Формы нахождения железа в биосфере

По массе в литосфере железо среди металлов занимает второе место после алюминия. Его Кларк 4,65%. Железо образует около 300 минералов, накапливается в осадочных породах.

Железо – элемент с переменной валентностью, обладает разной подвижностью в восстановительных и окислительных условиях. В анаэробных условиях при наличии органических веществ Fe⁺³ восстанавливается до Fe²⁺ , становится подвижным и мигрирует. В аэробных условиях Fe²⁺ окисляется и переходит в гидроокись железа – Fe(OH)₃ бурого цвета. Такую окраску приобретают суглинки, глины, железные пески, латеритные почвы. В щелочных почвах преобладают соединения Fe⁺³, недоступные для растений, в кислых – Fe⁺² доступно растениям. В растворенном состоянии железо присутствует в аэробных условиях только при кислой реакции среды. В затопленных почвах железо мобилизуется, переходит в подвижную форму Fe⁺² и поступает в близлежащую гидрографическую сеть. Восстановленное железо в донных отложениях образует конкреции, иногда бобовые руды. При миграции в аэробную зону окисляется, накапливается и может образовывать железистые минералы или окисленные формы: Fe₂(CO₃)₃ – карбонат железа, Fe₃O₄ – магнетит и др. В почвах железо может взаимодействовать с гуминовыми кислотами, входя в их состав. Подвижность железа увеличивается при взаимодействии с фульвокислотами, уменьшается при адсорбции гуминовыми кислотами. Свободное трехвалентное железо недоступно клеткам аэробных бактерий и корневым системам растений. Растения и микроорганизмы обладают специальным механизмом поглощения трехвалентного железа с участием хелатных соединений – сидерофоров.

Основные формы миграции железа Fe(HCO₃)₂, FeSO₄ и железо-органические соединения (хелаты). При наличии свободного кислорода железо окисляется и мигрирует очень слабо:

4Fe + 3O₂  2Fe₂O₃

Железо почти не дает растворимых минеральных солей, так как pH выпадения гидроокисей 2,5-4,5. Железо интенсивно мигрирует на коллоидах. Реакция Fe²⁺ ↔ Fe³⁺ широко распространена в ландшафтах. При окислении Fe²⁺ в Fe³⁺ образуются озерные железистые руды благодаря деятельности Fe-окисляющих бактерий:

4FeCO₃ + O₂ + H₂O  Fe(OH)₃ + CO₂ + 40 ккал

В лесных ландшафтах железо активно участвует в биологическом круговороте, выносится из верхних горизонтов почв при оподзоливании и осаждается в иллювиальных горизонтах. В таких ландшафтах как тундра, тайга, влажные тропики Fe²⁺ интенсивно мигрирует, переносятся огромные массы железа в болота, озера, реки. Гидроморфная растительность обогащена железом: мхи, лишайники, ель, сосна – это “железные”ландшафты.

В лесостепи и степи миграция железа ограничена, в сухих степях и пустынях железо неподвижно. В таких экосистемах живые организмы страдают от недостатка железа.

Во всех ландшафтах могут находиться карбонаты железа (FeCO₃), сульфаты (FeSO₄), хлориды FeCl₂ и FeCl₃ и др.

Биогенная трансформация соединений железа в зависимости от pH среды

Трансформацию соединений железа осуществляют железобактерии. Все железобактерии делятся на автотрофные и гетеротрофные. Автотрофные железобактерии окисляют железо в средах с кислым значением pH и используют эту энергию для хемосинтеза.

Отличительной особенностью этих бактерий является окисление восстановленных соединений железа с отложением окисленного железа на поверхности клеток.

Все железоокисляющие бактерии делятся на две группы: автотрофы и гетеротрофы. Автотрофные железобактерии живут в средах с низким значением pH (2-4), используют энергию окисления для хемосинтеза – это хемоавтотрофы, настоящие (истинные) железобактерии. Основными представителями являются: Thiobacillus ferrooxidans, Zeptospirillum ferrooxidans, Gallionella ferruginea, Suefolobus acidocaldaris. Местом жительства этих бактерий являются подзолистые переувлажненные почвы, сульфатные месторождения, торфяники с пиритом, железистые водные источники.

Гетеротрофные железоокисляющие бактерии развиваются в условиях среды с реакцией, близкой к нейтральной, на границе окислительных и восстановительных зон. Для этих бактерий необходимо органическое вещество, восстановленные формы железа и pH = 6,5-7,5 и больше.

Эти нитчатые железобактерии имеют слизистые чехлы, в которых концентрирую окисное железо. Их называют охрообразователями. Основными представителями являются p. Leptothrix, p. Sphaerotilus, p. Toxothrix. Это облигатные аэробы.

Одноклеточные бактерии (не нитчатые) накапливают окисленное железо только в нейтральной среде в присутствии железа и органических веществ. Основными представителями являются: Pseudomonas putida и Seliberia stellata. Эти бактерии способны разлагать гуматы железа и марганца с образованием железистых конкреций (ортитенов).

Другую группу железоокисляющих бактерий представляют микоплазмы. Их кокковидные клетки связаны тонкими нитями, на поверхности которых откладываются окислы железа. Растут как в кислой, так и в щелочной среде, используя органическую часть железо-гумусовых комплексов. Metallogenium образует ассоциации с грибами. Если в середе есть железо, то оно откладывается на гифы гриба.

Thiobacillus ferrooxidans – хемоавтотроф – окисляет железо при pH = 2,5:

2Fe²⁺ + 2H⁺ + ½ O₂  2Fe³⁺ + H₂O

В нейтральной среде (pH = 6,5-7,5) образуется гидрат окиси железа:

FeCO₃ + O₂ + H₂O  Fe(OH)₃ + CO₂

Восстанавливают железо многие бактерии в анаэробных условиях, основными являются p. Bacillus, p. Clostridium и др. Недавно были обнаружены магнитные бактерии ( р. Magnetospirillum), содержащие в клетках магнитные частицы и движущиеся в магнитном поле. Магнетит Fe₃O₄ находится в особых тельцах – магнитосомах. Кристаллы магнетита формируются особыми генами, таких кристаллов в абиотической природе нет. Эти кристаллы были обнаружены в метеоритах с Марса. Можно предположить, что данные нанокристаллы Fe₃O₄, имеющие необычные физические и химические свойства, являются продуктом жизнедеятельности магнитных бактерий.