Біотехнологія металів (стр. 1 из 2)

Вступ

Біотехнологія металів [metal biotechnology] - технологія витягання металів з руд, концентратів, гірських порід і розчинів з використанням мікроорганізмів або їх метаболітів (продуктів обміну в живих клітинах). В області біогідрометалургії найбільш вивчені і освоєні процеси купчастого і підземного вилуговування міді, цинку, урану і інших металів з бідних (забалансових) руд. Собівартість міді, що отримується цим способом, в 1,5-2 рази нижче за відомі технології. У процесах чанового вилуговування металів біотехнологія металів застосовується при переробці тих, що миш'яковистих Аї- і Sn-містящих Cu-Zn концентратів, які неможливо переробляти традиційними способами. Біотехнологічні схеми замкнуті, що знижує або виключає забруднення довкілля.

До нових тенденцій в розвитку біотехнології металів слід віднести збагачення гірських порід і руд, напр, бокситів, сульфідизацію окислених руд, біосорбцію металів з розчинів. Використання бактерійно-хімічних способів дозволяє розширити сировинні ресурси, забезпечити комплексність використання сировини без створення складних гірничодобувних комплексів, автоматизувати процеси, підвищити продуктивність праці і культуру виробництва, вирішити багато проблем охорони довкілля.

1. Біонеметали і біометали

У біологічних процесах бере участь велике число хімічних сполук, утворених різними елементами періодичної системи. Організми тварин і рослин складаються із складних речовин, що включають в свій склад як елементи-неметали, так і елементи з металевими властивостями. З неметалів особливо важливу роль грають вуглець, водень, кисень, азот, фосфор, сірка, галогени. З металів до складу тварин і рослинних організмів входять натрій, калій, кальцій, магній, залізо, цинк, кобальт, мідь, марганець, молібден і деякі інші.

Для того, щоб оцінити співвідношення кількостей хімічних елементів, що входять до складу живих організмів, корисно розглянути вміст біоелементів в організмі «середньої» здорової людини (вага 70 кг). Встановлено, що на 70 кг маси людини доводиться 45,5 кг кисню (тобто більше половини маси), вуглецю-12,6, водню - 7,0, азоту - 2,1 кг, приблизно стільки ж фосфору. Кальцію в людині 1,7 кг, калію - 0,25, натрію - 0,07 кг, магнію - 42 г, залоза - лише 5 г (хіміки жартують, що заліза в людині вистачить лише на один цвях), цинку - 3 г. Останніх металів в сумі менше, чим 1 г. Зокрема, міді - 0,2 г, марганцю - 0,02 г. [4,c.12]

Цікаво, що входження хімічних елементів до складу живих організмів не залежить яким-небудь простим чином від їх розповсюдженості. Дійсно, хоча найбільш поширений на землі елемент - кисень - є найважливішою складовою частиною з’єднань, що складають рослинні і тваринні організми, такі розповсюджуванні елементи, як кремній і алюміній, в їх склад не входять, а відносно мало поширені кобальт, мідь і молібден виконують важливу біологічну роль. Слід зазначити також, що серед біоелементів, тобто елементів, що грають важливу роль в будівництві живого організму і в процесах підтримки його життя (обмін речовин, метаболізм), знаходяться ті, що дуже сильно розрізняються по своїх хімічних властивостях, розмірах часток і електронній будові метали і неметали. Наприклад, серед біометалів (їх часто називають «металами життя») є елементи, створюючи іони з благородногазової електронною «підкладкою», несхильні до проявлення змінної валентності (Na+, K+, Mg2+, Са2+). Разом з цим є серед біометалів і елементи з 18-електронною (Zn2+) або недобудованої 18-електронною «підкладкою» (Cu2+, Co2+, Fe2+, Fe3+, Мо(V), Мо(VI)). Останні схильні змінювати міру окислення в ході обміну речовин.

Серед перерахованих біометалів є елементи, створюючі переважно іонні (Na, До) і ковалентні зв'язки (Мо, Zn); сильні комплексообразователі, такі, як Fe3+, Co2+, Cu2+, Zn2+. Проте і менш міцні комплекси, утворені, наприклад, іонами Са2+, Mg2+, Mn2+, грають важливу біологічну роль, і навіть іони щелочних металів (Na+, К+) в метаболічних процесах залучаються до утворення комплексів (за участю макроциклічних лігандів). Встановлено, що велике значення мають розміри іонів металів, що беруть участь в процесах метаболізму [1, c. 64].

Так, наприклад, не дуже велика різниця у величинах іонних радіусів Na+ (0,98 А) і К+ (1,33 А) обумовлює дуже велику різницю в радіусах гідратованих іонів. Це наводить до неоднакової ролі іонів Na+ і К+ в процесі метаболізму: Na+ - позаклеточний, а К+-внутріклітинні іони. Саме розміри іонів, а також характерного для даного іона типа хімічного зв'язку визначають, на які іони може заміщатися той або інший іон в процесі метаболізму. Встановлено, що іони К+ можуть заміщатися в живих тканинах на крупні однозарядні катіони лужних металів (Rb+, Cs+), а також на схожі по розмірах іони NH4+ і Т1+. Навпаки, відносно маленький іон Na+ може заміщатися лише на Li+. Інтересно, що обмін на іони Cu+ не відбувається, мабуть, із-за схильності Cu+ до утворення ковалентних зв'язків, хоча розміри Cu+ і Na+ схожі.

Дуже поважно, що іони Mg2+ і Са2+ в біосистемах не заміщають один одного. Це зв'язано, як вважають, з більшою ковалентністю зв'язку Mg2+ з лігандами в порівнянні з Са2+. Ще більш ковалентні зв'язки з лігандами утворює Zn2+, він не заміщається на Mg2+, хоча близький до нього по величині іонного радіусу.

Згідно до Б. Яцимірському, оцінку іоності і ковалентності зв'язків іонів біметалів з лігандами доцільно проводити слідкуючим чином. Іонність зв'язку пропорційна відношенню квадрата заряду іона до величини іонного радіусу. Це відношення для більшості іонів знаходиться в межах від 1 до 5. Лише для берилію це відношення аномально велике і складає 11,7. Саме з цим зв'язують високу токсичність іона Ве2+.

Ковалентність зв'язку металл-лиганд, по Яцимірському, можна оцінити як відношення

де Iм і Il - потенціали іонізації (валентних станів) металу і лиганда відповідно; Sml - інтеграл перекривання орбіталей, що взаємодіють при утворенні ковалентного зв'язку. Ковалентність біометалів, охарактеризована в такий спосіб, зазвичай зміняється в інтервалі 20-135. При малій ковалентності зв'язку найбільше стійкими виявляються з'єднання іонів металів з кислородом. У міру зростання ковалентності усе більш стійкими з’являються з'єднання із зв'язком метал-азот і, особливо, із зв'язком метал-сера. Таку ж кореляцію дає класифікація Пірсону, згідно якої «жорстка» кислота з'єднується з «жорсткою» підставою,, а «м'яка» кислота - з «м'якою» підставою [2,c.24].

Біонеорганічна хімія розглядає не лише ті елементи і їх з'єднання, які присутні в нормально функціонуючому живому організмі, але і ті елементи (і їх з'єднання), які, не будучи складовою частиною здорового організму, можуть надавати на нього те або інша дія, потрапляючи в організм ззовні. Йдеться про взаємодії живого організму з отруйними речовинами, попавшими в організм випадково або що накопичилися в нім, наприклад, в результаті неправильної роботи тих або інших органів (похідні свинцю, кадмію, ртуті і ін.).

Треба враховувати, що дуже важливим є дозування різних елементів і їх з'єднань в живому організмі. Доведено, що один і той же елемент може позитивно впливати на організм в цілому і одночасно бути сильною отрутою в разі його передозування. Вже згадувалося, що цинк належить до найважливіших біометалів: іони Zn2+ входять до складу декількох десятків ферментів, каталізуючих протікання життєво важливих процесів. В той же час установлено, що при дуже високому вмісті Zn2+ в тканинах він оказує канцерогенна дія.

Прикладом того ж типа може бути селен, який, взагалі говоря, не зараховують до біометалів. Проте останнім часом установлено, що зменшення вмісту селену в їжі, споживаній людиною за день, з 0,3-0,5 міліграмом (Японія) до 0,1-0,2 міліграма (США, ФРН) наводить до різкого зростання числа ракових захворювань грудної залози у жінок (більш ніж в 5 разів). Вважають, що низький зміст селену в харчових продуктах, що виробляються в країнах з високорозвитою хімічною промисловістю, пов'язано з великим змістом в атмосфері з'єднань сірки, що витісняють селен з природних об'єктів. У Японії брак селену в їжі менший, оскільки багато харчових продуктів, витягуваних з моря, містять велику кількість селену.

У завдання біонеорганическої хімії входить вивчення будови і біологічної ролі неорганічних з'єднань. Ці дослідження проводять різними фізико-хімічними методами, а також методами біології і біохімії, що включають і математичне моделювання. Біонеорганічні дослідження мають першорядну вагу для вирішення завдань медицини, охорони довкілля, неорганічної технології. Далі ми коротко розглянемо властивості і будову деяких лигандів, що грають найважливішу роль в біології, зокрема з'єднання, закомплексовиваючі біометали, а потім перейдемо до характеристики властивостей найважливіших біонеорганічних з'єднань і їх ролі в процесах життєдіяльності тварин і рослин.

2. Напрямки розвитку біотехнології

Біоніка – це використання секретів живої природи з метою створення досконаліших технічних пристроїв. У широкому сенсі біотехнологія – це використання живих організмів і біологічних процесів у виробництві, тобто виробництво необхідних для людини речовин з використанням досягнень мікробіології, біохімії і технології.

У біотехнології використовуються бактерії, мікроорганізми і клітки різних тканин. На мікробіологічних заводах мікроорганізми вирощуються у величезних кількостях в апаратах «ферментерах» – циліндр, судина з неіржавіючої сталі. У ферментер подається стерильне живильне середовище, до якого вноситься культура мікроорганізму (наприклад, дріжджів). Вміст інтенсивно перемішується, в нього подається кисень, підтримується оптимальна температура для зростання кліток. Спеціальні датчики дозволяють автоматам стежити за рН середовища, вмістом хімічних речовин, температурою і так далі Після закінчення процесу ферментації клітки відділяють від рідини за допомогою апаратів і використовують їх для виділення необхідних речовин.