11.5. Сірка природних вод та процеси сульфатредукції

Сірка зустрічається в природі як у самородному вигляді» так і в різних сполуках та у газоподібному стані (сірководень та оксид сірки). Легкорозчинні сульфати сірки знаходяться у великій кількості в морській воді.

Сірка — один з незамінних компонентів при синтезі білків в організмі тварин та утворенні сірковмісних органічних речовин у рослин. Сіркобактерії можуть окиснювати сірководень (Н₂S) 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 ґрунтів. Сульфати можуть надходити у водойми при хімічному вивітрюванні та вимиванні з таких мінеральних покладів, як гіпс (CaSO₄*2H₂O), ангідрит (CaSО₄) та барит (BaSO₄). При вилуговуванні солончаків води також збагачуються сульфатними іонами.

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

Хоча сульфати добре розчинні у воді, 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 (Орель, Самара, Конка та ін.).

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. У водних екосистемах йде також процес сульфатредукції.

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

2 SO₄^2- + 4 С + З Н₂О = H₂S^- + HS^- + СО₂ + З 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 ґрунтів 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 мінералізованіша і щільніша, ніж верхнього. У таких водоймах циркуляція охоплює тільки поверхневий шар води меншої щільності. Чорне море належить до числа найбільших у світі мероміктичних водойм. У ньому на глибині 150—250 м проходить хемоклин, який розділяє розпріснений і збагачений киснем міксолімніон (верхній шар) і у 10 разів більший за нього монімолімніон, або нижній шар води, який не перемішується.

У водоймах з добрим кисневим режимом сульфатредукція відбувається тільки в товщі мулових відкладень. При цьому чорний колір донних відкладень 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, тому вони виявляють високу чутливість до його наявності у воді. Так, поліхети Nereis zonata, Phyllodoce tuberculata, гіллястовусі рачки Daphnia longispina та багато інших не витримують навіть слідових концентрацій сірководню у воді. Більш стійкі до сірководню донні поліхети Nereis diversicolor, черви Capitella capitata та деякі інші бентонти, які живуть у товщі донних відкладень, де відбувається гниття органічних речовин. Винятково стійкий до сірководню рачок Artemia salina. Токсичною концентрацією для її молоді є 76,8 мг/дм³, а для дорослих -109 мг/дм³. Риби, особливо молодь, мають підвищену чутливість до сірководню.