2 Формирование химического состава поверхностных и грунтовых вод

Во влажном климате значительная часть растворенных веществ поступает в воды за счет деятельности организмов, как находящихся непосредственно в водной массе, так и населяющих область формирования вод, питающих данный водоем или водоносный горизонт. Основное значение имеет разложение растительных остатков в почвах. В ходе разложения из воды извлекается О₂, а в воду поступают СО₂, НСО_3-, Са, Mg, P, S, Na, гумусовые вещества. Состав таких вод довольно однообразен и слабо зависит от геологического строения района. Например, во многих гумидных ландшафтах речные, почвенные и грунтовые воды имеют гидрокарбонатно-кальциевый состав (Са²⁺ – НСО_3-). Преобладание в водах Са²⁺ объясняется тем, что это главный металл живого вещества, который при разложении растительных остатков в наибольшем количестве поступает в воды. Меньшее содержание в живом веществе Mg и Na определяет их меньшее содержание в водах. Накопление гидрокарбонат-иона (НСО₃^-) обязано растворению СО₂ – продукта минерализации растительных остатков. Б. Б. Полынов писал: “Я полагаю, что состав природных речных вод обуславливается не простыми абиотическими реакциями действия воды на минералы магматических пород, то есть гидролизом и растворением, как это придумано в учебниках, а более сложным, хотя и более быстро текущим процессом извлечения элементов из минералов организмами и растворением в воде зольной части организмов при их минерализации”. Таким образом, главной “фабрикой” формирования химического состава поверхностных и грунтовых вод в гумидных ландшафтах является почва – та среда, где наиболее энергично идет разложение растительных остатков. Этот вывод впервые в 1926 г. сделал В.И. Вернадский и позднее развил Б. Б. Полынов.

В сухом климате в формировании химического состава вод важная роль принадлежит растворению солей почв и горных пород, испарительной концентрации и метаморфизации вод. В результате образуются различные типы вод (а не только гидрокарбонатно-кальциевые), в том числе хлоридные, сульфатные. Среди катионов часто преобладает не Са²⁺, а Na⁺ или Mg²⁺, среди анионов – SO₄^2- и Cl^-, а не НСО₃^-. Следовательно, в сухом климате формирование химического состава вод имеет преимущественно физико-химический характер, т.е. протекает без ведущей роли живого вещества. Эти же процессы преобладают в районах влажного климата, сложенных карбонатными, соленосными и гипсоносными толщами, породами, богатыми сульфидами. В целом влияние живого вещества на формирование химического состава вод соответствует количеству живого вещества и интенсивности разложения его остатков.

Если в водах содержится О₂, то микробы разлагают органические вещества особенно полно, в результате окисления образуются Н₂О, СО₂, соли азотной, серной, фосфорной и других кислот. При отсутствии О₂ (в болотах, озерных илах, солончаках, частично в грунтовых водах) разложение органических веществ протекает медленнее, но и в анаэробных условиях происходит минерализация органических веществ. Кислород, необходимый для их окисления, микроорганизмы отнимают у различных минеральных и других соединений – NaNO₃, Fe₂O₃, Na₂SO₄. В результате Fe, S, N и прочие элементы восстанавливаются. Так, большое значение имеет микробиологическое восстановление сульфатов: если сульфатные бескислородные воды соприкасаются с органическими веществами почв или пород, то в них развиваются сульфатредуцирующие бактерии, окисляющие органические вещества за счет отнятого у сульфатов кислорода. У бактерий этот процесс играет роль дыхательного акта, т.е. таким путем они получают энергию, необходимую для жизнедеятельности.

Микроорганизмы окисляют углевод (С₆Н₁₂О₆) за счет кислорода Na₂SO₄. В результате С и Н окислились до СО₂ и Н₂О, а S восстановилась до Н₂S. Подобные процессы протекают всюду, где разложение органических веществ происходит при наличии сульфатов и отсутствии свободного кислорода: в илах морей и соленых озер, в засоленных почвах, в глубоких горизонтах подземных вод и т.д. В результате воды обогащаются Н₂S, СО₂, местами Na₂CO₃, в них понижается содержание SO₄^2- (иногда он исчезает полностью).

При анаэробном окислении органических веществ часто возникают различные промежуточные продукты типа низко- и высокомолекулярных кислот и других органических соединений, а также СН₄ и Н₂ (водородное брожение клетчатки и прочие процессы).

Газовый и ионный состав вод ландшафта во многом обязан деятельности организмов, как тех, которые находятся непосредственно в водоеме или почве, так и тех, которые населяют область формирования вод, питающих данный водоем или почву.

Это не исключает роли таких процессов, как растворение солей, ионный обмен, и др. Но, несомненно, многие особенности элементарного химического состава вод определяются именно процессами разложения органических веществ.

Химический состав вод зависит и от растворимости соединений, возникающих при минерализации растительных остатков. Например, кремнезем сравнительно малорастворим, поэтому его поступление в воды невелико, хотя в золе содержится много. Большое значение имеет также дефицитность элемента. Так, растворимых форм К и Р для организмов, как правило, не хватает, в связи с чем эти элементы жадно ими поглощаются и в малых количествах поступают в воды. К, кроме того, поглощается коллоидными системами (интенсивнее, чем Na). Именно поэтому, несмотря на близкие величины кларков, содержание К в природных водах значительно уступает Na, Ca и Mg.

Таким образом, существуют две группы биогеохимических и физико-химических процессов формирования химического состава вод. В первой группе химический элемент, прежде чем перейти в раствор, проходит через тело организма, для второй группы характерно растворение минералов, ионный обмен и другие реакции, в которых организмы выступают лишь как косвенный фактор, влияющий на растворяющую способность вод. Обе группы развиты во всех ландшафтах, но в одних ведущее значение имеют первые процессы, в других – вторые.