Лекция 13. Физико-химические процессы в гидросфере

Природная вода как принципиально негомогенная среда.

Природная вода — принципиально негомогенная среда из-за присутствия в ней большого числа взвешенных частиц и микропузырьков газа. Взвешенные твердые частицы в природных водах могут различаться по размерам (Скурлатов, 2004, Тарасевич, 2006).

Для частиц размером менее 10 мк скорость осаждения меньше 0,01 см/с. При наличии даже слабого перемешивания и конвективных потоков эти частицы равномерно распределены по всей толще воды. Седиментарные (оседающие) частицы состоят из минерального ядра и органического слоя, т.е. представляют собой органоминеральный комплекс. В зависимости от происхождения содержание органической составляющей в этих частицах изменяется от 0 до 100 %. В качестве зародышей "конденсации" нерастворимых органических веществ в природных водах выступают частицы .

Кроме "гидрозолей" (твердых частиц) в природных водах содержится множество микропузырьков газа. Общее число седиментарных взвешенных частиц и микропузырьков газа в природных водах обычно составляет 108 — 1011 шт/л.

Помимо твердых частиц и микропузырьков газа толща природных вод пронизана множеством микроорганизмов, образующих отдельную фазу биоты, находяющуюся в динамическом равновесии с внешней средой.

Таким образом, природная вода представляет собой многофазную гетерогенную систему открытого типа, обменивающуюся веществами и энергией с сопредельными средами (водными объектами, атмосферой, донными отложениями) и с биологической составляющей.

1. Основные процессы формирования химического состава природных вод. (Скурлатов, 2004, Тарасевич, 2006)

Химический состав природной воды определяет путь, совершенный водой в процессе круговорота. Количество растворенных веществ зависит, с одной стороны, от состава тех веществ, с которыми она соприкасалась, с другой - от условий, в которых происходили эти взаимодействия. Влиять на химический состав воды могут следующие факторы: горные породы, почвы, живые организмы, деятельность человека, климат, рельеф, водный режим, растительность, гидрогеологические и гидродинамические условия и пр.

Почвенный раствор и фильтрующиеся через почву атмосферные осадки способны усиливать растворение пород и минералов. Это одно из важнейших свойств почвы, влияющее на формирование состава природных вод, является результатом увеличения концентрации диоксида углерода в почвенном растворе, выделяющегося при дыхании живых организмов и корневой системы в почвах и биохимическом распаде органических остатков. В следствие этого концентрация в почвенном воздухе возрастает от 0,033 %, свойственных атмосферному воздуху, до 1 % и более в почвенном воздухе (в тяжелых глинистых почвах концентрация в почвенном воздухе достигает иногда 5 – 10 %, придавая тем самым раствору сильное агрессивное действие по отношению к породам). Другим фактором, усиливающим агрессивное действие фильтрующейся через почву воды, является органическое вещество - почвенный гумус, образующийся в почвах при трансформации растительных остатков. В составе гумуса в качестве активных реагентов прежде всего следует назвать гуминовые и фульвокислоты и более простые соединения, например органические кислоты (лимонная, щавелевая, уксусная, яблочная и др.), амины и т.п. Почвенный раствор, обогащаясь органическими кислотами и , во много раз ускоряет химическое выветривание алюмосиликатов, содержащихся в почвах. Аналогично вода, фильтрующаяся через почву, ускоряет химическое выветривание алюмосиликатов и карбонатных пород, подстилающих почву. Известняк легко образует растворимый (до 1,6 г/л) гидрокарбонат кальция:

+ + ↔

Почти на всей европейской части России (кроме Карелии и Мурманской области) известняки, а также доломиты залегают довольно близко к поверхности. Поэтому вода здесь содержит преимущественно гидрокарбонаты кальция и магния. В таких реках, как Волга, Дон, Северная Двина, и основных их притоках гидрокарбонаты кальция и магния составляют от 3/4 до 9/10 всех растворённых солей.

Соли попадают в водоёмы и в результате деятельности человека. Так, хлоридами натрия и кальция зимой посыпают дороги, чтобы растапливать лёд. Весной вместе с талой водой хлориды стекают в реки. Треть хлоридов в реках европейской части России привнесена туда человеком. В реках, на которых стоят крупные города, эта доля гораздо больше.

Рельеф местности косвенно влияет на состав воды, способствуя вымыванию солей из толщи пород. Глубина эрозионного вреза реки облегчает поступление в реку более минерализованных грунтовых вод нижних горизонтов. Этому же способствуют и другие виды депрессий (речные долины, балки, овраги), улучшающие дренирование водосбора.

Климат же, создает общий фон, на котором происходит большинство процессов, влияющих на формирование химическою состава природных вод. Климат прежде всего определяет баланс тепла и влаги, от которого зависит увлажненность местности и объем водного стока, а следовательно, и разбавление или концентрирование природных растворов и возможность растворения веществ или выпадения их в осадок.

Огромное влияние на химический состав воды и его изменение с течением времени оказывают источники питания водного объекта и их соотношение. В период таяния снега вода в реках, озерах и водохранилищах имеет более низкую минерализацию, чем в период, когда большая часть питания осуществляется за счет грунтовых и подземных вод. Это обстоятельство используют при регулировании наполнения водохранилищ и сброса из них воды. Как правило, водохранилища наполняют в период весеннего половодья, когда приточная вода имеет меньшую минерализацию.

При формировании химического состава природных вод принято выделять прямые и косвенные, а также главные и второстепенные факторы, влияющие на содержание в них растворенных компонентов (Тарасова, Кузнецов 2006, Абросимов, 1994).

Прямыми называют факторы, которые оказывают непосредственное влияние на химический состав воды и связаны с химическим составом контактирующих с данной природной водой веществ (минералов, горных пород, почв и др.).

Косвенные факторы оказывают влияние на состав природных вод через посредство прямых факторов; к ним относятся температура, давление и др.

Главные факторы определяют содержание главных анионов и катионов.

Второстепенные факторы вызывают появление некоторых особенностей данной воды (цвета, запаха и др.), но не влияют на ее класс и тип.

По характеру воздействия на формирование состава природных вод все факторы делят на 5 групп:

1. физико-географические (рельеф, климат и т. п.);

2. геологические (вид горных пород, гидрогеологические условия и т. п.);

3. биологические (деятельность живых организмов);

4. антропогенные (состав сточных вод, состав твердых отходов и т.п.);

5. физико-химические (химические свойства соединений, кислотно-основные и окислительно-восстановительные условия и др.).

2. Биохимические связи в водоемах. (Скурлатов, 2004, Абросимов, 1994, Вестник 4, 2006 АВ)

Биота природной водной среды представлена совокупностью населяющих воду гидробионтов. Соотношение биомассы и численности отдельных представителей гидробиоценоза определяется потоками вещества и энергии в продукционно-деструкционцых процессах.

Любая живая клетка или экосистема также представляют собой систему открытого типа, поскольку для поддержания процессов жизнедеятельности нуждается в притоке свободной энергии извне. В глобальном масштабе для биосферы в целом этот приток осуществляется в результате процесса фотосинтеза. Локальные источники свободной энергии могут запасаться в виде пищевых ресурсов.

Для систем открытого типа по потоку вещества и энергии устанавливается стационарное состояние, в котором выравниваются скорости образования и исчезновения отдельных компонентов системы, как химических, так и биологических. Для экосистемы в целом время установления стационарного состояния определяется ее "долгожителями" — компонентами с наибольшей продолжительностью жизни на уровне отдельных особей. В то же время квазистационарное состояние "короткоживущих" подсистем устанавливается относительно быстро — в масштабе продолжительности жизни особей подсистемы.

Передача вещества между биологическими подсистемами полной экосистемы, когда одни виды организмов служат источником пищи для других, определяет понятие трофической цепи или трофического уровня. Низший трофический уровень занимают автотрофные организмы, синтезирующие органические вещества из минеральных компонентов среды. На этом трофическом уровне осуществляется первичная продукция вещества. Образующаяся свободная энергия проходит затем в изменяющемся виде по трофической цепи до верхнего уровня, расходуясь на поддержание процессов жизнедеятельности.

Для водных экосистем низший трофический уровень занимают водоросли. Различают микроскопические водоросли, находящиеся в воде во взвешенном состоянии (фитопланктон), и закрепленную высшую водную растительность (макрофиты).

С точки зрения обмена веществом с абиотической составляющей водной экосистемы наибольшее значение имеют планктонные водоросли и бактерии.

Водоросли — обязательные компоненты водных экосистем. Насчитывается их более 30 тыс. видов. Время жизни водорослевых клеток исчисляется часами. Водоросли оказывают сильное влияние на качество природных вод, участвуют в процессах самоочищения и самозагрязнения водной среды. Образующиеся в клетках водорослей органические вещества в основном (до 75%) выделяются в окружающую среду.

Из широкого спектра РОВ аминокислоты, углеводы, органические кислоты и спирты занимают ведущее положение в обменных процессах водорослевых клеток. Несмотря на большую скорость образования РОВ в процессах жизнедеятельности автотрофных организмов, эти вещества, особенно в летнее время года, обнаруживаются в водной среде лишь в незначительных концентрациях. Низкая стационарная концентрация РОВ связана с вовлечением образующихся органических веществ в обеспечение следующего трофического уровня, представленного гетеротрофными бактериями. Между водорослями и бактериями существует симбиотическая связь

Водоросли выделяют во внешнюю среду органические вещества и поглощают минеральные компоненты и Бактерии минерализуют органические вещества, обеспечивая низшее звено продукции биогенными элементами и .

Обмен веществ в водных экосистемах при участии органических и неорганических метаболитов (продуктов жизнедеятельности), выделяемых в воду одними организмами и потребляемых другими, составляет основу экологического метаболизма.

Изучение состава органических веществ в экспериментальных экосистемах одноклеточные водоросли — сопутствующие бактерии обнаружило удивительное сходство в соотношении основных молекулярных классов РОВ для разных культур. Более того, это соотношение оказывается близким к соотношению тех же компонентов в морской воде. Это свидетельствует о том, что в сообществах водорослей и сопутствующих бактерий протекают однотипные биохимические процессы, приводящие к одинаковому набору основных групп внешних метаболитов, образующих "внутреннюю среду" сообществ.

Любопытный факт: этот набор органических метаболитов аналогичен по своим функциям набору органических веществ крови. Очевидно, как в организме животного, так и на уровне простейшего сообщества водных организмов существует регуляторный механизм, поддерживающий некоторое оптимальное постоянство среды обитания (гомеостаз).

Образно говоря, природная вода — это кровь экосистемы, рассматриваемой как единый организм с пространственно разделенными клетками.

Несмотря на то что время жизни бактерий составляет всего около 1 ч, биомасса бактериопланктона в природных водах не растет, а колеблется около некоторого постоянного уровня, определяемого трофическим типом водоема — величиной первичной продукции.

Численность бактериальных клеток в пресных водах составляет 1 — 30 млн./мл, что в десятки тысяч раз меньше, чем в почве или в донных отложениях. В силу малых размеров бактериальных клеток распределение свободноплавающего бактериопланктона в толще воды рек и водохранилищ практически равномерное. В основном в водной среде бактерии находятся в иммобилизованном состоянии — сорбированы на взвешенных частицах и на поверхности водорослей.

Скорость размножения бактерий зависит от температуры: она крайне низка при температуре меньше 10°С, до 18°С температура лимитирует рост численности бактерий, выше 18°С скорость размножения бактерий от температуры практически не зависит.

Естественное отмирание бактерий, как правило, не играет существенной роли в регуляции их численности. В основном бактерии выедаются фильтрующим зоопланктоном, для которого они являются основным источником пищи. Фильтраторы потребляют до 10 млн.клеток/мл в сутки.

Кроме того, бактерии являются основным питательным компонентом детрита — органических остатков мертвой биоты. Частицы детрита составляют основной корм растительноядного зоопланктона. Они служат центром локализации бактерий, составляющих до 1% массы детрита. Число таких частиц в толще морской воды составляет в среднем 100 шт/л.

Фактически бактерии перерабатывают создаваемое в процессе фотосинтеза органическое вещество в доступную для фильтраторов форму. Такие фильтраторы, как планктонные рачки (например, дафнии), коловратки фильтруют до 1 мл/экз.в час или до 100 мл/ч/мг сырой массы (Вестник 4, 2006 АВ).

Водные животные образуют собственную трофическую цепь, основанную на утилизации твердой пищи, захватываемой по принципу хищник — жертва.

Чем выше по эволюционной лестнице стоит организм, чем на более поздних стадиях развития он находится, чем больше его размеры, тем полнее его обмен веществ замкнут в пределах внутренней среды, тем меньше удельная интенсивность обмена с внешней средой, тем в большей мере он пользуется "готовой" пищей (другими организмами или мертвым органическим веществом) и соответственно меньше включается в систему обмена растворенными органическими метаболитами.

Наиболее активная роль в трансформации РОВ природных вод среди водных организмов отводится мелким и мельчайшим формам. Наряду с бактериопланктоном в трансформации РОВ участвуют и некоторые виды микроводорослей с так называемым миксотрофным типом питания. Доля других форм водной биоты в деструкции РОВ не превышает 20%.

Высокая суммарная скорость метаболических процессов у мелких форм отражает их активное участие в обмене растворенными метаболитами с внешней средой. Общая схема круговорота РОВ в водоеме может быть представлена в виде

Взвешенное органическое вещество, включая детрит, составляет около 10% от массы РОВ. Общая же масса всех живых организмов примерно на порядок меньше, чем масса взвешенной органики (Абросимов, 1994).

Дата добавления: 2013-12-14