тв, они развиваются там, где нет органических веществ, используя в качестве источника углерода (С) углекислоту (С02). Однако окисление железа не является эффективным способом получения энергии: для продуцирования 1 г клеточного углерода должно быть окислено примерно 220 г Fe2+. В результате там, где живут железо-окисляющие бактерии, образуются большие отложения оксида железа (III).

В середине 1980-х годов 10% ручьев, питаемых грунтовыми водами в северных Аппалачах (США), имели кислую реакцию из-за влияния кислых рудниковых дренажных вод. Подкислен-ние поверхностных вод, вероятно, усилится в таких странах, как Великобритания, где в результате энергетической политики правительства возникает большое количество заброшенных рудных разработок, часто в географически ограниченных областях.

Fe2Si04(„) + Vi 02W + 5H2Ow (фаялит) Fc(II)

Восстановленные железосодержащие силикаты, например некоторые оливины, пироксены и амфиболы, также могут претерпевать окисление, как было описано для богатого железом оливина, фаялита:

? 2Fe(OH)3(™) + ВДСчомш). Fe(!ll)

(3.9)

Продуктами являются кремниевая кислота (H4Si04; см. ниже) и коллоидный гидроксид железа [Fe(OH)3], слабое основание, которое при дегидратации дает ряд оксидов железа, например

'> Окисление железа при рН > 4 обычно осуществляют бактерии Galionella, Leptothrix с образованием минерала гидрата окиси железа — ферригидрита, который служит ключевым соединением в цикле железа. Ферригидрит спонтанно превращается в гетит. — Прим. ред.

86 ГЛАВА 3

НАЗЕМНАЯ СРЕДА 87

Fe20j (гематит — темно-красного цвета), FeOOH (гетит и лепи-докрокит — желтого цвета или цвета ржавчины). Частая встречаемость этих оксидов железа говорит об их нерастворимости в окислительных условиях земной поверхности.

Присутствие воды ускоряет окислительные реакции, о чем свидетельствует ежедневно наблюдаемое явление окисления металлического железа (ржавчина). Вода действует как катализатор, окислительный потенциал зависит от парциального давления газообразного кислорода и кислотности раствора. При рН 7 вода в контакте с воздухом имеет Eh порядка 810 мВ (см. вставку 3.5) — окислительный потенциал, намного больший того, который необходим для окисления закисного железа.

ВСТАВКА 3.6. Кинетика реакций, энергия активации и катализаторы

Некоторые восстановленные соединения могут быть устойчивыми в температурных условиях поверхности Земли, несмотря на присутствие атмосферного кислорода. Например, графит является восстановленной формой углерода, и можно ожидать, что он будет реагировать с кислородом, т. е.:

Сграфит + С*2(г) ~> СОзО). (1)

Хотя реакция кислорода с графитом энергетически выгодна, графит тем не менее существует, поскольку эта реакция протекает очень медленно кинетически. Многие природные соединения находятся вне равновесия с их окружающей средой и вступают в реакции крайне медленно. Эти вещества метастабильны. Метастабильность можно проиллюстрировать, используя энергетический график химической системы, в которой вещества А и В взаимодействуют с образованием веществ С и D (рис. 1). Для осуществления реакции А и В должны войти в тесный контакт, что обычно требует притока энергии (энергия активации). В холодных условиях (низкая энергия) лишь у небольшого числа молекул А и В случайно окажется энергия, достаточная для преодоления энергии активации, но это редкое явление, и реакция будет протекать медленно. Если повысить энергию реагентов (например, повысив температуру), реакция сможет протекать быстрее, поскольку большее число молекул А и В будут иметь требуемую энергию активации.

Альтернативным способом повышения скорости реакции является снижение энергии активации. Это можно осуществить с помощью катализатора, т. е. вещества, которое изменяет скорость реакции, само при этом не изменяясь. В нашей гипотетической реакции катализатор позволит молекулам А и В соединиться быстрее. В природной среде бактерии и их ферментативные системы часто катализируют реакции,

которые иначе не смогли бы протекать спонтанно из-за «нетических ограничений. Вода может также выполнять роль катализатора, способствуя более тесному контакту ионов, чем это было бы в ееотсутствие.

Энергия акпеации

Реакция А+В «C+D АВ

Рис. 1. Схематичное изображении энергии химической системы.

Окисление органического вещества. Окисление восстановленного органического вещества в почвах катализируется микроорганизмами. Опосредованное бактериями окисление мертвого органического вещества до С02 важно с точки зре-шя образования кислотности. В биологически активных (биотичных) почвах концентрация СО; может в 10-100 раз превышать ожидаемую при равновесии с атмосферным С02: приводя к образованию угольной кислоты (Н2СОз) и Н+ при ее диссоциации; чтобы упростить уравнения, органическое вещество представлено обобщенной формулой для углевода, СН20:

СНА,,, + 02(Г) -> CO№) + НАЖ), (3.10)

СОвд + H2Ow <-> Н2СО,(юдн), (3.11)

Н^СС^ВАДН) «-> Н(ВОДН) + НСО^ВОДН). (3.12)

Эти реакции могут понизить водный рН почв от 5,5 [зна