HYdrokemisk interaktion mellem Grundvand og Overfladevand (HYGRO)

Bilag 3 Redoxprocesser

Elektrokemisk er genereringen af fri energi en redoxproces, hvor der overføres elektroner fra reduktanten (også kaldet elektrondonoren; f.eks. organisk stof) til oxidanten (også kaldet elektronacceptoren; f.eks. ilt). Energiudbyttet ved de forskellige bakterielt medierede redoxprocesser (tabel 1) er ikke det samme, men falder trinvis efterhånden som oxidanterne opbruges i sekventiel rækkefølge : O2, NO3-, MnO2, Fe3+, SO42- (tabel B3.1)

Tabel B3.1
Oversigt over energiudbyttet ved nedbrydning af glukose med forskellige oxidanter (Efter Reddy et. al., 1986)

Elektron acceptor

Mol oxidant / mol glucose

Energiudbytte kcal/mol

O2

6

-684.4

NO3-

24/5

-649.0

MnO2

12

-457.8

Fe(OH)3

24

-100.4

SO42-

3

-91.0


Den fri energi der dannes ved en given redoxproces kan udtrykkes ved reaktionens elektromotoriske kraft (redoxpotentialet, Eh), og det kan udnyttes til at få et generelt kvalitativt skøn over de biogeokemiske forhold i et givet punkt i ådalsmagasinet. Ved at måle redoxpotentialet (måles i millivolt) får man derved et skøn over hvilke processer der måtte være fremherskende i det givne punkt (tabel B3.2), idet de forskellige redoxprocesser foregår indenfor et bestemt interval.

Tabel B3.2
Oversigt over de Eh-intervaller målt i millivolt hvor de forskellige redoxprocesser foregår med de viste oxidanter. (Efter Reddy et. al., 1986; Gambrell and Patrick, 1978)

Redox Zone

Eh-interval

Elektronacceptor der forsvinder

Reaktionsprodukt der fremkommer

mV

ox.

mV

red.

Ilt reduktion

700 - 300

O2

320

H2O

Nitrat reduktion, org-C

300 - 100

NO3-

220

N2

Nitrat reduktion, FeS2

300 - 100

NO3-

220

N2, SO42-

Mangan reduktion

200 - 100

Mn4+

200

Mn2+

Jern reduktion

100 - -100

Fe3+

120

Fe2+

Sulfat reduktion

-100 - -200

SO42-

-150

H2S

Methanogenese

-200 - -300

CO2

-250

CH4


Selvom der er et stort potentielt behov for oxidanter (O2, NO3-, Mn4+, Fe3+, SO42-) på grund af ådalsmagasinets store indhold af reducerede forbindelser ikke mindst organisk stof, så er forbruget af især O2 og NO3- begrænset af den eksterne tilførsel. Forbruget af ilt i ådalsmagasinet er begrænset dels af tilførsel med aerobt grundvand og dels af diffusion af ilt fra atmosfæren ned i det vandmættede sediment. Opløseligheden af ilt i vand er ringe (11.28 mg O2 l-1 ved 10° C) og da diffusionskoefficienten for ilt i vand og vandmættet jord er beskeden (vand: 2.267 x 10-5 cm2 s-1, vandmættet jord: 1 x 10-5 cm2 s-1 eller mindre; Ponnamperuma, 1984) betyder det, at der kun findes ilt i zonerne langs ådalsmagasinets grænseflader mod omgivende aerobe miljøer (dvs. den aerobe del af grundvandsmagasinet; mod atmosfæren; den aerobe del af det overfladisk afstrømmende vand på tørveoverfladen; samt i blandingszonen mellem vandløbsvand og ådalsmagasinet).

I modsætning til ilt er både nitrats opløselighed i vand og diffusionshastighed i vand høj. Der kan f.eks. opløses 133 g KNO3 i 1 liter vand ved 0° C (dvs. 18 g NO3-N l-1; Handbook of Chemistry and Physics, 1986) og diffusionskoefficienten er 1.846 x 105 cm2 s-1 (ved 25° C for 0.01 M KNO3; Handbook of Chemistry and Physics, 1986) , og nitrat er derfor et glimrende alternativ for de fakultative (dvs. lejlighedsvise) anaerobe bakterier såfremt der er nitrat i grundvandet. Specielt når nitrat føres med grundvandet frem til de denitrificerende områder ved advektiv transport ses høje denitrifikationsrater.