WWW.KNIGI.KONFLIB.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

 
<< HOME
Научная библиотека
CONTACTS

Pages:     | 1 || 3 | 4 |   ...   | 19 |

«Диагностика переувлажненных минеральных почв РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ НАУК ПОЧВЕННЫЙ ИНСТИТУТ имени В.В. ДОКУЧАЕВА Ю.Н. ВОДЯНИЦКИЙ Диагностика ...»

-- [ Страница 2 ] --

Основные химические элементы, участвующие в редокс реакциях в почвенных растворах, – это C, Fe, Mn, N, O и S. Теоретически найдена определенная последовательность в восстановлении этих элементов.

В термодинамических расчетах редокс потенциал EН выражают через активность электронов pe. Ее величина определяется из выражения:

Значения температурного коэффициента: = 2.3 RT : F приведены в монографии Кауричева и Орлова (1982). Для Т = 25С и при EН, выраженном в мВ, значение ре = EН : 58.

Показатель парциального давления водорода rH рассчитывают так (World reference…, 1998):

Спозито (1984) делит почвы по степени восстановления по величине ре почвенного раствора при рН 7. У окисленных почв +7 ре +13.5; у умеренно восстановленных – +2 ре +7; у восстановленных – -2 ре +2; у сильно восстановленных – -6.8 ре -2.

Расчет активности электронов в реакциях восстановления разных элементов позволяет получить критические значения рекрит. При рН 7 сначала восстанавливается О2 до Н2О (рекрит = 12.8), затем – NО- до NH+ (рекрит = 5.4), затем MnO2 до Mn2+ (рекрит = 3.2), затем Fe(OH)3 до Fe2+ (рекрит = 1.9) и, наконец, SO42- до S2+ (рекрит = -5.3). Значение рекрит = 1.9 получено на основе реакции восстановления гидроксида железа при рН 7 и при концентрации Fe2+ в растворе 10- М (Спозито, 1984):

В полном согласии с классической термодинамикой в глубоких водонасыщенных отложениях установлена строгая зональность восстановительных процессов (рис. 1). Зона редукции Fe(III) наиболее обширная и располагается по оси ЕН (ре) ниже зоны нитрат- и Mn(IV)-редукции, но выше зон сульфат-редукции и метаногенеза (Ponnamperuma, 1972;

Lovley, 2001). Можно сказать, что редукция Fe(III) – основной процесс терминального (конечного) акцептора электронов в анаэробных условиях в минеральных почвах. Процессы сульфатредукции и метаногенеза характерны для болотных почв. Последовательность химической дифференциации редокс процессов в основном согласуется с их биологической дифференциацией (Lovley, 2001). Так, кислород в аэробных условиях ингибирует действие разных бактерий-анаэробов. Нитраты в переувлажненных условиях ингибируют редукцию Fe(III), но не Mn(IV). Поэтому на схеме (рис. 1) области редукции нитрата и Mn(IV) объединены в одну общую. В то же время области редукции Mn(IV) и Fe(III) разделены как в пространстве, так и во времени. Со своей стороны Fe(III) ингибирует процессы сульфатредукции и образования метана.

Важнейшее отличие схемы (рис. 1) от условий переувлажненных почв состоит в том, что в них зоны разделены не столько пространственно, сколько во времени. Временная Рис. 1. Идеализированное распределение зон с разными процессами терминального акцептирования электронов в водонасыщенных отложениях (Lovley, 2001).

стадийность редокс процессов четко прослеживается при изучении динамики ЕН в модельных опытах с переувлажненными почвами, а также при режимных наблюдениях в поле.

В генетическом и экологическом отношениях важно отделять актуально оглеенные горизонты, где развиваются в настоящее время редукционные процессы, от тех горизонтов, где редукция Fe(III) завершилась, и сизый тон отражает наличие унаследованного глея. Ясно, что только по морфологии эти горизонты трудно различать. Поэтому привлекают физикохимические показатели, например, полевое определение парциального давления водорода rH в почвенном растворе. Согласно Международной базе почвенных данных глеесоли выделятся по условию rH 19 (World reference…, 1998). Это значение получено теоретически для реакции:

Очевидно, условие rH 19 пригодно только для выявления актуального глея. В сухой период, когда редукция Fe(OH)3 прекращается, значения rH превышают 19. Таким путем можно оправдать рекомендацию WRB, которую подвергают критике из-за превышения rH крит в сизом горизонте в сухой период.

В работах по оглеению почв (Зайдельман, 1998) этот процесс рассматривался долгое время как биохимический, но не биологический. Роль бактерий сводилась к сбраживанию органического вещества, которое в результате образует определенные низкомолекулярные органические соединения, действующие на Fe(III) как редуктанты. Согласно этой устаревшей концепции, роль биоты заключается только в запуске активных биохимических агентов.

Против такой узкой трактовки роли биоты есть ряд возражений. Во-первых, роль органических редуктантов сильно зависит от рН и активизируется только в кислой среде, тогда как часто редукция Fe(III) проявляется в почвах с нейтральной реакцией. Во-вторых, недавно открыта группа почвенных бактерий-анаэробов, способных к редукции Fe(III)минералов (Lovley, 2001), именно с использованием их выполнены модельные исследования редукции Fe(III)-минералов. Современные микробиологические убедительно доказывают важнейшую роль бактерий-редуктантов, участвующих в редукции Fe(III)-минералов.

Обращаясь к истории биологической редукции Fe(III)-минералов, отметим, что микробное восстановление железа известно с начала XX в. (Allison, Scarseth, 1942; Starkey, Halvorson, 1927). Но в первых работах оно рассматривалось как безэнзимный процесс. Даже когда микроорганизмы были явно вовлечены в восстановление частиц (гидр)оксидов железа, их роль часто рассматривали только как неспецифическую. Считалось, что микроорганизмы, принимающие участие в восстановлении железа, не принадлежат к какой-либо определенной физиологической группе. Делался вывод о том, что процесс глееобразования может развиваться в значительной мере независимо от характера почвенной биоты (Зайдельман, 1998).



В 80-х годах ХХ столетия описаны первые бактерии, способные использовать энергию от восстановления Fe(III) для поддержания роста, так называемые «диссимиляционные железовосстанавливающие бактерии» (Balashova, Zavarzin, 1980; Lovley, 1987; Lovley, Phillips, 1988; Coates, Ellis et al., 1998; 1999). Эти бактерии различаются не только по своему филогенетическому положению, но и по физиологии. Например, многие из них (представители родов Shewanella, Panatoea и Rhodoferax) не являются строгими анаэробами и способны использовать для дыхания кислород (Lin et al., 2004). Наиболее распространенные доноры электронов – некоторые органические кислоты. Описаны диссимиляционные железовосстанавливающие бактерии, способные использовать для поддержания роста реакцию окисления сахаров, сопряженную с восстановлением Fe(III). В 1998 г. из речной осадочной породы изолирована бактерия, названная Shewanella saccharophilia. В отличие от описанных ранее бродильных микроорганизмов, эта бактерия способна окислять глюкозу до ацетата и углекислоты с восстановлением Fe(III) (Coates, Councell et al., 1998).

Среди диссимиляционных железовосстанавливающих бактерий наиболее изучены представители родов Geobacter и Shewanella, их широко используют при моделировании энзиматического восстановления металлов. Большинство диссимиляционных железовосстанавливающих бактерий выделены из гидроморфных почв и водонасыщенных осадочных пород.

О роли диссимиляционных железовосстанавливающих бактерий в редукции Fe(III) можно судить по формированию тонких частиц биогенных магнетита и сидерита в почвах (Заварзина и др., 2003). Согласно этим данным численность бактерий-железоредукторов в гумусовых горизонтах каштановых и черноземных почв Волгоградской обл. и Ставропольского края достигает 105 кл./г почвы. Железоредуцирующие бактерии культивировали с использованием синтезированной аморфной гидроокиси Fe(ОН)3. Процесс биологической редукции привел к резкому росту магнитной восприимчивости почвы с (35-55) · 10-8 до (50000-65000) · 10-8 м3/кг за счет новообразования магнетита Fe3О4. В ряде экспериментов прироста магнитной восприимчивости почвы не отмечено из-за образования слабомагнитного сидерита FeСО3.

Образование Fe(II)-минералов (магнетита или сидерита) при моделировании биологического редуктогенеза железа доказывает значительную роль биологического фактора в развитии процесса оглеения почв.

Глееобразование невозможно без участия органического вещества. При этом переувлажнение поверхностных горизонтов вызывает значительную трансформацию органического вещества почвы (Водяницкий, Шелоболина, 2007).

Распространено мнение (Зайдельман, 1998), что в оглеенных почвах под влиянием бактерий органическое вещество сбраживается, в результате чего образуются различные низко молекулярные органические соединения, действующие на Fe(III) как редуктанты. Указанная концепция не отражает полностью роль органического вещества при развитии редукции. В ней не учитываются функции органического вещества как источника энергии и как электронного челнока при переносе электрона от бактерии-железоредуктора к частице гидроксида железа.

Намеренно упрощая ситуацию, микробиологи (Lovley, 2001), изучающие биологическое восстановление (гидр)оксидов железа, подразделяют функции органического вещества только на две, но основные (рис. 2). 1) Органическое вещество как источник энергии, т.е. как поставщик электронов. В почвах мощным источником энергии являются сахара. 2) Органическое вещество как электронный челнок, переносчик электронов от Fe-редуцирующих бактерий к Fe(III). В модельных опытах в качестве электронного челнока используют антрахинон-дисульфонат (АХДС), который окисляется до антрагидрохи нондисульфоната (АГДС).

Рис. 2. Схема участия органического вещества в биологической редукции Fe(III). В левой части схемы показано окисление энергоемких органических компонентов до СО2, обеспечивающих редукцию Fe(III) энергией. В центре изображено действие электронного челнока, передающего электрон от Fe(III)-редуцирующей бактерии к Fe(III) (Lovley, 2001).

В почвах роль электронного челнока выполняют гуминовые кислоты. В отличие от органического вещества первой группы, электронный челнок в процессе редукции Fe(III) не расходуется.

Органическое вещество как источник энергии. Выступая в этом качестве, энергоемкие органические соединения (в частности, сахара) окисляются (в предельном случае до СО2), что влечет потерю органического вещества в переувлажненной почве. В настоящее время накопилось достаточно данных, свидетельствующих о потере гумуса в ходе оглеения за счет восстановления (гидр)оксидов железа (Савич и др., 1999). Наиболее ярко это проявляется в рисовых почвах. Выполнен расчет степени окисления органического вещества (в форме СН2О) за период затопления рисовых почв (Saito, Wada, 1984). Оказалось, что на долю органического вещества, окисленного за счет сопряженной редукции Fe(III), пришлось от 1/3 до 2/ суммарной продукции СО2. В других рисовых почвах доля реакции редукции Fe(III) в процессе деструкции органического вещества составляла от 1/7 до 6/7. В опытах по биологической редукции 18 почв из разных стран мира найдено, что количество полностью минерализованного углерода прямо коррелирует с содержанием редуцированного железа, r = 0.64. Следовательно, влияние редукции Fe(III) на процесс деструкции органического вещества, установленное в почвах со слабым водообменом, оказывается вполне ощутимым.

Очевидно, что общий итог редукции Fe(III) – потеря части органического вещества. Так как основной процесс почвообразования – гумусонакопление, то оглеение, сопровождаемое окислением органического вещества, надо рассматривать как деградационный процесс.

В последние годы в связи с антропогенным загрязнением почв органическими полютантами, в частности, углеводородами, активизировались исследования процессов деградации почв в аэробных и анаэробных условиях. В рамках этого проекта создана и проверена двухмерная, многофакторная модель транспорта растворимых реакционных веществ и последовательного аэробного и анаэробного распада чужеродного органического вещества. Модель использовали для изучения транспортных и деградационных процессов в Бемеджи, штат Миннесота, США на месте разлива сырой нефти (Essaid et al., 1995).



Pages:     | 1 || 3 | 4 |   ...   | 19 |
 



Похожие работы:

«Санкт-Петербургский государственный университет кино и телевидения УТВЕРЖДАЮ Ректор, профессор _А.Д.Евменов 21 июня 2011 г. ОСНОВНАЯ ОБРАЗОВАТЕЛЬНАЯ ПРОГРАММА ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ Направление подготовки 241000 Энерго- и ресурсосберегающие процессы в химической технологии, нефтехимии и биотехнологии ФГОС ВПО утвержден приказом Министерства образования и науки Российской Федерации 24 января 2011 г. № 79, зарегистрирован в Министерстве юстиции Российской Федерации 28 марта 2011...»

«Аннотация Книга представляет собой научно-художественную биографию великого русского советского ученого и мыслителя, академика Владимира Ивановича Вернадского (1863—1945). Геохимик и минералог в начале своего пути, В. И Вернадский в дальнейшем создал целостную картину развития нашей планеты, увязав в своей теории данные геологии с наукой о жизни и человеке. Настоящее издание посвящено 125-летию со дня рождения всемирно известного ученого. Содержание I 5 Глава 1 5 Глава II 14 Глава III 30 Глава...»

«Системы управления химико-технологическими процессами Учебно-методический комплекс по дисциплине для студентов специальности 240406 Технология химической переработки древесины СЫКТЫВКАР 2012 УДК 66.02 ББК 35.11 С41 Рекомендован к изданию в электронном виде кафедрой автоматизации технологических процессов и производств Сыктывкарского лесного института Утвержден к изданию в электронном виде советом технологического факультета Сыктывкарского лесного институт Составитель: преподаватель О. Н....»

«Актуальность создания в Институте химии нефти СО РАН музея, отражающего проблемы исследования нефти, научно-практическое использование институтских разработок была осознана в конце 80-х годов прошлого столетия. ИХН СО РАН было уже 20 лет, когда на заседании Ученого совета 12 июля 1990 г. было принято решение об организации лаборатории Научно-исследовательский информационный центр с музеем нефтей, поддержанное Председателем президиума СО АН СССР академиком В.А. Коптюгом. Музей существует уже...»

«_ КУРСОВАЯ РАБОТА Кристаллография снежинок Добрецова Е.А. Студентка. Научный руководитель. доцент Дорохова Г.И.. МОСКВА 2008 г. Введение Наиболее распространенным минералом земной коры можно считать лед (снег), покрывающий значительную часть ее поверхности в виде ледников, занимающих около 11% площади всей суши, или в виде вечной мерзлоты (~14%). Если сюда добавить сезонный снег и лед, морские льды, то окажется, что этот минерал присутствует повсеместно. Его большая роль в формировании...»

«НАУЧНЫЙ СОВЕТ ПО АНАЛИТИЧЕСКОЙ ХИМИИ СПРАВОЧНИК 2010 – 2014 Изменения и дополнения к Справочнику НСАХ РАН можно найти на странице Интернет-портала Аналитическая химия в России (www.rusanalytchem.org) в разделе НСАХ РАН 2 ОГЛАВЛЕНИЕ ПОЛОЖЕНИЕ О НАУЧНОМ СОВЕТЕ РАН ПО АНАЛИТИЧЕСКОЙ ХИМИИ ПОЛОЖЕНИЕ О ПРЕДМЕТНОЙ КОМИССИИ (НАПРАВЛЕНИЯ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ КОМИССИЙ СОВЕТА) ПОЛОЖЕНИЕ О РЕГИОНАЛЬНОМ ОТДЕЛЕНИИ НАУЧНОГО СОВЕТА РАН ПО АНАЛИТИЧЕСКОЙ ХИМИИ ПОЛОЖЕНИЕ О ПРЕМИЯХ НАУЧНОГО СОВЕТА РАН (НСАХ РАН) ПО...»

«ДОГОВОРУ О НЕРАСПРОСТРАНЕНИИ ЯДЕРНОГО ОРУЖИЯ 40 ЛЕТ В ХХ в. мир впервые столкнулся с оружием огромной разрушительной силы – оружием массового уничтожения (далее – ОМУ). В арсеналах государств появились три его вида: бактериологическое, химическое и ядерное. От применения указанных видов оружия могла бы полностью прекратиться жизнь на Земле. В связи с этим можно вспомнить август 1945 г., когда сброшенные США на японские города Хиросиму и Нагасаки две атомные бомбы унесли десятки тысяч...»

«Y.V.Geiko, D.S.Gurskyi, L.I.Lykov, V.S.Metalidi, V.N.Pavlyuk, V.L.Prykhodko, S.N.Tsymbal, L.M.Shymkiv PERSPECTIVES OF BASEMENT DIAMOND PRODUCTIVITY OF UKRAINE Kyiv–2006 Министерство охраны окружающей природной среды Украины Государственная геологическая служба Северное государственное региональное геологическое предприятие Пивничгеология Ю.В. Гейко, Д.С. Гурский, Л.И. Лыков, В.С. Металиди, В.Н. Павлюк, В.Л. Приходько, С.Н. Цымбал, Л.М. Шимкив ПЕРСПЕКТИВЫ КОРЕННОЙ АЛМАЗОНОСНОСТИ УКРАИНЫ...»

«ОТЧЕТ О НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКОЙ РАБОТЕ по теме: ПРОВЕДЕНИЕ ПРОБЛЕМНО-ОРИЕНТИРОВАННЫХ ПОИСКОВЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ В ОБЛАСТИ ТЕХНОЛОГИЙ КОМПЛЕКСНОЙ БЕЗОТХОДНОЙ ТЕРМОХИМИЧЕСКОЙ ПЕРЕРАБОТКИ ТОРФА С ПОЛУЧЕНИЕМ ВЫСОКОКАЛОРИЙНОГО ЭКОЛОГИЧЕСКИ ЧИСТОГО ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО ТОПЛИВА, КОКСА И АКТИВИРОВАННЫХ УГЛЕЙ. Шифр 2011-1.6-516-045-020 Государственный контракт № 16.516.11.6130 от 20 сентября 2011 г. Этап 4: Обобщение и оценка результатов исследований (заключительный) Руководитель работы В.М. Зайченко...»






 
© 2013 www.knigi.konflib.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.