14 . Формрование биогенных веществ природных вод.

Соединения азота

Конечным минеральным продуктом процесса распада органических веществ, содержащих азот, является NH₃ или NH₄⁺. NH₄⁺ усваивается растениями при фотосинтезе и могут быть окислены в нитриты или нитраты. Этот процесс происходит в присутствии кислорода под действием бактерий в 2 фазы.

Переход ионов NH₄⁺ в нитрит ионы осущ-ся под воздействием бактерий – нитрификаторов.

NH₄⁺ +2О₂ =NO₂^-+2H₂O

Процесс нитрификации при этом не останавливается, и нитрит–ионы под воздействием нитробактерий окисляются в NO₃^- ионы: 2NO₂^- + О₂=2NO₃^-

Процесс нитрификации может протекать только в аэробных условиях. Возможно, что в поверхностных слоях воды при интенсивном воздействии УФ-лучей происходит окисление NH₄⁺ химическим путём. Неисключена также возможность этой р-ии при каталитическом воздействии ферментов. NO₃^- является одним из конечных продуктов распада органического вещества. В воде происходят и обратные нитрификации - процессы денитрификации. Эти процессы протекают при недостатке кислорода, при наличии безазотистых веществ: крахмал, клетчатка, на окисление которых расходуется кислород нитратов: 4NO₃^-+5С+2Н₂О=2N₂+СО₂ +4НСО₃ ^-.

При этом N выделяется в свободном состоянии, т.о. в воде происходит круговорот соединений азота по след-ей схеме:

Растение животные продукты распада NH₄⁺ NO₂^-NO₃^- растения

Кроме того, на Земле существует большой круговорот N, включающий сушу и атмосферу. Кроме естественных источников минеральных соединений N в природных водах существуют антропогенные источники. Это постоянные соединения N с промышленными и особенно с хозяйственно-бытовыми сточными водами. Эти соединения являются одним из показателей ухудшающегося санитарного состояния водных ресурсов. Концентрация аммонийного N в незагрязненных поверхностных водах составляет сотые доли мл в 1дм³ и редко превышает 0,5мг/дм³. Повышенная концентрация NH₄⁺ возможна только в анаэробных условиях, при которых не возможен процесс нитрификации, поэтому большая концентрация NH₄⁺ встречается в подземных водах закрытых структур. Для поверхностных вод в условиях существования фотосинтеза в режиме ионов аммония наблюдаются закономерные изменения концентрации. Уменьшение концентрации весной и летом в результате ассимиляции NH₄⁺ растениями и возрастает в период осени при усилении процессов распада накопившегося за лето органического вещества. Концентрация NO₂^- в естественных условиях незначительна из-за их нестойкости.

Большую часть года в поверхностных водах NO₂^- не обнаруживается или присутствует в тысячных долях мг/дм³. Несколько увеличивается их содержание к концу лета, когда усиливается распад органического вещества. В грунтовых водах концентрация NO₂^- несколько выше. Нитриты являются промежуточным продуктом в процессе нитрификации. Их повышенная концентрация указывает на усиление процессов разложения, орг. сост-в и задержку окисления NO₂^- до NO₃^-, что в свою очередь говорит о загрязнении водного объекта. Концентрация нитратного N в пресных поверхностных водах составляют сотые или десятые доли мг/дм³. А концентрация ионов NO₃^- в грунтовых водах может быть значительно выше, особенно в районах населенных пунктов.

Соединения Р

В природных водах растворенный Р присутствует в виде минеральных и органических соединений, причем органические соединения присутствуют в коллоидном состоянии. Кроме того, Р содержится в воде во взвешенных веществах минерального (аппатиты, фосфориты) и органического происхождения (остатки разлагающихся организмов).

Минеральный Р находится преимущественно в виде производных ортофосфорной к-ты.

Н ₃РО₄ Н⁺+Н₂РО₄^-

Н ₂РО₄^- Н⁺+ НРО₄^2-

Н РО₄^2- Н⁺+ РО₄^3-

Основной формой минер. Р при рН>6,5 является НРО₄^2-. С увеличением минерализации РО₄^3- образует комплексы с Са. Обмен Р между минеральной и органической формами с одной стороны и живыми организмами с другой является основным фактором, определяющим концентрацию Р в воде. Обмен осуществляется при 2^х противоположно-направленных процессах: фотосинтезе и разложении органического вещества.

Круговорот Р проще, чем N и может быть изображен следующей схемой:

Р _Р^мин Р_р^орг

Р_ж.о.

К процессам, уменьшающим содержание фосфатов в воде, является потребление их водными растениями и фитопланктоном.

Присутствие фосфатов необходимо для развития растений. При отсутствии или полном исчезновении фосфатов. Большая часть фосфатов, использовавшихся водными растениями и животными, возвращаются обратно в воду в процессе жизнедеятельности организмов или при распаде их остатков. Лишь некоторая часть фосфатов попадает на дно водных объектов с остатками организмов. Концентрация фосфатов в природных водах очень мала, сотые или десятые доли мг/л. Тем не менее значение фосфатов для жизни в водоемах огромно.

Соединения кремния(Si)

Si является постоянным компонентом хим. состава природных вод. Этому способствует повсеместная распространенность соединений Si в горных породах. Небольшая концентрация Si в природных водах объясняется малой растворимостью соединений Si. Формы соединений, в которых находится Si в растворе весьма многообразны и меняются в зависимости от минерального состава воды и значений рН. Часть Si находится в воде в растворенном состоянии в виде Н₂SiО₃ и поликремниевых кислот.

Н ₄SiО₄ Н⁺+ Н₃SiО₄^-

Это ортокремниевая кислота. Она при диссоциации образует ряд производных, из которых для природных вод значение имеет лишь ион Н₃SiО₄^-. Расчет соотношения между молярными концентрациями Н₃SiО₄^- и Н₄SiО₄ показывает явное преобладание недиссоциирующей кислоты. Поликремниевые кислоты имеют переменный состав mSiО₂*nН₂О. Кроме того, Si в природных водах содержится в виде коллоидов: хSiО₂*уН₂О.

Концентрация Si в природных водах обычно составляет несколько мг/дм³, в подземных водах его концентрация значительно выше: достигает нескольких десятков мг/дм³. В горных термальных водах - сотни мг/дм³. На растворимость Si кроме температуры сильное влияние оказывает рН в поверхностных водах указывает на наличие процессов, уменьшающих концентрацию Si. Растворимость диоксида Si составляет 125мг/дм³.

Потребление Si водными организмами, например, диатомовые водоросли строят свой скелет из Si. Кроме того,Н₂SiО₃ вытесняется из раствора Н₄SiО_4.

Nа₄SiО₄+4СО₂+4Н₂О=Н₄SiО₄+4NаНСО₃.

Способствует неустойчивости Si в р-ре и склонность Н₄SiО₄ при определенных условиях переходить в гель. В маломинеральных водах Si составляет существенную, а иногда преобладающую часть хим. состава воды. Преобладает Si в некоторых термальных водах. Режим Si в поверхностных водах до некоторой степени сходен с режимом соединений азота и фосфора, но Si никогда не лимитирует развитие растений. Присутствие Si в воде является серьезной помехой в технике, т.к. при длительном кипячении воды образуют в котлах очень твердую силикатную накипь.