вцелях получения энергии для своего метаболизма (например, окисление закисного железа в окисное). Поскольку эти бактерии извлекают энергию при окислении неорганических веществ, они развиваются там, где нет органических

веществ, используя в качестве источника углерода (С) углекислоту (СО2). Однако окисление железа не является эффективным способом получения энергии,

для продуцирования 1 г клеточного углерода должно быть окислено примерно 220 г Fe3+. В результате там, где живут железо-окисляющие бактерии, образуются большие отложения оксида железа (III).

Всередине 1980-х годов 10 % ручьев, питаемых грунтовыми водами в северных Аппалачах (США), имели кислую реакцию из-за влияния кислых рудниковых дренажных вод. Подкисление поверхностных вод, вероятно, усилится

втаких странах, как Великобритания, где в результате энергетической политики правительства возникает большое количество заброшенных рудных разработок, часто в географически ограниченных областях. Восстановленные железосодержащие силикаты, например некоторые оливины, пироксены и амфиболы, также могут претерпевать окисление, как было описано для богатого железом оливина, фаялита:

Fe2SiO4(тв) + 0,5O2(г) → 2Fe(OH)3(тв) + H2SiO4(водн).

Продуктами окисления являются кремниевая кислота H4SiO4 и коллоидный гидроксид железа Fe(OH)3 — слабое основание, которое при дегидратации дает ряд оксидов железа, например гематит Fe2O3 и гетит FeOOH. Присутствие воды ускоряет окислительные реакции (ржавчина). Вода действует как катализатор.

Органическое вещество почв также окисляется, причем с участием микроорганизмов. Окисление мертвого органического вещества до углекислого газа важно с точки зрения усиления кислотности почв, которая может уменьшиться от 5, 6 (равновесное с СО2 атмосферы) до 4–5.

На самом деле органическое вещество почв (гумус) не всегда полностью разлагается до СО2. Однако продукты частичного разрушения обладают карбоксильными (СООН) и фенольными группами, которые при диссоциации дают ионы Н+:

RCOOH(тв) → RCOO(−водн) + Н(+водн);

R–ArOH(тв) → R–ArO(−водн) + Н(+водн),

где R означает большую органическую структурную единицу.

Кислотность, накапливаемая при разложении органического вещества, используется при разрушении большинства силикатов в процессе кислотного гидролиза.

3. Кислотный гидролиз

Континентальные воды содержат растворимые формы, которые придают им кислотность. Источники кислотности различны — это и диссоциации атмосферного СО2 в дождевой воде, и частично диссоциация почвенного СО2 с об-

83

разованием Н2СО3, и диссоциация природного и антропогенного диоксида серы (SO2) с образованием H2SO3 и H2SO4. Реакцию между минералом и кислыми агентами выветривания обычно называют кислотным гидролизом. Выветривание СаСО3 демонстрирует следующая принципиальная реакция:

CaCO3(тв) + H2CO3(водн) ↔ Са(2водн+ ) + 2НСО3−(водн).

Ионная связь Са–СО3 в кристалле кальцита разрывается, и свободные ионы СО3− притягивают от Н2СО3 достаточно ионов Н+, чтобы образовался стабильный ион бикарбоната НСО3− . Отметим, что вторая молекула НСО3− , обра-

зующаяся по этому уравнению, не участвует в реакции, когда Н+ перемещается от Н2СО3. Бикарбонат — очень слабая кислота, поскольку она слабо диссоции-

рует на Н+ и СО3−2 , и ее диссоциации недостаточно, чтобы реагировать с карбо-

натом. В общем, в результате реакции нейтрализуется кислота, содержащаяся в воде. Процесс зависит от количества доступного СО2: избыток СО2 вызывает образование большего количества Н2СО3, которая растворяет СаСО3 (прямая реакция); и наоборот, недостаток СО2 стимулирует обратную реакцию и осаждение СаСО3. Образующиеся в пещерах сталактиты и сталагмиты являются примером осаждения СаСО3, вызванного дегазацией СО2 из грунтовых вод. Этот отклик на изменение количества СО2 — наглядный пример знаменитого принципа Ле-Шателье.

Кислотный гидролиз простого силиката, например богатого магнием оливина, форстерита, можно обобщить следующим образом:

Mg2SiO4(тв) + 4Н2СО3(водн) → 2Mg(2водн+ ) + 4НСО3−(водн) + H4SiO4(водн).

Отметим, что при диссоциации Н2СО3 образуется ионизированный НСО3−,

немного более сильная кислота, чем нейтральная молекула (H4SiО4), образующаяся при разложении силиката.

Совокупные процессы растворения СО2 в почвенных водах, последующей диссоциации Н2СО3 и образования НСО3− в результате кислотного гидролиза при выветривании приводят к тому, что поверхностные воды имеют нейтральную реакцию и преобладающим ионом является НСО3−.

Выводы

•Гипергенез — это процессы трансформации минералов и горных пород под влиянием воды, воздуха, колебаний температуры и жизнедеятельности организмов. Простейшая реакция гипергенеза — это растворение минералов.

•Окислительные процессы минеральных веществ происходят достаточно медленно, однако их скорость увеличивается в присутствии различных бактерий.

•Органическое вещество почв также окисляется, причем с участием микроорганизмов, что приводит к усилению кислотности почв. Продукты окисления могут обладать карбоксильными (СООН) и фенольными группами либо при полном окислении образуется углекислый газ.

84