Содержание к диссертации
ВВЕДЕНИЕ 4
1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР 9
Бактериальная сульфатредукция в донных осадках 9
Сульфатредукция - основной процесс анаэробной \2 минерализации органического вещества в донных осадках
Процессы окисления и связывания сероводорода 15
V.
Соединения серы - производные бактериального
1-4- сероводорода - геохимическое проявление процесса *'
сульфатредукции
15. Общая восстановленная сера и факторы, влияющие на ее 26
накопление в донных осадках
16 Неорганические соединения восстановленной серы в водной зз
среде
Экологический аспект процесса сульфатредукции 35
Краткая характеристика изучаемых экосистем 3 8
1.8.1. Белое море 38
V.
1.8.2. Устьевая область Северной Двины 42
2. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ 48
Отбор проб 48
Определение различных форм серы в донных осадках 63
Определение форм неорганической восстановленной серы в 55 водной среде
2 4. Газохроматографическое определение восстановленной серы ^6 в воде и донных осадках
Определение различных форм железа в осадках 68
Определение общего и органического углерода и азота 68
Определение изотопного состава серы 68
3. РАСПРЕДЕЛЕНИЕ СОЕДИНЕНИЙ СЕРЫ В ВОДНОЙ СРЕДЕ 69
З і Неорганические соединения восстановленной серы в водах 59
Белого моря и устья Северной Двины
3.2. Органические соединения восстановленной серы в 78
поверхностных водах Северной Двины
4. РАСПРЕДЕЛЕНИЕ СОЕДИНЕНИЙ СЕРЫ В ДОННЫХ ОСАДКАХ
УСТЬЯ СЕВЕРНОЙ ДВИНЫ
Распределение соединений серы в поверхностном слое 84 речных осадков
Окислительно-восстановительные процессы раннего Ю2 диагенеза в толще речных отложений
5. РАСПРЕДЕЛЕНИЕ СОЕДИНЕНИЙ СЕРЫ В ДОННЫХ ОСАДКАХ
БЕЛОГО МОРЯ
5.1. Соединения серы в поверхностном слое осадков Двинского 11 g
залива Белого моря
5 2. Распределение соединений серы в донных осадах Белого J20
моря
ОБЩИЕ ВЫВОДЫ 153
ЛИТЕРАТУРА 156
Введение к работе
В настоящее время в связи с постоянно возрастающей антропогенной нагрузкой на> территории Севера России все большую актуальность приобретают исследования геохимии серы в компонентах водных экосистем Арктических морей, где в условиях низкой самоочищающей способности поведение этого элемента не только является отражением диагенетического преобразования донных осадков, а также влияет на процессы, определяющие экологическое состояние водоемов.
Сера, являясь весьма реакционноспособным элементом, в зависимости от условий среды может образовывать соединения с различным уровнем восстановленное (от +6 до -2) и, поэтому наряду с железом и марганцем может считаться своеобразным индикатором окислительно-восстановительных процессов, протекающих в водных экосистемах. При этом важно отметить, что в ряду окислительно-восстановительных превращений соединений марганца (Мп02 — Мп ), железа (FeOOH —* Fe ) и серы (S04 —» H2S), которые охватывают практически всю область окислительно-восстановительных условий, существующих в донных осадках, появление сероводорода (и его производных) свидетельствует о наиболее восстановительной обстановке. С другой стороны присутствие в водной среде свободного сероводорода - соединения крайне токсичного, не только губительно для гидробионтов, но вследствие его эмиссии в атмосферу может представлять угрозу здоровью населения, прилегающих к водоемам территорий.
Одним из уникальных природных объектов, в которых одновременно могут присутствовать соединения серы с разными степенями окисления являются донные осадки. Установлено, что ключевым процессом раннего диагенеза морских осадков является бактериальное восстановление сульфатов [16]. Именно этот процесс обеспечивает основную анаэробную минерализацию органического вещества в осадках морей и океанов, приводит к формированию нового аутогенного
комплекса железа, с которым сера тесно связана в процессах диагенеза, а также, являясь основным процессом диагенетической метаморфизации основного солевого состава иловых вод, способствует обогащению их биогенными элементами.
Сероводород, образующийся в результате сульфатредукции, трансформируется в донных отложениях в ряд различных по устойчивости соединений восстановленной серы, в виде которых она захоранивается в осадках и выводится из1 глобального кругооборота. Основными формами, составляющими общую восстановленную серу осадков, являются сульфидная (кислоторастворимые сульфиды), элементная, пиритная и органическая [99]. Микробиологические, геохимические и изотопные аспекты этого процесса, его распространение и масштабы в природе' изучены достаточно широко [16, 36]. Однако крайне немногочисленны данные по распределению соединений восстановленной серы в осадках арктических морей и, в частности, в Белом море, где геохимические исследования касались главным образом распределения основных химических элементов и в некоторой мере форм железа и марганца [65, 73, 93], а работы по геохимии серы ограничены единичными станциями в Кандалакшском заливе [123].
Геохимия серы в донных отложениях пресных водоемов изучена недостаточно. Предполагается, что для речных вод с низким содержанием сульфатов, насыщенных кислородом вплоть до придонных слоев роль процесса сульфатредукции незаметна. Имеется сравнительно большое количество данных по распространенности и численности сульфатредуцирующих бактерий и скорости процессов сульфатредукции [8, 60] и лишь отдельные сведения о составе и концентрациях соединений серы в осадках пресных озер и водохранилищ [36, 71]. Однако, известно, что на участках водотоков, подверженных сильному антропогенному загрязнению, интенсивность бактериального восстановления сульфатов может возрастать вплоть до появления в водной среде свободного сероводорода [91, 102, 107]. Наиболее ранимы с экологической точки зрения устьевые области рек, где взаимодействуют, смешиваются и трансформируются две различные по генезису водные массы - речная и морская. Кроме того, устьевые области испытывают повышенное по сравнению с верховьями техногенное
давление вследствие аккумуляции здесь загрязнений со всего водосборного бассейна. Все это справедливо для одной из крупнейших рек европейского Севера России - Северной Двины, в устье которой сосредоточен основной промышленный потенциал Архангельской области и проживает более половины ее населения.
В Белое море с речным стоком (примерно 'Л объема моря) наряду с биогенными веществами поступают и различные антропогенные загрязнители, что приводит к значительной пространственно-временной изменчивости гидрофизических, гидробиологических, гидрохимических и других параметров морской экосистемы. Предполагаемое освоение нефтегазовых и минеральных ресурсов на шельфе Белого моря неизбежно будет сопровождаться увеличением многофакторной экологической напряженности.
Таким образом, изучение поведения серы в водной среде не только морских, но и пресных водоемов представляет интерес, как с позиций геохимии, так и с точки зрения экологии.
Целью настоящей работы является изучение поведения серы в окислительно-восстановительных биогеохимических процессах, протекающих в водной среде и донных осадках Белого моря и устья Северной Двины. Для достижения этой цели в процессе исследования решались следующие задачи:
Установить количественное содержание и изучить закономерности
распределения соединений восстановленной серы в водах Белого моря и в поверхностных водах устья Северной Двины.
Изучить пространственное и вертикальное распределение соединений
восстановленной серы - производных бактериального сероводорода в донных отложениях устья Северной Двины, выявить факторы, влияющие на их накопление в речных осадках.
Установить уровень содержания и закономерности распределения форм
восстановленной серы и реакционноспособного железа в осадках Белого моря, их трансформацию и перераспределение в ходе окислительно-восстановительных процессов раннего диагенеза осадков.
Научная новизна и практическое значение.
Получены первые данные о распределении восстановленных соединений серы (сульфидов, элементной серы и тиосульфата) в водах Белого моря и устья Северной Двины, позволяющие предположить, что анаэробные процессы минерализации органического вещества начинаются уже в аэробных условиях кислородных вод. Условия благоприятные для жизнедеятельности анаэробных сульфатредуцирующих бактерий создаются в микронишах и на поверхности частиц свежего органического детрита.
Проведено изучение закономерностей распределения соединений восстановленной серы - производных бактериального сероводорода, в донных осадках устья Северной Двины. Установлен относительно низкий уровень их накопления в речных осадках, обусловленный как низким содержанием сульфатов в речных водах, так и преобладанием в торфянистых водах Северной Двины, сильно метаморфизованного органического вещества, малодоступного для микроорганизмов, участвующих в редокс-процессах. Показана значимость локального антропогенного фактора, а именно, богатых органикой серосодержащих сточных вод сульфат-целлюлозных предприятий в формировании уровня концентраций восстановленной серы в поверхностном слое донных осадков устья реки.
Проведено изучение процессов раннего диагенеза донных осадков Белого моря. В результате проведенных исследований установлено, что в восстановительных процессах раннего диагенеза происходит перераспределение в осадках серы, железа и марганца, а также изменение форм реакционноспособного железа и восстановленной серы в ходе бактериальной сульфатредукции. Выявленные особенности формирования состава этих соединений предполагают незавершенность диагенетических процессов в исследованной толще осадков, вялое течение которых обусловлено присутствием в осадках большой доли аллохтонного трудноминерализуемого органического вещества, приносимого в море речным стоком с заболоченной территории водосбора.
Данные, полученные в результате проведенных исследований, могут быть использованы для оценки экологического состояния экосистемы устья Северной Двины и Белого моря в настоящее время и как сравнительный материал при изменении антропогенной нагрузки на эти водоемы в будущем. Комплекс геохимических исследований позволил сформулировать следующие защищаемые положения:
Анаэробные процессы минерализации органического вещества в водах Белого моря и устья Северной Двины протекают уже в аэробных условиях этих экосистем . и обусловлены созданием условий, благоприятных для жизнедеятельности сульфатредуцирующих бактерий, в микронишах и на поверхности свежего органического детрита.
Присутствие в водах устьевой области Северной Двины низкомолекулярных метилсернистых соединений обусловлено их поступлением со сточными водами производства сульфатной целлюлозы.
Специфика протекания процесса бактериальной сульфатредукции и низкий уровень накопления соединений восстановленной серы в осадках устья Северной Двины связаны с низким содержанием сульфатов, значительным вкладом органического вещества лигнинно-гумусовой природы и влиянием сброса стоков сульфат-целлюлозного производства.
Особенности формирования состава восстановленной серы и форм реакционноспособного железа в толще глубоководных осадков Белого моря обусловлены незавершенностью диагенетических процессов и связаны с присутствием в составе органического вещества осадков большой доли аллохтонных трудноминерализуемых веществ, приносимых в море речным стоком с заболоченной территории водосбора.
Похожие диссертации на Соединения серы в воде и донных осадках Белого моря и устья Северной Двины
