Глава 6

ХИМИЯ И ЭКОЛОГИЯ ПРИРОДНЫХ ВОД

Как неоднократно упоминалось, гидросфера служит естественным аккумулятором большинства загрязняющих веществ, поступающих непосредственно в атмосферу или литосферу. Это связано с наличием глобального цикла круговорота воды, со способностью воды к раство­рению различных газов и минеральных солей, а также с тем, что лю­бой водоем служит своего рода ямой, куда вместе с потоками воды смываются с суши всевозможные твердые частицы. Кроме того, вода в силу своего широкого использования в промышленности, сельском хозяйстве, в быту подвержена и непосредственному антропогенному загрязнению. Вместе с тем, будучи естественной средой обитания живых организмов (гидробионтов), вода находится в динамически равновесном состоянии обмена биогенными веществами с водной биотой. Присутствие загрязняющих веществ в водной среде, чуждых живой природе, оказывает влияние на процессы жизнедеятельности отдельных живых организмов и на функционирование всей водной экосистемы.

Вмешательство человека в гидродинамический режим водообмена и переноса масс воды также оказывает значительное влияние на водные экосистемы.

Все эти сложные взаимопереплетающиеся процессы воздействия человека на природную водную среду, реакции водной биоты на эти воздействия и в конечном счете влияние происходящих в водных экосистемах изменений на человека определяют неослабевающее вни­мание исследователей к изучению химии и экологии природных вод.

§ 6.1. Краткие сведения о гидрохимии и гидробиологии

В процессе своего естественного круговорота вода соприкасается с большим числом различных минералов, органических соединений и газов. В силу этого природные воды представляют собой сложные растворы различных веществ. Соответственно, под химическим составом природных вод подразумевается весь набор растворенных газов, минеральных солей и органических соединений.

В гидрохимии компоненты химического состава природных вод делятся на шесть групп:

1. Главные ионы (макрокомпоненты), к которым относятся К⁺, Na⁺,

Mg^2t, Са²⁺, Cl~, SO4"", HCO3 (СО3"). Содержание их в пресных поверх­ностных водах изменяется в широких пределах. Главные ионы посту­пают в природные воды из горных пород, минералов, почвы, а также в результате производственной деятельности человека. Обычно ионная сила пресных поверхностных вод не превышает 0,01.

Интересно отметить, что в открытом океане независимо .от абсолют­ной концентрации соотношения между главными компонентами основ­ного солевого состава остаются примерно постоянными.

2. Растворенные газы (0₂, N2, H₂S, СВЦ и др.). Концентрация газов в воде определяется их парциальным давлением и константой Генри.

3. Биогенные вещества, главным образом соединения азота и фос­фора. Их концентрация в пресных поверхностных водах изменяется в очень широких пределах: от следов до 10 мг/л. Наиболее важными источниками биогенных элементов являются внутриводоемные процес­сы и поступление с поверхностным стоком, атмосферными осадками, промышленными, хозяйственно-бытовыми и сельскохозяйственными сточными водами.

К биогенным элементам относят также соединения кремния, нахо­дящегося в воде в виде коллоидных или истинно растворенных форм кремниевой и поликремниевой кислот, и железа, находящегося в при­родных водах в основном в форме микроколлоидного гидроксида или в виде фульватных комплексов.

4. Микроэлементы. В эту группу входят все металлы, кроме глав­ных ионов и железа (Си²⁺, Мп²⁺, другие ионы переходных металлов), а также анионы (Br", F", Г и др.), встречающиеся в природных водоемах в очень малых концентрациях.

5. Растворенные органические вещества (РОВ), по существу, орга­нические формы биогенных элементов. Эта группа веществ включает различные органические соединения: органические кислоты, спирты, альдегиды и кетоны, сложные эфиры, в том числе эфиры жирных кислот (липиды), фенолы, гуминовые вещества, ароматические соеди­нения, углеводы, азотсодержащие соединения (белки, аминокислоты, амины) и т.д. Ввиду сложности определения индивидуальных органи­ческих веществ, их многообразия и малых природных концентраций для количественной характеристики РОВ используют косвенные пока­затели: общее содержание С_орг> N_opr, Р_орг, перманганатную или бихроматную окисляемость воды (ХПК), биохимическое потребление кисло­рода (ВПК).

Органические вещества присутствуют в поверхностных водах в относительно невысоких концентрациях (обычно < ОД мг/л, или < 10"⁵ М). Как правило, основной вклад в РОВ вносят фульвокислоты (ФК), особенно в северных районах, где в гумифицированных реках содержание ФК достигает 100 мг/л. Вода при таких концентрациях ФК приобретает коричневую окраску.

По происхождению РОВ можно разделить-на автохтонные — про­дукты метаболизма и биохимического распада остатков организмов — и аллохтонные — органические вещества, поступающие в водную среду с поверхностными стоками, атмосферными осадками, сточными вода­ми.

Для речных вод наиболее характерны органические вещества, поступающие с водосборной площади, а для морей, озер и водохрани­лищ — вещества, образующиеся в результате внутриводоемных процес­сов. Средний элементный состав РОВ природных вод соответствует-химической формуле С13Н17О12.

6. Токсичные загрязняющие вещества — тяжелые металлы, нефте­продукты, хлорорганические соединения, синтетические поверхностно-активные вещества (СПАВ), фенолы и т.д.

Природная вода — принципиально негомогенная среда из-за при­сутствия в ней большого числа взвешенных частиц и микропузырьков газа. Взвешенные твердые частицы в природных водах могут разли­чаться по размерам (табл. 26.)

Таблица 26. Размер взвешенных частиц и микроорганизмов

Частица	Диаметр, мк
Микроколлоиды	0,003-0,01 (30-ЮОА)
Коллоиды	0,01-1
Седиментарные частицы	1-3
Вирусы	0,01-0,03
Бактерии	0,5
Микроводоросли	1-30
Молекулы	0,001
Макромолекулы	0,01

Для частиц размером менее 10 мк скорость осаждения меньше 0,01 см/с. При наличии даже слабого перемешивания и конвективных потоков эти частицы равномерно распределены по всей толще воды.

Седиментарные (оседающие) частицы состоят из минерального ядра и органического слоя, т.е. представляют собой органоминераль-ный комплекс. В зависимости от происхождения содержание органи­ческой составляющей в этих частицах изменяется от 0 до 100%. В качестве зародышей "конденсации" нерастворимых органических ве­ществ в природных водах выступают частицы БЮг, СаСОз.

Кроме "гидрозолей" (твердых частиц) в природных водах содер­жится множество микропузырьков газа — своего рода "облака" газовой фазы в гидросфере. Получается как бы зеркальное отображение атмо­сферы, где в воздухе присутствуют твердые аэрозоли и жидкая фаза. Общее число седиментарных взвешенных частиц и микропузырьков газа в природных водах обычно составляет 10⁸—10¹¹ шт/л.

Помимо твердых частиц и микропузырьков газа толща природных вод пронизана множеством микроорганизмов, образующих отдельную фазу биоты, находяющуюся в динамическом равновесии с внешней средой.

Таким образом, природная вода представляет собой многофазную гетерогенную систему открытого типа, обменивающуюся веществами и энергией с сопредельными средами (водными объектами, атмосферой, донными отложениями) и с биологической составляющей.

Схематически водоем или элемент природной водной среды можно рассматривать как своего рода химический реактор проточного типа

_И

Донные отложения

Биота природной водной среды представлена совокупностью насе­ляющих воду гидробионтов. Соотношение биомассы и численности отдельных представителей гидробиоценоза определяется потоками вещества и энергии в продукционно-деструкцйонных процессах.

Любая живая клетка или экосистема также представляют собой систему открытого типа, поскольку для поддержания процессов жизне­деятельности нуждается в притоке свободной энергии извне. В гло­бальном масштабе для биосферы в целом этот приток осуществляется в результате процесса фотосинтеза. Локальные источники свободной энергии могут запасаться в виде пищевых ресурсов.

187

Для систем открытого типа по потоку вещества и энергии устанав­ливается стационарное состояние, в котором выравниваются скорости образования и исчезновения отдельных компонентов системы, как химических, так и биологических. Для экосистемы в целом время установления стационарного состояния определяется ее "долгожителя­ми" — компонентами с наибольшей продолжительностью жизни на уровне отдельных особей. В то же время квазистационарное состояние "короткоживущих" подсистем устанавливается относительно быстро — в масштабе продолжительности жизни особей подсистемы.

Передача вещества между биологическими подсистемами полной экосистемы, когда одни виды организмов служат источником пищи для других, определяет понятие трофической цепи или трофического уровня. Низший трофический уровень занимают автотрофные организ­мы, синтезирующие органические вещества из минеральных компонен­тов среды. На этом трофическом уровне осуществляется первичная продукция вещества. Образующаяся свободная энергия проходит затем в изменяющемся виде по трофической цепи до верхнего уровня, расхо­дуясь на поддержание процессов жизнедеятельности,

Для водных экосистем низший трофический уровень занимают водоросли. Различают микроскопические водоросли, находящиеся в воде во взвешенном состоянии (фитопланктон), и закрепленную выс­шую водную растительность (макрофиты).

С точки зрения обмена веществом с абиотической составляющей водной экосистемы наибольшее значение имеют планктонные водорос­ли и бактерии.

Водоросли — обязательные компоненты водных экосистем. Насчи­тывается их более 30 тыс. видов. Время жизни водорослевых клеток исчисляется часами. Водоросли оказывают сильное влияние на качест­во природных вод, участвуют в процессах самоочищения и самозагряз­нения водной среды.

Сырая биомасса фитопланктона в Мировом океане составляет 0,9 «10⁹ т, тогда как продукция органического вещества достигает 4,3 • 10¹¹ т/г. Большое превышение продукции над биомассой свиде­тельствует об эффективном участии микроводорослей во внутриводо-емном круговороте веществ. Образующиеся в клетках водорослей органические вещества в основном (до 75%) выделяются в окружаю­щую среду.

Из широкого спектра РОВ аминокислоты, углеводы, органические кислоты и спирты занимают ведущее положение в обменных процессах водорослевых клеток. Несмотря на большую скорость образования РОВ в процессах жизнедеятельности автотрофных организмов, эти вещества, особенно в летнее время года, обнаруживаются в водной . 188

среде лишь в незначительных концентрациях. Низкая стационарная концентрация РОВ связана с вовлечением образующихся органичес­ких веществ в обеспечение следующего трофического уровня, предс­тавленного гетеротрофными бактериями.

Между водорослями и бактериями существует симбиотическая связь

Водоросли выделяют во внешнюю среду органические вещества и поглощают минеральные компоненты и СОг- Бактерии минерализуют органические вещества, обеспечивая низшее звено продукции биоген­ными элементами и СОг.

Обмен веществ в водных экосистемах при участии органических и неорганических метаболитов (продуктов жизнедеятельности), выделя­емых в воду одними организмами и потребляемых другими, составляет основу экологического метаболизма.

Изучение состава органических веществ в экспериментальных эко­системах одноклеточные водоросли — сопутствующие бактерии обнару­жило удивительное сходство в соотношении основных молекулярных классов РОВ для разных культур. Более того, это соотношение оказы­вается близким к соотношению тех же компонентов в морской воде. Это свидетельствует о том, что в сообществах водорослей и сопутст­вующих бактерий протекают однотипные биохимические процессы, приводящие к одинаковому набору основных групп внешних метаболи­тов, образующих "внутреннюю среду" сообществ.

Любопытный факт: этот набор органических метаболитов аналоги­чен по своим функциям набору органических веществ крови. Очевид­но, как в организме животного, так и на уровне простейшего сообщест­ва водных организмов существует регуляторный механизм, поддержи­вающий некоторое оптимальное постоянство среды обитания (гомеос-таз).

Образно говоря, природная вода — это кровь экосистемы, рассмат­риваемой как единый организм с пространственно разделенными клет­ками.

Несмотря на то что время жизни бактерий составляет всего около 1 ч, биомасса бактериопланктона в природных водах не растет, а колеб­лется около некоторого постоянного уровня, определяемого трофичес­ким типом водоема — величиной первичной продукции.

Численность бактериальных клеток в пресных водах составляет 1—30 млн./мл, что в десятки тысяч раз меньше, чем в почве или в

донных отложениях. В силу малых размеров бактериальных клеток распределение свободноплавающего бактериопланктона в толще воды рек и водохранилищ практически равномерное. В основном в водной среде бактерии находятся в иммобилизованном состоянии — сорбиро­ваны на взвешенных частицах и на поверхности водорослей.

Скорость размножения бактерий зависит от температуры: она край­не низка при температуре меньше 10°С, до 18°С температура лимити­рует рост численности бактерий, выше 18°С скорость размножения бактерий от температуры практически не зависит,

Естественное отмирание бактерий, как правило, не играет сущест­венной роли в регуляции их численности. В основном бактерии выеда­ются фильтрующим зоопланктоном, для которого они являются основ­ным источником пищи. Фильтраторы потребляют до 10 млн.клеток/мл в сутки,

Кроме того, бактерии являются основным питательным компонен­том детрита — органических остатков мертвой биоты. Частицы детрита составляют основной корм растительноядного зоопланктона. Они служат центром локализации бактерий, составляющих до 1% массы детрита. Число таких частиц в толще морской воды составляет в сред­нем 100 шт/л.

Фактически бактерии перерабатывают создаваемое в процессе фото­синтеза органическое вещество в доступную для фильтраторов форму. Такие фильтраторы, как планктонные рачки (например, дафнии), коловратки фильтруют до 1 мл/экз.в час или до 100 мл/ч/мг сырой массы.

Водные животные образуют собственную трофическую цепь, осно­ванную на утилизации твердой пищи, захватываемой по принципу хищник — жертва.

Чем выше по эволюционной лестнице стоит организм, чем на более поздних стадиях развития он находится, чем больше его размеры, тем полнее его обмен веществ замкнут в пределах внутренней среды, тем меньше удельная интенсивность обмена с внешней средой, тем в боль­шей мере он пользуется "готовой" пищей (другими организмами или мертвым органическим веществом) и соответственно меньше включает­ся в систему обмена растворенными органическими метаболитами.

Наиболее активная роль в трансформации РОВ природных вод среди водных организмов отводится мелким и мельчайшим формам. Наряду с бактериопланктоном в трансформации РОВ участвуют и некоторые виды микроводорослей с так называемым миксотрофным типом питания. Доля других форм водной биоты в деструкции РОВ не превышает 20%.

Высокая суммарная скорость метаболических процессов у мелких 190

форм отражает их активное участие в обмене растворенными метаболи­тами с внешней средой.

Общая схема круговорота РОВ в водоеме может быть представлена в виде

Взвешенное органическое вещество, включая детрит, составляет около 10% от массы РОВ. Общая же масса всех живых организмов примерно на порядок меньше, чем масса взвешенной органики.