1.3.1.1. Структура и свойства водных экосистем.

Р езультирующий эффект формирования качества воды может быть описан только с учетом роли водной экосистемы. Потоки вещества и энергии можно рассмотреть на примере типовой блок-схемы водной экосистемы [43], изображенной на рисунке 3. Система получает солнечную радиацию, с помощью которой происходит синтез первичного автохтонного органического вещества фитопланктоном и многоклеточными водорослями. В процессе жизнедеятельности биоты возникают вторичные автохтонные биогены — продукты биосинтеза в организмах и продукты разложения остатков организмов. (Не путать с так называемыми «биогенными элементами» — неорганическими соединениями азота и фосфора, способными стимулировать развитие фитопланктона).

Рисунок 3 — Типовая блок-схема водной экосистемы

Растворенное органическое вещество водной экосистемы включает также соединения, поступающие в систему извне — это аллохтонные соединения биогенной, терригенной и антропогенной природы. Обычно они поступают с поверхностными стоками, почвенными водами, вымываются дождями из атмосферы, сбрасываются антропогенными объектами (технологическими, энергетическими, жилищно-коммунальными, сельскохозяйственными и т.п.).

Аллохтонные и автохтонные биогены способны к выходу из биотического цикла за счет минерализации (через детрит). Этот процесс Н.В. Тимофеев-Ресовский называл «уходом в геологию».

1.3.1.2. Растворенное органическое вещество водных экосистем, его динамика.

Контроль и оценка состояния водной среды требуют знания огромного количества характеристик, которые можно классифицировать на:

• факторы формирования химического состава воды;

• динамические характеристики акватории;

• качество воды.

К факторам формирования химического состава воды относятся характеристики процессов, влияющих на массоперенос автохтонных и аллохтонных веществ, эти процессы происходят не только в трехмерном пространстве акваторий, но и в условно двумерном пространстве донных отложений.

Результирующий эффект этих сложных и инерционных процессов наблюдается в виде достаточно стабильного уровня интегрального показателя «суммарное содержание растворенного органического вещества», которое может быть выражено в виде различных показателей валового количества.

Валовое количество органических примесей в водной среде оценивается в настоящее время содержанием органического углерода (ОУ) и общего органического углерода (ООУ) в воде и по показателям химического потребления кислорода (ХПК), определяемого методами бихроматной окисляемости (БО) или перманганатной окисляемости (ПО), биохимического потребления кислорода (БПК) и общего потребления кислорода (ОПК) [44-47. Основными критериями для оценки общей загрязненности питьевых, природных и сточных вод органическими соединениями являются показатели БПК, ХПК и величина ООУ.

Биохимическое потребление кислорода определяется при окислении органических веществ пробы микроорганизмами в аэробных условиях. Затрачиваемое на окисление органики количество кислорода позволяет судить о суммарном содержании в воде лекгоокисляемых органических соединений. БПК является важным обобщенным показателем качества вод, так как характеризует уровень лабильной органики, сильно влияющей на кислородный режим водоема.

Химическое потребление кислорода — это количество кислорода, потребленное при общем химическом окислении органических компонентов до неорганических конечных продуктов СО₂ и Н₂О. ХПК измеряется в миллиграммах кислорода, необходимого для окисления органических веществ в литре воды. Показатель ХПК характеризует общее содержание в воде восстановителей (органических и неорганических), реагирующих с сильными окислителями. При этом достаточно эффективным окислителем считается бихромат калия.

Определение органического углерода — одна из основных процедур, выполняемых при органическом элементном анализе [48]. Определение суммарного содержания органических примесей в воде включает в себя обычные этапы элементного анализа: химическое превращение анализируемых веществ в простые летучие продукты, каждый из которых содержит один определяемый элемент, их регистрацию и обработку полученных данных. Для этих целей часто используют окисление и восстановление, проводимые как в статических, так и в динамических условиях и способные обеспечить как максимальную полноту реакции при использовании катализаторов, находящихся в зоне реакции, так и небольшую продолжительность определения. Поэтому величина ООУ наряду с ХПК широко используется для оценки загрязненности вод органическими веществами. Критерий ХПК и величина общего органического углерода ООУ позволяют оценивать качество питьевых, природных и сточных вод, причем эта оценка проводится по четырем уровням качества, приведенным в таблице 2 49.

Таблица 2 — Качество воды в зависимости от бихроматной окисляемости (БО) и содержания общего органического углерода

Тип вод	Характеристика качества вод	Значение ХПК (бихроматная окисляемость), мгО/дм3	Содержание органического углерода Сорг, мгС/дм3
I II III IV	Чистые воды Незначительно загрязненные воды Сильно загрязненные воды Очень сильно загрязненные воды	15...25 26...70 71...100 более 100	7...12 13...35 36...50 более 50

Окисляемость органического вещества рассматривают как важнейший фактор состояния водных экосистем [50-52] и связывают его с ПО, БО и ООУ.

Обычно 1 мг О₂ перманганатной окисляемости ПО принимается равным 1 мг ООУ. Приводимый Хатчисоном [53] для озер Винсконсина график ООУ – ПО (где ПО в пределах 4-18 мг О/л) можно описать уравнением:

ООУ= 0,52 ПО^1,28 , (n=16, r=0,98).

Принято считать, что сжигание органического вещества бихроматом калия, оцениваемое бихроматной окисляемостью БО, полностью окисляет органическое вещество, а 1 мг БО соответствует 0,375 мг ООУ. В свою очередь, перманганат калия, дающий величины ПО, окисляет, главным образом, лабильное (легко разложимое) органическое вещество. По оценке В. Лейте [54], Ю.Ю.Лурье [55] соотношение ООУ/ХПК=ПО/БО составляет для белков – 0,357, углеводов – 0,357 и гуминовых веществ – 0,385, возрастая до 0,833 в бытовых сточных водах и характеризуя различия в характере органического вещества.

Для расчетов в природных водах [56,57] чаще всего принимается усредненное соотношение ПО/БО, равное 0,375, но практически оно может иметь определенные колебания вокруг этой величины от 0,22 до 0,6 в зависимости от различий в характере органического вещества, которое оказывается способен окислить перманганат калия. Из соотношения ПО/БО можно оценить ПО/ООУ [58], как 2,67 (ПО/БО), откуда крайние колебания ПО/ООУ вокруг единицы могут иметь размах от 0,6 до 1,6. В малых озерах Северной Европе и европейской территории бывшего СССР по С.П.Китаеву [59] соотношение ПО/БО составляло: в зоне тундры 0,45, в северной и средних зонах тайги 0,4, в зоне смешанных лесов 0,35. Сходное снижение ПО/БО наблюдается в системе Волги и ее водохранилищ по мере продвижения вниз по течению [60]. Если в верхнем участке бассейна величина ПО/БО составляла 0,4-0,44, то в Куйбышевском, Саратовском и Волгоградском водохранилищах 0,2-0,3. В днепровских водохранилищах [61] тенденция аналогична: если в самом верхнем Киевском водохранилище отмечалось соотношение ПО/БО 0,4-0,44, то в нижнем Каховском оно составляет 0,25. В.Н.Жукинский с соавторами [62] для расчетов принимают среднее соотношение ПО/БО равным 0,3, что однозначно свидетельствует о росте содержания трудноокисляемых компонентов РОВ при повышении антропогенной нагрузки на водные экосистемы.