Хімічний склад поверхневих вод формується під впливом сукупності природних та антропогенних чинників. Ці процеси можна умовно розділити на

• Фізичні (розбавлення, випаровування, змішування води різного складу; дифузія речовин з більш концентрованого в менш концентрований шар води; осадження та змучування та ін. Ці процеси призводять до зміни концентрацій і перерозподілу хімічних сполук в водних екосистемах, не зменшуючи чи збільшуючи їхньої абсолютної кількості).

• Хімічні (фізико-хімічні) – (розчинення і утворення неорганічних малорозчинних сполук – карбонатів, гідроксидів, фосфатів, сульфідів металів, різних мінералів; кислотно-основні взаємодії за участю неорганічних і органічних сполук; окисно-відновні реакції; комплексоутворення металів з неорганічними та органічними лігандами.)

В результаті їхнього протікання змінюється не тільки концентрація, але й абсолютна кількість хімічних інгредієнтів в водних екосистемах , тому ці процеси є визначальними в загальному процесі формування якості води природних вод.

• Біологічні (розклад клітин відмерлих організмів і ферментативна деструкція органічних сполук а також споживання різних інгредієнтів природних вод гідро біонтами і прижиттєві виділення в період їхнього розвитку)

Компоненти хімічного складу природних вод поділяють на 5 груп.

1. Головні йони (макрокомпоненти – K⁺, Na⁺, Mg²⁺, Ca²⁺, Cl^-, SO₄^2-, HCO₃^-, CO₃^2-. Концентрація цих елементів складає від одиниць до сотень мг/л

2. розчинені гази - кисень, азот, диоксид карбону, сірководень, метан ті ін.

3. біогенні речовини – сполуки азоту, фосфора, заліза і кремнію. Їхня концентрація коливається в межах від нуля до одиниць і десятків мг /л. Неорганічні форми азоту (NH₄⁺, NO₂^-, NO₃^-). Кремній знаходиться в основному у вигляді колоїдних чи істинно розчинних форм кремнієвої і полі кремнієвої кислот. Домінуючими формами розчинного неорганічного фосфора є йони H ₂PO₄^- і HPO₄^2-

4. органічні речовини ( органічні кислоти, феноли, гумусові речовини, азотовмісні сполуки – білки, амінокислоти, аміни), вуглеводи та багато інших сполук. Органічні сполуки знаходяться в прісних водоймах в порівняно невеликих концентраціях, за винятком гумусових речовин. Концентрація ГР може досягати десятків мг/л.

За походженням ОР можна розділити на автохтонні ( продукти біохімічного розкладу залишків організмів основному планктонного походження ) і алохтонні ( ОР, які надходять з річковим стоком, промисловими і с/г стоками.

Особливе місце займають гумусові речовини, які вимиваються з грунту, торф’яників, лісового перегною та ін..

До складу ОР, які утворюють комплексні сполуки з металами, входять наступні функціональні групи -COOH, -OH, -NH₂, =NH, -SH, =P(OH)₃. Для комплексоутворення металів з ОР існує певний інтервал кислотності середовища, який часто співпадає з рН природних вод. Особливе значення у зв’язуванні металів в комплексні сполуки займають високомолекулярні органічні сполуки, особливо гумінові і фульвокислоти.

Гумінові кислоти мають за основу ароматичні кільця ізо- і гетероциклічної будови. В їх складі знайдені карбоксильні і фенолкарбоксильні групи, що дозволяє розглядати їх як природні полі кислоти. Молекулярна маса ГК коливається від декількох десятків до сотень тисяч.

Фульвокислоти також являють собою полімерні речовини. Однак, від гумінових кислот вони відрізняються меншою часткою ароматичних складових і більшою кількістю карбоксильних і фенолкарбоксильних функціональних груп. У водних розчинах ФК більш дисоційовані, ніж ГК. Молекулярна маса ФК дещо менша, ніж ГК і знаходиться в межах від декількох сотень до декількох тисяч.

Стійкість комплексних сполук металів з ГР залежить від природи іона металу і структури останніх. Фульватні комплекси в цілому стійкіші, ніж гуматні.

Органічні речовини природних вод є одними з характерних комплексоутворюючих речовин та відіграють суттєву роль як в міграційній здатності металів, так і в їхній фізіологічній активності.

5. Мікроелементи (всі метали, крім головних іонів – натрію, калію, магнію кальцію – і заліза.

Методи дослідження стану металів в природних водах

Під терміном» стан» розуміють всі різноманітні фізичні і хімічні форми, у вигляді яких іони металів можуть знаходитись в природних водах.

Найбільш простим є розподіл всіх форм на 3 групи:

• Зважені (завислі)

• Колоїдно-дисперсні

• Істинно розчинні

Часто між цими групами не можна провести чіткого розділу.

Більш складною задачею є визначення різних істинно-розчинних форм одного і того ж металу. Складність такою задачі зумовлена тим, що абсолютна більшість аналітичних методик дозволяє визначати не окремі форми, а загальний вміст металу в природній воді.

В даний час достовірно відомо, що токсичність металу визначається не його загальною концентрацією, а залежить від того, в якому стані він знаходиться мігрує у водному середовищі. Очевидно, що більш токсичною повинна бути та форма металу, для якої характерна більша біологічна і хімічна активність. Для важких металів найбільш реакційно-здатною, а значить і біологічно доступною для організмів формою являються частіше всього вільні (гідратовані) іони.

В природних водах стан металів і їхній розподіл між існуючими формами значною мірою залежать від

1. Хімічних властивостей самих металів;

2. Процесів, які впливають на трансформацію їхніх сполук, а саме:

3. Адсорбції на завислих частинках і донних відкладах;

4. Гідролізу;

5. Комплексоутворення.

Значну роль у зв’язуванні металів в комплекси в поверхневих водах України грають РОР, з якими зв’язано від 65 до 90% металів. Серед комплексних сполук металів домінують комплекси з ФК. В комплексоутворенні беруть участь переважно органічні ліганди , які мають відносно невисоку молекулярну масу (0,25-5,0 кДа). Гумусові речовини завдяки своїм відновним властивостям суттєво впливають на трансформацію співіснуючих форм металів, які можуть існувати в декількох ступенях окиснення. В поверхневих водах за їх участю відбувається відновлення V(V), Cr(VI), і Mo(VI) до V(IV), Cr(III) і Mо(V) з наступним зв’язуванням відновлених форм у комплекси.

Завдяки комплексоутворенню металів з РОР в поверхневих водах України спостерігаються достатньо низькі концентрації вільних іонів металів як найбільш хімічно і біологічно активних. Це слугує причиною зниження їхньої токсичності.

Комплексоутворююча здатність (кз) рор природних вод.

Це одна з важливих характеристик оцінки буферної ємності водних екосистем по відношенню до важких металів. Величина КЗ характеризує максимальну сумарну концентрацію лігандів як природного так і антропогенного походження, які знаходяться у фільтрованій природній воді, або точніше, їхніх вільних центрів координації, які здатні зв’язувати іони важких металів в комплекси. Кількісним виразом КЗ слугує концентрація того чи іншого металу (мкг/дм3 або мкмоль/дм3), які переходять у зв’язаний стан внаслідок комплексоутворення.

Аналіз літературних даних про КЗ різних типів поверхневих вод свідчать про те, що вона визначається переважно наявністю у воді РОР. Найбільший вклад у комплексоутворення вносять органічні ліганди з молекулярною масою 1,0-10 кДа і вище.

Дані про КЗ РОР природних вод поряд з даними щодо сорбційно-акумулюючої здатності ДВ водойм і біоти дозволяють оцінити буферну ємність водних екосистем до забруднення важкими металами та прогнозувати їхню стійкість до цієї групи токсикантів.

Водне середовище водосховищ Дніпра має певний запас потенціальної здатності РОР до зв’язування ВМ у комплекси. При цьому КЗ характеризується широким інтервалом значень і суттєво відрізняється для окремих металів. Це зумовлено як хімічними властивостями останніх, так і сезонною зміною компонентного складу РОР. Серед досліджених металів (кадмій, мідь, хром, манган, цинк, свинець) в найбільших кількостях зв’язуються в комплекси з РОР іони хрому (ІІІ) , а в найменших – іони кадмію (ІІ).

Значення КЗ змінюється по сезонах: зменшується в кінці весни і в першій половині літа. Наприкінці літнього періоду та восени КЗ РОР суттєво зростає, досягаючи максимальних значень. Це зумовлене тим, що в комплексоутворенні приймають участь не тільки ГР, як найбільш поширена фракція РОР, але й органічні сполуки - продукти метаболізму і відмирання гідробіонтів.