 (OH)10](SO4)3.10H2O tetragonális

12 Vas-oxihidroxid-szemcsék kétféle mikroorganizmuson Vas-oxihidroxid-részecskék biogén rostokon

13 MIKRÓBÁK AZ ÜLEDÉKES ÉRCKÉPZŐDÉSBEN Az üledék víz határon redukciós zóna található, ahol szulfátredukáló mikroorganizmusok élnek. Ezek a szulfátokból szulfidokat hoznak létre. Fém-szulfidok fémgazdag fluidumokból is kiválhatnak szulfátredukáló mikroorganizmusok segítségével (ZnS, Cu-szulfidok, mint digenit), ill. U-oxidok létrejöttét is elősegítik hasonló mikroorganizmusok. ZnS-gömbök kiválása szulfátredukáló mikróbák hatására (megnyúlt sejtekkel)

14 ÁSVÁNYOK OLDÓDÁSA MIKRÓBÁK HOZZÁJÁRULÁSÁVAL A mikróbák nagymértékben meg tudják változtatni az ásványok oldódási folyamatait, a reakciók irányát, gyorsaságát és végső termékeit. A talajban lévő mikróbák az ásványok mállási fokozatának megváltoztatásával alapvetően módosíthatják a talaj termőképességét. Hogyan teszik ezt? Az anyagcsere termékeik között lehetnek szerves vagy szervetlen savak (pl. a nitrifikáló baktériumok általi bazaltmállás, HNO 3 által). Egyes szulfid- és vasoxidáló baktériumok fel tudják gyorsítani a kénsavtermelődést a fémszulfidok oxidációjával, így drámai módon meg tudják gyorsítani egyes szilikátok mállását.

15 PLAGIOKLÁSZOK MÁLLÁSA MIKRÓBÁKKAL KATALIZÁLVA Megfigyelték, hogy a plagioklászok mállása tízszer gyorsabb, ha szerves savak vannak szűk környezetében, ahhoz képest, ha csak szervetlen savak (ph azonossága esetén). Sok kísérlet történt, melyek során az ásványok felszínén mikróba-kolóniákat figyeltek meg. Minden ásványon alkothatnak telepeket, különösen a hasadási síkokon vagy a piciny szemcsék élein. Ahol a telepek vannak, ott az ásványok felszíne hamarabb oldódik, mint ott ahol nincsenek ilyen telepek (közvetlen hatás).

16

17 KÁLIFÖLDPÁT ÉS BIOTIT MIKRÓBÁK ÁLTALI MÁLLÁSA

18 ZÚZMÓK HATÁSA A SZILIKÁTOK MÁLLÁSÁRA Zuzmók (+ társult baktériumok) a légzésük következtében képződő CO2 (majd ebből képződő szénsav) által növelik a mállás sebességét. Emellett a jelenlévő nagy molekulasúlyú szerves molekulák is jelentős hatással vannak a szilikátok mállására. A mikróbák a reakciók lefolyását is jelentősen befolyásolhatják: abiogén mállásnál a gránit biotitjából vermikulit, vagy biotit-vermikulit kevert szerkezet jön létre (a rétegközi K eltávozása és a Fe2+ oxidációja miatt), de a t-o-t rétegben nagyobb szerkezeti változás nem történik. Ezzel szemben sok mikroorganizmust tartalmazó közegben (talajzóna), ugyanez a kiinduló ásvány halloysittá alakulhat (tehát a szilikát-szerkezet gyökeresen megváltozik).

19 FOSZFÁTOK MÁLLÁSA MIKRÓBÁK ÚTJÁN Az oldott foszfor mennyisége a vízben általában a legelterjedtebb foszfátásvány, az apatit oldékonyságától függ. A foszfor oldékonyságát jelentősen növelhetik a szerves és szervetlen savak. Tipikusan foszfátoldó baktériumok talajokban, üledékekben gyakoriak. Ezek részt vesznek a foszfátok mállásában (még apatitzárványokat tartalmazó földpátok felszínén is megjelennek). Apatitzárványokat tartalmazó földpátok, ezáltal egyes mikroorganizmusok tápanyagforrásai lehetnek.

20 MIKRÓBÁK ÉS A SAVAS BÁNYAVÍZ A kőzetekben lévő szulfidok oldódása során savas oldatok keletkeznek. Az. ún. ARD-probléma (savas kőzetelfolyás) akkor áll fenn, ha nagy a rendszerben a fémszulfidok aránya. Számos mikroorganizmus használ kéntartalmú komponenseket az anyagcseréjéhez szükséges energia előállítása céljából. Ugyanakkor az oldatban lévő Fe2+ is fontos forrás az anyagcseréjéhez. Gyorsabb oldódási hatásokat indukálnak az egyidejűleg kén- és vasoxidáló, mint a csak vasoxidáló mikroorganizmusok. A szulfid szulfát átalakulás soklépcsős folyamat, melyben vasoxidáló baktériumok is részt vesznek (legfontosabb a Acidithiobacillus ferrooxidans).

21 BIOTECHNOLÓGIA FÉMEK KILÚGOZÁSA MIKRÓBÁKKAL A biotechnológia egyik fontos ága a fémek kilúgozása mikróbák által érceikből. A biológiai kilúgozás olyan folyamat, melynek során fémeket juttatunk oldatba érceikből mikroorganizmusok segítségével (szilárd vegyületeket oldhatóvá alakítunk). Fontossága: a klasszikus fémkinyerési eljárások (kémiai metallurgia, tűzi metallurgia) nem környezetbarátok, ill. kis fémtartalom esetén nem mindig gazdaságosak. A baktériumok általi fémkinyerés régóta (Plinius óta) ismert, de tudományosan sokáig nem értelmezték ben izolálták először a Thiobacillus ferrooxidans-t (ezt ma Acidithiobacillus ferrooxidans-nak nevezik). Ma ez a legfontosabb mikroorganizmus a fémek biológiai kilúgozása terén.

22 AZ ACIDITHIOBACILLUS FERROOXIDANS Ez egy kemoautotróf, acidofil, az energiáját szervetlen forrásból (kémiai reakciókból) beszerző mikroorganizmus. Eléggé unikális sajátsága, hogy a Fe2+-t Fe3+-má, a S 0 -t és S 2 -t S 4 -é oxidálja, ezek során kioldja a fémeket oxidos vagy szulfidos érceikből. A kilúgozás általánosított mechanizmusa: MS + 2O2 MSO4. Két fő mechanizmusa van általában a baktériumos kilúgozásnak. Egyik magába foglalja a Fe2+ Fe3+ ciklust (indirekt mechanizmus), míg a másik a baktérium fizikai kontaktusát az oldhatatlan szulfiddal (direkt mechanizmus).

23 Acidithiobacillus ferrooxidans a folyamatok sémája a sejtfal metszetével

24 Az Acidithiobacillus ferrooxidans reakciói: 4FeSO4 + O2 + 2H2SO4 2Fe2(SO4)3 + H2O. A Fe3+ - szulfát igen erős oxidáló ágens, széles sávban tud oldani szulfidásványokat. Néhány példa: CuFeS2 + 2Fe(SO4)3 CuSO4 + 5FeSO4 + 2S FeS2 + Fe(SO4)3 3FeSO4 + 2S UO2 + Fe(SO4)3 + 2H2SO4 UO2(SO4) FeSO4 +H+ Az elemi kén elindít egy indirekt kilúgozást, a baktérium által létrehozott kénsav által is: 2S + 3O2 + 2H2O 2H2SO4 A kénsav savas irányba változtatja a ph szintjét, ami elősegíti mind a baktérium növekedését (acidofil), mind az oxidásványok oldódását: CuO + 2H2SO4 CuSO4 + H2O UO3 + 3H2SO4 UO2(SO4)3-4 + H2O + 4H+

25 Redoxfolyamatok a ZnS esetén

26 BAKTÉRIUMOS KILÚGOZÁSI TECHNIKÁK Két fő technika ismert: keveréses és szűréses (az utóbbi az elterjedt a gyakorlatban). A preferált metódus a helyben történő szűrés (bányába, hányóba pumpált oldattal és levegővel). A réz kb. 25%-át biológiai úton nyerik ki. Más szulfidokban zárványként megjelenő aranyat is kinyerik biológiai úton (mint a cianiddal), de azzal ellentétben ez olcsóbb, és természetbarát módszer.

27

28

29

30

31 ÁSVÁNYOK NÖVÉNYBŐL