книги из ГПНТБ / Шишкина, Л. А. Гидрохимия учебное пособие

Наличие ясно выраженного максимума фосфатов в слое кисло­ родного минимума можно объяснить теми же причинами, что и минимум кислорода, т. е. разложением остатков организмов, при котором потребляется кислород и выделяются биогенные вещества.

Тесная связь между фосфором и фитопланктоном определяет суточный и сезонный ход фосфора в верхнем деятельном слое моря. Он характеризуется максимальным содержанием фосфора в ночное время и минимальным в дневное (рис. 17). В весенне­ летний период, в пору интенсивного развития фитопланктона, со­ держание фосфора уменьшается зачастую до аналитического нуля. Осенне-зимний период характерен повышенным содержанием фос­ фатов.

02% Р м к г/л

Рис. 17. Суточный ход фосфатов и кислорода на поверхности Атлан­

ряда неорганических и органических соединений. Неорганические соединения азота представлены нитратными ионами NO;T, нитрит-

ными NOjT и ионами аммония NH^. В органических соединениях азот находится главным образом в составе белка тканей организ­ мов и продуктов его распада. Обмен азота между его неорганиче­ скими и органическими формами и живыми организмами является основным фактором, определяющим его содержание. Обмен азота осуществляется при двух противоположно направленных процес­ сах — фотосинтезе (построение органического вещества) и рас­ паде органического вещества.

Азот усваивается фитопланктоном в процессе фотосинтеза и входит в состав растительных организмов, а при поедании их жи­ вотными— в состав животных организмов. Регенерация азота из органических соединений в минеральные формы происходит при

Прямая регенерация происходит сравнительно быстро преимущест­ венно в зоне фотосинтеза.

70

Непрямая регенерация протекает крайне медленно и под воз­ действием нитрифицирующих бактерий распадается на три фазы, охватывая все глубинные зоны океана. В первой фазе регенерации азота, связанного в органических веществах, появляется ион ам­ мония NH+, который наблюдается в наибольших количествах,

(20—25 мкг N/л) в верхней продуктивной зоне. В зависимости от сезона наблюдаются изменения в концентрации ионов аммония, связанные с его потреблением при фотосинтезе: увеличение осенью

изимой и уменьшение в весенне-летний период.

Сглубиной концентрация NH+ уменьшается, так как в про­

цессе регенерации ионы аммония переходят в нитритные ионы N 0“.

Процесс перехода во второй фазе регенерации NH+ в N 0“ совер­

шается под воздействием нитрифицирующих бактерий в присутст­ вии кислорода:

N H f + 2 0 2= N 0 2^+ 2H20 .

Нитриты как промежуточный продукт нитрификации содер­ жатся в воде в очень малых концентрациях (до ГО мкг N/л, из­ редка до 20—30 мкг N/л). Присутствуют нитриты преимущест­ венно в зоне фотосинтеза.

Зимой нитриты отсутствуют и появляются весной при начале минерализации нового органического вещества. Максимум нитри­ тов наблюдается в конце лета, в период интенсивного распада образовавшегося за лето органического вещества. Осенью содер­ жание в воде нитритов уменьшается, и зимой нитриты полностью исчезают, превращаясь в нитраты.

Нитритные ионы очень нестойкие и в третьей фазе регенера­ ции под воздействием бактерий в присутствии кислорода окисля­ ются в нитратные ионы:

2 N O r + 0 2= 2 N O r .

Ионы NOj являются конечным продуктом минерализации орга­

нического азота и в морской воде находятся в большом количестве (до 400—500 мкг N/л). В верхней зоне океана в результате интен­ сивного фотосинтеза, при котором N 0“ потребляется водорослями,

содержание его наименьшее (рис. 15).

С глубиной содержание нитратов повышается вследствие умень­ шения их потребления и увеличения процесса регенерации (непря­ мой). Вертикальный ход N 0“ подобен ходу фосфорных соединений.

Сезонные изменения нитратов наблюдаются только в верхних

N 0“ Na в весенне-летний сезон — минимальные, до полного исчез­

новения.

Суточный ход нитратов в зоне фотосинтеза подобен суточному ходу фосфора.

71

Запасы нитратов в океане огромные, но основная доля их кон­ центрации падает на глубинные и придонные слои океана. Поэтому важнейшим фактором обогащения нитратами поверхностных слоев является динамика водных масс, т. е. перемешивание и поднятие

остатков организмов. Кроме нитрификации, ионы азотных соедине­ ний поступают в Мировой океан с водами речного стока и с атмо­ сферными осадками.

Расходуются соединения азота при усвоении их водорослями во время фотосинтеза, а также при выпадении с органическими остатками в осадок дна.

Кремний. В морской воде кремний находится в виде слабой кремневой кислоты H2Si03 в истинно-растворенном высокодис­

персном и коллоидном состоянии. Формы кремневой кислоты многообразны и изучены еще недостаточно, поэтому концентрация выражается в виде кремния (MKrSi/л).

Содержание кремния в морской воде довольно высокое — от 200 до 1200 мкг Si/л, но может достигать и 4000 мкг Si/л (в Япон­ ском море).

Высокое содержание кремния в поверхностных слоях океана обусловлено стоком речных вод, богатых кремнием. Поэтому крем­ ний является хорошим показателем распространения речных струй.

С глубиной концентрация кремния в результате распада орга­

кремния у дна способствует и процесс растворения пород, слагаю­ щих дно. В поверхностном слое вследствие потребления кремния диатомовыми водорослями, радиоляриями и другими организмами

(лями)

72

§ 7. Органическое вещество

Океан по всей своей толще населен живыми организмами. Между водными организмами и химическим составом морской воды существует тесная связь. Деятельность живых организмов является основной причиной происходящих в морской воде изме­ нений химического состава и круговорота веществ и определяет наличие в морской воде растворенного органического вещества, которое и отличает природную воду от химического раствора.

Органическое вещество подразделяется на две группы:

1)вещества, входящие в состав водных организмов (животных

ирастительных);

2)растворенное органическое вещество в виде коллоидных и молекулярных соединений, которые являются продуктами жиз­ недеятельности организмов и их неполного распада при от­ мирании.

Химический состав растворенного органического вещества весьма сложен и полностью не изучен. Основными его компонен­ тами являются углерод, кислород, водород и в меньших количест­ вах фосфор, сера, калий, азот, кальций и др.

Поступление органического вещества в океан происходит двумя путями. Во-первых, это продукты биохимического распада остат­ ков организмов и продуктов их жизнедеятельности. Во-вторых, это органические вещества, выносимые в Мировой океан реками. Кроме того, часть органического вещества попадает в океан из атмосферы.

Расходуется органическое вещество как продукт питания мор­ ских юрганизмов, но основная часть его (свыше 80%) минерали­ зуется. Органическое вещество довольно стойкое, и процесс мине­ рализации его до простейших соединений (С 02, Н20, СН4 и др.) протекает крайне медленно — более 60 суток.

73

Концентрация органического вещества в морской воде незна­

С глубиной наблюдается постепенное убывание органического вещества.

§8. Микроэлементы

Вводах океанов и морей, кроме основных элементов (рас­ смотренных ранее), содержится большое количество микроэлемен­ тов. Микроэлементами принято называть растворенные вещества, содержание которых в морской воде менее 1 мг/л.

По количеству элементов эта группа самая многочисленная, а по концентрации характеризуется наименьшими величинами. Предполагается, что в морской воде содержатся все элементы, из­ вестные на Земле, но несовершенство методов химического ана­ лиза не позволяет пока их обнаружить.

Суммарное содержание всех микроэлементов составляет нич­ тожную долю— менее 0,002% общего состава растворенных в оке­ ане веществ, но общее количество их в океане очень велико

(табл. 9).

Являясь катализаторами, микроэлементы имеют большое зна­ чение в физиологических процессах морских организмов. Они вхо­ дят в состав дыхательного пигмента беспозвоночных животных (гемоцианина), являются составной частью крови, ферментов, гормонов и пр.

Морские животные и растения обладают избирательной спо­ собностью к усвоению этих элементов. Моллюски, например, по­

и образование железомарганцевых, фосфористых и никелевых конкреций: в процессе жизнедеятельности бактерии концентри­ руют эти металлы.

Микроэлементы в морской воде присутствуют в ионной, моле­ кулярной, коллоидной форме и во взвесях. Большинство форм ми­ кроэлементов неустойчиво, взвеси и коллоиды с течением времени выпадают в осадок.

Режим микроэлементов, их изменения во времени и простран­ стве изучены слабо вследствие трудности их аналитического опре­ деления и многообразия форм.

§ 9. Радиоактивность морских вод

Естественная радиоактивность. В морских водах, кроме микро­ элементов, обладающих стабильным ядром, присутствует целая группа радиоактивных элементов. Это отдельные изотопы обычных

74

элементов (40К, 87Rb и др.), радиоактивные элементы уран и то­ рий, длинные ряды радиоактивных изотопов урана и тория с са­ мым различным периодом полураспада и изотопы элементов, воз­ никающих под действием космических лучей: 3Н, I4C, 10Ве, 32Si, 22Na, 32Р и др.

Концентрация радиоактивных элементов измеряется не только

Присутствие радиоактивных элементов создает естественный радиоактивный фон океана. Поэтому морская вода обладает не­ которой природной радиоактивностью, к которой прекрасно при­ способился весь животный и растительный мир Мирового океана. Природная радиоактивность в море определяется в основном на­ личием в нем изотопов калия 40КРоль остальных радиоактивных элементов — тория, рубидия, углерода, урана, радия и др. — неве­ лика (табл. 14).

Таблица 14

Содержание естественных радиоактивных элементов в океане (по Э. Пигготу, 1953 г.)

ниже радиоактивности суши — в 180 раз меньше радиоактивности гранйта и в 40 раз меньше радиоактивности осадочных пород.

Естественные радиоактивные элементы приносятся в океан реч­ ным стоком, ветром и атмосферными осадками, а также возни­ кают под действием космических лучей.

75

С глубиной радиоактивность увеличивается, а в донных отло­ жениях значительно повышенна. Повышается радиоактивность и вблизи берегов.

Все морские организмы обладают избирательной способностью к накоплению радиоактивных изотопов. Так, бурые и красные во­ доросли концентрируют 137Cs, ракообразные и моллюски 90Sr, радиоизотоп иттрия накапливается в оболочке икры рыб, в водо­ рослях, ракообразных, моллюсках и т. д. Простейшие животные

следние десятилетия достижения науки и техники наряду с заме­ чательной перспективой использования колоссальных возможно­ стей, открывающихся при овладении внутриатомной энергией, со­ здали одновременно угрозу радиоактивного загрязнения Мирового океана.

Загрязнение океана искусственной радиоактивностью имеет три источника.

1. Поступление в воды океана радиоактивных продуктов при испытании атомного и термоядерного оружия.

Летом 1946 г. толщу вод центральной части Тихого океана потряс первый атомный подводный взрыв, произведенный США. Радиоактивность под воздействием циркуляции вод распространи­ лась на огромные расстояния.

После взрыва 1 марта 1954 г. в районе атолла Бикини термо­ ядерной бомбы радиоактивность поверхностных вод в районе ис­ пытаний увеличилась в миллион раз и вскоре обнаружилась на глубине 100 м. Даже через 4 месяца после взрыва радиоактив­ ность продолжала оставаться в три раза больше природной на расстоянии 6500 миль от атолла.

Последующие испытания атомных и- термоядерных бомб со­ здали угрозу сильного заражения морских организмов и промыс­ ловых рыб радиоактивными веществами. При взрывах атомных и термоядерных бомб образуются большие количества радиоактив­ ных изотопов, из которых наибольшую опасность представляют долгоживущие 144Се, 90Sr, 137Cs и короткоживущие 24Na, 56Мп. Радиоактивные изотопы усваиваются довольно интенсивно водо­ рослями, простейшими организмами, беспозвоночными, рыбами и др. Для морских организмов наиболее опасны радиоизотопы с большим коэффициентом накопления: 144Се, 137Cs, 90Y, 9IY. Наи­ большую опасность для человека, питающегося рыбой и морепро­ дуктами, представляет 90Sr, так как он хорошо впитывается ки­ шечником.

По данным американского ученого Д. Причарда, допустимая концентрация 90Sr в морской воде не должна превышать 1042 кюри/л. После взрывов атомных и термоядерных бомб в 1954, 1956, 1959 и 1960 гг. его концентрация в водах океана доходила до 10~п кюри/л, а в настоящее время в Тихом океане она достигает указанного Причардом предела.

76

Зараженные рыбы, совершая далекие миграции, служат пере­ носчиками радиоактивных изотопов не только в горизонтальном направлении, но и по вертикали. Биологическое накопление радио­ активных веществ водными организмами создает угрозу для флоры и фауны океана и, следовательно, использованию пищевых ресур-. сов океанов и морей.

Поэтому благодаря инициативе и энергичным усилиям Совет­ ского правительства 5 августа 1963 г. в Москве был подписан до­ говор о запрещении испытаний ядерного оружия в атмосфере, космическом пространстве и под водой, а в марте 1970 г. был ра­ тифицирован договор о нераспространении ядерного оружия.

Однако запрещение испытаний ядерного оружия в трех средах лишь частично уменьшило опасность, так как остались другие ис­ точники загрязнения, из года в год увеличивающиеся,

2. Вторым источником радиоактивного загрязнения океана яв­ ляется сброс в него радиоактивных отходов атомной промышлен­ ности. После выработки 1 МВт электроэнергии с помощью ядер­ ного реактора остается 365 г радиоактивных отходов. В США ежемесячно сбрасываются непосредственно в океан отходы атом­ ной промышленности в десятки тысяч кюри. Часть из них заклю­ чена в контейнеры, которые не всегда гарантируют изоляцию своего опасного содержимого от водной среды. Промышленные предприятия Англии сбрасывают в Ирландское море отходы с ак­ тивностью 8 тыс. кюри. Общее количество отходов в настоящее время достигает 100 т в год. При сохранении нынешних темпов развития атомной промышленности ожидается, что годовое коли­

в океанских впадинах, так как американские ученые считают, что возобновление придонных вод в океане осуществляется только через 1500— 1800 лет. По подсчетам советских ученых, придонные воды возобновляются в 8—9 раз быстрее, т. е. их возраст не пре­ вышает 200 лет.

Вследствие этого в 1959 г. Международная конференция в Мо­ нако и в 1960 г. комитет Международного агентства по атомной энергии пришли к заключению, что в море можно спускать отходы атомной промышленности только средней и низкой активности. Со­ ветский Союз считает, что никакими отходами моря и океаны загрязнять нельзя.

3. Быстро растущий атомный флот (атомные подводные лодки, надводные суда) также является источником радиоактивного за­ грязнения морских вод. К тому же аварии или гибель судов ато­ моходов могут иметь самые трагические последствия. Например, в апреле 1963 г. американская атомная подводная лодка «Трешер» затонула у восточного побережья США на глубине 3000 м, где и находится по сей день. По мнению японских океанографов, когда корпус лодки будет разрушен морской водой, ее атомные реак­ торы станут источником сильного радиоактивного заражения

77

окружающей водной толщи. Следует помнить, что место гибели «Трешера» — северная часть Гольфстрима, воды которого направ­ ляются в промысловый район океана южнее Ньюфаундленда.

В последние годы человечество встревожено еще одним источ­ ником радиоактивного загрязнения — авариями самолетов с ядерным оружием на борту. Потери водородных бомб в Средиземном

загрязнение не только поверхностных, но и глубинных вод, бла­ годаря системе океанических течений.

Любые источники радиоактивного загрязнения океана в буду­ щем могут вызвать в жизни гидросферы необратимые процессы и привести к непоправимой катастрофе. Поэтому разработка ме­ тодов утилизации радиоактивных отходов атомной промышлен­ ности является неотложной проблемой всего человечества.

Океан должен быть чистым!

§ 10. Химическое загрязнение морей и океанов

Возможности человека, вооруженного современной техникой, настолько велики, что его деятельность способна нанести природ­ ным ресурсам Мирового океана непоправимый ущерб. Яркий при­

веществами. Это — нефть, сточные воды промышленных предприя­ тий, хозяйственно-бытовые стоки приморских городов и т. п. Все они попадают в воду не только при непосредственном сбросе, но и косвенным путем. Например, промышленные предприятия вы­ брасывают в атмосферу немало токсических веществ, которые осе­ дают на поверхность океана. Так, с выхлопными газами авто­ транспорта, работающего на этилированном бензине, в атмосферу, а потом в океан выпадает ежегодно только в северном полушарии около 50 тыс. т свинца, концентрация которого в морской воде стала в 5—6 раз выше предельно допустимых концентраций (ПДК).

Нефть и нефтепродукты в настоящее время являются одним из основных источников химического загрязнения. Загрязнение океа­ нов, морей и побережий нефтепродуктами стало всемирным . бед­ ствием. Нефтяное загрязнение морской воды оказывает губитель­ ное действие на фито- и зоопланктон, беспозвоночных, рыб, мле­ копитающих и птиц. Нефть загрязняет берега с расположенными на них пляжами и курортами.

Загрязнение нефтью и нефтепродуктами связано с ростом тон­ нажа морского флота, особенно танкерного, с увеличением мор­ ских нефтяных промыслов и расположением на побережье нефте­ перерабатывающих заводов.

Танкерный флот ежегодно перевозит около 1260 млн. т (и эта

78

Это составляет около 1 % общего тоннажа перевозок нефти и счи­ тается естественной и неизбежной утечкой.

у супертанкера «Тори-Каньон», севшего на мель у побережья Анг­ лии, из пробоин вылилось в море свыше 100 тыс. т нефти. Убытки, которые понесла Англия в результате загрязнения нефтью берегов, отравления рыбы и морских птиц, составили около 6 млн. фунтов стерлингов.

Как свидетельствует статистика, ежегодно только в результате аварий и катастроф в океан выливается около миллиона тонн нефти. Такие внезапные попадания в воду больших количеств нефти создают особенно катастрофические последствия для вод­ ной флоры и фауны, для пляжей и приморских курортов. Поэтому надо всеми мерами избегать загрязнения воды нефтепродуктами. Эта проблема решается административными мероприятиями, тех­ ническими, химическими и биологическими средствами.

По решению Международной конвенции 1954/62 г. были уста­ новлены запретные зоны в 50—100 морских миль в прибрежных водах Мирового океана, в пределах которых нефтеналивным су­ дам запрещается производить очистку танков и слив в море нефти. Балтийское море стало сплошной запретной зоной для слива бал­ ластных вод танкерного флота, такими же запретными зонами станут вскоре Черное и Азовское моря. Конвенция предписывает технические решения для очистки балластных вод от нефтепро­ дуктов до установленной нормы (не свыше 100 мг/л, для вод СССР

50мг/л).

Ктехническим средствам очистки морских вод от нефтепро­ дуктов относятся нефтеловушки, нефтесепараторы, суда-нефте­

сборщики, сооружения для очистки балластных вод и т. п. Химически нефть осаждают с помощью разбрызгивания или

опыливания нефтяных пятен химическими веществами, по возмож­ ности не токсичными для морских организмов.

Биологически морские воды очищаются естественным путем с помощью организмов-фильтраторов, например мидий, пропуска­ ющих через себя в сутки несколько десятков литров воды. В по­ следние годы сотрудники Института биологии южных морей Ака­ демии наук Украины разрабатывают новый биохимический метод очистки вод с помощью бактерий-санитаров, которые используют нефть как источник углерода и энергии.

Сточные промышленные и хозяйственно-бытовые воды загряз­ няют главным образом прибрежные морские акватории, устья рек. Сброс в море неочищенных стоков загрязняет болезнетворными бактериями не только воды, но и пляжи.

Спуск в море токсических и синтетических отходов промышлен­ ности оказывает настолько вредное влияние на флору и фауну, что его последствия трудно предугадать. Например, в тунцах,, уст­ рицах, планктоне и даже в крови пингвинов недавно были обна­

79