Процеси самоочищення ґрунту

Органічні речовини, що потрапляють в фунт, піддаються розпаду аж до утворення неорганічних речовин - процес мінералізації. Паралельно в фунті відбувається процес синтезу з органічних речовин нової складної органічної речовини ґрунту, що одержав назву гумусу. Процес синтезу ґрунтової речовини називається гуміфікацією, а обидва біохімічних процеси (мінералізації і гуміфікації) одержали назву процесу самоочищення фунту.

Механізм самоочищення ґрунту досить складний, схематично цей механізм можна уявити таким чином. Органічні речовини, що потрапили в ґрунт зі стічними водами, продовжують своє пересування в горизонтальному і вертикальному напрямках. Досягши ґрунтових вод, рідина з забрудненнями вливається в грунтові води і надалі підкоряється напрямкові і швидкості їхнього руху. В міру пересування забруднень із ґрунтовою вологою у фільтруючому шарі ґрунту кількість забруднень (зважених, колоїдних, розчинених речовин, бактерій, вірусів, яєць гельмінтів) поступово зменшується завдяки механічній, фізичній, фізико-хімічній, хімічній і біологічній поглинальній здатності ґрунту. Інтенсивність поглинання зазначених забруднень тим більша, чим менший розмір частинок ґрунту, вона збільшується в міру замулення проміжків між частинками і зниження коефіцієнта фільтрації. З гігієнічної точки зору особливо важливе значення має питання про поглинання ґрунтом бактерій. Поглинання бактерій відбувається під дією механічного фактора, поверхневої енергії електрохімічних взаємин і залежить від виду бактерій, їхньої рухливості, розмірів ґрунтових частинок, рН середовища та ін.

Знешкодження чужорідної для ґрунту органічної речовини, що потрапила зі стічними водами або твердими відходами, здійснюється головним чином мікроорганізмами, які входять до складу біоорганомінерального комплексу ґрунту.

Вуглеводи, що потрапили в ґрунт із відходами або стічними водами, в аеробних умовах, завдяки діяльності мікроорганізмів, піддаються перетворенням, внаслідок яких відбувається синтез глікогену мікробної клітини, утворюється вода і С0₂, виділяється енергія. В анаеробних умовах біохімічний процес розкладання вуглеводів набагато складніший. Розкладання вуглеводів полягає в утворенні жирних кислот з їхнім наступним розпадом до водню, С0₂, метану й інших газів. Анаеробний процес відбувається без участі вільного кисню. Мікроорганізми одержують необхідну енергію шляхом розщеплення складної молекули органічної речовини на більш просту. При цьому виділяється набагато менше енергії, ніж при кисневому процесі. Розщеплення жирів у ґрунті відбувається дуже повільно, тому що жири мало піддаються процесам біохімічного руйнування. В аеробних умовах цей процес протікає з утворенням ліпідів мікробної клітини і виділенням води, С0₂, енергії. В анаеробних умовах розкладання жирів здійснюється приблизно за тією ж схемою, що і вуглеводнів.

Розщеплення білків відбувається за участю мікроорганізмів, тому що азот є одним з органогенів, необхідних для розвитку будь-якого мікроорганізму. Джерелом азоту служать речовини, що мають білок. Складні молекули білка (пептиди) під впливом ферментів, що виділяються мікроорганізмами, розщеплюються до альбумінів і пептонів, а потім до амінокислот. Частина амінокислот використовується як пластичний і енергетичний матеріал мікроорганізмами, а частина піддається дезамінуванню з утворенням аміаку, води і СО_г В аеробних умовах аміак, що утворився, розчиняється у воді, утворюючи гідроксид амонію.

Велика частина амінокислот, що утворилися з білкових відходів при їхньому розщепленні, використовується як пластичний матеріал для біосинтезу мікроорганізмів. Надалі при відмиранні цих мікроорганізмів утворюється гумус ґрунту, а при самоокисленні врешті-решт карбонат амонію.

Азотовмісні органічні речовини потрапляють у ґрунт не тільки у вигляді білка, але й у вигляді амінокислот та продуктів білкового обміну, зокрема сечовини. Сечовина під впливом уробактерій і їхнього ферменту урези гідролізується і також утворює амоній. Амоній надалі піддається біохімічному окислюванню за допомогою аеробних бактерій. Цей процес, що одержав назву нітрифікації, здійснюється в двох фазах: у першій фазі амонійні солі перетворюються в азотисті сполуки (нітрити) при участі бактерій з роду В. МіІгоБопотаз, у другій в азотні сполуки (нітрати) під впливом бактерій з роду В.Nitrobacter.

Таким чином, азотна кислота у вигляді мінеральних сполук (нітратів) є кінцевим продуктом окислювання білкових речовин і продуктів обміну у тваринному і рослинному організмах.

Одночасно з окисними процесами в ґрунті відбуваються і відновлювальні процеси, тобто денітрифікація.

Ступінь відновлювальної дії бактерій залежить від складу середовища, її реакцій та інших умов. У лужному середовищі і при широкому доступі повітря відновлювальний процес не йде далі утворення солей азотистої кислоти; у кислому середовищі і при утрудненому припливі кисню відновлення йде до аміаку. Денітрифікацією у вузькому значенні слова називають розкладанням нітратів і нітритів з виділенням вільного азоту. Не маючи вільного кисню або маючи його в обмеженій кількості, денітрифікуючі бактерії беруть його в солей азотної й азотистої кислот, одночасно окислюють безазотисті органічні сполуки, беручи в цьому окисному процесі потрібну їм енергію. Цей складний процес є одночасно окисним і відновлювальним.

Процес денітрифікації характеризується сильним виділенням газів, що складаються звичайно із суміші азоту і С0₂, іноді з домішкою оксиду азоту.

Гігієнічне значення денітрифікації досить важливе в зв'язку з тим, що цей процес під час роботи споруджень по ґрунтовому очищенню може бути переважним, наприклад у початковий період експлуатації полів зрошення. Позитивним моментом у цьому процесі є те, що при дефіциті кисню використовується кисень нітратів, чим запобігається забрудненню ними підземних вод. Доля нітратів, що утворилися при біохімічному окислюванні органічних речовин, зводиться до того, що частина з них засвоюється коренями рослин, частина піддається денітрифікації і, нарешті, використовується для синтетичних процесів мікроорганізмами.

Якщо в ґрунті знешкодження органічної речовини в основному здійснюється шляхом біохімічних процесів мінералізації, нітрифікації, денітрифікації і лише незначною мірою за рахунок твердих відходів та осаду стічних вод і активного мулу в штучних спорудженнях здійснюється головним чином за рахунок процесів гуміфікації при участі термофільних мікроорганізмів. Усі названі вище ґрунтові процеси мають велике санітарно-гігієнічне значення. Вони лежать в основі широко використовуваних методів ґрунтового знешкодження нечистот і відходів, зокрема біотермічного.

Біотермічне знешкодження органічних забруднень забезпечує руйнування складної органічної речовини відходів і продуктів обміну (сечовина, сечова кислота та ін.) до більш простих сполук, що потім термофільними мікроорганізмами в присутності кисню перетворюються в нову, стійку, безпечну в санітарному відношенні речовину - гумус. Одночасно відбувається знищення вегетативних форм патогенних бактерій, вірусів, найпростіших, яєць гельмінтів, яєць і личинок мух, насінь бур'янів.