Сірка природних вод та процеси сульфатредукції

Сірка зустрічається в природі як в самородному вигляді, так і в різних сполуках та газоподібному стані, у вигляді сірководню та оксиду сірки. Легкорозчинні сульфати сірки знаходяться у великій кількості в морській воді.

Сірка – один з незамінних компонентів при синтезі білків в організмі тварин та утворенні сірковмістних органічних речовин у рослин. Сіркобактерії можуть окиснювати сірководень (H₂S) до сірки, внаслідок чого утворювана енергія служить для них джерелом енерго­забезпечення метаболічних процесів (як сонячна енергія при фотосинтезі).

Поверхневі води, у складі яких сульфатні іони становлять більше 25 %, належать до сульфатних вод. Їх хімічний склад визначається надходженням сульфатів з водозбірної площі та вимиванням з донних грунтів. Сульфати можуть надходити у водойми при хімічному вивітрюванні та вимиванні з таких мінеральних покладів, як гіпс (CaSO₄·2H₂O), ангідрит (CaSO₄) та барит (BaSO₄). При вилужуванні солончаків, води також збагачуються на сульфатні іони.

Причиною зростання вмісту сірки у воді може бути окиснення сульфідів, які надходять з стічними водами промислових, сільськогосподарських та комуналь­но-побутових підприємств. Значним джерелом утворення сірководню у водних об'єктах є розклад органічних речовин у донних грунтах в анаеробних умовах.

Хоча сульфати добре розчинні у воді, але їх концентрація у водоймах обмежується утворенням малорозчинних сполук з кальцієм (CaSO₄), які осідають на дно. В Україні сульфатні води зустрічаються переважно в річках степової зони, яка охоплює Український кристалічний щит, Причорноморську впадину, Донецьку складчасту область та схили Воро­нізького кристалічного масиву. У водах більшості річок цього регіону провідне місце нале­жить сульфатам, а води належать до сульфатно-хлоридного та натрій-кальцієвого або натрій-магнієвого класу. Переважають сульфатно-хлоридні води мішаного катіонного складу у річках Приазов'я та у лівих притоках Дніпра степової зони (рр. Орель, Самара, Конка та інші).

У водних екосистемах сульфатні іони знаходяться у біологічному кругообігу. Його основними ланцюгами виступають практично всі гідробіонти, які засвоюють сульфати на побудову свого тіла. Після їх відмирання під впливом сіркобактерій Н₂S окиснюється спочатку до S, а потім до SO₄^2–, який знову включається у кругообіг. В водних екосистемах має місце також процес сульфатредукції.

Сульфатредукція – це процес відновлення сульфатних іонів до сірководню під впливом сульфатредукуючих бактерій у відсутності кисню і в присутності органічних речовин. Схематично хід реакції зображено нижче:

2 SO₄^2–+ 4 С + 3 Н₂О = Н₂S^–+ НS^–+ СО₂ + 3 НСО₃^–.

В анаеробних умовах сульфатредукуючі бактерії використовують енергію сульфатів для дихання, а сірководень виділяється у воду. Подібні реакції протікають практично в усіх водоймах, де є значні поклади донних грунтів та понижений водообмін. Характерними ознаками таких водойм є наявність у воді сірководню, сульфідів, тіосульфатів та сульфатредукуючих бактерій. Такі процеси проходять з найбільшою активністю у мероміктичних водоймах, до яких належить Чорне море.

Мероміктичні – це водойми, які мають двошарову стратифікацію товщі води, при чому вода нижнього шару істотно більш мінералізована і щільна, ніж у верхньому. У таких водоймах циркуляція охоплює тільки поверхневий шар води меншої щільності. Чорне море входить до числа найбільших у світі мероміктичних водойм. В ньому на глибині 150–250 м проходить хемоклин, який розділяє розпріснений і збагачений киснем міксолімніон (верхній шар) і у 10 разів більший монімолімніон, або нижній шар води, який не перемішується.

У водоймах з добрим кисневим режимом сульфатредукція відбувається тільки в товщі мулових відкладів. При цьому чорний колір донних відкладів свідчить про характер сульфатредукуючих процесів, що проходять на дні водойм. Подібні процеси характерні для водних об'єктів, у які скидаються висококонцентровані стічні води, збагачені органічними речовинами, що містять у своєму складі сульфати. Сульфатредукція часто виникає в евтрофних водоймах, коли в них розвивається літня або зимова стагнація.

Підвищений вміст сірководню у водному середовищі негативно впливає на життєдіяльність гідробіонтів і тому вони проявляють високу чутливість до його наявності у воді. Так, поліхети Nereіs zonata, Phyllodoce tuberculata, гіллястовусі рачки Daphnіa longіspіna та багато інших не витримують навіть слідових концентрацій сірководню у воді. Більш стійкі до сірководню донні поліхети Nereіs dіversіcolor, черви Capіtella capіtata та деякі інші бентонти, які живуть у товщі донних відкладів, де відбувається гниття органічних речовин. Винятково стійкий до сірководню рачок Artemіa salіna. Токсичною концентрацією для її молоді є 76,8 мг/дм³, а для дорослих – 109 мг/дм³. Риби, особливо молодь, проявляють підвищену чутливість до сірководню.

Глава 12. Мікроелементи водних екосистем та їх біологічна роль

Хімічні елементи, вміст яких в організмі рослин і тварин знаходиться у дуже низьких концентраціях (тисячні долі відсотка), належать до мікроелементів. Незважаючи на мікрокількості їх в організмі гідробіонтів, вони відіграють дуже важливу метаболічну роль. До мікроелементів зараховують більше 30 найважливіших елементів, серед них метали алюміній, залізо, мідь, марганець, цинк, молібден, кобальт, нікель, стронцій та інші, і неметали – йод, селен, бром, фтор, миш’як, бор. В організм бактерій, водяних рослин і тварин вони надходять безпосередньо з води і донних відкладів. Переважно це водорозчинні форми, які легко засвоюються. Мікроелементи входять до складу ферментів, зокрема, Mn – аргінази, Zn – карбоангідрази, Cu – поліфенолоксидази, Со – вітаміну В₁₂, J – тироксину. Всі вони істотно впливають на метаболічні процеси в організмі рослин і тварин. У водних екосистемах такі елементи, як мідь, цинк, марганець, залізо, нікель, свинець при концентраціях, що перевищують гранично допустимі, стають біологічно небезпечними компонентами і їх розглядають як токсиканти. Гідробіонти різних трофічних рівнів можуть акумулювати в своєму організмі деякі мікроелементи, особливо метали.

В залежності від здатності гідробіонтів накопичувати хімічні елементи в організмі, вони поділяються на макро- і мікроконцентраторів і деконцентра­торів. Критерієм для такого поділу може бути коефіцієнт біологічного накопичення (К_а), під яким розуміють відношення концентрації металу в тілі гідробіонтів до їх вмісту у мулі (на масу сухої речовини). Умовно до макроконцентраторів відносять гідробіонтів з К_а > 2, до мікроконцентра­торів – з К_а = 1–2 і до деконцентраторів – з К_а < 1. Такий поділ умовний, але він може дати уявлення про ставлення того чи іншого гідробіонта до окремих хімічних елементів водного середовища. Принаймні такі дані можуть свідчити про метаболічні взаємини між організмом гідробіонтів і окремими хімічними елементами, розчиненими у воді.