Arsen jako symbol života

Oznámení o tiskové konferenci věnované tomuto vědeckému objevu vyvolalo značný rozruch. Na internetu se rozšířily fámy, že zpráva odhalí existenci mimozemského života. Tisková konference ukončila fámy – nová forma života byla objevena na Zemi, nikoli mimo ni. Objev však poskytuje příležitost k širšímu pátrání po mimozemském životě.

Pověsti, spekulace, řeči o malých zelených mužíčkách a fotografie E-Ti, mimozemšťana ze Spielbergova stejnojmenného filmu, předcházely tiskové konferenci americké vesmírné agentury NASA věnované vědeckému objevu, který, jak bylo tajemně uvedeno v tiskové zprávě, „bude mít dopad na hledání důkazů o mimozemském životě“.

To nám dá představu o životě na naší vlastní planetě a pomůže nám to nahlédnout do života, který můžeme jednoho dne najít jinde ve vesmíru.

Objev se však týká života na Zemi, a to velmi neobvyklého života. Bakterie GFAJ-1, která se vyskytuje pouze v kalifornském jezeře Mono bohatém na arzen, se přizpůsobila toxickému prostředí a dokonce se jí začalo dařit. Tým vědců z NASA zjistil, že bakterie nejenže využívá arsen, který je považován za jedovatý pro všechno živé, k přežití, ale ve skutečnosti ho integrovala do struktury DNA a do základních částí buněk. V mikroorganismu arsen nahradil fosfor, jednu z klíčových složek buněčné struktury ve všech známých formách života.

Věda již dlouho ví o různých „extremofilech“ – tvorech, kteří přežívají v drsných podmínkách, přizpůsobují se například vroucí kyselině, nepřítomnosti světla na dně oceánu, chladu v ledovci.
Bakterie milující arsen byla objevena před dvěma lety, ale její unikátní vlastnosti – schopnost využít arsen jako materiál pro DNA – byly prokázány teprve nyní.

Podle odborníků to mění představu o nezbytných podmínkách pro existenci živých věcí. Doposud se věřilo, že buněčná struktura všeho živého je založena na kombinaci šesti chemických prvků a arsen mezi ně nepatří.

Odborníci zdůrazňují, že objev nového typu buněčné architektury otevírá nové obzory pro hledání mimozemského života. Výzkum v této oblasti dosud spočíval především v hledání planet s podmínkami poněkud podobnými těm na Zemi. Nyní lze rozšířit možnosti vyhledávání.

Někteří nadšenci slibují, že vědecký objev na Twitteru oslaví sklenkou arsenu na kamenech, jiní připouštějí, že výsledky studie mohou zklamat veřejnost, která čeká na malé zelené mužíčky.

zaměstnanec NASA Felisa Wolfe-Simon, který se zabývá astrobiologickým výzkumem a vedoucí týmu, který objevil novou formu života:

To otevírá obrovské možnosti pro pokusy představit si, jaké další formy života by mohly existovat mimo Zemi.

– Bakterie jednají jinak a otevírají nové obzory toho, co je možné. Odpověděla na otázku o možnosti existence zcela jiné formy života. Jaké další otázky si můžeme položit? To nám dá představu o životě na naší vlastní planetě a pomůže nám to nahlédnout do života, který můžeme jednoho dne najít jinde ve vesmíru.

Lewis Dartnell, astrobiolog z Centra pro výzkum planet na University College London:

– O životě jsme doposud věděli jen to, že používá prvky jako uhlík, vodík, kyslík, dusík, síra, fosfor, že život je obecně kombinací těchto prvků, spojených do velkých komplexních molekul. Takže objev bakterie, která může začít nahrazovat fosfor arsenem, je velmi vzrušující objev. To začíná měnit základy biochemie – stavební kameny života, jak jej chápeme.

Sarah Seegerová – profesor na Massachusetts Institute of Technology, který studuje obyvatelnost jiných planet:

„To otevírá obrovské možnosti pro pokusy představit si, jaké další formy života by mohly existovat mimo Zemi. Zejména rádi spekulujeme o možnosti života na Marsu, na Saturnově měsíci Titanu a jinde na planetách mimo naši sluneční soustavu, ale tento objev nám skutečně dává příležitost přemýšlet šířeji.

Philip Plait, autor blogu „Bad Astronomy“ na stránkách amerického populárně vědeckého časopisu „Discover“:

„Pokud bakterie dokáže nahradit jeden prvek nezbytný pro život jiným, toxickým, je to opravdu skvělé.“ Ve srovnání s objevem I-T se ale tento objev může mnoha lidem zdát zklamáním.

Přečtěte si tento a další důležité materiály z posledního vydání pořadu „Freedom Time“ na stránce „Shrnutí s Andrey Shary“

Je uvažován proces elektrooxidace sraženiny arsenu a železa vytvořené na povrchu pevné uhlíkaté kompozitní elektrody ve fázi předběžné elektrolýzy. Během anodického rozpouštění sraženiny je na voltametrické křivce pozorováno několik píků v závislosti jak na koncentraci arsenu, tak na koncentraci iontů železa v roztoku. Provedené studie nám umožnily zjistit, že na povrchu elektrody se tvoří jak pevný roztok, tak několik železo-arsenových IMS. Pozorované anodické píky na křivkách proud-napětí při potenciálech –0,42 V, –0,38 V, –0,35 V, –0,25 a –0,045 V jsou způsobeny selektivní elektrooxidací železa z těchto fázových struktur. Arsen se oxiduje při potenciálu 0 V. Bylo zjištěno, že železo podporuje elektrokoncentraci arsenu na povrchu kompozitní elektrody obsahující uhlík a neinterferuje se záznamem jeho analytického signálu ve fázi elektrooxidace slitiny.

kompozitní uhlíková elektroda
fázové složení
elektrolytická depozita
stripovací voltametrie
stanovení arsenu (III)
1. Hamburk Yu.D. Elektrochemická krystalizace kovů a slitin. – M.: Janus-K, 1997. – 384 s.

2. Fázové diagramy binárních kovových soustav. Příručka: ve 3 svazcích, v.1. / ed. N.P. Lyakisheva – M.: Strojírenství, 1996, 992 s.

3. Kolpakova N.A., Gorchakov E.V., Gabdurakhmanova E.M., Glyzina T.S. Hodnocení fázového složení elektrolytických nánosů obsahujících platinu a zlato // Journal of Structural Chemistry. – 2010. – č. 7 – S. 203–208.

4. Mikroelektrodové celky. Metoda sériové výroby sestav uhlíkových mikroelektrod a jejich aplikace při analýze vody / G.N. Nosková, E.A. Zakharova, V.I. Černov, A.V. Zaichko, E.E. Elešová, M.L. Moskaleva // Ekologické systémy a zařízení. – 2011. – č. 4. – S. 18–25.

5. Pauling L., Pauling P. Chemie. – M.: Mir, 1978. – 683 s.

6. Energie štěpení chemických vazeb. Ionizační potenciály a elektronová afinita / ed. akad. V.N. Kondratieva. – M.: Nauka, 1974. – 351 s.

7. Noskova GN, Zakharova EA, Kolpakova NA Elektrodepozice a stripovací voltametrie arsenu (III) a arsenu (V) na kompozitní elektrodě saze-polyethylen za přítomnosti iontů železa // Journal of Solid State Electrochemistry. – 2012. – Sv. 16, č. 7.– S. 2459–2472.

Podle literárních údajů [7] nebyl při elektrokoncentraci mikrokvantit As(V) a As(III) na uhlíkatých elektrodách detekován anodický pík arsenu v rozsahu pracovního potenciálu těchto elektrod. Důvod tohoto jevu je stále nejasný. Je známo, že zavádění cizích kovových iontů během elektrolýzy často vede ke změně polarizačních charakteristik elektrooxidace ložisek těchto kovů [1]. V [7] bylo ukázáno, že při elektrokoncentraci arsenu z roztoků obsahujících As(V) a As(III), v přítomnosti iontů Fe(III) a Fe(II) při pH < 3 na pevné kompozitní elektrodě obsahující uhlík při potenciálech mezního proudu zápornějších než –2,1 a –1,8 V dochází k elektrolýze železa a arsenu. Anodické voltametrické křivky vykazují píky, které závisí jak na koncentraci As(V) a As(III), tak na koncentraci železitých nebo železitých iontů v roztoku.

Cílem této práce bylo prozkoumat procesy elektrooxidace elektrolytických usazenin arsen-železo metodou stripovací voltametrie a vysvětlit podstatu pozorovaných anodických píků.

Materiál a metody výzkumu

Elektrochemické studie byly provedeny pomocí voltametrického analyzátoru TA-Lab výrobce NPP Tomanalit LLC (Tomsk), který umožňuje realizaci různých režimů změny potenciálu rychlostí 2 až 300 mV/s, měření současně ve třech uzavřených křemenných článcích a probublávání analyzovaných roztoků dusíkem. Pracovní rozsah měřených proudů je od 0,0005 do 500 μA. Jako pracovní elektroda byla použita pevná uhlíková kompozitní elektroda (SCCE) obsahující 30 % sazí. Způsob výroby UKE je podrobně popsán v [3].

Referenční a pomocné elektrody jsou chlorid stříbrný v 1 M KCl. Při záznamu voltamogramů byla použita stejnosměrná forma potenciálního rozmítání.

Typický byl IV postup pro stanovení arsenu. Měření byla provedena v tříelektrodovém článku. Kyslík byl odstraněn z roztoku probubláváním dusíkem. Roztok byl míchán vibrací pracovní elektrody. Volamogramy byly zaznamenávány v rozsahu od –0,6 do +0,25 V s těmito parametry: čištění od všech látek vysrážených elektrolýzou – kondicionování elektrody na 0,3 V (10 s); Elektroakumulace arsenu a železa při –2,2 V (50 s) během vibrací UKE; zklidnění roztoku při potenciálu –0,6 V; rychlost skenování 60 mV/s.

Použitá činidla byla zvláštní čistoty. nebo „chemicky čistá“, dvakrát destilovaná voda byla použita k přípravě roztoků. Pracovní roztoky prvků byly připraveny ředěním certifikovaných směsí s obsahem prvků od 100 do 1000 mg/dm3. Certifikované směsi prvků byly připraveny postupným ředěním státních standardních vzorků s certifikovanou hodnotou koncentrace 100,0 g/dm3 a relativní chybou certifikované hodnoty nejvýše 1 %. Jako základní elektrolyt byl použit roztok HCl.

Výsledky výzkumu a diskuse

Ionty Fe(III) byly zavedeny do roztoku společně s As(III). Roztok byl elektrolyzován při vysokých záporných potenciálech (–2,2 V). Na elektrodě se Fe(0) uvolňovalo současně s uvolňováním As(0).

Na Obr. 1 ukazuje anodické voltametrické křivky elektrooxidace Fe-As nánosu z povrchu UKE.

Rýže. 1. Anodické voltametrické křivky elektrooxidace Fe-As depozitu z povrchu UKE. Experimentální podmínky: pozadí 0,005 M HC2,2; Ee = –50 V; τэ = 1,0 s, СFe(III) = 3 mg/dm0; СAs(III) = 2,0; 4,0; 25; 75; 3 mcg/dmXNUMX

Jak je vidět z Obr. 1, anodický pík elektrooxidace železa z povrchu UCE je pozorován při potenciálu –0,48 V. Když jsou do analyzovaného roztoku zavedeny ionty arsenu (III), kromě ionizačního potenciálu čistého železa jsou na voltametrických křivkách pozorovány další anodické píky na jiných potenciálech: (–0,42; –0,38; –0,35; –0,25). Samotná skutečnost výskytu dalších anodických vrcholů a důvod jejich výskytu nejsou v literatuře diskutovány.

Námi provedené experimentální studie prokázaly, že za podmínek konstantního množství železa a proměnlivého množství arsenu v elektrolytickém ložisku zůstává celkové množství elektřiny vynaložené na oxidaci železa ze slitiny s arsenem konstantní. Mění se pouze poměr hodnot dílčích příspěvků vrcholů k celkovému množství elektřiny vynaložené na elektrooxidaci železa. To je možné, pokud jsou dodatečné anodické píky na voltametrické křivce způsobeny selektivní elektrooxidací železa z binární slitiny s arsenem. Potenciály dalších anodických píku pozorované při potenciálech –0,25 a –0,045 V se nemění se změnou obsahu kovu v elektrolytickém ložisku, což ukazuje na stálost fázové struktury, ze které dochází k selektivní elektrooxidaci železa ze slitiny s arsenem.

Potenciál anodického píku železa, pozorovaný při potenciálu –0,48 V, se posouvá do anodické oblasti se zvýšením obsahu arsenu v elektrolytickém ložisku (obr. 1), což může souviset s elektrooxidací železa z tuhého roztoku s arsenem.

Selektivní elektrooxidace železa z pevného roztoku a IMS různého složení by měla tvořit anodové píky při různých potenciálech.

Z literárních údajů [2] je známo, že arsen a železo mohou tvořit jak pevné roztoky, tak intermetalické sloučeniny následujících složení: AsFe2, As2Fe3, AsFe a As2Fe, což odpovídá molárním frakcím železa 0,67; 0,6; 0,5 a 0,33.

V [3] je ukázáno, že posun anodického špičkového potenciálu během selektivní elektrooxidace elektronegativní složky z pevného roztoku nebo IMS lze popsat vztahem:

kde EFe je potenciál anodického píku železa; – potenciál anodického píku železa při jeho selektivní elektrooxidaci ze slitiny s arsenem; εcmcm – integrální teplo mísení složek při tvorbě tuhého roztoku nebo IMS; XFe je molární podíl železa v IMS nebo pevném roztoku.

Jak je známo, směšovací teplo během tvorby slitiny je ekvivalentní tvorbě kovalentní vazby mezi kovy. Vazebnou energii dvou kovů v krystalové mřížce lze vypočítat pomocí Paulingovy korelační rovnice [5]:

kde εA–A, εB–B je energie přetržení vazby kov-kov; χA, χB – elektronegativity slitinových komponent.

Energie rozpadu chemických vazeb a hodnoty elektronegativit prvků byly převzaty z literárních údajů [6].

Skupenské teplo složek železa a arsenu vypočtené z těchto údajů je 256,6 kJ/mol. Potenciál anodického píku železa z povrchu UCE potaženého železem jsme určili experimentálně a je roven –0,48 V. Při znalosti tepla míšení složek je možné vypočítat velikost posunu potenciálů píků selektivní elektrooxidace železa z pevných roztoků a IMS s arsenem ve vztahu k potenciálu píku čistého elektrooxidu železa a poté pozorovaného píku veškerého elektrooxidu železa anodické píky selektivní elektrooxidace železa z těchto sloučenin podle vzorce:

Vrchol selektivní elektrooxidace železa z pevného roztoku se může měnit se změnou molárního podílu složky v elektrolytickém depozitu. Pro odhad molární frakce železa v tuhém roztoku s arsenem jsme použili metodu sweep: molární frakce železa byla specifikována, posun píku byl vypočten pomocí vzorce (1) a potenciál píku selektivní elektrooxidace železa z pevného roztoku s danou molární frakcí byl vypočten pomocí vzorce (2). Výpočtová data jsou uvedena na závislosti vrcholového potenciálu elektrooxidace železa z tuhého roztoku s arsenem (obr. 2). Z tohoto grafu je možné odhadnout molární frakci železa v tuhém roztoku na základě experimentální hodnoty potenciálu anodického píku selektivní elektrooxidace železa z tuhého roztoku.

Výsledky výpočtu potenciálů anodických píků selektivní elektrooxidace železa z pevných roztoků a IMS s arsenem jsou uvedeny v tabulce.

Rýže. 2. Závislost potenciálů anodických píků selektivní elektrooxidace železa z tuhého roztoku s arsenem na molární frakci železa v binárním elektrolytickém ložisku s arsenem

Porovnáním získaných experimentálních dat s výpočtem vidíme, že železo z pevných roztoků a různých IMS s arsenem může být oxidováno při různých potenciálech. Potenciál –0,42 V tedy odráží proces selektivní elektrooxidace železa z pevného roztoku arsenem při molární frakci železa v tuhém roztoku 0,75. Vrchol selektivní elektrooxidace železa z AsFe2 IMS je pozorován při potenciálu –0,38 V. Potenciál tohoto vrcholu se nemění se změnou obsahu arsenu v elektrolytickém ložisku, což ukazuje na stálost složení fázové struktury, ze které dochází k selektivní elektrooxidaci železa. K selektivní elektrooxidaci železa z As2Fe3 IMS dochází při potenciálu –0,33 V, z AsFe IMS při potenciálu –0,25 V, z As2Fe IMS při potenciálu –0,07 V.

Na základě vypočtených potenciálů zkreslení procesu elektrooxidace železa z různých fázových struktur je tedy možné vyvodit závěry o potenciálu, při kterém je železo selektivně oxidováno z pevného roztoku nebo každé IMS arsenem. Vypočtené hodnoty potenciálů píků selektivní oxidace železa z IMS arsenem mohou být dokladem pořadí jejich umístění na voltametrické křivce (obr. 1). Pozorované voltametrické křivky jsou způsobeny selektivní elektrooxidací železa z těchto fázových struktur a odpovídají vrcholovým potenciálům: –0,42; –0,38; -0,35 a -0,25 V.

Vypočtené a experimentálně stanovené hodnoty anodických vrcholových potenciálů selektivní elektrooxidace železa z IMS s arsenem

Špičkový anodický potenciál železa