3.7.2. Сульфат-редукція

У цьому процесі для окиснення органічної речовини бактерії використовують кисень сульфатних іонів, що утворюють як продукти життєдіяльності сульфідні форми:

2С_орг + SO₂ + 2Н₂О → H₂S + 2HCO₃⁻.

Якщо значення рН води вище 7, утворюється головним чином іон HS⁻, а в наявності будь-яких здатних до реакції сполук заліза сульфідні форми реагуватимуть з ними, утворюючи осади у вигляді сульфідів. Відновлення сульфатів суттєво впливає на стан екосистем водоймищ. Для більшості компонентів флори і фауни H₂S є високотоксичним. Перетворення оксидів заліза в сульфіди звичайно викликає зміну кольору води від червонуватого або коричневого до чорного або сірого.

Речовини, сорбовані раніше на гідроксиді Fe(III) (наприклад, іони важких металів або фосфат-іони), виділятимуться тоді в розчин.

При цьому багато важких металів (наприклад, Сі, Zn, Mo, Pb, Hg), які в окиснених водах були представлені відносно розчинними сполуками (за не дуже високих рН), утворюють малорозчинні сульфіди.

Оскільки сульфат-іони відносяться до головних іонів при-родних вод, широко розповсюджені й містяться у природних водах часто в достатньо великих концентраціях, вони здатні на деякий час стабілізувати редокс-рівень, системи, незважаючи на можливе надходження відновників.

Ферментація

Процес руйнування органічних речовин, що відбувається за участю мікроорганізмів, призводить до появи нових, простіших органічних сполук. Брутто-рівняння бактеріальної ферментації має такий вигляд:

[Органічна сполука А] → [органічна сполука В] + СО₂

Найпростішою й однією з найважливіших реакцій цього типу є утворення метану:

C_орг + 2H₂O → CO₂ + CH₄

або

2(CH₂O)_n → nCO₂ + nCH₄ ,

де (CH₂O)_n − бактерії використовують вуглеводень – головна частка біо-

маси.

3.7.3. Особливості окисно-відновних процесів в озерах

Редокс-умови в озерах визначаються балансом між окисненням органічної речовини і надходженням кисню за рахунок циркуляції, або вертикального перемішування води.

Специфічна залежність густини води від температури веде до виникнення яскраво вираженої шаруватої структури озер у районах із помірно континентальним кліматом.

Влітку поверхневий шар (епілімніон) нагрівається за рахунок сонячної радіації. Температура в межах епілімніону досить постійна, оскільки поверхнева зона перемішується хвилями. Безпосередньо під епілімніоном міститься металімніон, або зона термоклину, у якій температура швидко зменшується з глибиною. Нижче металімніону лежить гіполімніон − маса однаково холодної води. Коли тепла вода малої густини лежить над холодною водою високої густини, змішування і, як наслідок, обмін розчиненими речовинами між епілімніоном і гіполімніоном ускладнене. Таке явище називається термічною стратифікацією.

Восени поступове зниження температури епілімніону призводить до того, що в певний період, при температурі повітря близько 277 °К, вода в усьому водоймищі стає однакової температури і густини. При цьому в результаті хвильової діяльності вся вода у водоймищі буде перемішана. Такий період називають періодом осіннього водообміну.

Надалі зі зниженням температури у верхньому шарі води її густина знизиться, й у водоймищі знов відбудеться розділення на шари різної густини, обмін між якими ускладниться. Це явище називають зимовою стратифікацією.

Весняне підвищення температури в зоні епілімніону призведе до вирівнювання температури й густини води в усьому водоймищі. Почнеться процес весняного водообміну.

Під час весняного й осіннього водообміну вміст розчиненого кисню в усьому озері в основному відповідає рівноважним значенням, характерним для приземного повітря й води при температурі 277 °К.

У період літньої стратифікації рівноважна кількість розчиненого в епілімніоні кисню знизиться порівняно з періодом водообміну, оскільки розчинність газів зменшується із зростанням температури.

Слід зазначити, що в цей період епілімніону інтенсивно відбувається фотосинтез, який крім процесу розчинення кисню з атмосферного повітря є ще одним джерелом розчиненого кисню. В деяких випадках це призводить до порушення рівноваги через різницю швидкостей процесів надходження і виділення, концентрація розчиненого кисню в деяких зонах епілімніону може бути більшою за рівноважну.

У процесі фотосинтезу, як відомо, відбувається утворення органічних сполук і кисню. Крім вуглецю для фотосинтезу потрібні азот, фосфор і ряд розсіяних елементів. У прісних незабруднених водах лімітуючими живильними речовинами, звичайно, є фосфати, в забруднених водах фотосинтез у деяких випадках лімітується нітратами. Лімітація розсіяними елементами зустрічається украй рідко.

Середній склад органічної речовини фітопланктону визначається наближеною формулою С₁₀₆Н₂₆₃О₁₁₀N₁₆P, тому більш правильне в порівнянні з рівняннями (3.1 і (3.2) відображення картини фотосинтезу можна представити наступним брутто-рівнянням:

106СО₂ + 16NO₃⁻ + НРО₄^{2 −} + 122Н₂О +

+ (h + мікроелементи) → С₁₀₆Н₂₆₃О₁₁₀N₁₆P + 138О₂ .

Фітопланктон, що утворився в епілімніоні, зазвичай, живе не більше кількох діб. Відмираючи, він утворює мертву масу органічних сполук, які мають той самий склад, що й вихідний фітопланктон. Ці органічні сполуки опускаються на глибину водоймища і потрапляють у гіполімніон. Процес їх окиснення, виражений брутто-рівнянням, є реакцією, зворотною фотосинтезу:

С₁₀₆Н₂₆₃О₁₁₀N₁₆P + 138О₂ →106СО₂ + 16NO₃⁻ + НРО₄²⁻ + 122Н₂О,

тобто коли органічна речовина, що утворилася в епілімніоні за участю одного атома фосфору, розпадається, вона стає потенційним споживачем 138 молекул кисню, але це відбувається вже в гіполімніоні.

Тому, коли в озері виникає стратифікація, вміст кисню у воді гіполімніону постійно знижується внаслідок розкладання органічної речовини, що випадає з епілімніону. Чи стане гіполімніон анаеробним, залежить від сумарної кількості органічної речовини, що надходить у нього в період стратифікації, що контролюється головним чином наявністю поживних неорганічних речовин, особливо фосфатів у епілімніоні.

Відповідно до кількості поживних речовин, що надходять у водоймище, останні можна розділити на оліготрофні і евтрофні.

Оліготрофне озеро − це озеро, в якому надходження поживних речовин невелике, тому продуктивність фотосинтезу мала і вода містить кисень на всіх глибинах.

В евтрофному озері спостерігається зростання біопродук-тивності, пов’язане з інтенсивним надходженням поживних речовин.

У період стратифікації весь кисень у гіполімніоні може бути витрачений. Еh гіполімніону різко знижується, і починаються процеси сульфат-редукції. У воді гіполімніону накопичується токсичний для живих організмів сірководень. У цей період риба є лише в епілімніоні і зоні термоклину, в яких є кисень і немає сірководню.

Під час водообміну в евтрофному озері сірководень та інші токсичні сполуки перемішуються з усім об’ємом води і поступово окиснюються, оскільки за рахунок кисню, що надходить до водоймища, редокс-рівень у всьому водоймищі підвищується. Проте через певний часовий проміжок, тривалість якого залежить від кількості сірководню, що утворився в гіполімніоні, і швидкості її розкладу, в усьому водоймищі вміст сірководню може перевищувати допустимий рівень і викликати загибель риби. Такі явища, що спостерігаються в деяких водоймищах, призводять до осінніх або весняних заморів риби.

Коли оліготрофне озеро в результаті антропогенного забруднення стає евтрофним, цей процес важко зробити оборотним, навіть якщо інтенсивність надходження поживних речовин знизиться до первинного значення. Це пов’язано з тим, що в період стратифікації в евтрофному озері значна частина розчинних фосфатів звʼязується в епілімніоні, наприклад, з гідроксидами заліза(III). Маючи високо-розвинуту поверхню, ці сполуки активно адсорбують фосфати і, опускаючись у глибочінь водоймища, переносять їх у гіполімніон. Із їх відновленням і утворенням сульфідів або карбонатів двовалентного заліза (FeS або FeСО₃), яке відбуватиметься у відновному середовищі гіполімніону, фосфати знову виділяться в розчин. У період водообміну частина цих фосфатів потрапить в епілімніон, і за рахунок цього внутрішнього, додаткового надходження поживних речовин водоймище може зберегти евтрофний стан.

Існує й хімічна стратифікація. Вона зустрічається там, де вода з більш високою солоністю, що утворилася в засушливий період або за рахунок розчинення солей на дні озера, лежить під менш солоною поверхневою водою. Така хімічна стратифікація може зберігатися багато років. Один із великомасштабних проявів хімічної стратифікації демонструє, наприклад, Чорне море.