ВАЖНЕЙШИЕ ПРОЦЕССЫ ТРАНСФОРМАЦИИ ХИМИЧЕСКОГО СОСТАВА ВОДЫ

Газообмен водоёма с атмосферой. Чистый воздух состоит из азота (78 %), кислорода (21%), углекислого газа (0,03%) и нескольких инертных газов. Это соотношение и определяет парциальное давление Gg каждого из газов на открытую водную поверхность при той или иной величине атмосферного давления. По закону Генри, концентрация газов в чистой воде равновесна их содержанию в воздухе:

где Ag - коэффициент растворимости газа, зависящий от температуры воды и её минерализации.

В равновесии с атмосферой в пресной воде соотношение газов несколько иное (Мартынова, 2010): N2 - 61 %, 02 - 35 % и С02- 1,9 %, в подземных водах доля 02 вдвое меньше, а С02 - в 12 раз больше. С ростом температуры воды растворимость газов уменьшается в вегетационный сезон в диапазоне:

о

о

N2, мг/л

02, мг/л

С02, мг/л

5

32,3

10,72

0,94

25

14,0

8,23

0,59

Из-за синоптических колебаний атмосферного давления изменчивость значений C0g незначительна.

Количество растворенного кислорода определяет и характеризует экологическое состояние водоемов. Изменение равновесной с атмосферой концентрации 02 при изменении температуры в озёрах с водой разной солености показано на рис. 12.1.

Для характеристики содержания кислорода в водоемах обычно определяют соотношение измеренной концентрации кислорода Со2

и равновесной при одновременно измеренных температуре и минерализации воды Зависимость равновесной концентрации кислорода, мг/л, от температуры воды, °С, и солености (по

Рис. 12.1. Зависимость равновесной концентрации кислорода, мг/л, от температуры воды, °С, и солености (по: Williams, 1997)

При быстром повышении температуры поверхностный слой водоема пересыщен кислородом (О2 > 100 %), и начинается медленный процесс эвазии (выделение газа в атмосферу). При охлаждении воды её недонасы- щенность (02 <100 %) восполняется инвазией (поглощение водой атмосферного кислорода). Оба процесса молекулярной диффузии газа сквозь поверхностный микрослой воды замедлены силой поверхностного натяжения. При сильном пересыщении воды - 02 >125-130 % - в её верхнем метровом слое образуются пузырьки не растворившегося кислорода, которые всплывают и, разрывая микрослой, смешиваются с воздухом. Это увеличивает эвазию и тормозит рост дальнейшего пересыщения воды кислородом.

Эти физические процессы регулируют концентрацию в воде и растворенного молекулярного азота N2. Парциальное давление озёрных газов - водорода (Н2), метана (СН4), сероводорода (H2S) - практически нулевое, поэтому при насыщении ими всей водной толщи водоёма возможен лишь процесс эвазии, если они не успеют окислиться водными бактериями.

Процессы системы карбонатного равновесия осложняют обмен углекислым газом (С02) между атмосферой и водоемом. При его накоплении в воде происходит медленный процесс гидратации с образованием угольной кислоты, которая мгновенно в процессе диссоциации преобразуется в гидрокарбонатный ион, а выделившийся ион водорода уменьшает величину pH:

При нарушении динамического равновесия этих химических процессов вследствие увеличения либо уменьшения концентрации в воде одного из компонентов карбонатной системы или величины pH происходит сдвиг равновесия в противоположную сторону, изменяется соотношение концентраций всех форм производных угольной кислоты (табл. 12.1).

Таблица 12.1.

Доля (%) каждой формы производных угольной кислоты при различном pH

Форма

Значения pH

5,0

7,0

9,0

11,0

со2 + н2со3

97,0

25,0

0,3

-

нсог

3,0

75,0

95,8

20,0

СО,2-

-

-

3,9

80,0

Такой сдвиг карбонатного равновесия возникает в жесткой воде озёр с высокой концентрацией иона Са“~ вследствие образования хемогенного аморфного СаСОз и кристаллов кальцита.

Фотосинтез и деструкция органического вещества особенно сильно влияют на содержание кислорода и углекислого газа в пресных и солоноватых водоёмах. Упрощенная форма уравнения этих биохимических процессов:

где п некого рое число молекул, СН2О простейшая форма органического вещества. В состав более химически сложных веществ - протеин, белки, жиры (липиды), органические кислоты и др. - входят также фосфор- и азотсодержащие соединения, сера. Продуцирование органического вещества при его фотосинтезе фитопланктоном и макрофитами сопровождается расщеплением воды и выделением газообразного кислорода, растворяющегося в воде. Этот процесс осуществляется благодаря зеленым пигментам хлорофилла в клетке растения, которые поглощают часть проникающей в воду солнечной энергии в зелёном участке спектра (см. раздел 7.1). Поэтому фотосинтез происходит только в фотическом слое водоёмов в светлое время суток при открытой поверхности воды и под прозрачным ледяным покровом при достаточной концентрации в воде биог енных питательных веществ. При их высокой концентрации, оптимальной температуре и подводной освещенности воды процесс фотосинтеза интенсифицируется, исчерпывается запас ССЬ, но продуцирование продолжается с использованием гидрокарбонатных, и в меньшей степени карбонатных ионов:

Из этих уравнений видно, что интенсификация продуцирования органического вещества водными растениями приводит к сильному сдвигу карбонатного равновесия в воде и нс только к выделению свободного кислорода, но и к росту величины pH. Именно этот биохимический процесс и вызывает, наряду с «цветением», пересыщение воды СаСОз и его садку даже в пресных эвтрофных водоёмах.

Деструкция (разрушение) органического вещества идет одновременно с его продуцированием в процессе дыхания всех водных организмов. Они поглощают молекулярный 02 и выделяют С02 вследствие внутриклеточного окисления углеводов. Но основную роль в деструкции играют чрезвычайно многочисленные и разнообразные водные бактерии.

Анаэробные бактерии многочисленны в бескислородной воде афотической толщи водоёма, в монимолимнионе меромиктических озёр и донных илах даже рапных озёр. Они используют в разлагающемся детрите полисахара, органические кислоты и заключённую в них химическую энергию для хемосинтеза органического вещества, что проявляется в увеличении численности бактерий и их биомассы. Размножаясь, они восстанавливают молекулы газов С02, Н2, СН4, а из белков - еще и H2S, N2 и аммиак, превращая затем его в аммонийный ион: NH3 —? NH/. Сапрофитные бактерии- денитрификаторы восстанавливают нитраты до нитритов, которые взаимодействуют с аммонийным ионом, в результате чего выделяется азот: NH4N02 —> N2f + 2Н20 (Кузнецов1, 1970). Вместе с тем, многие виды бактерий (Azotobacter и др.) и синезелёные водоросли (Anabena) могут использовать растворенный молекулярный азот при недостатке в воде азотсодержащих биогенных веществ.

Минерализация органических соединений фосфора - нуклеиновых кислот, фосфолипидов и ДНК[1] [2] - с выделением в воду ортофосфатов (Р04) присуща многим микроорганизмам, преимущественно сапрофитам в донных илах.

Аэробные бактерии, живущие в воде, содержащей растворенный 02, окисляют органические вещества, выделяемые планктонными организмами (слизь, пеллеты и др.), и детрит. Одни разновидности таких бактерий разлагают растворённые в воде сложные органические вещества на более простые и увеличивают при этом свою численность. Другие- производят разложение и окисление детрита в фотическом слое в светлое и тёмное время суток, и в афотической толще, и в поверхностной пленке донного ила. Третьи - окисляют созданные анаэробами озерные газы и минеральные биогенные вещества. При этом расходуется растворенный в воде кислород. Сульфатредуцирующие бактерии окисляют сероводород: H2S —> H2S04 —? Н* + S04“ в зоне смешения апоксидного (безкислородного) слоя с расположенной выше водной толщей. Нитрифицирующие бактерии используют энергию окисления аммония: NH4+ —> N02 —? NO32 (Кузнецов, 1970).

Основные виды нитчатых железобактерий получают необходимую для жизни и размножения энергию при окислении растворенного в воде закисного железа:

с выделением углекислого газа. Вследствие седиментации или конвективной циркуляции на дне образуется рыхлый железистый осадок цвета охры. В озёрных илах, наряду с этими бактериями, существуют и другие виды железобактерий. Они восстанавливают окисное железо в закисное, растворяющееся в иловой или придонной воде. Поступающие в озеро с водосбора гуматные органические и минеральные закисные соединения железа и марганца попеременно превращаются бактериями в окисные и восстановленные формы. И «...на поверхности ила происходит образование железистой микрозоны или озёрной железо-марганцевой руды» (Кузнецов, 1970, с. 372) в виде шарообразных конкреций диаметром от долей миллиметра («пороховая руда») до нескольких сантиметров, а также плоских конкреций - «тарелочная руда», с содержанием окислов железа и марганца до 80 %.

При хемосинтезе органического вещества аэробными бактериями на границе вода-дно поглощается растворённый в воде кислород. Возникает дефицит 02, образование аноксидного придонного слоя воды. Если в поверхностном слое водоёма бактериальная деструкция интенсивнее продукции органического вещества, тоже возникает дефицит 02. и начинается процесс инвазии. Таким образом, регулирование содержания кислорода (и С02) в воде происходит непрерывным взаимодействием медленного физического процесса внешнего газообмена с воздухом и быстро изменяющихся многофакторных биохимических продукционно-дсструкционных процессов в поверхностном слое водоёма.

  • [1] Кузнецов Сергей Иванович 1900-1987), член-корр. АН СССР. Окончил МГУ (1923),работал на кафедре микробиологии МГУ, заведовал лабораториями Косинскойлимнол. станции (1931-1941), Люберецкой станции Мосводоканала (1941-1946),Ин-та микробиологии РАН (с 1942 г.) и организовал лаб. микробиологии в ИБВВРАН в Борке.
  • [2] ДНК - дезоксирибонуклеиновая кислота - макромолекула, обеспечивающая хранение и реализацию генетической программы развития и функционирования каждого живого организма.
 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >