Лекция № 7 биохимические процессы трансформации загрязняющих веществ в окружающей среде

Сегодня в городской системе стали частыми случаи «экологического бедствия» (экологического кризиса), когда наблюдаются коррозионные разрушения сооружений, памятников. Это, безусловно, связано с химическим загрязнением городской среды.

Одними из наиболее часто встречающихся в современной практике эксплуатации зданий стали повреждения, связанные с жизнедеятельностью различных патогенных микроорганизмов. По мнению специалистов, до 40 % повреждений имеют биохимическое происхождение.

В условиях городской среды биохимическая коррозия приводит к повреждению как наружных, так и внутренних стен и других частей зданий. Этому в значительной степени способствует загрязнение окружающей среды и деградация экосистемы города в целом и, прежде всего, почвенной экосистемы, что и способствует активизации и изменению механизма действия микроорганизмов. Значительное влияние на состояние геологической среды, по данным исследований, проведенных в институте литосферы Российской Академии наук, оказывают обитающие в грунтах и подземных водах микроорганизмы. Основным условием жизнедеятельности микроорганизмов является наличие в окружающей среде источников углерода, а также доноров и акцепторов электронов для проведения окислительно-восстановительных реакций, которые служат для них источником энергии.

По типу питания микроорганизмы могут быть органогетеротрофами, литоавтотрофами, органоавтотрофами. В результате техногенного воздействия в почвы, грунты и подземные воды в избытке поступают органические соединения. Следовательно, основные микробные процессы в геологической среде города определяются гетеротрофной микрофлорой, развивающейся на органике.

Сложные органические вещества разлагаются микробами-гидролитиками в аэробных и анаэробных условиях на простые, органические и неорганические соединения, которые, в свою очередь, используются другими физиологическими группами микроорганизмов. Аэробные микроорганизмы, используя в качестве акцепторов электронов кислород, образуют различные окислы. Анаэробы осуществляют гидролиз и брожение с образованием летучих жирных кислот, спиртов, водорода. Эти вещества используются другими анаэробами, которые восстанавливают неорганические акцепторы электронов (нитраты, сульфаты, углекислоту, окисленное железо и др.). При этом, в соответствии с термодинамикой процессов, преимущество получают популяции, специализирующиеся на реакциях с более высоким энергетическим выходом. При наличии нитратов преимущество получают денитрификаторы. Деятельность этой группы, как и любой другой, оценивается неоднозначно в зависимости от конкретных целей и условий. С одной стороны, процесс денитрификации может эффективно препятствовать поступлению нитратов в подземные воды, с другой стороны, одним из продуктов денитрификации является такое неблагоприятное соединение как закись азота, образующаяся при рН 5—7 и при недостатке кислорода. Если в среде отсутствуют или исчерпаны нитраты, но имеются сульфаты, активно развивается сульфатвосстанавливающая популяция. В этом случае обеспечивается минерализация исходного загрязнения, однако накапливается такое токсичное загрязнение как сероводород. Наконец, накапливание метана с использованием углекислоты метанообразующими бактериями идет после исчерпания электронов. Образующиеся газы могут поступать в аэробную зону. Водород используется водородными бактериями в реакции высвобождения гремучего газа; нитрификаторы окисляют аммиак до азотной кислоты; сероводород окисляется тионовыми бактериями до серы и сульфатов; метан утилизируется метилотрофами с образованием углекислого газа и воды. На границе окислительной и восстановительной зон в микроаэрофильных условиях развиваются микроорганизмы, главная функция которых — создание геохимического барьера и бактериального фильтра для перехвата из аэробной зоны кислорода, губительного для анаэробов и восстановленных продуктов, из анаэробной зоны.

При наличии в грунтовых водах избыточной концентрации восстановленного железа и марганца в микроаэрофильной зоне будут развиваться железобактерии, а в аэробной — марганецокисляющие бактерии, так как марганец отличается большей геохимической подвижностью и большей устойчивостью к окислению кислородом воздуха. В случае поступления избыточных количеств различных загрязнителей, а также изменения физико-химических условий окружающей среды, равновесие в микробной системе будет нарушаться с преимущественным развитием тех или иных групп микроорганизмов. При этом разложение поступающего извне загрязнителя может обеспечиваться как в аэробном, так и в анаэробном блоке микробной системы - то есть система в целом и отдельные популяции способны выполнять функцию барьера, препятствующего распространению загрязняющих веществ в окружающей среде.

В результате развития микроорганизмов в условиях интенсивного загрязнения геологической среды возникают неблагоприятные ситуации. Ярким примером негативного антропогенного воздействия служат свалки. При аэробном разложении внутри свалок накапливаются растворенные органические кислоты и окислы. Просачивающиеся через свалки поверхностные воды приобретают агрессивность из-за подкисления этими соединениями и могут растворять карбонатные породы, вызывая коррозию подземных сооружений. В случае плохой аэрации идет активное выделение таких газов как аммиак, сероводород, метан. Высокие концентрации аммиака способствуют бурному развитию нитрификаторов, для которых реакция окисления аммиака в азотную кислоту является единственным источником энергии. Эта группа микроорганизмов способна интенсивно разрушать стены и фундаменты зданий вблизи свалок. Повышенное выделение сероводорода губительно сказывается на живых организмах и усиливает коррозию металлов. Подщелачивание среды за счет удаления сульфат-аниона сульфатредуцирующими бактериями может привести к осаждению кальция и магния в воде карбонатов и изменению состава грунтовых вод. Если внутри свалки накапливается в избытке метан, то, распространяясь в прилегающих почвах, грунтах и водах, этот газ угнетает растительность за счет массового развития метилотрофов, резко снижающих концентрацию кислорода в среде, идущего на окисление метана. В близлежащих грунтах продукты жизнедеятельности активизировавшихся организмов — слизи, газы, поверхностно-активные вещества — способны изменять свойства грунтов, вызывая, например, такое явление как плывуны.

В крупных промышленных городах, кроме органики, самым мощным загрязнителем являются соединения серы, которые входят в состав выбросов почти всех предприятий. Попадая в почвы, грунты, воду, атмосферу, эти соединения вовлекаются в цикл превращений в аэробном и анаэробном блоках микробной системы. В анаэробной зоне образующийся сероводород вызывает коррозию металлов, образуя сульфиды. В аэробной зоне развиваются тионовые бактерии, вызывающие сернокислотное выветривание горных пород, кислотную коррозию металлических сооружений и строительных материалов, растворение карбонатных пород. Серная кислота способствует замещению карбонатных пород на гипс, имеющий больший объем, что может привести к растрескиванию мраморных плит и других подобных материалов. В условиях угольного голода особенно остро стоит проблема с купоросными водами, которые образуются в углях из серы с помощью тионовых бактерий. Образующаяся серная кислота выщелачивает из окружающих пород металлы, в первую очередь железо, и создает агрессивную среду. Активному развитию сульфатредуцирующих бактерий способствуют поступающие со сточными водами органические соединения.

Микроорганизмы в городах разрушают битумные покрытия в резервуарах с питьевой водой, асфальтобетонные покрытия, памятники искусства, закупоривают водопроводные трубы.