2.Биохимические процессы и их роль в формировании состава пв.

Биохимические процессы связаны с деятельностью микроорга­низмов. Для формирования химического состава подземных вод их деятельность имеет два важнейших последствия.

Ускорение окислительно-восстановитель­ных процессов. Так, вне деятельности сульфатредуцирующих микроорганизмов химическое восстановление S⁶⁺(S0₄^2-)->S^2-(H2S) при невысоких температурах (менее 100°С) невозможно, поскольку энергия связи серы и кислоро­да в S0₄^2- чрезвычайно велика. Но сульфатредуцирующие бак­терии, отбирающие кислород у сульфатов и использующие при этом в качестве энергетического материала газообразный водород или органические вещества, достаточно быстро это вос­становление производят. В результате образуется сероводород H2S и продукты его диссоциации HS^- и S^2-. Для большей час­ти подземных вод иных путей образования этих веществ, кроме микробиологического, нет. С помощью деятельности микроор­ганизмов также интенсифицируются процессы окисления суль­фидных руд, нитрификации, денитрификации и др.

Ввод в действие различных потенциалзадающих систем и активизация деятельности этих новых систем. В результате своей жизне­деятельности микроорганизмы потребляют и выделяют веще­ства, являющиеся окислителями и восстановителями. Поэтому деятельность микроорганизмов является мощным потенциалзадающим фактором.

Конкретные процессы, вызываемые деятельностью микроорганизмов и, которые являются важными для форми­рования химического состава подземных вод. Главными среди них являются процессы окисления сульфидных руд, а также сульфатредукции, нитрификации, нитратредукции и денитрификации.

Окисление сульфидных минералов может происходить как обычным химическим путем с помощью кислорода, содержа­щегося в подземных водах, так и вследствие микробиологиче­ских процессов. Очень важно, что в случае микробиологическо­го окисления сульфидов (сравнительно с его химическим окис­лением) скорость процесса окисления увеличивается в несколь­ко десятков раз, а концентрации окисленных форм элементов — в несколько раз. Типичным и важнейшим микроорганизмом» который осуществляет окисление сульфидных минералов явля­ется Thiobacillus ferrooxidans. Этот микроорганизм относится к хемиавтотрофам, т. е. организмам способным строить свое тело из С0₂₎ используя химическую энергию, выделяющуюся при окислении неорганических веществ. В данном случае энергия получается от окисления закисного железа.

Содержание Thiobacillus ferrooxidans в подземных водах зоны окисления сульфидных месторождений достигает 10⁵—10⁸ клеток в 1 мл воды. Eh—рН условия наиболее активной дея­тельности этого микроорганизма имеют поле, ограниченное значениями рН менее 4 и Eh более 500 мВ.

Процесс микробиологического окисления сульфидных ми­нералов на рудных месторождениях происходит не только в естественных условиях. В настоящее время на этих месторож­дениях он искусственно вызывается с помощью различных ин­женерных мероприятий для извлечения железа, меди, цинка, свинца и других элементов из бедных сульфидных руд, экс­плуатация которых обычными традиционными методами нерен­табельна.

Влияние деятельности микроорганизмов на процессы сульфатредукции.

Такие процессы протекают с помощью сульфатредуцируюших бактерий, отбирающих кислород у сульфатов и использующих при этом в качестве энергетического материала газообразный водород или органическое вещество. В зависимости от исполь­зуемого энергетического материала выделяют автотрофную и гетеротрофную сульфатредукции.

При гетеротрофной сульфат­редукции могут быть использованы разнообразные органиче­ские вещества: глюкоза, ацетат, лактат, формиат, этанол. Эти вещества в настоящее время широко распространяются в за­грязненных подземных водах и поэтому такие воды предостав­ляют широкие возможности для протекания процессов суль­фатредукции. При гетеротрофной сульфатредукции бактерии исполь­зуют органическое вещество не только подземных вод, но и водовмещающих осадочных пород. Поэтому подземные воды с максимальными концентрациями сероводорода всегда формиру­ются в осадочных (особенно карбонатных и гипсовых) породах.

При автотрофной сульфатредукции рН среды повышается и это ве­дет к смещению карбонатных равновесий в сторону СОз^2-, в результате чего из подземных вод осаждается СаСО₃. При гетеротрофной сульфатредукции происходит уменьшение рН среды.

В связи с этим в зонах развития гетеротрофной сульфат­редукции увеличивается агрессивность подземных вод по от­ношению к соединениям кальция и растворяются карбонатные породы.

Трансформации форм азота в подземных водах связаны с про­цессами нитрификации, нитратредукции и денитрификации. Нитрификация заключается в бактериальном окислении аммо­ния до нитрата. Различают гетеротрофную и автотрофную нит­рификации.

Нитрифицирующие микроорганизмы являются аэробными, микроорганизмами, они развиваются в присутствии кислорода, поэтому в общей схеме гидрогеохимической зональности их действие наиболее активно в самых верхних водоносных гори­зонтах, содержащих кислородные воды.

Противоположно направленными являются процессы нитратредукции и денитрификации. Эти процессы ведут к вос­становительному преобразованию NO3 в соединения, содержа­щие азот в низших валентностях. Денитрификация более сложный процесс — он заключается в ступенчатом преобразовании азотсодержащих соединений в последовательности:

N0^-₃ N0₂^- NO N₂0 N₂

По данным Л. Е. Крамаренко, денитрифицирующие микро­организмы наиболее активно развиваются в бескислородных подземных водах, начиная с Eh порядка +200 мВ. Число клеток денитрифицирующих микроорганизмов, присутствующих в таких азотсодержащих подземных водах, достигает ~ 10⁶ кле­ток на 1 мл. На деятельность денитрифицирующих микроор­ганизмов большое влияние оказывает температура. По дан­ным И. А. Бриллинг, при температуре менее 5 ⁰С подавляется деятельность этих микроорганизмов и при таких температурах N0^-₃ быстро продвигается в зоне аэрации до грунтовых вод. При температурах порядка 20 ⁰С денитрифицирующие микро­организмы наиболее активно восстанавливают нитраты и по­этому на движение нитратов в зоне аэрации к грунтовым во­дам накладывается своеобразный микробиологический барьер. Процесс денитрификации является геохимически чрезвычайно важным, этот процесс удаляет часть азотсодержащих соедине­ний (особенно нитратов) из подземных вод путем образования газовой фазы (N₂0, N₂), способной уходить в атмосферу. Этот процесс — важная составная часть кругооборота азота в при­роде.

Билет № 4.