Железоокисляющие бактерии и их роль в окислении железа.

Введение

Бактерии, получающие энергию из растворенного железа. Окисляющие железо бактерии (или железные бактерии) — это хемотрофные бактерии, которые получают энергию, окисляя растворенное железо. Известно, что они растут и размножаются в воде при концентрации железа всего 0,1 мг/л. Однако для осуществления окисления требуется не менее 0,3 ppm растворенного кислорода. Когда обескислороженная вода попадает в источник кислорода, железные бактерии превращают растворенное железо в нерастворимую красновато-коричневую желатинообразную слизь, которая обесцвечивает русла рек и может окрашивать сантехнику, одежду или посуду, вымытую этой водой. Органические вещества, растворенные в воде, часто являются первопричиной популяции железоокисляющих бактерий. Подземные воды могут естественным образом обескислороживаться из-за разлагающейся растительности в болотах. Полезные месторождения болотной железной руды образовались там, где подземные воды исторически выходили на поверхность и подвергались воздействию атмосферного кислорода. Антропогенные факторы, такие как фильтрат с полигонов, септики или утечки легких нефтепродуктов, например бензина, также могут служить источниками органических веществ, позволяющих почвенным микробам обескислороживать подземные воды. Аналогичная реакция может приводить к образованию черных отложений диоксида марганца из растворенного марганца, но это происходит реже из-за относительного преобладания железа (5,4%) по сравнению с марганцем (0,1%) в обычных почвах. Сероводородный запах гнили или разложения, иногда связанный с железоокисляющими бактериями, возникает в результате ферментативного превращения сульфатов почвы в летучий сероводород как альтернативный источник кислорода в анаэробной воде. Железо — очень важный химический элемент, необходимый живым организмам для осуществления многочисленных метаболических реакций, таких как образование белков, участвующих в биохимических процессах. Примерами таких белков являются железо-серные белки, гемоглобин и координационные комплексы. Железо широко распространено по всему миру и считается одним из самых распространенных элементов в земной коре, почве и отложениях. В морской среде железо является микроэлементом.

Bacteria deriving energy from dissolved iron

Iron oxidizing bacteria (or iron bacteria) are chemotrophic bacteria that derive energy by oxidizing dissolved iron. They are known to grow and proliferate in waters containing iron concentrations as low as 0.1 mg/L. However, at least 0.3 ppm of dissolved oxygen is needed to carry out the oxidation. When de oxygenated water reaches a source of oxygen, iron bacteria convert dissolved iron into an insoluble reddish brown gelatinous slime that discolors stream beds and can stain plumbing fixtures, clothing, or utensils washed with the water carrying it. Organic material dissolved in water is often the underlying cause of an iron oxidizing bacteria population. Groundwater may be naturally de oxygenated by decaying vegetation in swamps. Useful mineral deposits of bog iron ore have formed where groundwater has historically emerged and been exposed to atmospheric oxygen. Anthropogenic hazards like landfill leachate, septic drain fields, or leakage of light petroleum fuels like gasoline are other possible sources of organic materials allowing soil microbes to de oxygenate groundwater. A similar reaction may form black deposits of manganese dioxide from dissolved manganese but is less common because of the relative abundance of iron (5.4%) in comparison to manganese (0.1%) in average soils. The sulfurous smell of rot or decay sometimes associated with iron oxidizing bacteria results from the enzymatic conversion of soil sulfates to volatile hydrogen sulfide as an alternative source of oxygen in anaerobic water. Iron is a very important chemical element required by living organisms to carry out numerous metabolic reactions such as the formation of proteins involved in biochemical reactions. Examples of these proteins include iron–sulfur proteins, hemoglobin, and coordination complexes. Iron has a widespread distribution globally and is considered one of the most abundant elements in the Earth's crust, soil, and sediments. Iron is a trace element in marine environments.

Среда обитания

Окисляющие железо бактерии колонизируют переходную зону, где деоксигенированная вода из анаэробной среды поступает в аэробную среду. Подземные воды, содержащие растворенный органический материал, могут быть деоксигенированы микроорганизмами, потребляющими этот растворенный органический материал. В аэробных условиях изменение pH играет важную роль в инициировании реакции окисления Fe2+/Fe3+. Поэтому микробное сообщество должно обитать в микроаэрофильных регионах, где низкая концентрация кислорода позволяет клеткам окислять Fe(II) и производить энергию для роста. Однако в кислых условиях, где железо(II) более растворимо и стабильно даже в присутствии кислорода, только биологические процессы отвечают за окисление железа, что делает окисление железа(II) основной метаболической стратегией в кислых, богатых железом средах, которые играют важную роль в морских экосистемах. Будучи в основном микроаэрофильными, они приспособлены к жизни в переходных зонах, где смешиваются оксидные и аноксидные воды. Окисляющие железо бактерии создают крупные, сильно инкрустированные коврики с желатинообразной текстурой как побочный продукт (осаждение гидроксидов железа), которые могут присутствовать вокруг выходных отверстий. Выходные отверстия на подводном вулкане Камаэхуаканоалоа можно классифицировать на два типа в зависимости от концентрации и температуры потока. Ожидается, что те, у которых сфокусированный и высокотемпературный поток (выше 50 °C), также будут иметь более высокую скорость потока. Для этих отверстий характерны хлопьевидные коврики, агрегированные вокруг выходных отверстий. Глубина коврика у сфокусированных, высокотемпературных отверстий в среднем составляет несколько десятков сантиметров, но может варьироваться. В отличие от этого, отверстия с более прохладным (10-30 °C) и диффузным потоком могут создавать коврики толщиной до одного метра. Эти коврики могут покрывать сотни квадратных метров морского дна.

Влияние на водную инфраструктуру

Окисляющие железо бактерии могут создавать проблемы при эксплуатации скважин водоснабжения, поскольку они производят нерастворимый оксид железа, проявляющийся в виде коричневого желатинообразного осадка, который окрашивает сантехнические приборы, а также одежду или посуду, вымытые этой водой. В поверхностных водах проявление железных бактерий заметно в виде коричневых слизистых масс на дне ручьев и берегах озер, либо в виде маслянистой пленки на поверхности воды. Более серьезные проблемы возникают при размножении бактерий в скважинных системах. Железные бактерии в скважинах не представляют опасности для здоровья, но могут снижать дебит скважин, забивая фильтры и трубы. Методы борьбы, позволяющие эффективно удалить или уменьшить количество железных бактерий, включают физическое удаление, пастеризацию и химическую обработку. Очистка сильно зараженных скважин может быть сложной, дорогостоящей и не всегда полностью успешной. Недавнее применение ультразвуковых устройств, разрушающих и предотвращающих образование биопленки в скважинах, доказало свою высокую эффективность в предотвращении заражения железными бактериями и связанного с этим засорения. Физическое удаление обычно является первым шагом. Трубы малого диаметра иногда очищают проволочной щеткой, а трубы большего диаметра можно очистить и промыть с помощью гидродинамической машины для очистки канализации. Насосное оборудование в скважине также необходимо извлечь и очистить. Для борьбы с железными бактериями используются железоудаляющие фильтры. Эти фильтры по внешнему виду и размеру схожи с обычными умягчителями воды, но содержат фильтрующие материалы с мягким окислительным действием. При прохождении железосодержащей воды через фильтр растворимое железо преобразуется в нерастворимую форму и удаляется из воды. Преждевременно выпавшее в осадок железо удаляется простой механической фильтрацией. В качестве фильтрующих материалов в железоудаляющих фильтрах могут использоваться различные среды, включая марганцевый песок, Бирм, MTM, мультимедийные фильтры, песок и другие синтетические материалы. В большинстве случаев желаемый эффект окисления достигается за счет более высоких оксидов марганца. Железоудаляющие фильтры имеют свои ограничения: поскольку окислительное действие относительно слабое, они неэффективны при наличии в воде органических веществ, как в сочетании с железом, так и отдельно. В результате, сами железные бактерии не уничтожаются. Чрезвычайно высокие концентрации железа могут потребовать частой и неудобной обратной промывки и/или регенерации фильтра. Наконец, для правильной обратной промывки железоудаляющих фильтров требуется высокий расход воды, который не всегда доступен. Лесные пожары могут высвобождать соединения железа из почвы в небольшие лесные ручьи, вызывая быстрое, но обычно временное размножение окисляющих железо бактерий, сопровождающееся оранжевым окрашиванием воды, железоподобными отложениями и запахом серы. Для удаления бактерий, устранения запаха и восстановления прозрачности воды можно использовать высококачественные персональные фильтры.

Iron oxidizing bacteria can pose an issue for the management of water supply wells, as they can produce insoluble ferric oxide, which appears as brown gelatinous slime that will stain plumbing fixtures, and clothing or utensils washed with the water carrying it. The dramatic effects of iron bacteria are seen in surface waters as brown slimy masses on stream bottoms and lakeshores or as an oily sheen upon the water. More serious problems occur when bacteria build up in well systems. Iron bacteria in wells do not cause health problems, but they can reduce well yields by clogging screens and pipes. Treatment techniques that may successfully remove or reduce iron bacteria include physical removal, pasteurization, and chemical treatment. Treatment of heavily infected wells may be difficult, expensive, and only partially successful. Recent application of ultrasonic devices that destroy and prevent the formation of biofilm in wells has been proven to prevent iron bacteria infection and the associated clogging very successfully. Physical removal is typically done as a first step. Small diameter pipes are sometimes cleaned with a wire brush, while larger lines can be scrubbed and flushed clean with a sewer jetter. The pumping equipment in the well must also be removed and cleaned. Iron filters have been used to treat iron bacteria. Iron filters are similar in appearance and size to conventional water softeners but contain beds of media that have mild oxidizing power. As the iron bearing water is passed through the bed, any soluble ferrous iron is converted to the insoluble ferric state and then filtered from the water. Any previously precipitated iron is removed by simple mechanical filtration. Several different filter media may be used in these iron filters, including manganese greensand, Birm, MTM, multi media, sand, and other synthetic materials. In most cases, the higher oxides of manganese produce the desired oxidizing action. Iron filters do have limitations; since the oxidizing action is relatively mild, it will not work well when organic matter, either combined with the iron or completely separate, is present in the water. As a result, the iron bacteria will not be killed. Extremely high iron concentrations may require inconvenient frequent backwashing and/or regeneration. Finally, iron filter media requires high flow rates for proper backwashing, and such water flows are not always available. Wildfires may release iron containing compounds from the soil into small wildland streams and cause a rapid but usually temporary proliferation of iron oxidizing bacteria complete with orange coloration, gelatinous mats, and sulfurous odors. Higher quality personal filters may be used to remove bacteria, odor and restore water clarity.