Растворенные газы

Растворенные и взвешенные в воде вещества

В природной воде содержится большое количество растворенных газов, минеральных и органических веществ. Поступление веществ в гидросферу происходит при диффузии и выпадении осадков из атмосферы, при выделении из донных отложений газов, в результате жизнедеятельности гидробионтов, взмучивании грунта и др.

Присутствующие в воде растворенные и взвешенные вещества определяют условия существования в гидросфере. От количества и состава растворенных газов зависят условия дыхания организмов, от питательных солей – существо­вание автотрофных растений, от суммарного количества растворенных в воде веществ – величина осмотического давления, от состава и коли­чества взвешенного в воде вещества – условия питания орга­низмов, живущих за счет сестона, и др.

Поступают в воду из атмосферы или образуются в самом водоеме. Наибольшее значение в гидросфере из растворенных в воде газов имеют кислород, угле­кислый газ, сероводород и метан.

Кислород. Образуется в самом водоеме в процессе фотосинтеза и поступает из атмосферы (инвазия), когда вода не насыщена им. В водоемах расходуется на дыхание и другие окислительные процессы, а при высоких концентрациях убывает в результате эвазии (вы­хода) в атмосферу (рисунок 4.3).

Рисунок 4.3 – Схема круговорота растворенного кислорода в водных экосистемах

Количество кислорода, могущее раствориться в воде, называется нормальным.

Коэффициент растворимости, или абсорбции, кислорода при 0 °С равен 0,04898, таким образом, при нормальном содержании кислорода в атмосфере (210 мл О₂ в 1 л воздуха), в 1 л воды окажется растворенным 210 мл·0,04898 = 10,29 мл О₂. С увеличением температуры и солености коэффициент абсорбции уменьшается и величина нормального количества кислорода снижается. Допускается выражать содержание кислорода не в абсолютных количествен­ных показателях (объемных или весовых), а по степени насыщения им воды в процентах от нормального количества в дан­ных условиях.

Кислородный режим водоемов и их отдельных зон зависит от очень большого числа факторов. Так как инвазия кислорода из атмосферы происходит только через поверхность воды, а зона фотосинтеза располагается в верхнем слое, то насыщение кислородом поверхностных слоев больше, чем нижележащих. Распре­деление кислорода в толще водоемов происходит в результате перемешивания воды.

В тропических и умеренных широтах Мирового океана на глу­бине 150-1000 мобычно находится зона минимального содержа­ния кислорода (оксиклин), где его количество часто падает до 10-15 % нормального (рисунок 4.4). С дальнейшим продви­жением вглубь концент­рация кислорода снова повышается. Существо­вание зоны резкого дефицита кислорода объясняется застойностью воды в результате затухания глубин­ных течений, наличия термоклина и повышенной концентрацией организмов, использующих кислород на дыхание.

Зимой и летом, когда поверхностные и глубинные слои воды резко отличаются друг от друга по содержанию кислорода, имеет место кислородная дихотомия, возникающая в водоеме в период стагнации. В это время наблюдается резкий дефицит кислорода в придонном слое, и нередко здесь создаются условия, близкие к анаэробным, хотя у поверх­ности вода насыщена кислородом. Во время осенней и весенней циркуляции воды концентрация кислорода во всей толще воды выравнивается и наступает так назы­ваемая гомооксuгенuя.

В реках и ручьях в силу постоян­ной перемешиваемости их воды резких неравномерно­стей в распределении кислорода не наблюдается.

Рисунок 4.4 – Оксиклин

По отношению к кислороду организмы делятся на:

– эвриоксибионтных (эвриоксидных), существующих в широких пределах колебания концентрации кислорода;

– стенооксuбuонтных (стенооксидных), способных жить в узких колебаниях этого фактора.

Степень загрязнения вод взвешенными и растворенными органическими веществами может быть определена по содержанию кислорода, потребленного на биохимическое окисление этих веществ в процессе жизнедеятельности аэробных бактерий. Эта величина называется БПК – биохимическое потребление кислорода – и выражается концентрацией кислорода в мг/дм³. Утрата кислорода в 5-и суточной пробе (БПК₅) в водах разной степени загрязнения имеет значения:

очень чистые воды - 1 мг/дм³;

чистые - 2 - «-;

довольно чистые - 3 - «-;

сомнительные - 5 - «-;

очень грязные - 10 - «-;

Показатель БПК₂₀ устанавливают при экспозиции кислородных склянок в течение 20 суток, он дает представление о количестве растворенных и взвешенных веществ в воде.

Углекислый газ. Поступает в воду в результате абсорб­ции из атмосферы, выделения организмами в процессе дыхания, выделения из различных соединений. Расходуется углекислый газ в результате потребления фотоситнезирующими организмами, при связывании в соли угольной кислоты, в результате эвазии в атмосферу (рисунок 4.5).

Коэффициент абсорбции СО₂ при температуре 0 °С равен 1,713. Значит, при условии нормального содержания газа в атмосфере (0,3 мл/л)и темпе­ратуре 0 °С в 1 лводы растворяется 0,514 млСО₂. С повышением температуры и солености воды нормальное содержание СО₂ в воде снижается.

В высоких концентрациях СО₂ ядовит для животных, и по этой причине многие родники лишены жизни. Концентрация СО₂ в пресной воде, превышающая 50 мг/дм³, вызывает нарушения в функциях организмов или даже их гибель. Для растений, потребляю­щих СО₂, его высокие концентрации безвредны.

Рисунок 4.5 – Схема круговорота СО₂ в водоемах

Сероводород. Образуется в водоемах почти исключительно биогенным путем – в результате жиз­недеятельности гнилостных бактерий, разлагающих белковые сое­динения, и за счет восстановления десульфурирующими бактериями сульфатов воды.

Сероводород вреден гидробионтам как косвенно (сниже­ние концентрации кислорода), так и непосредственно (смертелен в очень малых концентрациях).

Количество обра­зующегося в морях сероводорода иногда бывает столь боль­шим, что им обогащаются придонные слои воды толщиной в десятки и сотни метров. Так, в Черном море от сероводорода свободен только тонкий поверхностный слой 150-250 м, вся же остальная толща воды содержит данный газ и вследствие этого почти безжизненна [6]. Развитию десульфурирующих бактерий благоприятствует понижен­ное содержание кислорода, наличие впадин с ослабленной верти­кальной циркуляцией воды, присутствие значительных количеств сульфатов.

Количество десуль­фурирующих бактерий в пресных водах небольшое, поэтому образование в них сероводорода обычно связано с загрязнением воды сульфатсодержащими сточными водами.

Значительные количества сероводорода (до 700 и более мг/дм³) часто накапливаются на дне водоемов во время летней и зимней стагнаций. Освобождение воды от сероводорода происходит за счет абиогенного окисления и в результате деятельности серных бактерий, окисляющих H₂S до S и H₂SО₄.

Метан, или болотный газ. Образуется главным образом при разложении клетчатки отмерших организмов в грун­тах и придонном слое воды многих озер и прудов, реже – в морях. В больших количествах – до 80-90 % метан содержится в пузырьках газа, поднимающихся со дна во многих стоячих водоемах. Также как и сероводород, метан ядовит для многих организмов. Редукция СН₄ происходит в результате деятельности метаноокисляющих бактерий.