3.23. Биологические процессы

В ручьях и небольших реках биологическая активность в воде слабо влияет на ее химический состав из-за быстрого течения. В крупных же 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 CO₂ (или НСОз^-) и воды в органическое вещество следующим образом:

свет

С02(г) + Н₂О(ж) → СН₂О(тв)+О₂(г) (3.9)

ΔG° = +475 кДж/ моль

CH₂O представляет собой обобщенную формулу для углевод­ного органического вещества. Протекание реакции требует притока энергии, что обеспечивается светом. В мелких пресных водоемах фо­тосинтез осуществляют крупные растения и дрейфующие микроско­пические водоросли (фитопланктон), в то время как в глубоких озе­рах (и океанах) практически весь фотосинтез происходит только за счет фитопланктона. В процессе обратной реакции разложения орга­нического вещества, т. е. окисления или дыхания, высвобождается энергия, которая поддерживает жизнь:

СН₂О(тв)+О₂(г) → СО₂(г) + Н₂О(ж) (3.10)

ΔG° = - 475 кДж / моль

Поскольку фотосинтез требует света, он сосредоточен в по­верхностных слоях воды —эуфотической зоне (область, получающая >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 происходить на любой глубине столба воды. В процессе разложения потребляется кислород, который поступает в воду в большей степени путем обмена газов на границе вода/воздух и частично — как побочный продукт фотосинте­за. Количество кислорода, способного раствориться в воде, зависит от температуры. Насыщенная кислородом пресная вода содержит около 450 мкмоль/л кислорода при 1°С и 280 мкмоль/л при 20°С.

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. В некоторых случаях содержание ки­слорода падает ниже уровня, необходимого для поддержания жизни животных. Скорость потребления кислорода увеличивается по мере того как возрастает количество поступающего органического веще­ства по причине как усиленного фотосинтеза в поверхностных водах, так и из-за прямого стока органических отходов, т. е. сточных вод.

В том случае, если кислород израсходован, бактерии исполь­зуют другие окисляющие агенты для потребления органического ве­щества. Эти альтернативные окислители используются в порядке, за­висящем от выхода энергии. Восстановление нитратов (денитрификация) энергетически выгодно бактериям, но в природных пресных водах оно обычно ограничено из-за низких концентраций нитратов. Однако в результате антропогенного привноса концентрации нитратов в реках повышены, что увеличило доступность нитратов для вос­становления бактериями.

Железо и марганец (Мn), оба потенциальные акцепторы элек­трона, распространены в виде нерастворимых оксидов Fe(III) и Mn(IV). В восстановительной обстановке (при примерно тех же окислительно-восстановительных потенциалах, что и восстановление нитратов) эти оксиды могут быть восстановлены до растворимых Fe(II) и Mn(II).

Восстановление сульфатов в пресных водах не служит зна­чительным механизмом потребления органического вещества, по­скольку уровень растворенных сульфатов там обычно низкий. Одна­ко в морской воде сульфатов много, и процесс их восстановления очень важен. В некоторых богатых органическим веществом речных и бо­лотных осадках существенным деструкционным процессом может быть метаногенез. Известно, что восстановленный продукт реакции, метан (СН₄), являющийся парниковым газом, выделяется в виде пу­зырей из некоторых заболоченных земель, что вносит значительный вклад в резервуар атмосферного CH₄.