Αντικείμενο του μαθήματος είναι η διδασκαλία των βασικών αρχών της βιοτεχνολογίας σε σχέση με την αλληλεπίδραση των μικροοργανισμών με διάφορα είδη μετάλλων. Καταδεικνύεται η αξιοποίηση των μηχανισμών της βιογεωχημείας στο φυσικό περιβάλλον στην ανάπτυξη περιβαλλοντικά φιλικών διεργασιών. Αρχικά εξετάζονται οι αλληλεπιδράσεις των μικροοργανισμών τόσο με τους κύκλους των βασικών στοιχείων: C, N, S, P όσο και με τους κύκλους των στοιχείων: Fe, Mn, As, Se. Διδάσκονται εξειδικευμένα κεφάλαια σχετικά με τον μικροβιακό βιοσχηματισμό (απόθεση) ή την διαλυτοποίηση μεταλλικών ειδών και τις δυνατότητες αξιοποίησης των μηχανισμών αυτών σε ένα πλήθος διεργασιών. Το μάθημα συμπληρώνεται με εργαστηριακές ασκήσεις με σκοπό την βαθύτερη κατανόηση των διεργασιών και την απόκτηση δεξιοτήτων σχετικά με την μελέτη των αλληλεπιδράσεων μετάλλων με μικροβιακή βιομάζα και των εφαρμογών τους στην περιβαλλοντική τεχνολογία, τη μεταλλουργία και την τεχνολογία υλικών.
Περιγραφή
Στο μάθημα διδάσκονται οι ακόλουθες θεματικές ενότητες:
- Βασικές αρχές περιβαλλοντικής μικροβιολογίας: Η λιθόσφαιρα και η υδρόσφαιρα ως μικροβιακά περιβάλλοντα (ενδιαιτήματα).
- Μικροβιακός μεταβολισμός. Σύνοψη βιοχημικών διεργασιών.
- Βασικές αρχές παραγωγής ενέργειας στα κύτταρα (Bioenergetics).
- Η βιοχημική αντίδραση και η μεθοδολογία αναγραφής της.
- Η διαδοχή των μικροβιακών αλληλεπιδράσεων σε σχέση με τον τελικό αποδέκτη ηλεκτρονίων:
Οξυγόνο – Αερόβιες δράσεις (Aerobic)
Νιτρικά ιόντα – Απονιτροποίηση (Denitrification)
Ιόντα μαγγανίου – Αναγωγή μαγγανίου (Mn reduction)
Ιόντα σιδήρου – Αναγωγή σιδήρου (Iron reduction)
Θειικά ιόντα – Θειοαναγωγή (Sulfate reduction)
- Γεωμικροβιολογία του άνθρακα, του αζώτου, του θείου και του φωσφόρου.
- Γεωμικροβιολογία του σιδήρου του μαγγανίου, του αρσενικού και του σεληνίου.
- Η αλληλεπίδραση των κυττάρων με τα μέταλλα (Cell surface reactivity and metal interactions):
- Δομή της κυτταρικής επιφάνειας (cell surface structure).
- Ηλεκτρικό φορτίο της κυτταρικής επιφάνειας. Αντιδράσεις οξέων – βάσεων στη κυτταρική επιφάνεια. Ηλεκτροφορητική ικανότητα (electrophoretic mobility).
- Παθητική δέσμευση μετάλλων στη κυτταρική επιφάνεια. Η έννοια της βιορόφησης και χρήση ισόθερμων ρόφησης (Γραμμική, Freundlich, Langmuir, μοντέλα επιφανειακής συμπλοκοποίησης).
- Ενεργή δέσμευση μετάλλων στη κυτταρική επιφάνεια.
- Ο ρόλος των μικροοργανισμών στην κινητικότητα των μετάλλων.
- Παραδείγματα πρακτικών εφαρμογών βιοαποκατάστασης (Bioremediation), ανάκτησης υλικών (Biorecovery).
- Βιοσύνθεση υλικών (biomineralization – biological induced mineralization)
- Βιοσχηματισμός πυρήνων και ανάπτυξη κρυστάλλων (mineral nucleation and growth)
- Βιοσχηματισμός είδων του σιδήρου: υδροξειδίων (iron hydroxides)/ μαγνητίτη (magnetite)
- Βιοσχηματισμός οξειδίων του μαγγανίου (manganese oxides)
- Βιοσχηματισμός ανθρακικών, φωσφορικών, θειικών και θειούχων ενώσεων.
- Χαρακτηριστικά και εφαρμογές των προϊόντων που προκύπτουν από τα παραπάνω.
- Βιοαποσύνθεση υλικών (microbial weathering)
- Βιοχημικές αντιδράσεις στην επιφάνεια των μεταλλευμάτων
- Μικροβιακός αποικισμός
- Αποσύνθεση πυριτικών και ανθρακικών μεταλλευμάτων
- Οξείδωση θειούχων ενώσεων. Βιοχημικοί μηχανισμοί οξείδωσης πυριτικών ορυκτών, Βιοεκχύλιση (Bioleaching), Βιολογική οξείδωση χρυσοφόρων ορυκτών (Bioleaching of refractory gold)
Σύνδεσμος στο Helios: https://helios.ntua.gr/course/view.php?id=2170
