Микробиологическая продукция метана
В природных условиях метан образуют высокоспециализированные анаэробные микроорганизмы - метаногены (описано> 70 видов метаногенов).
Субстраты - уксусная кислота, метанол, метиламин являются продуктами жизнедеятельности целого сообщества других анаэробных микроорганизмов – деструктов, осуществляющих разложение мертвого органического вещества.
Метанобразующие бактерии обитают в болотах, на дне прудов и озер, в илистых отложениях морского дна и в почвах (некоторые живут в пищеварительном тракте высших животных и насекомых). Огромное количество их находится на сезонно затопляемых территориях (амфи-биальные ландшафты)
Основная часть метана (60-85%) не достигает поверхности водоемов вследствие поглощения аэробными метанокисляющим бактериями – метанотрофами. Совокупность микробиологического образования и окисления метана называют циклом Зенгена (микробиолог (1905-1910 гг)).
А - диффузия из донных отложений, с почти полным окислением в водном слое;
Б - диффузия с частичным окислением;
В - выделение метана на мелководье;
Г – транспорт метана через стебли и листву;
Д – сезонные источники и стоки метана;
Е – почвенный сток метана.
Таким образом, выход из зоны генерации в атмосферу обусловлен возможностью прорыва метана через стоящий на его пути эффективный бактериальный фильтр, образованный анаэробными бактериями (метанотрофами).
Наименее это возможно в глубоководных водоемах (поток метана из Мирового океана <10 тг/год). Большой вклад - болота (~30 тг/год). Легче всего происходит при высоких температурах: (водородный метаногенез). Метановые газогидраты (клатраты). Это снегоподобные структуры, в которых метан включает в кристаллическую решетку воду.
В 1 м3 такого образования может быть до 170м3 метана (углерод в них микробиологического происхождения) - вечная мерзлота - (~5 тг/год)
Один крупнейших микробиологических источников метана - это рисовые поля. Часть метана (не задерживают метанотрофы) мигрируют через корневую систему и стебли риса и попадают в атмосферу. (40-80 тг/год)
Микробиологическим образом функционируют также такие анаэробные объекты как иловые площадки - накопители осадков сточных вод, отходы животноводства и бытовые отходы.
Источники атмосферного метана
Категория и тип источника: Мощность тг/год
Природные:
амфибиальные ландшафты 115 100-200
океаны 10 5-20
болота 30 20-60
газогидратные образования
(вечная мерзлота) 5 0-5
с/х животные 80 65-100
рисовые поля 60 20-150
разложение с/х отходов 25 20-30
Антропогенные:
угле-,газо-,нефтедобыча (до 100) 40 70-120
энергетика 28 20-80
свалки бытовых отходов 30 20-70
иловые площади бытовых 25 0-25
стоков
Итого 513
Окисление метана в стратосфере служит одним из главных источников водного пара, СО2 и НО2· (гидропероксидный радикал). Метан равномерно распределяется по тропосфере, однако наблюдаются сезонные флуктуации; [CH4] больше весной и осенью, меньше зимой и летом. Безусловно, содержание СН4 в воздухе крупных городов превосходит фоновое.
Алканы
- В летучих выделениях наземных частей культурных растений есть алканы: ячмень, сахарный тростник, апельсин, лимон, гречиха, томаты, свекла, хлопчатник.
- В вулканических газах (присутствие СН4 в фумарольных газах впервые было обнаружено еще в 1866г).
- Дымовые газы природных пожаров содержат СН4 и алканы С2 – С7. Метан – один из основных газообразных продуктов, выделяющихся при горении древесины в условиях недостатка кислорода. Это ~ 45 тг/год + 28 тг/год при сжигании ископаемого топлива.
- Алканы составляют ~ 50% выбросов углеводородов в атмосферу, в состав обратных газов входит ~ 500 органических соединений.
- Алканы составляют самое большое количество углеводородов, обнаруженных в отработавших газах автомобилей с бензиновыми двигателями. Это основной загрязнитель атмосферы городов органическими веществами.
Летучие углеводороды составляют главную фракцию органических соединений, поступающих в атмосферу из антропогенных источников. На долю промышленных предприятий в индустриально развитых странах приходится 20-25% общей эмиссии углеводородов.
1. Около 40% от общего объема выбросов приходится на нефтеперерабатывающие и нефтехимические предприятия в России (44,2 в США). Исследование в США показали, что основные потери летучих углеводородов приходится на насосные и компрессорные станции.
2. Отходящие газы ТЭС и ТЭЦ, работающие как на жидком, так и на твердом топливе. Наименьшее количество углеводородов выделяется при использовании природного газа
3. Ежегодно ~ 2% СН4 теряется при добыче, транспортировке и использовании природного газа. Огромное количество СН4 выделяется при угледобыче.
4. Крупные городские свалки, где газовыделение происходит за счет высвобождения летучих компонентов при постепенном разрушении различных материалов, так и благодаря процессам микробиологической ферментации. Одна тонна захороненных на свалке отходов в течении 25 лет выделяет 25-30 м3 (причем 70% этого количества – в первые 10 лет).
Циклические процессы в атмосфере.
Атмосфера Земли является гигантским химическим реактором, в котором под действием УФ квантов солнечной радиации генерируются активные частицы – свободные радикалы, которые образуются в фотохимических процессах, в основном, за счет молекул О2, О3 и Н2О.
1. диссоциация О2 с образованием атомарного О.
О2 +hν → O + O* - (O* возбужденное состояние).
2. образование озона:
О + О2→ О3* - колебательно-возбужденная молекула с малым временем жизни, которая быстро распадается на исходные вещества.
Образование стабильного О3 происходит в результате реакции с третьей частицей М (О2 или N2) с тепловым рассеиванием колебательного возбуждения.
О3* + М → О3 + М*
С понижением h (↓) скорость образования О3 увеличивается согласно уравнению:
V = k [O2] ([O2] + [N2]).
Однако, уменьшается за счет поглощения света с λ‹340км, что определяет высоту озонового слоя ~ 35км (от 25 до 55км). Тепловое рассеивание энергии на этой высоте происходит по реакции: О + О3 → 2О2.
Это первая значимая реакция, имеющая активационный барьер (13,6 КДж/моль). Наряду с этой реакцией к уменьшению [O3] ведет наиболее существенная для сохранения жизни на суше реакция поглощения солнечного света (λ‹ 310км).
Процесс образования и разложения О3 называют циклом С.Чепмена (1930г):
Образовавшийся активный кислород легко реагирует с молекулами воды, метана или водорода.
O* + H2O®2HO·
O* + CH4®CH3· + OH·
O* + H2®OH· + H·
В нулевом цикле не происходит изменения состава атмосферы, а солнечный свет превращается в теплоту. Этот цикл отвечает за повышение температуры в стратосфере до h~50км.
Экспериментальные изменения О3 показывают, что его меньше, чем следует из цикла Чепмена. Это связано с наличием реакции его каталитического разложения. Уменьшение толщины озонового слоя негативно скажется на жизни на планете. При этом весьма вероятно, что:
а) рак кожи примет эпидемический характер, так как ожидается, что каждый процент уменьшения толщины озонного слоя повлечет за собой увеличение числа случаев заболевания раком кожи на 5-6%;
б) резко сократится количество планктона в мировом океане;
в) исчезнут многие виды животных, например, ракообразные;
г) УФ-излучение неблагоприятно скажется на сельскохозяйственных культурах.
Все эти явления нарушат равновесие во многих экосистемах Земли.
Химия алканов
Окислительная деструкция углеводородов начинается с отщепления атома Н при взаимодействии с гидроксильным радикалом:
RH + OH· ®R· + H2O
Дальнейшие свободно радикальные превращения разнообразны и чрезвычайно интересны:
R· + O2+ M®ROO· +M*
ROO· + NO® RO· + NO2
ROO· + NO + M® RONO2 + M*
ROO· + HO2·®ROOH + O2
ROOH + hn®RO· + OH·
При взаимодействии с кислородом и NO2 образуют довольно устойчивые и очень токсичные соединения – пероксиацилнитраты:
Атмосферная химия метана: