книги из ГПНТБ / Швец В.М. Органические вещества подземных вод

исследованиях водорастворенных органических веществ. Определя­ емые в настоящее время показатели содержания и состава органи­

углеводородный состав; 4) некоторые индивидуальные компоненты (бензол и его гомологи, пиридин).

К настоящему времени исследования органических веществ б подземных водах с различными целями получили широкое разви­ тие. Во многом этому способствовали успехи, достигнутые в самые последние годы, в области разработки методов количественного и качественного анализов водорастворенных органических соедине­ ний. В ряде работ методического характера даются синтезирован­ ные схемы анализа органических веществ в подземных водах [23, 35]. Анализируя эти схемы (рис. 2 и 3), можно судить о составе определяемых органических компонентов, степени оценки их содер­ жания, операциях, применяемых при анализе, и т. п.

В заключение следует отметить, что в полном объеме примене­ ние вышеуказанных методов для определения органических ве­ ществ в подземных водах практически проводится еще редко.

Г Л А В А I I

источники

ПО С Т У П Л Е Н ИЯ О Р Г А Н И Ч Е С К И Х ВЕЩЕСТВ

ВП О Д З Е М Н Ы Е В О Д Ы

В.И. Вернадский рассматривал подземную воду как своеобраз­ ный минерал, который непрерывно перемещается в земной коре и тесно взаимодействует со всей живой и неживой природой. Он счи­ тал, что геохимическая история компонентов природных растворов

должна изучаться с учетом миграции природных вод и участия их в непрерывных кругооборотах. В И. Вернадский [56] выделял три кругооборота-равновесия: 1) «равновесие Галлея», или большой гидрологический кругооборот, включает взаимодействие атмосфер­ ных вод, наземных и подземных вод континентов, а также вод морских бассейнов; 2) равновесие, установленное А. Ф. Лебедевым,, происходит под влиянием тепла Земли, возникающего вследствие влагообмена между верхними, пластовыми водами, подземными водяными парами и водяными парами «водных подземных атмо­ сфер», 3) равновесие, заключающееся в переходе «донных и гря­ зевых вод морей» в пластовые воды континентов в результате гео­ логических процессов.

В. И. Вернадский неоднократно указывал, что вода находится Е динамических равновесиях с разнообразными телами неоргани­ ческой природы, а также с водными организмами, микроорганиз­ мами и наземной растительностью. Следуя В. И. Вернадскому, во­ прос происхождения органических веществ подземных вод следует

это показано на рис. 4.

Действительно, на инфильтрационных этапах геологической ис­ тории подземных вод, когда атмосферные осадки и поверхностные

воды питают водоносные горизонты, растительный и животный мир рек, озер, болот и суши вместе с водой попадает в подземную гидросферу. На седиментационных этапах (особенно раннего диа­ генеза) растительный и животный мир моря через морскую воду также частично переходит в подземную воду. Кроме того, расти­ тельный и животный мир морей обогащает породы морского гене­ зиса рассеянным органическим веществом, а растительный и жи­ вотный мир континентов «захороняется» в почвах и горных породах континентального генезиса. Подземные воды любого происхожде­ ния, несущие в себе растворенное «первичное» органическое ве­ щество суши или моря, взаимодействуют с рассеянным органиче­ ским веществом пород или с локальными его скоплениями в виде

Рис. 4. Схема связи органических веществ почв, пород К природных вод

нефтегазовых залежей или угля. На направленность и масштабы этого взаимодействия оказывает влияние большое число различ­ ных природных факторов, в результате чего формируется органи­ ческая составляющая подземных вод. Учитывая большое разнооб­ разие источников формирования органического вещества подзем­ ных вод, рассмотрим каждый из них в отдельности.

АТМОСФЕРНЫЕ ОСАДКИ

ИПОВЕРХНОСТНЫЕ ВОДЫ СУШИ

Вповерхностных водах континентов содержатся разнообразные органические вещества и иногда в больших количествах. В первую

очередь это относится к болотным и речным водам районов с влажным климатом и богатой растительностью, воды которых настолько богаты органическим веществом, что имеют бурый и даже черный цвет (Рио-Негро «Черная река» в Южной Америке). В. И. Вернадский [55] отмечал, что органическое вещество таких рек составляет примерно 70% от всего твердого осадка воды.

Органические вещества поверхностных вод образовались из почвенного гумуса, торфа, наземной растительности и ее остатков

Часть их попадает в воды вместе с атмосферными осадками, часть является продуктами жизнедеятельности организмов («прижизнен­ ные выделения»).

О р г а н и ч е с к и е в е щ е с т в а а т м о с ф е р н ы х о с а д к о в . В атмосферу и атмосферные воды органические вещества попадают вместе с эоловыми взвесями и в виде летучих соединений, обра­ зующихся в результате распада наземных организмов. В атмо­ сфере может также происходить синтез органических веществ из

сотни миллионов тонн [161]. Состав органических веществ атмо­ сферных вод показан в табл. 1.

Окисляемость речных вод достигает 56 мгО/л (для рек с болотным питанием), а окисляемость болотных вод — несколько сотен мгО/л.

ных вод суши весьма многообразен: в них содержатся сложные вы­ сокомолекулярные соединения (белки, полисахариды) и простые соединения (низкомолекулярные кислоты, формальдегид, амины). Химическая природа некоторых веществ (например, «водного гу­ муса») в достаточной степени еще не выяснена.

Большая доля органического вещества поверхностных вод об­ разуется при распаде растительно-планктонных организмов. При этом в воду переходят белки и углеводы, составляющие основную массу водорослей, а также составные их части — аминокислоты (ар­ гинин, лизин, гистидин, глицин, аланин и др.), полисахариды (крахмал, клетчатка, гемицеллюлозы и т. д.).

ПОЧВЫ И ПОЧВЕННЫЕ РАСТВОРЫ

Органическое вещество почв, являясь источником его поступле­ ния в природные воды, имеет важнейшее значение и для подземных вод. Это признавал В. И. Вернадский, который еще в 1934 г. пи­ сал: «Вода метеорная, которая проникла в почву и которая стекает дальше и глубже, через родники и верховодки в речные бассейны или в подземные пластовые воды, уже является резко измененной Е своем составе по сравнению с метеорной . . . водой. Частным слу­ чаем такого изменения является и то органическое вещество, кото­ рое в ней концентрируется и которое вырабатывается в почвен­ ном растворе» [56, с. 321].

И. В. Тюрин, рассматривая схему процессов превращения орга­ нического вещества в почвах, известную роль отводил «вымыва­ нию» из почв водой части гуминовых веществ и промежуточных продуктов распада исходных органических остатков [189].

О р г а н и ч е с к и е в е щ е с т в а п о ч в . Почвоведы считают, что в сформировавшихся минеральных почвах органическая часть на 85—90% представлена собственно гумусовыми веществами и на 10—15% органическими соединениями индивидуальной природы. По М. М. Кононовой [103], «почвенный гумус» является специфиче­ ским образованием высокомолекулярной природы, устойчивым в биохимическом отношении. Гуминовые кислоты и фульвокислоты составляют 40—60% гумуса и играют важную роль при поступле­ нии гумуса почв в природные, в том числе подземные воды. Они обладают ярко выраженной комплексообразующей способностью, что имеет важное значение для миграции химических элементов.

И. В. Тюрин [191], специально изучавший природу фульвокислот, определил, что их элементарный состав соответствует тако­ вому креновых и апокреновых кислот Дж . Берцелиуса и что они хорошо растворяются в воде. В продуктах гидролиза гуминовых и фульвокислот обнаружены аминокислоты, пурины, пиримидины, производные индола и др.

Среди индивидуальных органических соединений определены органические кислоты (муравьиная, уксусная, фумаровая, щавеле­ вая, молочная, бензойная и др.), жиры, белки, аминокислоты (гли­ цин, аланин, гистидин, аргинин, фенилаланин, тирозин, аспараги-

хара), полифенолы, альдегиды, сложные эфиры, воска, смолы, лиг­ нин и др. Многие из них растворимы в воде и могут образовывать комплексные соединения с ионами металлов. Способность гумусо­ вых веществ к образованию внутрикомплексных соединений (хелатов) с рядом катионов объясняется наличием в структуре гумуса гидрофильных групп. Наивысшей склонностью к образованию же­ лезо-гумусовых комплексов типа хелатов обладают фульвокислоты и близкие к ним по природе гуминовые кислоты из сильноподзоли­ стой почвы, характеризующиеся высоким содержанием гидрофиль­ ных групп.

креновые и апокреновые кислоты. При этом найдено значительное количество растворимых продуктов органического вещества почв и растительности. Так, по данным С. П. Кравкова [107], только лишь за 1 ч соприкосновения воды с 1000 частями сухого еще неразлагавшегося органического вещества в раствор перешло до 35 граммов водорастворимых продуктов (табл. 4).

И. В. Тюрин [189] и С. А. Ваксман [50] приводят данные, со­ гласно которым водорастворимые продукты в растительности до­ стигают 22%, в лесной подстилке 4% и в почве 6,7% (табл. 5).

от 63 до 540 мг/л водорастворенного органического вещества. Ор­ ганический углерод в этом веществе составляет обычно не менее 50% элементарного состава, а органические кислоты 5—7% от об­ щей его суммы [198]. Опыты И. С. Кауричева [98] по растворению различных подстилок, продолжавшиеся в течение 1,5—2 месяцев,

•показали, что в водный раствор переходит от 1,18 до 2,48 г/л водорастворенного органического вещества. Эксперименты, проведен­ ные при разных условиях увлажнения, характеризующие аэробный и анаэробный типы разложения подстилок, подтвердили сделанный ранее важный вывод [133] о том, что наибольшее количество орга­ нических веществ переходит в раствор при избыточном увлажне­ нии разлагающегося материала, а наименьшее — при оптимальных условиях влажности и доступе воздуха.

Изучение водорастворенных органических веществ почв и под­ стилок проводилось как в лабораторных, так и в природных усло­ виях. В. Р. Вильямсом [57] были получены дренажные воды ли­ зиметров, в которых определены креновая, ульминовая и гумино-

Преобладание фульвокислот в растворах объясняется значительно более трудным закреплением их в почве по сравнению с гуминовыми кислотами. Исследованиями В. В. Пономаревой [145] показано, что фульвокислоты осаждаются гидроокисями оснований (бария и кальция) только в щелочной среде при рН = 8. При более низком рН соли этих кислот будут переходить из почвы в водный раствор. В. И. Александрова [2] в природных растворах, выделенных из торфяных и подзолистых почв путем отжимания прессом, при по­ мощи распределительной хроматографии на бумаге установила при­ сутствие разнообразных органических соединений индивидуальной природы. Это низкомолекулярные органические кислоты (щавеле­ вая, винная, лимонная, яблочная, молочная, янтарная, глутаровая, адипиновая); аминокислоты (аспарагиновая, глутаминовая кис­ лоты, лизин, глицин, аланин, фенилаланин,треонин, пролин, валин); вещества ароматической природы типа полифенолов (пирогаллол, пирокатехин, салициловая и протокатеховая кислоты).

И. С. Кауричев и другие [99] проводили специальное изучение низкомолекулярных органических кислот в водных экстрактах из лесных подстилок, а также в составе водорастворенного органиче­ ского вещества некоторых почв. Содержание этих кислот в водных вытяжках из лесных подстилок в разное время года колеблется от 2,2 до 64,8 мг/л, а в лизиметрических водах и в верховодке подзолистых и дерново-подзолистых почв от 5,7 до 44,0 мг/л. Обна­

общего количества углерода органического вещества. Важно заме­ тить, что кислоты обнаружены по всей глубине почвенного про­ филя, что свидетельствует о их сквозной миграции вместе с нисхо­ дящим током воды в почвах временного избыточного увлажнения лесолуговой и лесостепной зон.