Вопрос 27.

Биохимические процессы при разных значениях Eh и их влияние на свойства и состав природных вод.

Биохимические окислительно-восстановительные процессы

В биогеохимических процессах ведущую роль играют биотические реакции, характер и интенсивность которых зависит от количества и состава микроорганизмов в геологической среде. Каждый микроорганизм существует и размножается в некоторых оптимальных для него условиях. Эти условия определяются не только температурой, давлением, минерализацией и кислотностью воды, но и положением организма в трофической цепи и его функциональной ролью в данной совокупности микроорганизмов, которая определяет биоценоз (biocenosis) . В микробном биоценозе очень важны кооперативные взаимодействия, когда продукты обмена одних организмов служат субстратами для других, и т. д.. При этом каждая реакция в соответствии с тре­бованиями термодинамики должна быть энергетиче­ски выгодной для существования орга­низмов.

Главным условием, которое, как правило, объединяет разные организмы вместе, в один биоценоз, является источник энергии. Величина окислительно-восстановительного потенциала в первую очередь контролирует состав и численность биоценоза. В окислительной, переходной и восстановительной обстановках геологической среды существуют и размножаются разные, как правило, несовместимые микроорганизмы (Табл. II). Они получают энергию от разных, несовместимых окислительно-восстановительных реакций и по разному влияют на состав подземной воды.

Окислительная обстановка (oxic environment) характеризуется значениями Eh более 0,25 В. Она выделяется наличием заметных количеств кислорода O₂, самого сильного природного окислителя. Основным источником O₂ служит атмосфера, которая играет роль редокс-буфера и поддерживает его максимальное начальное содержание на уровне около 15 мг∙л^-1 (9 см³∙л^-1). Благодаря этому значения Eh в этих условиях могут достигать 0,6-0,8 вольт.

Эта обстановка характеризуется наибольшим разнообразием микроорганизмов, среди которых заметно преобладают аэробные гетеротрофы. К ним относятся такие типы бактерий, как цитофаги (Cytophaga), спороцитофаги (Sporocytophaga), коринебактерии (родов Corynebacterium, Arthrobacter, Cellulomonas, Brevibac­terium и др.), актиномицеты (Actinomycetales), миксобактерии (родов Myxococus, Archangium, Cystobacter, Melittan­gium, Stigmatella, Polyangium, Chondromyces), псевдоманады (род Pseudomonas) и другие. Эти микроорганизмы большую часть свободного кислорода расходуют на окисление мертвого органического вещества. Конечными продуктами такого окисления являются CO₂ и H₂O. Например:

гексан: С₆Н₁₄ + 9,5O₂ →6СО₂+ 7H₂O

формальдегид: CH₂O + O₂ → CO₂ + H₂O

глюкоза: C₆H₁₂O₆ + 6O₂  6CO₂ + 6H₂O

бензол: C₆H₆ + 7,5O₂ →6СО₂ + 3Н₂О

Однако, свободный кислород расходуется не только на окисление углерода. Значительные количества его переходят в связанное состояние вследствие окисления N, S и некоторых металлов, источниками которых служит как органические, так и минеральные вещества. Разложение органического вещества с азотом, серой и фосфором часто называют гниением (putrefaction), поскольку при этом происходит накопление продуктов, обладающих неприятным специфическим запахом, известных под названием "трупный". Этот запах связан с присутствием сероводорода, метилмеркаптана, первичных аминов и других летучих веществ. В гниении участвуют аэробные и факультативно анаэробные бактерии (Bacillus cereus, Bacillus Subtilis, Proteus vulgaris и др.), которые называют гнилостными (putrefactive). Используя свои ферменты эти бактерии расщепляют белки до аминокислот, а затем образуют NH₃, H₂S и CO₂.

Азот органического вещества выделяется в виде аммиака NH₃. Одна часть аммония тут же потребляется живыми организмами, другая часть взаимодействует с водой и образует аммоний:

NH₃ +H₂O+CO₂ = + .

Этот биохимический процесс вывода азота из биогеохимического цикла называют аммонификацией (ammonification). В при­сутствии O₂ аммоний быстро окисляется при участии микроорганизмов до нитрата NO₃^-. Этот биохимический процесс окисления аммиака называют нитрификацией (nitrification). Автотрофная нитрификация имеет 2 стадии. Сначала бактерии родов Nitrosomonas, Nitrosospira, Nitrosococ­cus, Nitrosolobus способствуют реакции:

+ 1,5O₂  + H₂O+ 2H⁺,

а затем бактерии родов Nitrobacter, Nitrospina, Nitrococcus ускоряют реакцию:

2 + O₂  2 .

Нитрифицирующие бактерии также способны окислять и менее доступный аммоний NH₄⁺ пород, содержание которого может достигать 100–150 г/т. При этом так же на первой стадии нитробактерии вида Nitrosospirabriensis окисляют NH₄⁺ до нитритов ; а затем Nitrobacter winograckji окисляет нитриты до нитратов . Некоторые гетеротрофные бактерии родов Arthrobacter, Flavobacterium, Xanthomonas, Pseudomonas и др. способны окислять аммиак и другие восстановленные соединения азота до нитритов или нитратов, не расходуя при этом энергию. Полагают, что это связано, как и у железобактерий, с взаимодействием соединений азота с образуемой бактериями перекисью водорода. Окисленный азот не так доступен микроорганизмам, как азот органического вещества. Поэтому реакции аммофикации и нитрификации способствуют накоплению окисленного азота в воде, т.е. удалению его восстановленных форм из биохимического круговорота.

Значительные количества кислорода тратятся на окисление серы. Большая часть этой серы поступает из минералов пород в виде самородной серы, тиосульфатов, сульфидов и абиогенного H₂S, меньшая часть из органического вещества в виде биогенных S или H₂S. Окисление этих соединений сопровождается потерей электронов в следующей последовательности:

H₂S  S⁰  SO₃^2–  SO₄^2–.

Основным конечным продуктом являются сульфаты:

2H₂S+O₂2H₂O+S₂,

S₂+3O₂+2H₂O2H₂SO₄.

Бактерии, которые участвуют в этих процессах называют тионовыми (carbothionic) иногда серобактериями, а биохимические процессы окисления серы при их участии - сульфофикацией (sulfofication). Большинство тионовых бактерий - это типичные автотрофы (Thiobacillus, Thiomicrospira, Sulfolobus и др.), которые используют полученную энергию на ассимиляцию CO₂, и не нуждаются в готовом органическом веществе. Однако для развития некоторых видов тионовых бактерий (Beggiatoa, Thiothrix, Thioploca, Achromatium, Macromonas, Thiovulum, Aquaspirillus и др.) одновременно с неорганическим донором электронов требуются органические источники углерода. Серобактерии в основном строгие аэробны. Исключением являются Thiobacillus denitrificans, которые могут существовать и в анаэробных условиях, используя в качестве акцептора электронов нитраты. Тионовые бактерии способны существовать как в кислых водах (с pH до 0,6), так и в щелочных (pH до 10). Их оптимальная температура роста 28-30 ^oC. Они широко распространены в поверхностных водах, в водах вулканические сульфидных источников, месторождений серы и сульфидных руд. Процессы окисления серы особенно активны в отношении сульфидов, в частности пирита, и способствуют накоплению сульфатов в подземных водах.

Реакции окисления неорганической серы могут протекать в присутствии сильных окислителей и без участия микроорганизмов, т.е. абиотически. Однако микробное окисление гораздо более эффективно, особенно при низких концентрациях реагентов.

Именно хемолитоавтотрофные серобактерии обнаружены в океане на глубине 2600–6000 м, в местах выхода гидротермальных растворов и их смешивания с морской водой. Вода гидротерм с температурой до 350°С совсем не содержит O₂ и NO₃ ^–, но обогащена H₂S, CO₂ , NH₄⁺ и H₂. Воды океана имеют температуру 2° С и содержит достаточно высокие концентрации O₂ и NO₃ ^– . При смешивании этих вод разного состава образуется черная взвесь, из-за которой их назвали "черными курильщиками". В смеси этих вод выделены бактерии, среди которых некоторые виды были идентифицированы, как представители родов Thiomicrospira и Thiobacillus. Эти бактерии могут служить первым звеном трофической цепи в уникальной экосистеме гидротермальных источников, обеспечивая пищей остальные виды животных. Вокруг выходов гидротерм обнаружены скопления необычных беспозвоночных животных, гигантских червей живущих в трубках (Riftia pachyptila) длиной до 2,5 м и толщиной до 5 см, крупных белых двустворчатых моллюсков Calyptogena magnified и мидий Bathymodiolus thermophilus. Червь Riftia pachyptila представляет собой замкнутый мешок без ротового, анального отверстий и пищеварительной системы. В мешке самый крупный орган — трофосома, содержит множество бактерий, окисляющих H₂S. Это типичный пример внутриклеточного симбиоза. Riftia pachyptila поставляет бактериям внутри себя необходимые для осуществления хемолитоавтотрофного метаболизма вещества (CO₂, O₂, H₂S) из внешней среды, а за это получает от них необходимые органические соединения. Моллюски C. magnifica и В. thermophilus поглощают H₂S ногой, которая погружена в источник с высокими концентрациями сульфида, и переносят его с кровью в жабры богатые тиофильными бактериями. В жабрах бактерии получают O₂ и CO₂ из проходящей морской воды. Такие сообщества живых организмов относят к наиболее древним биоценозам Земли, в которых первичными продуцентами служили не фотоавтотрофные, а хемолитоавтотрофные организмы.

Рисунок II-11. Бактерии Thiobacillus ferrooxidans на поверхности сульфидного минерала (https://www.codelcoeduca.cl/proceso/biolixiviacion/t-profundizacion.html)

Заметное количество O₂ расходуется на окисление железа и марганца. Бактерии способные окислять или накапливать железо называют железобактериями (iron bacterium). В окислительной обстановке преобладают одноклеточные эубактерии, которые используют энергию окисления железа для усвоения углерода CO₂. Реакцию окисления железа имеет вид:

2Fe²⁺ + 0,5O₂ + 2Н⁺  2Fe³⁺ + H₂O.

Такое окисление дает мало энергии, и для активного существования микроорганизмы вынуждены окислять большие количества железа. Основным представителем этих железобактерий является Thiobacillus ferrooxidans (Рис. II-74). Они относятся к группе тионовых и обладают способностью получать энергию также от окисления восстановленной серы:

2FeS₂ + 9,5O₂ → 2FeSO₄ + 2SO₄^2-+1,5O₂ →Fe₂(SO₄)₃ +SO₄^2-+1,5O₂ → Fe₂O₃ + 4SO₄^2- .

Эти бактерии размножаются в очень кислых растворах (pH менее 4,5). Их наибольшие количества (в среднем 10⁶–10⁷ кл/г) обнаружены в водах медно-колчеданных и колчеданно-полиметаллических руд. Источником энергии для них служат процессы окисления не только закисных металлов в водном растворе, но и почти всех восстановленных форм серы. Окислять закисное железо с получением энергии способны и бактерии Leptospira ferrooxidans, близкие по ряду свойств к Thiobacillus ferrooxidans, но в отличие от последних не окисляющие серу.

Некоторые бактерии не являются автотрофами, но способны накапливать окисное железо. Например, бактерии рода Seliberia являются типичными гетеротрофами и способны развиваться в средах для сапрофитных бактерий. Тем не менее, их колонии часто покрыты слоем гидроокиси железа. Можно полагать, что бактерии, разрушая комплексные соединения гумусовых кислот, освобождают их железо, и оно в виде гидроокиси оседает на колониях Seliberia. Образуемое бактериями закисное железо при отсутствии органических кислот выпадает в виде гидроокиси и накапливается в осадках . Поэтому железобактерии препятствуют накоплению железа в воде.

Наконец, аэробные микроорганизмы принимают участие в выщелачивании и растворении силикатных минералов (полевые шпаты, хлориты, смектиты, каолинит и др.) и кварца. Так автотрофные и гетеротрофные бактерии Bacillus mucilagenosus (силикатные бактерии или культура Александрова), жизнедеятельность которых протекает в мало минерализованных, практически нейтральных водах, способствуют переходу Si в раствор в виде органических комплексов и образованию впоследствии биогенного кремнезема, опала, аллофаноидов и других гипергенных минералов.

На окисление единицу массы органического вещества расходуется относительно мало кислорода. Кроме того, использованный кислород обычно восполняется с притоком свежей воды. Поэтому для полного исчерпания свободного O₂ на малых глубинах требуется достаточно много органического вещества (Рис. II-75). Когда свободный кислород расходуется почти полностью, величина Eh резко опускается до 0,25 В. При таком значении Eh практически прекращаются процессы окисления за счет O₂ и накопления CO₂, HCO₃^-, CO₃^2-, NO₃^-, SO₄^2-, HPO₄^2- , а также и окисей металлов.

Переходная окислительно-восстановительная обстановка (oxic–anoxic interfaces) характеризуется значениями Eh приблизительно от 0,25 до -0,15 В. В ее границах происходит неустойчивый, и очень резкий переход от окислительной обстановки к восстановительной. В этих условиях могут существовать как аэробные, так и анаэробные бактерии, но наиболее комфортно в этой обстановке чувствуют себя факультативные анаэробные бактерии. Микроорганизмы способные развиваться при низких концентрациях O₂ (менее 0,1 мг/л) называют микроаэрофилами (microaerophile).

При Eh ниже 0,2-0,3 В (pe 4-5) наиболее активным потребителем электронов становится нитратный азот. При активном участии факультативных анаэробных бактерий (рода Pseudomonas, Alcaligenes, Bacillus, Paracoccus, Thiobacillus denitrificans и др.) нитраты восстанавливаются до нитрита NO₂^-, а при Eh ниже 0,2 В (pe < 3,4) до аммония NH₄⁺, или даже молекулярного азота N₂:

2HNO₃ 2HNO₂2HNONH₂OHNH₃N₂.

Восстановление окисленных соединений азота до N₂ называют денитрификацией (denitrification). Упрощенная реакция этого процесса имеет вид:

5CH₂O + 4NO₃^- = 3H₂O + 4HCO₃^-+ CO₂ + 2N₂.

К денитрификации способны главным образом гетеротрофы. Энергетический потенциал от окисления, например, глюкозы с участием нитрата сопоставим с потенциалом процесса аэробного дыхания, и поэтому использование нитратов в качестве конечного акцептора электронов позволяет окислять даже некоторые органические субстраты полностью (до CO₂ и H₂O).

Многие бактерии используют нитраты в качестве источника азота. В этом случае они восстанавливают его до NH₃ и сразу ассимилируют. Этот процесс восстановления NO₃^- до аммония, который используется не как источник энергии, а как источник азота, называется ассимиляционной нитратредукцией (assimilate nitratreduction) . Денитрификация и ассимиляционная нитратредукция не связаны между собой. Многие эубактерии могут ассимилировать нитрат, но не могут осуществлять денитрификацию.

Сера в условиях дефицита O₂ продолжает окисляться тионовыми бактериями Thiobacillus denitrificans и Thiobacillus thioparus, которые в этом случае используют в качестве акцептора электронов нитраты.

К микроаэрофилам относятся и некоторые железобактерии, которые окисляют и накапливают железо и марганец, не используя их энергию. К ним относятся одноклеточные эубактерии (родов Metallogenium, Gallionella, Siderococcus). Одни из них представляют собой кокковидные клетки, от которых отходят тонкие нити или их пучки, покрытые окислами железа (Gallionella, Siderococcus и др.) или железа и марганца (Metallogenium). Другие, нитевидные хламидобактерии (родов Leptothrix, Sphaerotilus), состоят из цепочек клеток, спрятанных в чехол, на котором аккумулируется железо и марганец. В обоих случаях окисление происходит на поверхности клеток, где концентрируются внеклеточные ферменты и продукты метаболизма, что связано с присутствием перекиси водорода H₂O₂. Тем самым достигается удаление токсичной перекиси (реакция детоксикации), количество которой в определенных условиях может достигать 10–20 мг/л. Однако, окислы металлов, в том числе Fe³⁺ и Mn⁴⁺, образуют плохо растворимые гидроокиси и удаляются из воды. Поэтому размножаясь и погибая эти железобактерии способствуют накоплению окислов железа и марганца в болотах и формированию болотных руд. Коэффициент такого концентрирования железа и марганца относительно их фонового распределения может достигать величин 10⁵–10⁶.

Так как при денитрификации азот расходуется гораздо быстрее, чем O₂, да и содержание его в подземных водах не велико, с началом этого процесса величина Eh стремительно падает (Рис. II-75). В конечном итоге, при достатке органического вещества O₂ полностью исчезает, а величина Eh опускается ниже 0,1 В (pe 1,7).

При дальнейшем снижении Eh главными потребителями (акцепторами) электронов становятся железо и в меньшей степени марганц. Восстанавливать железо и марганец способны многие бактерии (рода Sulfobacillus, Acidimicrobium ferrooxidans, Desulfovibrio desulfurican, Bacillus polymyxa, Thiobacillus thiooxidans, Thiobacillus ferrooxidans и Sulfolobus acidocaldarius и др.). Большинство из них живёт в условиях ограниченного содержания или полного отсутствия кислорода. Донорами электронов служат органические соединения, водород, элементарная сера. Некоторые бактерии способны в зависимости от обстановки как окислять, так и восстанавливать железо. Наиболее простые реакции восстановления железа и марганца за счет органического вещества имеют вид:

CH₂O + 8H⁺ + 4Fe(OH)₃= 4Fe²⁺ + 11H₂O + CO₂

CH₂O + 4H⁺ + 2MnO₂= 2Mn²⁺ + 3H₂O + CO₂.

Закисное железо обладает заметно большей растворимостью, чем окисное, и частично переходит в раствор.

Содержание нитратов и железа в водах слишком низкое, и величина Eh при достатке органического вещества быстро падает до значений около 0 В и ниже.

В этих условиях при исчерпании нитратов, Fe³⁺ и Mn⁴⁺ главным потребителем электронов становится окисленная сера, преимущественно в составе . Процесс восстановления серы микроорганизмами называется сульфатредукцей (sulphatereduction), т.е. восстановления серы:

2CH₂O + SO₄^2- + H⁺ = HS^- + 2H₂O + 2CO₂

Эти реакции идут при активном участии строго анаэробных сульфатредуцирующих бактерий (Desulfovibrio, Desulfotomaculum и др.), которые получают энергию в основном за счет восстановления тиосульфатной, сульфитной, но чаще сульфатной серы до H₂S, серы и сульфидов, как правило, в щелочной среде (pH 7-9).

Начало деятельности строгих сульфатредуцирующих анаэробов означает завершение смены окислителной обстановки на восстановительную. Этот переход реализуют факультативные анаэробы и микроаэрофилы, которые превращают доступные окисленные формы азота, железа и марганца (NO₃^-, Fe³⁺, Mn⁴⁺) в восстановленные (NH₃, NH₄⁺,N₂ , Fe²⁺, Mn²⁺).

Рисунок II-12. Основные окислительно-восстановительные биогеохимические реакции и их стандартный энергетический вклад, ΔZ⁰, на моль органического углерода, согласно Jørgensen Bo Barker марганец

Типичная реакция	ΔZor окисления (кДж моль-1)	кДж моль-1 CH2O White, 14	Eo, вольты (родекс пары)	Концентрация H2, нмоль/л
Кислородное дыхание: CH2O+ O2 → CO2 (вода) + H2O	-479	-493	+0,820 (O2/H2O)
Денитрификация 5CH2O+ 4NO3− → 2N2 + 4HCO3− + CO2(вода) + 3H2O	-453	-472	+0,430 (NO3-/N2)	<0,05
Восстановление Mn4+: CH2O+3CO2+H2O+2MnO2 →2Mn2++4HCO3-	-349	-348	(Mn4+/Mn2+)
Восстановление Fe3+ CH2O+7CO2(вода)+4Fe(OH)3→4Fe2++8HCO3-+ 3H2O	-114	-103	+0,044 (Fe3+/Fe2+)	0,2
Восстановление серы 2CH2O+ SO42-→ H2S+2HCO3-	-77	-99	-0,210 (SO42-/HS-)	1-1,5
Ферментация CH3COO-+H+→CH4+ CO2 (вода)	-28			7-10
Метанообразование CO2+4H2→CH4+2H2O	-136		-0,250 (CO2/CH4)
2CH2O→CH4 + CO2(вода)		-88
3CH2O + 2N2 +7H2O → 3CO2(вода)+4NH4(OH)		-54

Восстановительная обстановка (anoxic environment) характеризуется значениями Eh ниже -0,1 В, практически полным отсутствием несвязанного кислорода и повышенным содержанием восстановленных форм соединений. В этой обстановке бескислородное дыхание становится основой жизнедеятельности микроорганизмов, среди которых большую роль играют архебактерии.

На первых этапах в этой обстановке главную роль играют сульфатредуцирующие бактерии. Они восстанавливают серу и тем самым возвращают ее в биогеохимичекий круговорот. Сульфатредукция способствует накоплению H₂S, который в щелочных условиях (при pH>7) диссоциирует, образуя HS^-. С появлением сероводорода железо и марганец образуют плохо растворимые сульфиды и выпадают в осадок. Признаками присутствия сульфатредукции служат запах H₂S и черный цвет осадков, связанный с присутствием сульфида железа. В этой обстановке характер биогеохимических процессов и состав подземных вод зависят от содержания сульфатов и органического вещества.

Когда сульфатов в подземных водах и в породах достаточно много, они играют роль второго родекс-буфера (Рис. II-75) и удерживают Eh на уровне от 0,20 до 0,25 В (pe от 3 до 4) даже при достаточно высоком содержании (до 3-4 ммолей углерода на литр воды) органического вещества, пока не будут полностью израсходованы. Вследствие этого сульфатредукция широко распространена в анаэробных условиях в рассолах подземных и морских вод. В пресных водах, с низким содержанием SO₄^2-, масштабы сульфатредукции очень ограниченные, и этот этап быстро завершается (Рис. II-75).

Сульфаты наиболее конкурентоспособные акцепторы в восстановительной обстановке и тормозят другие восстановительные процессы пока их концентрация не уподет ниже 1,0 ммоля/л. Только после того, как микроорганизмы используют весь свободный кислород, нитрат, окиси Mn и Fe, и сульфаты, и когда окислительно-восстано­ви­тель­ного потенциала опускается до значений около 0,25 В и ниже, преобладающими биогеохимическими процессами становятся брожение (fermentation) или ферментация) и метанообразование (methane formation).

Рисунок II-13. Схематическое изображение зависимости величины Eh от количества органического вещества, использованного в биогеохимических процессах. (Дривер Дж. , 1985)

Брожение – анаэробный биохимический процесс разложения органического вещества вследствие окислительно-восстановительных реакций, в которых донором (восстановителем) и акцептором (окислителем) электронов служит одно и то же органическое соединение. Вследствие брожения более сложные органические соединений (целлюлоза, органические кислоты, пурины, спирты, углеводы и т.д.) превращаются в более простые органические кислоты, ацетон, CH₄, CO₂, H₂ и т.д.. Так, например, процесс ферментации глюкозы идет в следующей последовательности:

C₆H₁₂O₆ 2CH₃COCOOH + 2H₂

CH₃COCOOH +H₂O  HCOOH + CH₃COOH

HCOOH  CO₂ + H₂

CH₃COOH  CH₄ + CO₂

Брожению способствуют гетеротрофные анаэробные бактерии, которые существуют только за счет энергии расщепления органических соединений. Например, обнаружено не менее 12 видов анаэробов способных разлагать целлюлозу. Последней элементарной реакцией в этом сложном процессе, как правило, является ферментация ацетата (уксусной кислоты) с образованием CH₄, CO₂, H₂. На этом этапе заметно повышается содержание молекулярного водорода H₂, который становится наиболее распространенным донором электронов. Очень низкие (наномоли) концентрации H₂ свидетельствуют об острой конкуренции за его электроны.

Метанообразование связано с деятельностью автотрофных бактерий, которые используют H₂ и CO₂ для синтеза метана. Такие бактерии называют метанобразующими, а метан полученный при их участии биогенным метаном (biogenic methane). Этот процесс развивается согласно следующей общей реакции:

CO₂ + 4H₂ → CH₄ + 2H₂O.

Основным источником H₂ и CO₂ служит органическое вещество. Метанобразующие бактерии рассматриваются, как обособленная группа наиболее древних архебактерий. К их важнейшим родам относятся Methanobacterium, Methanosarcina, Methanococcus, Methanospirillum, Methanosaeta. Эти бактерии развиваются в сообществе с другими, которые разлагают органическое вещество и обеспечивают их H₂ и низкомолекулярными органическими соединениями. Преобладающий интервал температур метанообразования находится от 4 до 55°C, с оптимальными температурами для большинства этих бактерий около 35°C, хотя известны виды, которые существует при температуре до 110°C.

Таким образом, в анаэробных бессульфатных условиях основным продуктом биохимических процессов становится CH₄. Он образуется либо вследствие брожения, либо вследствие восстановления CO₂. Хотя оба способа могут быть встречены, но в соленых и солоноватых водах ацетатная ферментация тормозится присутствием сульфата, а восстановление CO₂ преобладает. В пресных практически безсульфатных водах главным способом генерации метана становится ацетатная ферментация. Такое метанообразование преобладает в пресноводных анаэробных условиях болот, топей и других заболоченных территорий, которые существуют на почвах богатых органикой (т.е. тофах). Предполагается, что до 20-30% всех разведанных запасов горючих газов образовано таким образом, из которых 2/3 получено ацитатной ферментацией и 1/3 восстановлением CO₂.

Таким образом, с погружением вглубь недр аэробные биохимические процессы сменяются анаэробными по мере того как эукариоты поверхности уступают место эубактериям и архебактериям.

Однако, эволюцию живого мира в настоящее время представляется в виде пирамиды, в основании которой располагаются более примитивные эубактерии и архебактерии, обладающие наиболее широкими метаболическими возможностями и большей приспособленностью к экстремальным факторам. Более сложные эукариоты появились позже и занимают лишь вершину этой пирамиды. С геологической точки зрения наибольший интерес представляют архебактерии, среди которых в настоящее время выделено 4 царства. Практически все архебактерии термофилы, а бактерии царства Euryarchaeota являются, кроме того, галофильными метаногенами. По оценкам учёных биомасса архебактерий на планете достигает 10¹⁴ тонн, т.е. значительно превышает подсчитанную до этого биомассу всех остальных форм жизни.

В настоящее время полагают, что большую часть (более 75%) своей истории биосфера существовала при отсутствии O₂ в атмосфере и была представлена только (или в основном) анаэробными прокариотами. Цианобактерии (cyanobacteriae), или сине-зеленые водоросли, появились в Архее, не позднее чем 3,5 млрд. лет назад и стали основными производителями кислорода в древних океанах, вплоть до появления эукариотических водорослей. Прокариоты сформировали условия, в которых стало возможным существование эукариотов. Эукаритоты, клетках которых есть ядро, появились ~1,5-2 млрд. лет назад. Они потребляли CO₂, генерировали O₂ , повышали окислительно-восстановительный потенциал среды на поверхности Земли и эволюционировали от и простейших к высшим растениям, животным и человеку. Когда содержание O₂ в атмосфере выросло почти до современного уровня, начиная с 2 млрд. лет назад, анаэробный метаболизм был вытеснен с поверхности вглубь геологической среды. В случае глобальной катастрофы на Земле первыми погибнут аэробы, затем те организмы, которым необходима углекислота, и на Земле вновь воцарится мир анаэробных эубактерий и архебактерий.

Влияние биохимических процессов на состав подземных вод связано, в основном, с разложением мертвого органического вещества пород и проявляется в формировании окислительно-восстановительной зональности.