§ 6.4. Внутриводоемный круговорот пероксида

ВОДОРОДА И РЕДОКО-СОСТОЯНИЕ

ВОДНОЙ СРЕДЫ

Одним из измеряемых в гидрохимии параметров природной воды является ее окислительно-восстановительный (редокс-) потенциал Eh-Эта термодинамическая по своей сути характеристика отражает сум­марное относительное содержание в водной среде окислительно-восста­новительных реагентов. Поскольку в воде обычно присутствует раство­ренный кислород, потенциал платинового электрода, помещенного в воду, имеет положительный заряд по сравнению с водородным элект­родом сравнения. Иначе говоря, среда окислительная. Отрицательное значение редокс-потенциала имеет место лишь в анаэробной среде, когда вместо Ог в воде присутствует, например, H₂S. Эту ситуацию можно охарактеризовать как восстановительную или даже сверхвосста­новительную.

207

Реальная природная вода находится не в термодинамическом, а в динамическом окислительно-восстановительном равновесии в том смысле, что окислительные и восстановительные реагенты в ней посто­янно образуются и взаимопревращаются. При этом можно различать по крайней мере две редокс-подсистемы, основанные на участии в окислительно-восстановительных процессах молекулярного кислорода (медленно устанавливающееся равновесие) и пероксида водорода (быс-трореагирующая подсистема).

Измеряемое значение Eh при этом определяется процессами, проте­кающими главным образом в "медленной" подсистеме.

При рассмотрении окислительно-восстановительных процессов в природных водах присутствие в аэробной водной среде пероксида водорода следует рассматривать как само собой разумеющееся, по­скольку Н₂С>2 — промежуточный продукт круговорота кислорода в окружающей среде. Образование ЩОг на пути восстановления Ог до воды практически неизбежно, за исключением частных случаев.

Первое сообщение об обнаружении Н2О2 в природной воде (в водах Мексиканского залива) было сделано американскими гидробиологами Бааленом и Марлером в 1966 г. Концентрация пероксида водорода была незначительной, порядка 10"⁷ М, и сообщение Баалена и Марле-ра не привлекло широкого внимания ученых. Исключение составил советский ученый В.Е. Синельников. Он изучал явление хемилюминес-ценции в природных водах и применил метод хемилюминесценции для измерения малых концентраций Н2О2.

В конце 60-х — начале 70-х годов В.Е. Синельников провел большое число измерений содержания Н2О2 в различных природных водах нашей страны, главным образом на Волге. Везде и всюду пероксид обнаруживался, хотя концентрация его изменялась в широких пределах, достигая в ряде случаев 10"⁵ М. На основе большой совокупности полученных данных В.Е. Синельников приходит к выводу, что пероксид водорода является неотъемлемым компонентом природной водной среды.

С начала 80-х годов интерес к природному пероксиду водорода резко возрос, появилось множество публикаций по измерению Н₂Ог в объектах водной среды. Обнаружение Н₂02 в природных водах уже не кажется удивительным, скорей удивительно, если его нет.

Много Н₂Ог в атмосферной влаге. В дожде содержание Н₂Ог дости­ гает 10~⁴ М, в снеге — 10"⁵ М. Исследования, проведенные в Гренлан­ дии, показали, что Н2О2 содержится даже в ископаемых льдах, возраст которых исчисляется десятками тысяч лет. Это позволило сделать вывод, что в атмосферной влаге в аэробной среде пероксид водорода всегда присутствовал. Вместе с осадками пероксид водорода поступал 208 /

и на сушу, и в поверхностные воды суши. Пероксид водорода образу­ется в природных водах и в результате внутриводоемных процессов.

Рассмотрим более подробно процессы, приводящие к образованию Н2О2 в природных водах.

1. Упомянутое уже поступление из атмосферы в виде "готового" Н₂0₂. Измерения, проведенные американскими исследователями в Атлантическом и Тихом океанах, показали, что после дождя содержа­ние Н2О2 в поверхностных водах океана резко возрастает, но в течение нескольких часов уменьшается до некоторого стационарного уровня, обусловленного внутриводоемными пррцессами. Этот уровень претерпе­вает суточные колебания, что указывает на роль солнечного излучения в образовании Н2О2.

2. Основную роль в образовании Н₂0₂ в природных водах играет солнечный свет, под действием которого образуется супероксидный радикал:

Н0₂ + О' ~» 0₂ + НО" (1)

Исследования с применением фермента супероксиддисмутазы и акцеп­торов Or-радикала показывают, что супероксидный радикал является предшественником большей части Н₂0₂, образующегося в природных водах при воздействии солнечного УФ-света.

3. Возможно двухэлектронное восстановление 0₂ до Н₂0₂ в редокс- каталитическйх процессах по реакции

0₂ + DH₂ fo²*/⁰¹¹* » _D + н₂0₂ (2)

Конечно же в редокс-каталитических процессах пероксид водорода может образовываться и через одноэлектронные стадии восстановле­ния 0₂ и тогда его предшественником вновь будет супероксидный радикал.

Отмеченное В.Е. Синельйиковым увеличение содержания Н₂0₂ в зоне выброса неочищенных городских сточных вод указывает на то, что вклад каталитических процессов' окисления легкоокисляемых органических веществ в образование Н₂0₂ может быть существенным.

4. Биологическая эмиссия служит наиболее существенным источни­ ком Н₂0₂ при наличии в воде микроводорослей. Известны многие виды водорослей, выделяющие Н₂0₂ во внешнюю среду в процессе фотосинтеза. Практически все микроводоросли продуцируют Н₂0₂ при действии УФ-составляющей солнечного излучения. Происходит это вследствие протекания внутриклеточных фотохимических реакций с участием светочувствительных водорастворимых компонентов клетки.

Образующиеся под действием УФ-света радикалы 0₂ рекомбинируют

209

в клетке (с участием супероксиддисмутазы) и избыточный пероксид водорода выводится во внешнюю среду.

Помимо микроводорослей известны некоторые бактерии, выделяю­щие Н2О2 во внешнюю среду в процессе жизнедеятельности.

5. К образованию Н₂0₂ могут приводить некоторые гидроперокси-ды, образующиеся в фотохимических и каталитических процессах при окислении органических веществ синглетным кислородом или свобод­ными радикалами:

(3)

Содержание ROOH в природных водах обычно примерно в 10 раз меньше, чем Н2О2.

В общем виде скорость образования Н₂0₂ в природных водах скла­дывается из абиотического и биотического вкладов и может быть представлена в виде

wf — Wf_ti + аз/_>2Д

где tu/д

Л7⁷[Н_г0₂],М

скорость абиотических реакций образования Н₂0₂; аз/_>2 —

эффективная константа скорости образования Н₂0₂ в биотическом ка­нале; В — биомасса мик­роводорослей.

Содержание пероксида водорода в водной среде изменяется в течение суток (рис. 26), что сви­детельствует о протека­нии наряду с образова­нием также и процессов разложения Н₂0₂. Раз­мах суточных колебаний и средний уровень со­держания Н₂0₂ в водной среде зависят от сезона (температура), погодных факторов (солнечный свет) и гидрологических особенностей водоема (проточность, эффективность перемешивания слоев воды и т.д.).

Если добавить пероксид водорода в природную воду, то скорость его распада зависит от многих факторов, прежде всего от присутствия микроводорослей и от интенсивности солнечного излучения. В филь-> 210

трованной воде скорость разложения Н₂02, как правило, крайне низка. На солнечном же свету в нефильтрованных пробах она даже ниже, чем в темноте. Последнее обстоятельство связано с тем, что скорость обра­зования Н2О2 при фотолизе водорослей выше, чем скорость ее фотохи­мического разрушения.

В фильтрованных пробах основной процесс разложения Н₂0₂ — его каталитический распад на содержащихся в воде ионах меди и железа, а также фотохимическое разложение.

10^sw₀,M4

В нефильтрованных пробах скорость разложе­ния Н2О2 пропорциональ­на биомассе микроводо­рослей и сопутствующих им бактерий. Характер­ная особенность кинетики разложения Н2О2 в при­родных водах — осуществ­ление двух процессов: первого и нулевого поряд­ка по концентрации Н2О2 (рис. 27).

Реакция первого по­рядка дает больший вклад при высоких кон­центрациях Н2О2. Нали­чие двух процессов связа­но с действием различных ферментативных систем микроорганизмов. Реакция первого порядка обусловлена вкладом каталазного процесса разложения Н2О2 до кисло­рода и воды. Механизм реакции нулевого порядка более сложен. Хотя в разрушении Н2О2 непосредственно участвует пероксидаза, но субст­раты пероксидазного окисления поставляются дегидрогеназными реак­циями, в ходе которых образуются вещества восстановительной приро­ды — доноры Н. В стационарных условиях скорость реакции разложе­ния Н2О2 нулевого порядка определяется скоростью образования вос­становителей, взаимодействующих с Н2О2 с участием пероксидазы в качестве катализатора.

Скорость биологических реакций разрушения И₂Ог как первого, так и второго порядка пропорциональна биомассе водорослей:

Щ = («41 + 8е₍£₍₂[Н₂0₂])Д

причем

211

эе^д В = щ ~ аэ_гД

где аэ^ь md,2, «г — эффективные константы скорости соответствующих процессов; w_r — скорость образования восстановительных эквивалентов — перехватчиков Н₂0₂ в дегидрогеназных реакциях, пропорциональ­ная биомассе водорослей.

Если природную воду или культуру водорослей одновре­менно подвергать воздействию солнечного УФ-излучения и добавлять туда разные коли­чества Н2О2, то по прошествии некоторого времени независи­мо от исходной концентрации Н2О2 в воде установится при­мерно одна и та же стационар­ная концентрация Н2О2 (рис. 28). Может быть подобрана такая исходная концентрация Н₂02, при которой она не изменяется во времени. Значе­ние этой стационарной кон­центрации сильно зависит от вида водорослей или состава природного альгоценоза. В случае водорослевых культур стационарная концентрация достигает 10"⁵ — 3 • 10~⁵ М и, по-видимому, соответствует содержанию внутриклеточной Н2О2 при воздействии УФ-излучения.

Стационарная концентрация Н₂02 в водной среде в естественных условиях определяется из равенства скоростей ее образования и разру­шения. Приравнивая выражения для этих скоростей, легко получить

или, опуская абиотический вклад в образование Н2О2 (при аэ^д ^w эег)> находим

Наличие разности двух величин в этих выражениях указывает на возможность реализации двух принципиально различных состояний природной водной среды (если разность положительна, то поток Н2О2 превышает поток восстановителей; если отрицательна — поток восста-

212

новителей превышает поток реакционноспособных окислительных эквивалентов).

Следует подчеркнуть, что восстановительные эквиваленты, проду­цируемые биотой, могут более эффективно окисляться пероксидом водорода, чем растворенным кислородом. В противном случае эти восстановители служат дополнительным источником Н2О2 в водной среде:

DH₂ + 0₂ -+ D + Н₂0₂ (4)

DH₂ + Н₂0₂ -► D + 2Н₂0 (б)

Например, аскорбиновая кислота каталитически окисляется кисло­родом воздуха более эффективно, чем пероксидом водорода. Соответ­ственно при окислении ее кислородом в среде накапливается Н₂Ог. Напротив, гидрохинон более эффективно окисляется пероксидом водорода. При каталитическом окислении гидрохинона кислородом воздуха Н₂Ог в среде не накапливается.

Поскольку стационарное содержание Н₂02 в природных водах применено на два порядка ниже, чем растворенного 0₂, восстановите­ли, регулирующие содержание в водной среде Н₂02, должны окислять­ся кислородом по крайней мере на два порядка менее эффективно, чем пероксидом водорода. При низкой природной концентрации ката­лизаторов, в частности ионов меди, такой относительный выигрыш в эффективности процессов окисления Н₂0₂ по сравнению с 0₂ может быть объяснен тем, что восстановление Ог, как правило, требует учас­тия двух восстановленных ионов металла, тогда как восстановление Н₂0₂ — одного.

При преобладании потока восстановителей над потоком Н₂0₂ ста­ционарная концентрация DH₂ будет превышать концентрацию перок-сида водорода. В этом случае при определении окислительно-восстано­вительных эквивалентов "быстрой" подсистемы методом титрования вместо окислителя (Н2О2) будет обнаруживаться восстановитель (DH₂). Наиболее наглядно качественное различие между двумя редокс-состоя-ниями водной среды следует из сравнения графиков титрования проб воды пероксидом водорода (рис. 29).

В том случае, если отрезок отсекается на оси ординат (в воде при­сутствует Н₂0₂ природного происхождения), речь идет о нормальном окислительном состоянии среды. Если же отрезок отсекается на оси абсцисс, то можно говорить о квазивосстановительном состоянии аэ­робной водной среды. Приставка "квази" указывает на временный характер такого состояния, поскольку при наличии в воде растворен­ного кислорода рано или поздно (в замкнутой "медленной" подсисте­ме) произойдет окисление всех восстановительных эквивалентов.

213

Продуцентами восстановителей, формирующих квазивосстанови­тельное редокс-состояние среды, являются сине-зеленые водоросли. В их присутствии более выражен нулевой порядок в разложении ЩОг (см. с. 211). Кроме того, эти водоросли "не любят" Н2О2: пероксид водорода даже цри концентрации 10~⁶—10"⁵ М заметно подавляет фо­тосинтез сине-зеленых водорослей. По-видимому, с целью нейтрализа­ции токсичного действия Н₂Ог эти водоросли и приспособились синте­зировать вещества-восстановители, эффективно взаимодействующие с пероксидом водорода (рис. 30).

214

Видно, что в темповых условиях в природной воде при конкурент­ной борьбе сине-зеленых водорослей за среду обитания идет процесс накопления веществ-восстановителей, титруемых Н₂02- Скорость обра­зования DH₂ зависит от экологической обстановки и изменяется в ши­роких пределах.

Природа восстановителей пока не ясна, но известно, что среди них присутствуют серосодержащие (тиольные) соединения.

Особенностью тиольных соединений является взаимодействие их с ионами меди, сопровождающееся восстановлением Си²⁺ в Си⁺ и обра­зованием прочных, малореакционношособных комплексов с Си*. Так,. механизм окисления глутатиона (GSH) — одного из природных восста­новителей, регулирующих внутриклеточные редокс-процессы, — ионами меди в присутствии 0₂ и Н2О2, — описывается следующими реакциями:

Из реакций (6)—(10) видно, что при низких концентрациях меди скорость окисления глутатиона кислородом воздуха может быть гораз­до меньше, чем пероксидом водорода. Фактически глутатион инактивирует медь, выводя ее из каталитического редокс-цикла. Соответст­венно при формировании в природной воде квазивосстановительных условий значительно снижается способность водной среды к самоочи­щению (см. гл. 7).

Переход от нормальных окислительных условий к квазивосстанови­тельным сопровождается значительным изменением качественных характеристик природной водной среды. В то же время стандартные гидрохимические характеристики ее, такие, как рН, Eh, 0₂, ХПК, БПК и другие, не претерпевают сколь-нибудь заметных изменений.

Происходит такой переход обычно в водоемах, подверженных цве­тению сине-зеленых водорослей, незадолго до их массовой вегетации при повышении температуры до 18—20° С, при безветренной погоде. Образующийся в фотохимических процессах пероксид водорода в квазивосстановительной среде расходуется на "титрование" восстано­вительных эквивалентов, выделяемых сине-зелеными водорослями.

Наиболее существенное следствие изменения редокс-состояния водной среды заключается в появлении в воде не известных ранее

215

факторов токсичности. В качестве биотестов могут быть взяты инфузо­рии, дафнии, личинки рыб на самых ранних стадиях их развития. Так, инфузории Tetrahymena pyriformis, клетки которых делятся каждые 5 ч, при острой токсичности погибают в течение часа, а при хронической выживают, но заметно снижается их способность к разм­ножению. Если к остротоксичной пробе воды добавлять малыми пор­циями Н₂0₂, то токсичность ее постепенно снижается и после оттитровывания восстановительных эквивалентов среда становится биологи­чески полноценной. Тем самым можно говорить о факторе редоке-токсичности водной среды.

Если в качестве тестовых организмов рассматривать личинки рыб, то они реагируют на редокс-состояние не сразу, а накапливают токси­ческий эффект, который наиболее остро проявляется при переходе личинок на жаберное дыхание. Фактически личинки задыхаются при наличии в среде достаточного количества растворенного кислорода. Другими словами, при формировании в воде, в которой находятся личинки, квазивосстановительных условий они теряют способность усваивать кислород. Если в эту воду ввести ионы меди (в количестве, превышающем количество восстановителя), то личинки нормально развиваются. Снимается эффект токсичности и при периодических (для непрерывного поддержания окислительных условий среды) до­бавках Н₂(>2 в исходных концентрациях порядка 10"⁴ М. Эти наблюде­ния показывают, что в квазивосстановительной среде возникает дефи­цит по биологически доступной меди, участвующей в формировании активных центров дыхательных ферментов.

И дефицит Н2О2 в среде сам по себе также может быть токсичен для личинок рыб. Участие экзогенного (наружного) пероксида водоро­да в процессах жизнедеятельности личинок было установлено на неко­торых видах рыб в аквариумных опытах.

В течение многих лет невольным участником крупномасштабного токсикологического "эксперимента" являлся Волгоградский осетровый рыбоводный завод (ВОРЗ), построенный в целях компенсации ущерба, причиненного строительством Волгоградской ГЭС естественному вос­производству этой ценной породы рыб. Известно, что 90% мировых запасов осетровых сосредоточены в Волго-Каспийском регионе и их естественные нерестилища расположены в основном на Нижней и Средней Волге. Стада осетровых (осетр, белуга, севрюга) собираются под Волгоградской плотиной и вынуждены нереститься в малопригод­ных для этого местах. Часть производителей (самцов и самок) отлав­ливают и с помощью специальных рыбоводных методик получают созревшую икру, искусственно ее осеменяют и разводят сначала личи­нок, а потом молодь рыб в рыбоводных прудах. 216

Многолетние наблюдения показали, что выживаемость личинок в течение рыбоводного сезона сильно меняется в зависимости от редокс-состояния водной среды. Усредненная качественная картина сезонного изменения выхода личинок, перешедших на смешанное питание, пред­ставлена на рис. 31, из которого видно, что, пока в воде есть Н₂0₂ (среда окислительная), выживаемость личинок близка к 100%. В пери­од неустойчивого редокс-состояния внешней среды (днем Нг0₂ появ­ляется, к утру исчезает) выход личинок резко снижается. Когда среда полностью переходит в квазивосстановительное состояние (НгСЬ не обнаруживается и днем), -то выход личинок в этих условиях близок к нулю.

Сроки наступления и продолжительность периодов неустойчивого и квазивосстановительного состояния среды могут меняться от сезона к сезону, но качественный характер сохраняется.

Считается, что непосредственной причиной (или ближайшим след­ствием) гибели личинок является нарушение у них жироуглеводного обмена: жир не перерабатывается в гликоген, и личинка погибает, когда исчерпываются материнские запасы гликогена. Не исключено, что личинки, выжившие в условиях неустойчивого редокс-состояния среды, несут в себе отпечаток от этого периода (несбалансированность жироуглеводного обмена) всю жизнь. И этот дефект может проявиться в следующие периоды жизни особи, когда единственным источником энергии становятся жировые запасы, например в преднерестовый период. Не исключено, что отмечающееся в последние годы расслое­ние мышечной ткани (жировыми прослойками) у производителей

217

осетровых — следствие перенесенного ими в личиночной стадии дефи­цита Н2О2 и биологически доступных ионов меди.

До начала 70-х годов пероксид водорода в волжской воде всегда обнаруживался. В начале 80-х вместо Н₂Ог в воде стали находить вещества-восстановители, титруемые пероксидом водорода. Если при­нять, что массовая гибель личинок связана с формированием в воде квазивосстановительных условий, то состояние волжской водной среды начало "менять знак" в 1976 г., когда это явление было впервые отме­чено на ВОРЗе. Именно в этом году были введены в строй сооружения биологической очистки наиболее крупных городов в бассейне р. Вол­ги.

Оказалось, что в заводских условиях можно успешно бороться с этим новым токсичным фактором, добавляя в воду, в которой выра­щиваются личинки, пероксид водорода и ионы меди (в нетоксичных концентрациях). При таком искусственном поддержании окислитель­ного состояния среды личинки нормально развиваются, переходят на активное питание и в выростных прудах быстро набирают вес. Жиро-углеводный обмен у таких личинок протекает нормально — жир пере­ходит в гликоген.

Гораздо хуже обстоит дело с естественными водоемами. Ведь те же заводские личинки, помещенные в волжскую воду, погибали. Перокси-да водорода для поддержания окислительного состояния всей реки не напастись. Здесь нужны другие подходы: как вернуть внутриводоем-ным редокс-процессам необходимый для нормального функционирова­ния водной экосистемы баланс?

Не только осетровые, но и другие виды рыб, нерестовый период которых приходится на период формирования квазивосстановительных условий среды, обречены на резкое сокращение воспроизводства. Во всяком случае на заводах по искусственному разведению растительно­ядных рыб также участились случаи повышенных отходов — гибели производственных партий личинок при формировании в воде'квази­восстановительных условий среды.

Возникновение этих условий предшествует бурному развитию сине-зеленых водорослей. По-видимому, вещества-восстановители представ­ляют собой одну из разновидностей альготоксинов (см. § 6.2). Одним из следствий изменения редокс-состояния среды является развитие в квазивосстановительной среде патогенной микрофлоры. Так, с расп­ространением возбудителей чумки в период "цветения" сине-зеленых водорослей связана гибель балтийских и байкальских тюленей. Види­мо, и другие проявления ухудшения санитарно-токсикологической обстановки в водах, подверженных "цветению" сине-зеленых водорос­лей, связаны с расбалансировкой внутриводоемных редокс-процессов. 218

Токсикация водной среды в отношении аэробных водных организ­мов на личиночной стадии их развития или микроорганизмов с интен­сивным водообменом с внешней средой может быть связана с действи­ем одного или нескольких факторов редокс-токсичности.

1. Непосредственное действие восстановителя как токсиканта (бло­кирование активных центров окислительно-восстановительных фермен­тов, нарушение внутриклеточного редокс-равновесия и др.).

2. Перевод меди в биологически недоступную форму и, как след­ствие, возникновение дефектных ферментных систем (апоферментов).

3. Отсутствие в среде Н₂Ог как экзогенного окислителя, участвую­щего при нормальных условиях в пероксидазном окислении эндоген­ных субстратов на ранних стадиях развития водных организмов до формирования ими собственных систем пероксидазного окисления.

4. Снижение способности водной среды к самоочищению и связан­ное с этим возможное накопление токсических веществ (фенолов, аминов, нитратов и др.), которые были бы окислены при наличии в среде цероксида водорода.

б. Создание благоприятных условий для возникновения и размно­жения патогенной микрофлоры,