Redoks procesi u životnoj sredini: nevidljivi prekidač koji upravlja pokretljivošću i toksičnošću

Mnogo toga u hemiji životne sredine svodi se na jedno jednostavno pitanje: ima li kiseonika ili ga nema. Taj naizgled banalan uslov pokreće lanac hemijskih reakcija koje odlučuju u kom će obliku biti gvožđe, da li će arsen biti pokretljiv, hoće li sediment ispuštati ili vezivati metale, pa čak i da li će nastati otrovni sumporovodonik. Reč je o redoks procesima, reakcijama u kojima se elektroni prenose sa jedne čestice na drugu, i oni su jedan od najmoćnijih, a najmanje vidljivih pokretača u prirodi.

Redoks, skraćeno od redukcija-oksidacija, opisuje sprezanje dva komplementarna procesa: jedna čestica gubi elektrone, oksiduje se, dok ih druga prima, redukuje se. Stanje sistema u pogledu sklonosti ka primanju ili otpuštanju elektrona izražava se redoks potencijalom. Stumm i Morgan (1996) pokazuju da je redoks potencijal, uz kiselost, glavni parametar koji određuje hemijsko stanje sredine.

Redoks lestvica prirodnih sredina

Prirodne sredine mogu se poređati duž lestvice od oksidacionih do redukcionih. Na vrhu su dobro provetrene vode i površinski sloj zemljišta, bogati kiseonikom. Kako se spuštamo, u dublje slojeve zemljišta, u zasićeno tlo, u sedimente i podzemne vode, kiseonik se troši i sredina postaje sve redukcionija.

Mikroorganizmi su glavni pokretači ovog niza. Razgrađujući organsku materiju, oni redom koriste različite oksidanse, prvo kiseonik, zatim nitrate, pa okside mangana i gvožđa, potom sulfate, i na kraju ugljen-dioksid. Borch i saradnici (2010) opisali su tu kaskadu kao biogeohemijsku redoks zonaciju, niz uzastopnih režima od kojih svaki ima svoju hemiju i svoje posledice po zagađivače.

Upravo zato se hemija nekog sloja zemljišta ili sedimenta menja sa dubinom, ne zbog promene materijala, nego zbog promene redoks uslova. Isti element ponaša se potpuno drugačije nekoliko centimetara dublje, tamo gde je kiseonik nestao.

Kako redoks određuje sudbinu zagađivača

Najjasniji primeri su metali i metaloidi čije oksidaciono stanje, a time i pokretljivost, direktno zavise od redoks uslova. Gvožđe je školski slučaj: u oksidacionoj sredini postoji kao gvožđe(III) koje gradi nerastvorne okside i taloži se; čim sredina postane redukciona, prelazi u rastvorno gvožđe(II) i mobiliše se. Pošto se za okside gvožđa vezuju mnogi drugi zagađivači, njihovo rastvaranje oslobađa i te zarobljene materije.

Arsen je posebno poučan i meni profesionalno blizak. U oksidacionim uslovima arsen je čvrsto vezan za okside gvožđa i relativno nepokretan. Kada sredina postane redukciona i ti se oksidi rastvore, arsen se oslobađa u vodu, i to u obliku arsenita, koji je pokretljiviji i toksičniji. Time se objašnjava zašto se visoke koncentracije arsena u podzemnim vodama javljaju upravo u redukcionim, kiseonikom siromašnim izdanima, kakvih ima i u delovima Panonske nizije.

S druge strane, redoks može i da imobiliše. U jako redukcionoj sredini, u prisustvu sulfata, nastaju sulfidi, a mnogi teški metali grade izuzetno nerastvorne sulfide i tako se zaključavaju u sedimentu. Isti redoks prelaz koji oslobađa arsen može da veže, recimo, kadmijum ili cink kao sulfid.

Redoks u remedijaciji i upravljanju

Pošto redoks upravlja pokretljivošću, on je i moćan alat u sanaciji zagađenja. Namernom promenom redoks uslova mogu se zagađivači ili razgraditi ili imobilisati. Hlorovani rastvarači u podzemnim vodama, na primer, razgrađuju se u redukcionim uslovima, pa se sanacija ponekad izvodi stvaranjem redukcione zone. Šestovalentni hrom, opasan i pokretljiv, redukuje se u trovalentni, mnogo bezopasniji i nepokretan, dodavanjem redukcionih sredstava.

Ali ista poluga zahteva oprez. Stvaranje redukcionih uslova radi razgradnje jednog zagađivača može nehotice da mobiliše arsen ili gvožđe; obrnuto, provetravanje sedimenta radi jednog cilja može da oslobodi metale vezane kao sulfidi. Appelo i Postma (2005) naglašavaju da se svaka intervencija u redoks režim mora sagledati celovito, jer pomeranje ravnoteže za jedan element neizbežno pomera i ravnoteže drugih.

To je možda najvažnija praktična pouka: u prirodi nema izolovanih poteza. Redoks je umrežen sistem u kome promena jednog uslova talasa kroz hemiju čitave sredine.

Zaključak

Redoks procesi su nevidljivi prekidač ekohemije: pukim prisustvom ili odsustvom kiseonika menja se oblik, pokretljivost i toksičnost čitavog niza elemenata. Razumeti redoks stanje neke vode, zemljišta ili sedimenta znači razumeti zašto se zagađivači ponašaju baš onako kako se ponašaju.

Za zaštitu životne sredine to znači da merenje redoks uslova nije sporedni podatak, nego ključ za tumačenje svega ostalog. Mnoge naizgled zagonetne pojave, od arsena u bunarima do metala koji se vraćaju iz sedimenta, postaju jasne tek kada se pogledaju kroz prizmu prenosa elektrona.