Глава 14. Діоксид вуглецю у водних екосистемах

14.1. Хімічні та біологічні перетворення

Атмосферне повітря містить 0,03 % діоксиду вуглецю за об'ємом, або 0,047 % за масою. Основним джерелом зростання концентрації СО₂ в атмосфері є гниття рослин, дихання тварин та продукти повного окиснення вуглецю, що надходять у повітря при спалюванні кам'яного вугілля, нафти, газу та інших енергоносіїв (рис. 115).

Діоксид вуглецю є кінцевим продуктом дихального обміну і одночасно вихідним метаболітом гетеротрофних організмів, який використовується автотрофами в процесі фотосинтезу. На відміну від рослин, у яких метаболічні механізми спрямовані на перенесення і тканинну утилізацію найбільшої кількості кількості СО₂ з навколишнього середовища, у тварин, навпаки, сформувались ефективні фізіологічні механізми його видалення з тканин, що дихають, та виведення з організму.

Основними джерелами надходження діоксиду вуглецю у водне середовище є його інвазія з атмосфери, дихання гідробіонтів, виділення із солей вугільної кислоти внаслідок хімічних реакцій та процесів гниття органічних речовин. Коефіцієнт розчинності СО₂ у воді вищий, ніж кисню. Він становить при нульовій температурі 1,713 (для кисню цей показник 0,049).

Між атмосферою і водним середовищем відбувається постійний обмін діоксидом вуглецю, який пов'язаний з урівноваженням парціального тиску в системі атмосфера—вода. У зв'язку з цим при зростанні концентрації С0₂ в атмосфері збільшується і його вміст у воді. І, навпаки, коли підвищується концентрація діоксиду вуглецю у воді, відбувається його перехід у атмосферу. Коефіцієнт розчинності діоксиду вуглецю у воді залежить від її температури та концентрації розчинених солей (табл. 11). Як в прісних, так і в морських водах розчинність С0₂ значно перевищує рівень розчинності кисню. При цьому насиченість ним солоної морської води менша, ніж прісної.

Таблиця 11.

Відносна об'ємна розчинність газів у воді (долі одиниць) при парційному тиску 1 атм

Газ	Температура, °С
	0	10	20	ЗО	40
Повітря С02 О2	0,0288 1,713 0,049	0,0226 1,194 0,038	0,0187 0,878 0,031	0,0161 0,655 0,0276	0,0142 0,530 0,0237

Вміст С0₂ в континентальних водоймах може коливатись у дуже широких межах. Так, у дніпровських водосховищах після стабілізації гідрохімічного режиму в залежності від сезону року, біологічних і хімічних процесів, що відбуваються у товщі води і донних відкладеннях, його концентрація може коливатись від 0 до 55—60 мг/дм³. Найбільш високий його вміст — в період льодоставу.

У літні дні внаслідок інтенсифікації процесів фотосинтезу водоростей і вищих водяних рослин, в ході якого засвоюється діоксид вуглецю, його концентрація у поверхневих водах знижується до аналітичного нуля. Одночасно змінюється і активна реакція води в лужний бік (до рН 9—9,7). Влітку вміст С0₂ у воді коливається протягом доби, що пов'язано з більшою фотосинтетичною активністю рослинних організмів, зокрема планктонних водоростей, у світловій фазі.

Вміст діоксиду вуглецю в природних водоймах може коливатись внаслідок не тільки біологічних процесів, а й хімічних перетворень його сполук. Розчинений у воді діоксид вуглецю частково вступає в реакцію з водою, внаслідок чого утворюється вугільна кислота:

Н₂0 + С0₂ = Н₂С0₃ .

Як двохосновна кислота, Н₂С0₃ може утворювати два види солей: середні вуглекислі (карбонати) з аніоном CО₃^2- та кислі вуглекислі, або бікарбонати (НСО₃^-). У зв'язку з цим у водному розчині відбуваються такі реакції:

Н₂О+СО₂Н₂СО₃Н⁺+НСО₃^-2Н⁺+СО₃^2-

Кількісні співвідношення окремих форм вугільної кислоти (Н₂СО₃, НСО₃^- , СО₃^2-) у воді, як видно з наведеного рівняння, обумовлюють величину рН.

У відповідності із законом діючих мас можна розрахувати кількісні співвідношення окремих форм діоксиду вуглецю та його сполук при різних значеннях рН. Таке співвідношення молярних концентрацій окремих форм похідних вугільної кислоти відображене (у відсотках до її загального вмісту) в табл. 12.

Таблиця 12.