Форми розчиненого заліза у водних екосистемах

Залізо

Залізо – один з найактивніших металів, які в природі майже не зустрічаються у вільному стані. Серед мінералів, до складу яких входить залізо, найголовніші пірит (FeS₂), магнітний залізняк (FeO, Fe₂O₃), бурий залізняк (2Fe₂O₃ × 3H₂O), шпатовий залізняк (FeCO₃). Залізо утворює комплексні сполуки з органічними кислотами, азотмісткими речовинами, білками тощо. Важливу роль у біосфері відіграють полімеризовані сполуки заліза з ланцюговою структурою та комплексні сполуки фосфатів заліза.

У Світовому океані залізо утворює неорганічні і органічні сполуки, а його вміст у евфотичному шарі води (0–25 м) залежить від біоседиментації та депонування його сполук у донних відкладах. У поверхневих водах суші залізо може утворювати комплексні сполуки з розчиненими органічними речовинами, взаємодіяти з завислими та диспергованими частинками в донних відкладах, а з легкорозчинними сполуками порових вод, переважно органічного характеру, залізо може утворювати кінетично стійкі сполуки, які погано дисоціюють.

У клітинах і тканинах гідробіонтів залізо входить до складу органічних речовин, багатьох ферментів. Незважаючи на відносно незначний вміст заліза в тканинах і біологічних рідинах живих організмів, його біологічна роль надзвичайно велика.

В океанічній воді, при загальній її солоності 34,5–35,0 ‰, концентрація заліза може коливатись у межах 0,005–0,14 мкг/дм³. На глибині 50 м міститься в середньому до 20 мг/м³ заліза (Fe ²⁺, Fe ³⁺) у вигляді неорганічних та органічних сполук. Як в морських, так і в прісних водах залізо знаходиться в різному ступені окиснення: Fe ²⁺ і Fe ³. При цьому Fe ²⁺ найчастіше зустрічається у водах з низьким вмістом кисню, а у водах, збагачених на розчинений кисень – переважають окиснені форми заліза (Fe ³⁺).

Загальна концентрація та форми сполук заліза у водних екосистемах залежать від геологічних особливостей водозбірної площі, характеру водообміну, кількості опадів та надходження його сполук із стічними водами та атмосферними опадами. Останнє має особливе значення для водних об’єктів, розташованих поблизу металургійних комбінатів (Дніпродзержинськ, Запоріжжя, Кривий Ріг та інші).

Характерною особливістю кругообігу заліза є його надходження з водозбірної площі у вигляді розчинених солей Fe ²⁺, оксидів та в комплексах з гуматами. Вміст заліза коливається в широких межах як у воді, так і в донних відкладах (табл. 12).

Таблиця 12

Вміст заліза у воді і донних відкладах водойм Дністра і Дніпра

Водні об’єкти	Вода (мкг/дм^3)	Донні відклади (г/кг сухої маси)
Дністер
Верхній Дністер	0,0–9,6
Дністровське водосховище	300,6–457,2	8,4–8,9
Середній Дністер	309,0–334,5	4,8
Дубосарське водосховище	197,5–357,8	4,9–6,9
Нижній Дністер	182,4–227,0	3,6–7,8
Водосховища Дніпра
Київське	278,0	3,2–39,8 (19,8)
Кременчуцьке	140,0	2,6–21,7 (11.2)
Запорізьке	122,5	1,8–35,6 (19,3)
Каховське	118,0	2,5–31,4 (17,5)
Лимани
Дніпровсько-Бузький	135,0	2,7–22,5 (15,4)

Примітка. Вказані граничні величини. В дужках – середні концентрації.

Таблиця складена за даними П.М. Линника (1999), С.Й. Кошелевої, К.М. Цапліної (1998).

У Дніпрі до його зарегулювання верхня межа концентрації заліза становила 2,0 мг/дм³, у тому числі розчинених форм – 1,2 мг/дм³. Після зарегулювання стоку Дніпра відбулося значне зниження загальної концентрації заліза до 0,09–0,72 мг/дм³, а розчиненого – до 0,02–0,32 мг/дм³. Зарегулювання вплинуло на вміст заліза у каскаді як у часі, так і в просторі, тобто, вміст заліза зменшувався від верхнього Київського до нижнього Каховського водосховища, а також в міру віддалення від часу затоплення ложа. Зменшення концентрації заліза у водосховищах пов’язано з його біоседи­мен­тацією та депонуванням у донних відкладах. У кожному з дніпровських водосховищ акумулюється близько 40 % заліза, яке до нього надходить.

Із двох форм заліза – Fe ²⁺, Fe ³⁺ більш стійкою є остання, тому його сполуки частіше зустрічаються у поверхневих водах суші. На окиснення Fe ²⁺ до Fe ³⁺ впливає насиченість води киснем. У той же час фульвокислоти та гумінові кислоти можуть в значній мірі запобігати окисненню Fe ²⁺ до Fe ³⁺, внаслідок зв’язування його в комплекси. При цьому фульвокислоти мають більшу комплексоутворюючу здатність у порівнянні з гуміновими кислотами.

Залізо може утворювати комплекси з розчиненими у воді органічними речовинами, які виділяються у процесі життєдіяльності водоростей та мікроорганізмів.

Основний вплив на стан заліза у поверхневих водах може бути пов’язаний з його комплексоутворенням з неорганічними лігандами. Але в більшості випадків концентрація розчиненого заліза зумовлюється комплексоутворенням з органічними речовинами, зокрема, з фульвокислотами та гуміновими кислотами. У річкових водах високі величини концентрації заліза зумовлюються, як правило, утворенням переважно негативно заряджених колоїдних частинок у процесі взаємодії гідроксиду заліза і органічних речовин гумусової природи. Для Fe ²⁺ і Fe ³⁺ характерним є також утворення у реакціях гідролізу і полімеризації таких сполук, як [FeOH] ⁺, [Fe(OH)₂]°, [Fe(OH)₃]°, [Fe₂(OH)₃] ³⁺, [Fe₂(OH)₂] ⁴⁺, [Fe₂(OH)] ⁵⁺ та інші. Їх співвідношення залежить від реакції середовища (рН), окиснювано-відновного потенціалу (Eh) та загальної концентрації заліза у природних водах.

Серед чинників, які впливають на співвідношення окремих форм заліза: закомплексованого з органічними речовинами, відновленого та зв’язаного гідроксил-іонами, особливо істотна роль належить активній реакції (рН) води. Окиснення Fe ²⁺ до Fe ³⁺ найбільш інтенсивно відбувається у нейтральних та слаболужних водах.

Вміст заліза у природних водах та співвідношення його окремих форм залежить від сезонних особливостей протікання внутрішньоводоймних процесів. В озерах, річках і водосховищах найбільші величини концентрації заліза виявляються у зимовий і ранньовесняний період. Особливо велика кількість заліза надходить у водойми із заболочених місцевостей. До таких належить, зокрема, басейн р. Прип’яті. З нього надходить у Київське водосховище вода збагачена залізо-гумусовими комплексними сполуками.

Крім комплексів з органічними речовинами, залізо може взаємодіяти із завислими у воді частинками. Особливо відчутну роль вони відіграють у міграції заліза з річковими водами, які формуються в гірській місцевості. До них нале­жить стік Дунаю і таких його притоків, як Тиса, Прут, Серет, Латориця та інші.

У дунайській воді вміст заліза у складі завислих частинок становить більше 85–90 % його загальної кількості, що виноситься з водним стоком. Серед завислих частинок, з якими залізо переноситься потоками води, більшу частку становлять силікатні сполуки, дещо менше припадає на його гідрогенні форми і ще менше – на біогенні комплекси. Щорічно з річковим стоком виноситься у Світовий океан близько 9,6×10⁸ т заліза. При цьому, на завислі форми припадає 98 % або 9,45×10⁸ т.

У водоймах озерного типу чітко виявляється вертикальна стратифікація; двовалентне залізо (Fe ²⁺), яке надходить з притічною водою, окиснюється на поверхні водної товщі до Fe ³⁺ і у вигляді більш важкого гідроксиду [Fe(OH)₃] опускається на дно; у придонних шарах води під впливом підвищеного вмісту СО₂ і HCO₃ ^– та низьких величин Eh воно знову перетворюється на двовалентне залізо (Fe ²⁺), яке розчиняється у воді. Внаслідок таких перетворень різниця між концентрацією Fe ²⁺ в поверхневому і в придонному шарах може досягати 30–40 мг/дм³.

У порових розчинах донних відкладів більша частина заліза закомплексована і знаходиться у складі високомолекулярних сполук, при цьому його вміст значно виший у порівнянні з поверхневими шарами водної товщі.

Основними формами міграції заліза в поверхневих прісних водах є завислі та колоїдні форми, які становлять 95–97 % валового його вмісту у річкових водах і на 10–30 % менше – у водах озер і водосховищ.

Дата добавления: 2014-01-03