Гидробиохимические процессы

Активная жизнедеятельность микроорганизмов в подземных водах – один из важнейших факторов формирования их химического состава. Микроорганизмы в гидросфере распространены всюду, где термобарические и коцентрационные условия допускают возможность их существования. В подземной литосфере развиты хемотрофные микроорганизмы, использующие для своей жизнедеятельности энергию химических реакций. Энергию, необходимую для жизнедеятельности, микроорганизмы получают в процессе переноса электронов от веществ с большей электроотрицательностью к веществам с меньшими её величинами. Катализаторами этих реакций являются ферменты бактерий. С помощью своих ферментов, микроорганизмы способны во много раз ускорять окислительно-восстановительные реакции в системе «вода-порода».

Таким образом, бактерии не осуществляют какие-то реакции, которые в принципе невозможны в стерильных условиях, но они многократно ускоряют протекание некоторых химических реакций, которые в условиях нормальных Т и Р практически неосуществимы. Это относится к окислению сульфидов металлов, переводу сульфатной серы в сульфидную, синтезу аммиака, который в промышленности осуществляется в условиях высоких Т и Р,и др.

Протекание биохимических реакций связано с некоторыми ограничениями, т.е. с выполнением условий при которых возможна бактериальная деятельность.

1. Интервал температур от 0 до 1000С, при этом жизнедеятельность бактерий существенно подавляется при Т менее 40С и более 800С.

2. Минерализации воды не более 200 г/л

3. Наличие элементов с переменной валентностью, т.к. все биохимические реакции являются окислительно-восстановительными.

Кроме того, следует помнить, что все биохимические реакции происходят только в воде.

Наиболее важными биохимическими процессами в подземных водах являются:

1) биогенная генерация СО2,

2) сульфофикация и сульфаторедукция,

3) нитрификация и денитрификация,

4)метанообразование, 5)водородоредукция

Биогенная генерация СО2 – наиболее широко распространенный биохимический процесс, непосредственно влияющий на химический состав подземных вод. Этот процесс широко распространен как в приповерхностных условиях, так и в глубоких горизонтах, особенно при микробиологическом разрушении органических веществ нефтяного ряда. При любом изменении содержания СО2 (потреблении или выделении его живым веществом) происходит сдвиг так называемого карбонатного равновесия, в результате которого происходит растворение или, наоборот, выпадение в осадок карбонатов.

Процессы сульфофикации и сульфаторедукции представляют собой важнейшие этапы круговорота серы в природе.

а) Процесс сульфофикации характерен для аэробных условий и происходит по схеме:

2H2S + 4O2 = 2H2SO4

Этот процесс характерен для зон окисления сульфидных минералов:

FeS2+ H2O + O2 = FeSO4

В результате понижается рН природных вод, в следствие гидролиза сульфатов железа (до рН<2), увеличивается окислительно-восстановительный потенциал (до +860 мВ) и в них возрастает содержание сульфат-иона.

Окисление сероводорода характерно для вулканических областей, где в поверхностные воды (озера) разгружаются глубинные воды, содержащие сероводород. При этом, по подсчетам микробиологов, серные бактерии «перерабатывают» поступающий сероводород с такой интенсивностью, что вырабатывают до 2 т/сут H2SO4 с 1 га водной поверхности.

б) Процесс сульфаторедукции проходит в анаэробных условиях и заключается в восстановлении окисленных форм серы (SO4_2) до H2S. Чисто химическое разложение сульфатов происходит только в высокотемпературных (Т>2000С) условиях (большие глубины, районы современного вулканизма), однако сульфатредуцирующие бактерии способны проводить эти реакции в условиях нормальных температур и давлений.

В процессе сульфаторедукции восстановителем может быть водород или органическое вещество по схеме:

1) SO4-2 + 4H2 = S-2 + 4H2O 2) SO4-2 + Cорг = S-2 + 2CO2

Процесс сульфаторедукции может идти при температурах от 0 до 70-800С и имеет важнейшее значение для формирования химического состава пластовых вод. Его геохимическим следствием является образование СО2, H2S и сульфидов металлов.

в) Процесс нитрификации заключается в бактериальном окислении аммония до нитрата: NH4+ - NO2- – NO3-

2NH4++ 3О2= 2Н NO3 + 3Н2О

Нитрифицирующие микроорганизмы являются аэробными микроорганизмами, они развиваются в присутствие кислорода, поэтому их действие наиболее активно в самых верхних водоносных горизонтах, содержащих кислородные воды.

г) Процесс денитрификации характерен для восстановительных условий, характерных для бескислородных вод глубоких горизонтов осадочных бассейнов и заключается в восстановлении бактериями нитратов с образованием свободного азота.

4NO3- + 5Cорг = 2CO3-2 + 3CO2 + 2N2

Денитрифицирующие микроорганизмы наиболее активно развиваются в бескислородных подземных водах, начиная с Eh +200 мВ.

На деятельность денитрифицирующих микроорганизмов большое влияние оказывает температура. Так, при Т<50С деятельность этих микроорганизмов подавляется и нитраты (загрязнение минеральными удобрениями) быстро продвигаются в зоне аэрации до грунтовых вод. При Т около 200С денитрифицирующие микроорганизмы наиболее активно восстанавливают нитраты, переводя их в газовую фазу (азот, углекислый газ) уходящую в атмосферу. Поэтому на движение нитратов в зоне аэрации к грунтовым водам накладывается микробиологический барьер.

д) Для глубоких горизонтов характерен также процесс метанообразования, осуществляемый метанобразующими бактериями за счет разложения жирных кислот, а также водорода и СО2:

СО2 + 4Н2 = СН4 + 2Н2О

Этот же процесс может протекать в поверхностных условиях, где локально создаются восстановительные условия (болота). Образующийся метан носит название «болотного газа».

----

Билет 14.