ЛЕКЦИЯ 10 1. Изменение химического состава

ЛЕКЦИЯ 10
1. Изменение химического состава континентальных вод
в результате протекания биологических процессов.
2. Питательные вещества и эвтрофикация водоемов.
3. Загрязнение подземных вод. Формирование состава и
кислотности поверхностных вод.
Биологические процессы
В ручьях и небольших реках биологическая активность в воде слабо
влияет на ее химический состав, поскольку любые воздействия устраняются изза быстрого течения. Напротив, в крупных реках и озерах со слабым течением
основные изменения в химическом составе воды могут быть вызваны
биологической активностью.
Все фотосинтезирующие растения поглощают свет и превращают его в
химическую энергию с помощью молекулы хлорофилла. Освобождаемая
энергия используется затем для превращения СО2 и воды в органическое
вещество.
Поскольку фотосинтез требует света, он сосредоточен в поверхностных
слоях воды – эуфотической зоне (область, получающая больше 1% излучения,
попадающего на поверхность воды). Глубина эуфотической зоны варьирует в
зависимости от положения солнца, количества света, абсорбируемого
взвешенным веществом (включая фитопланктон) и наличия в воде
растворенных окрашенных соединений.
Разложение органических веществ (которое практически всегда
осуществляется при участии бактерий) может проходить на любой глубине
столба воды. В процессе разложения потребляется кислород, который
поступает в воду в большой степени путем обмена газов на границе вода/воздух
и частично – как побочный продукт фотосинтеза. Количество кислорода,
способного раствориться в воде, зависит от температуры.
В летний период приповерхностные слои многих озер нагреваются
лучами солнца. Более теплые приповерхностные воды являются менее
плотными, чем холодные глубинные, и это приводит к устойчивому
расслоению по плотности. Такая стратификация ограничивает обмен между
обогащенными кислородом поверхностными водами и глубинными водами.
Органическое вещество, образующееся в поверхностных водах, опускается в
глубинные воды, где оно окисляется, еще более понижая концентрацию
кислорода.
Катастрофа, обусловленная газом, в озере Ниос: природная опасность,
связанная со стратификацией озера
В укрытых от ветра местностях воды глубоких озер расслаиваются из-за
различий в плотности. Это вызвано либо растворенными в воде газами или
солями, либо поверхностным нагревом, в результате чего поверхностные слои
воды плавают на глубинных плотных слоях (гиполимнон). Со временем такая
стратификация может разрушиться сама собой, что позволяет слоям
1
переворачиваться и перемешиваться в районах с умеренным климатом
переворачивание обычно происходит осенью, когда поверхностные слои
охлаждаются и опускаются, замещая при этом придонные воды. В тропиках
сезонные переворачивания слоев воды не распространены из-за слабых
сезонных изменений погоды.
Озеро Ниос, вулканическое кратерное озеро в Камеруне, также
стратифицировано по плотности, в основном по причине повышенного
содержания растворенного диоксида углерода (СО2) в глубинных водах.
Вероятно, СО2, дегазирующийся из магмы на небольшой глубине земной коры,
в течение некоторого времени постоянно просачивается в природные воды, где
накапливается до концентраций, близких к насыщению.
21 августа 1986 г. примерно 109 м3 СО2 вышло из придонных вод в виде
огромного облака. Диоксид углерода, который в 1.5 раза тяжелее воздуха,
перетек в близлежащие долины, вызывая удушье у тысяч людей. Причина
этого гибельного выброса газа неизвестна. Может быть, местное землетрясение
или накопление и опускание потока холодной дождевой воды после сильного
дождя вызвало быстрое переворачивание слоев воды, что привело к
высвобождению СО2 из природных вод. Или же дегазирование произошло без
полного переворачивания слоев воды в озере. В случае, если местное
пересыщение по СО2 привело к спонтанному образованию пузырьков газа,
местное падение давления могло вызвать цепную реакцию, ведущую к
дальнейшему дегазированию СО2. Такую цепную реакцию могло побудить
любое незначительное движение, вызванное, например, волнением.
Питательные вещества и эвтрофикация водоемов
Кроме СО2, воды и света растениям для роста нужны определенные ионы
(питательные вещества). Некоторых из этих ионов, например Mg+, довольно
много в пресной воде, однако другие необходимые питательные вещества,
например, азот и фосфор, присутствуют в низких концентрациях. Если
недостаток света не ограничивает рост водорослей, то может иметь место
химическое ограничение роста, когда потребность в азоте и фосфоре начинает
превышать их доступность.
В природных водах растворенный неорганический фосфор (РНФ)
присутствует преимущественно в виде различных продуктов диссоциации
фосфорной кислоты. РНФ в реках возникает в основном из-за прямых
разгрузок, например, сточных вод. Концентрация РНФ изменяются обратно
пропорционально потоку воды, и привнесенное его количество разбавляется в
условиях быстрого потока.
Химия азота сложна, поскольку азот может присутствовать в нескольких
окисленных состояниях. Газообразный азот, растворенный в речной воде, не
может быть использован большинством высших растений и водорослей как
источник азота, поскольку они не могут разорвать его сильную тройную связь.
В природных и сточных водах соотношение азота к фосфору составляет
16:1. Однако в подземных водах это соотношение сильно варьирует и
концентрации азота иногда в десятки и более раз превышают эти величины,
достигая 200:1 и даже 270:1 (привносимый азот из удобрений с полей).
2
Искусственно возросшие концентрации NО3- привели к тому, что РНФ
является теперь основным питательным веществом, лимитирующим рост
растений во многих пресных водах. Увеличение водорослевой биомассы может
привести к токсичности, засорению воды, неприглядности водоемов, снижению
биоразнообразия и низким концентрациям кислорода в стратифицированных
водах – к процессу, обычно называемому эвтрофикацией. Взаимосвязь между
РНФ и уровнем хлорофилла придает особое значение наблюдению за
поступлением фосфора в реки и озера.
Другое важное питательное вещество, кремний, используется диатомеями
(фитопланктон)
для построения их экзоскелета. Кремний ограничивает
разнообразие видов, но не общую биомассу фитопланктона.
Загрязнение подземных вод.
Формирование состава и кислотности поверхностных вод
Подземные воды крайне важны для человека, поскольку это
основной источник питьевой воды. Например, в США более 50% населения
используют подземные воды как источник питьевой воды. Поэтому качество
грунтовых вод становится очень важным фактором, и в большинстве развитых
стран вода для потребления человеком должна соответствовать определенным
стандартам. Грунтовые воды могут не соответствовать стандартам качества
воды, поскольку содержат растворенные составляющие, появляющиеся как из
природных, так и антропогенных источников. Типичные механизмы
антропогенного загрязнения подземных вод приведены на рис. 1.
Рис.1. Типичные механизмы антропогенного загрязнения подземных вод
В США основную угрозу для подземных вод составляет утечка из
подземных цистерн, сток с сельскохозяйственных полей, мест захоронения
городских отходов, а также заброшенных хранилищ вредных отходов.
К наиболее часто упоминаемым загрязнителям, поступающим из этих
источников, относятся нитраты, пестициды, летучие органические соединения,
бензопродукты, металлы и синтетические органические химикаты.
3
Химия загрязненных подземных вод мало отличается от химии
поверхностных вод. Однако процессы разложения, происходящие в течение
дней или недель в поверхностных водах, могут занимать десятилетия в
подземных водах с низкими скоростями потока и слабой микробиологической
активностью. Это ограничивает возможность природной очистки посредством
вымывания или биологического потребления. Однажды загрязненные
подземные воды восстановить сложно и дорого, а во многих случаях
невозможно. Местоположения старых участков загрязнения могут быть
известны не точно или даже вообще неизвестны, а гидрологические условия
могут способствовать разгрузке загрязненных подземных вод в виде природных
ключей в реки и озера, в результате которой загрязнение распространяется на
поверхностные воды.
Среди потенциальных и действующих источников загрязнения 46%
составляют нефтяные, 3% - сельскохозяйственные, 27% коммунальные
(сточные воды, твердые отходы), 6% транспортные, 3% - прочие. Таким
образом, использование подземных вод из-за ухудшения их качества возможно
лишь при дополнительной обработке. Значительное улучшение качества
отбираемой воды непосредственно при ее заборе возможно при внедрении
технологии фильтрующего водоприема. Фильтрующий водоприем – наиболее
технологически целесообразное, экономически выгодное, экологически
приемлемое решение и водоотбора и очистки забираемой воды в любых
природно-климатических, гидрологических и хозяйственно-эксплуатационных
условиях.
Следует заметить, однако, что на каком бы высоком уровне ни
находилась система водоподготовки населенных пунктов с централизованным
водоснабжением, вода, доходящая до потребителя, оказывается загрязненной
железом из труб, часто бактериями и нефтепродуктами.
Показателем влияния образующихся в тропосфере кислотных дождей
является подкисление природных вод. Замечено, что во множестве кислых рек
и озер происходит интенсивный рост водорослей и мхов. Многие водоросли в
процессе фотосинтеза в кислой воде неактивны. Накопление водорослей при
низких значениях рН, вероятно, обусловлено меньшим разложением и
уменьшением поедания их беспозвоночными животными. Минерализация
водных организмов в кислых растворах замедляется, что приводит к
накоплению вещества на дне озер и увеличению скорости образования мхов.
Плотные студенистые грибковые подстилки уменьшают количество кислорода,
необходимого для аэробного разложения. В конечном счете уменьшается
возврат в цикл фосфора, который имеет большое значение дня продуктивности
озер. Нельзя не отметить, что при всем этом имеет место также изменение
состава донных беспозвоночных, составляющих пищу для рыб и весьма
чувствительных индикаторов изменения рН. Так, при рН ниже 4,5 не
обнаруживаются никакие ракообразные, улитки, мидии, и при этом не может
жить никакая имеющая промысловое значение пресноводная рыба. Скорее
всего, низкий рН препятствует размножению рыб, убивая икру.
Снижение численности рыб влечет за собой исчезновение животных,
которые питаются рыбой: белоголового орлана, гагар, чаек, норки, выдры и др.
4
Численность земноводных (лягушек, жаб, тритонов), возможно, также
сокращается.
Алюминий, как правило, не растворяется в процессах выветривания,
однако становится растворимым при низких и высоких значениях рН. В
простейшем случае различают три формы алюминия: растворимый Al3+,
преобладающий в кислых условиях, нерастворимый гидроксид алюминия
[А1(ОН)3], преобладающий в нейтральных условиях, и А1(ОН)4преобладающий в щелочных условиях:
Al(OH)3(тв) + OH-(водн) ↔ Al(OH)-4(водн),
Al(OH)3(тв) ↔ Al3+(водн) + 3OH-(водн).
Таким образом, растворимость алюминия зависит от рН, он нерастворим
в пределах значений рН 5 — 9, что включает большинство природных вод.
Растворимость
алюминия
осложняется
образованием
частично
диссоциированных форм А1(ОН)3 и комплексов между алюминием и
органическим веществом. Мониторинг растворимости алюминия важен,
поскольку его токсичность может вызвать гибель рыбы в подкисленных
пресных водах.
Подкисление пресных вод происходит в том случае, если скорость
замещения почвенных катионов водородом (Н+) превышает скорость
поступления катионов в результате выветривания. Реакции ионного обмена
между почвой и водой помогают поддерживать рН короткое время, но для
более длительных периодов снабжение почвы катионами осуществляется из
нижележащей подстилающей породы. Обычно дождевая вода имеет кислую
реакцию, и почвенные воды дополнительно подкисляются из-за образования Н+
в результате разложения органического вещества. Таким образом, подкисление
может быть природным процессом, хотя кислотные дожди сильно увеличили
скорости этих процессов во многих районах Земли.
В целом следует отметить, что:
— кислотные дожди изменяют величину рН рек и озер и могут вызвать
их биологическую смерть;
— под влиянием кислотных дождей возрастает геохимическая
подвижность алюминия, приводящая одновременно к уменьшению рН<5, и к
возрастанию его концентраций и изменению форм существования в воде;
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Как влияет протекание биологических процессов на изменение
химического состава континентальных вод ?
Что такое эуфотическая зона, какие факторы влияют на ее глубину ?
Чем обусловлена стратификация воды ?
Какими процессами вызывается эвтрофирование водоемов ?
Назовите наиболее типичные механизмы антропогенного загрязнения
подземных вод.
В чем опасность для водоемов в образования в тропосфере кислотных
дождей ?
5