Биогенные ионы в воде водных объектов

Биогенные ионы в воде водных объектов
К биогенным веществам относятся соединения азота, фосфора и
кремния. Без этих элементов в воде не могли бы развиваться жизненные
процессы. Распределение соединений азота, фосфора и кремния определяет
биологическую продуктивность моря и кормовую базу промысловых рыб.
Существование биогенных элементов в воде тесно связано с жизнью морей и
океанов, так как они являются составными частями тканей каждого живого
организма.
Основными источниками поступления биогенных веществ в водоемы
являются:
 внутриводоемные процессы;
 поступление с атмосферными осадками;
 поступление с речным стоком;
 поступление
со
сточными
водами
(промышленными,
сельскохозяйственными, хозяйственно-бытовыми).
Азот и фосфор относятся к биогенным веществам в природных водах.
Оба эти элемента являются составной частью всех тканей живых
организмов, и поэтому им принадлежит ведущая роль в развитии жизни в
водоемах. В свою очередь концентрация этих биогенных элементов и их
режим целиком зависят от интенсивности биохимических и биологических
процессов, происходящих в водоемах.
Соединения азота
Азот присутствует в природных водах в виде разнообразных
неорганических и органических соединений. К числу неорганических
соединений относятся аммонийные NH4+, нитритные NO2- и нитратные NO3ионы. В органических соединениях азот находится, в основном, в составе
белка тканей организмов и продуктов его распада. Последние возникают в
процессе отмирания организмов, а также в результате распада продуктов их
жизнедеятельности. Азотсодержащие органические соединения находятся в
воде в самых различных формах — взвесей (остатки организмов), коллоидов,
растворенных молекул, которые образуются при биологических процессах и
биохимическом
распаде
взвесей.
Названные
ионы
генетически
взаимосвязаны, могут переходить друг в друга и поэтому рассматриваются
совместно.
Обмен азота между его неорганическими и органическими формами и
живыми организмами является основным фактором, определяющим его
содержание. Обмен азота осуществляется при двух противоположно
направленных
процессах
-
фотосинтезе
(построение
органического
вещества) и распаде органического вещества.
Азот усваивается фитопланктоном в процессе фотосинтеза и входит в
состав растительных организмов, а при поедании их животными - в состав
животных организмов. Регенерация азота из органических соединений в
минеральные формы происходит при биохимическом распаде органического
вещества (непрямая регенерация) и в процессе распада нестойких
органических остатков и продуктов жизнедеятельности организмов (прямая
регенерация).
Прямая
регенерация
происходит
сравнительно
быстро
преимущественно в зоне фотосинтеза.
Непрямая регенерация протекает крайне медленно и под воздействием
нитрифицирующих бактерий распадается на три фазы, охватывая все
глубинные зоны океана. В первой фазе регенерации азота, связанного в
органических
веществах,
появляется
ион
аммония
NH4+,
который
наблюдается в наибольших количествах (20—25 мкгN/л) в верхней
продуктивной зоне. В зависимости от сезона наблюдаются изменения в
концентрации ионов аммония, связанные с его потреблением при
фотосинтезе: увеличение осенью и зимой и уменьшение в весенне-летний
период.
С глубиной концентрация NH4+ уменьшается, так как в процессе
регенерации ионы аммония переходят в нитритные ионы NO2-. Процесс
перехода
во
второй
фазе
регенерации
NH+4 в
NO-2 совершается
под
воздействием нитрифицирующих бактерий в присутствии кислорода:
NH4+ +2O2=NO2- + 2H2O.
Нитриты как промежуточный продукт нитрификации содержатся в воде в
очень малых концентрациях (до 10 мкг N/л, изредка до 20—30 мкг N/л).
Присутствуют нитриты преимущественно в зоне фотосинтеза.
Зимой
нитриты
минерализации
отсутствуют
нового
и
органического
появляются
вещества.
весной
при
Максимум
начале
нитритов
наблюдается в конце лета, в период интенсивного распада образовавшегося за
лето
органического
вещества.
Осенью
содержание
в
воде
нитритов
уменьшается, и зимой нитриты полностью исчезают, превращаясь в нитраты.
Нитритные ионы очень нестойкие и в третьей фазе регенерации под
воздействием бактерий в присутствии кислорода окисляются в нитратные ионы:
2NO2- + O2=2NO3-.
Ионы NO3- являются конечным продуктом минерализации органического
азота и в морской воде находятся в большом количестве (до 400—500 мкг N/л).
В верхней зоне океана в результате интенсивного фотосинтеза, при котором
NO3- потребляется водорослями, содержание его наименьшее.
С глубиной содержание нитратов повышается вследствие уменьшения их
потребления и увеличения процесса регенерации (непрямой). Вертикальный ход
NO3- подобен ходу фосфорных соединений.
Сезонные изменения нитратов наблюдаются только в верхних слоях
океана и связаны с интенсивностью процесса фотосинтеза. В осенне-зимний
период наблюдаются максимальные значения NО3-, а в весенне-летний сезон –
минимальные, до полного исчезновения. Суточный ход нитратов в зоне
фотосинтеза подобен суточному ходу фосфора.
Запасы нитратов в океане огромные, но основная доля их концентрации
падает на глубинные и придонные слои океана. Поэтому, важнейшим фактором
обогащения нитратами поверхностных слоев является динамика водных масс, т.
е. перемешивание и поднятие дубинных вод на поверхность.
Таким образом, приход азотных соединений осуществляется в процессе
нитрификации органического вещества при распаде остатков организмов.
Кроме нитрификации, ионы азотных соединений поступают в Мировой океан с
водами речного стока и с атмосферными осадками.
Расходуются соединения азота при усвоении их водорослями ю время
фотосинтеза, а также при выпадении с органическими остатками в осадок дна.
Поведение соединений азота вызывает повышенный интерес в связи с
тем, что они служат одним из показателей загрязнения вод и, кроме того,
обладают токсичностью. По словам Фюрона, если вода содержит 150 мг/л
нитратов, то пьющие ее маленькие дети заболевают так называемой синей
болезнью. Врачи называют эту болезнь метгемоглобинемией (токсический
цианоз). По-видимому, нитраты проявляют токсичность при значительно
меньшей концентрации, так как, согласно ГОСТ 2874—82 „Вода питьевая.
Гигиенические требования и контроль за качеством", их содержание в
питьевой воде не должно превышать 10,2 мг/л по азоту.
Соединения фосфора
Фосфор – главнейший биогенный элемент. В природных водах он
существует в виде ортофосфатов, полифосфатов и органических соединений,
причем преобладающей формой нахождения элемента в водной среде
являются ортофосфаты или минеральные фосфаты (Р- РО4). Минеральные
фосфаты поступают в природные воды с поверхностным смывом, особенно
при внесении в почву минеральных удобрений. Кроме того, ортофосфаты
образуются
при
биологической
переработке
остатков
растительных организмов, т.е. вследствие их минерализации.
животных
и
Поступление полифосфатов связано с использованием синтетических
моющих средств, а также применением эмульгаторов и пестицидов.
Полифосфаты легко разлагаются, и их концентрации в воде быстро
снижаются.
Появление
органических
фосфатов
в
природных
водах
обусловлено процессами жизнедеятельности и посмертного распада водных
организмов, а также хозяйственно-бытовыми стоками и стоками от
животноводческих ферм. В водоемах, свободных от поступления сточных
вод, уровень содержания органического фосфора в воде указывает на
развитие жизни и на скорость бактериального разложения метаболитов,
выделяемых водными животными и растениями.
Избыточное
поступление
фосфатов
в
прибрежные
воды
сопровождается «цветением» планктонных водорослей, в том числе синезеленых, на разложение которых расходуется растворенный кислород. Кроме
того, прижизненные и посмертные выделения сине-зеленых загрязняют воду
токсичными веществами, что угнетающе действует на экосистемы, вызывает
гибель многих гидробионтов и, в конце концов, пагубно влияет на здоровье
человека. Обычно максимальные концентрации органических и минеральных
фосфатов в водоемах наблюдаются ранней весной, что связано с
поверхностным смывом с суши и поступлением фосфора из донных
отложений. С повышением температуры воды и развитием продукционных
процессов наблюдается увеличение концентраций органического фосфора и
снижение – ортофосфатов, расходуемых на создание органического
вещества. Летом в связи с усилением синтеза автохтонного вещества
содержание в воде фосфора минерального еще более понижается. И лишь в
конце лета - начале осени картина меняется: начинается деструкция
органического вещества, которая сопровождается снижением содержания
органического фосфора и возрастанием минерального.
Таким образом, уровни содержания фосфора свидетельствуют о
качестве водной среды, о происходящих в экосистеме процессах, а также
указывают на источник загрязнения водоема фосфатами.
Естественные формы неорганического фосфора в гидросфере зависят
от pH:
Н3РО4 = Н+ + Н2РО4-;
Н2РО4- = Н++ Н2РО42-;
Н2РО42- = Н+ + РО43При pH ≥ 7 преобладает форма Н3РО42- (около 90 %) с примесью Н2РО4(примерно 10%), в кислых водах неорганический фосфор присутствует
преимущественно
в
виде
Н2РО4-.
Основной
формой
фосфора
для
питательных веществ является НРО42-. Так же как и для азота, обмен фосфора
между его неорганическими формами, с одной стороны, и живыми
организмами — с другой, является основным фактором, определяющим его
концентрации. Он осуществляется при двух противоположно направленных
процессах — фотосинтезе и разложении органического вещества.
В водах океана содержание фосфора колеблется от 0 до 100 мкг Р/л —
и зависит в каждом отдельном районе от соотношения прихода и расхода
фосфора в данный момент.
Основным источником поступления фосфора (приход) в морскую воду
является минерализация органических остатков. При отмирании организмов
сложные органические вещества, входящие в состав тканей и клеток,
постепенно разлагаются на более простые продукты. В конечном итоге
происходит полная минерализация органических веществ и регенерация
минеральных соединений фосфора.
Второй источник поступления фосфора в воду—материковый сток.
Материковые воды содержат фосфор в виде органического фосфора и
фосфора в минеральных взвесях. Ежегодно реки выносят значительное
количество фосфора (до 300—1000 тыс. т в год), что имеет существенное
значение для морей и приустьевых районов океана.
Основной процесс, уменьшающий содержание фосфора (расход) в
морской
воде,
—
это
потребление его
фитопланктоном.
Скорость
потребления, происходящего в основном в слое от 0 до 50 м, иногда до 100 м,
зависит от интенсивности фотосинтеза. Таким образом, потребление
фосфора происходит в основном в верхнем продуктивном слое, где фосфаты
необходимы для развития растений.
Распределение
фосфора
в
океане
определяется
процессами
потребления фосфора и его регенерации. Концентрация фосфора в
поверхностном слое (0-50 м) вследствие его интенсивного потребления
фитопланктоном меньше, чем в глубинных слоях. С глубиной содержание
фосфора увеличивается и, быстро возрастая в слое скачка плотности (200-300
м), достигает максимума в слое кислородного минимума на глубинах 5001200 м. С дальнейшим увеличением глубин содержание фосфора изменяются
незначительно.
Наличие ясно выраженного максимума фосфатов в слое кислородного
минимума можно объяснить теми же причинами, что и минимум кислорода,
т. е. разложением остатков организмов, при котором потребляется кислород
и выделяются биогенные вещества. Тесная связь между фосфором и
фитопланктоном определяет суточный и сезонный ход фосфора в верхнем
деятельном слое моря. Он характеризуется максимальным содержанием
фосфора в ночное время и минимальным в дневное. В весенне летний
период, в пору интенсивного развития фитопланктона, содержание фосфора
уменьшается зачастую до аналитического нуля. Осенне-зимний период
характерен повышенным содержанием фосфатов.
Кремний
Кремний — второй по распространенности (после кислорода) элемент в
земной коре. Он является постоянным компонентом состава природных вод.
Однако из-за очень низкой растворимости силикатных минералов, а также в
связи с тем, что кремниевокислые соли потребляются некоторыми группами
организмов
(главным
образом
для
построения
внешнего
содержание кремния в поверхностных водах суши невелико.
скелета),
В морской воде кремний находится в виде слабой кремневой кислоты
Н2SiO3 в истинно-растворенном высокодисперсном и коллоидном состоянии.
Формы кремневой кислоты многообразны и изучены еще недостаточно,
поэтому концентрация выражается в виде кремния (мкг Si/л).
Содержание кремния в морской воде довольно высокое — от 200 до
1200 мкг Si/л, но может достигать и 4000 мкг Si/л (в Японском море).
Высокое
содержание
кремния
в
поверхностных
слоях
океана
обусловлено стоком речных вод, богатых кремнием. Поэтому кремний
является хорошим показателем распространения речных струй. С глубиной
концентрация
кремния
в
результате
распада
организмов,
имеющих
кремневые скелеты и панцири, увеличивается и достигает максимума у дна.
Увеличению концентрации кремния у дна способствует и процесс
растворения пород, слагающих дно. В поверхностном слое вследствие
потребления кремния диатомовыми водорослями, радиоляриями и другими
организмами его концентрация в течение года колеблется в широких
пределах — от 200 до 2000 мкг Si/л, но никогда не падает до нуля. Кроме
того, распределение кремния зависит от динамики вод, а в приустьевых
районах от речного стока.
Концентрация кремния в речных водах колеблется обычно от 1 до 20
мг/дм3; в подземных водах его концентрация возрастает от 20 до 30 мг/дм3, а
в горячих термальных водах содержание кремния может достигать сотен
миллиграммов в 1 дм3. Сравнительно малое содержание кремния в
поверхностных водах, уступающее растворимости диоксида кремния (125
мг/дм3 при 26°С, 170 мг/дм3 при 38°С), указывает на наличие в воде процессов,
уменьшающих его концентрацию. К ним надо отнести потребление кремния
водными организмами, многие из которых, например, диатомовые водоросли,
строят свой скелет из кремния. Кроме того, кремниевая кислота как более
слабая вытесняется из раствора угольной кислотой:
Na4SiO4 + 4CO2 + 4H2O = H4SiO4 + 4NaHCO3.
Неустойчивости
кремния
в
растворе
способствует
и
склонность
кремниевой кислоты при определенных условиях переходить в гель. Режим
кремния в поверхностных водах до некоторой степени сходен с режимом
соединений азота и фосфора, однако кремний никогда не лимитирует
развитие растительности. ПДКв кремния равна 10 мг/дм3.
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
1. Шишкина Л.А. Гидрохимия. Л.: Гидрометеоиздат, 1974.- 287 с.
2. Никаноров А.М. Гидрохимия: Учебник. – 2-е изд., перераб. и доп. –
СПб: Гидрометеоиздат, 2001.- 444с.
3. Христофорова Н.К., Саломай М.С. Химико-экологическая оценка
качества прибрежных вод города Владивостока // Электронный
научный
журнал
«Исследовано
в
России».
http://zhurnal.ape.relam.ru/articles/2006/147.pdf
4.
Режим
доступа: