Органическое вещество в природной воде

Кроме сравнительно простых по своему химическому со­ставу неорганических соединений, находящихся в воде в виде молекул газов и ионов солей, в ней почти всегда присутствует органическое вещество. Именно органическое вещество, рас­творенное и взвешенное, по меткому выражению Б. А. Скопинцева, определяет в основном ту разницу в свойствах, которая существует между природными водами и растворами тех же солей и газов в дистиллированной воде.

Органическое вещество, находящееся в естественных водах, по своей природе может быть подразделено на входящее в состав живых организмов, населяющих воду, и на органи­ческое вещество, являющееся продуктом жизнедеятельности и распада отмерших организмов.

К первой группе относятся вещества, входящие в состав многочисленных водных организмов: рыб, зоо- и фитопланктона, зообентоса, макрофитов, наннопланктона и различных микро­организмов. К второй группе принадлежат многочисленные органические вещества сложного химического состава.

Первая группа органических веществ, хотя и влияет на ионный и особенно газовый состав воды, но относится к обла­сти биологии; вторая же имеет прямое отношение к химиче­скому составу природных вод.

Органическое вещество в самых различных формах своего- существования состоит главным образом из углерода, кисло­рода и водорода, составляющих около 98,5% этого вещества. Одновременно в нем присутствуют п малых количествах азот, фосфор, сера, калий, кальций и многие другие элементы. В зависимости от процента содержания элементов в организмах они, по А. П. Виноградову, делятся на макроэле­менты (свыше 10 %), микроэлементы (10^-3 — 10~² °/₀) и ультра­элементы (10^-12- 10~⁵°/₀).

Химический состав органических веществ весьма сложен и зависит от их происхождения. Большая часть их находится в коллоидном состоянии, часть — в истинном растворе и часть — во взвешенном состоянии.

Определять количество содержащегося в воде органиче­ского вещества при исключительном разнообразии его форм весьма трудно. Непосредственное выделение его из раствора путем выпаривания также затруднено вследствие присутствия солей и неизбежной потерн части органического вещества при высушивании. Поэтому определяют его по разности между сухим остатком и потерей при прокаливании (с учетом изме­нения ионного состава воды).

Большей же частью для количественной характеристики содержания органического вещества используют косвенные методы. Таких методов су шествует довольно много. По Б. А. Скопинцеву, они подразделяются на следующие группы: 1) химические методы, основанные на: а) вычислении вещества через отдельные элементы и их группы, входящие в органи­ческое вещество (С, N, Р, альбумнноидный азот), б) характе­ристике но количеству кислорода, расходуемого окислителями; 2) физические и физико-химические методы, основанные на характеристике по цветности воды, спектру поглощения, показателю преломления и пр.; 3) биохимические и биологические методы (биохимическое потребление кислорода — БПК, бактериологическое и гидро­биологическое исследование).

Раз­личные продукты распада органических веществ попадают в природную воду как извне, так и в результате отмирания водных организмов в самом водоеме. К продуктам распада, попадающим в воду извне, относятся прежде всего вещества, вымываемые водой из почв, торфяников, лесного перегноя и других видов образований, включающих остатки растений.

В сложном процессе почвообразования остатки отмерших животных организмов и главным образом растений под влиянием ряда физических, химических и биохимических факторов претерпевают глубокие изменения в своем составе. Иногда эти изменения при благоприятных условиях заходят настолько глубоко, что приводят к полному распаду органического ве­щества на простейшие неорганические соединения. Но во мно­гих случаях круговорот органического вещества в почвах замедляется тем, что некоторая часть его, в особенности расти­тельного происхождения, будучи относительно устойчива к действию биохимических факторов, избегает полной минера­лизации и под влиянием ряда физических, химических и био­логических процессов превращается в своеобразный комплекс органических соединений, носящий название гумуса, или пере­гноя.

Природные воды, соприкасаясь в почвенном слое со слож­ным комплексом органических веществ, вымывают из него некоторую часть гумусовых веществ и других промежуточных продуктов распада и гумификации. Особенно легко это проте­кает в тех почвах, поглощающий комплекс которых насыщен водородом (кислые почвы), поэтому воды торфяников и болот всегда окрашены в желтый и даже коричневатый цвет. Во многих водах, особенно рек с болотным питанием, вещества гумусового происхождения являются основной частью химиче­ского состава воды. После поступления в хорошо аэрируемые реки, а затем озера и моря органическая часть состава воды подвергается метаморфозу, и начатый в почвах процесс окис­ления завершается для большей части органических веществ растений переходом в простые неорганические соединения. Другая, более устойчивая, часть остается в воде и накапли­вается в водоемах.

К числу постоянных источников органического вещества надо отнести еще сточные и промышленные воды, стекающие в подземные воды и реки. Состав этих веществ весьма разли­чен, но участь их в водоемах более или менее аналогична участи органического вещества, вымытого из почвы.

В водоемах в результате отмирания различных водных организмов органическое вещество непрерывно поступает в воду. Часть этих остатков остается взвешенной в воде и здесь поедается другими организмами или распадается, часть опускается на дно, и там в более сложных условиях происхо­дит его разложение и, наконец, часть подвергается преобра­зованию, в результате которого синтезируются стойкие соеди­нения. Органические соединения, образовавшиеся из водных организмов, отличаются от гумусовых веществ, вымытых из почвы и торфа, значительно меньшей цветностью раствора.

Таким образом, часть органических соединений, образовав­шихся после распада органического вещества в воде, является стойкой в отношении химического и биохимического воздей­ствия и постепенно накапливается в водоемах. Эти _я... углеро­дистые соединения, существующие вне живого вещества, — как писал В. И. Вернадский,—представляют собой очень устойчивые тела в природе — в биосфере, изменяющиеся химически лишь очень медленно и с большим трудом. Они не могут быть изучены обычными методами химии". Это „косное" органиче­ское вещество составляет в океане, по-видимому, около 2— 4 мг'л.

С. Д. Муравейский полагал, что это инертное органическое вещество является настолько устойчивым, что по этому веще­ству можно рассчитывать время существования жизни в океане.

Распад органического вещества в воде в естественных условиях протекает под воздействием ряда сложных процессов как химического, так и биохимического характера. Особенную роль при этом играют последние.

Микроорганизмы, населяющие воду, в процессе жизнедея­тельности превращают сложные органические вещества в более простые неорганические соединения, а выделяющаяся при этом энергия служит источником их существования. Процесс рас­пада заканчивается тогда, когда бактерии уже не могут более использовать присущую органическим веществам энер­гию.

Действие микробиальной флоры при этом исключительно многообразно, причем отдельные виды бактерий „специализи­руются" в отношении определенных типов биохимических пре­вращений. Одни из них превращают сложные протеины (белки), другие расщепляют белок, вплоть до выделения из него азота, третьи гидролизу ют жиры, четвертые разрушают углероды (клетчатку, крахмал), пятые сбраживают органические кислоты и т. д..

Большую роль в этих превращениях играют ферменты — своеобразные органические катализаторы, ускоряющие проте­кание процессов.