Гидрохимические факторы эвтрофирования водоемов (стр. 1 )

4. Гидрохимические факторы эвтрофирования водоемов

Химический состав водных масс – один из важнейших факторов функционирования экосистем водохранилищ. Концентрации растворенных и взвешенных химических веществ в водоемах непрерывно изменяются во времени и пространстве в результате сложного взаимодействия динамических, геохимических и биохимических процессов. Важную роль в этом взаимодействии играют закономерности водного режима водохранилища, зависящие от гидроклиматических факторов и характера регулирования стока. При изучении процессов эвтрофирования водоемов основное внимание, естественно, уделяется режиму биогенных элементов, среди которых, как показано в главе 1, процесс эвтрофирования лимитируют, главным образом, азот и фосфор. Круговорот этих элементов включает взаимопревращения различных их форм, находящихся в водоеме в разных фазах, характеризующихся сложной и нестабильной кинетикой. Определение отдельных форм азота и фосфора методически сложно, что существенно затрудняет изучение их циклов и количественную оценку круговорота в водоемах. Поступление в водоем биогенных соединений зависит от геохимических особенностей и степени хозяйственной освоенности водосборного бассейна водоема. Распределение их в водоеме определяется физическими факторами, а также биологическими процессами потребления и рециклинга.

Главное отличие между азотом и фосфором состоит в том, что азот выступает практически полностью пластичным элементом, т. е. он закрепляется в органическом веществе с момента образования и до разрушения (без учета обмена азотом при метабилизме). Азот входит в состав аминокислот и белков, определяя тем самым содержание хлорофилла в растительной клетке. Формы азота в воде водоемов включают молекулярный азот, минеральные соединения - нитриты, нитраты, аммоний, превращающиеся в водной массе в результате деятельности соответствующих видов бактерий. Круговорот азота включает процессы азотфиксации, нитрификации, аммонификации, денитрификации, которые замыкаются на поступлении газообразного азота в водоем из атмосферы и выделении его обратно в атмосферу. Ванным фактором, способствующим возрастанию азотсодержащих соединений органических веществ являются лизис и автолиз клеток отмирающих гидробионтов, значительные количества азотистых соединений выделяют в воду и живые гидробионты.

Известно, что некоторые синезеленые водоросли обладают способностью к азотфиксации [Кузнецов, 1970]. Специальные исследования этого вопроса в озерах умеренного пояса показало, что интенсивность фиксации может достигать 5-8 мкгN2/л час [Jensen, Dahl-Madsen, 1978]. Балансовые расчеты для азота в эвтрофном озере Паффикер-зее (Швейцария) в вегетационный период позволили сделать вывод, что денитрификация может быть весьма существенной статьей расхода азота в озере [Vollenweider, 1989].

Азотное питание водорослей включает потребление минеральных форм азота, среди которых аммонийная форма рассматривается как наиболее предпочтительная. Однако степень этой предпочтительности остается предметом дискуссий, поскольку хорошо известно, что нитратная форма азота также легко потребляется водорослями. [Prochazkova et al., 1970, Reynolds, 1984]. Нитратный азот, представляя собой конечную форму цепи превращений минеральных форм азота более распространен в незагрязненных водах, в то время как в загрязняемых сточными водами водоемах доминирует аммонийный азот.

Повышенное поступление минеральных форм азота в водоемы связано с широким использованием азотных и органических удобрений в сельском хозяйстве. Азот в виде нитратов сравнительно легко вымывается из почв бассейна, поступая в речную сеть и в водоемы. В связи с более высокой растворимостью азотные соединения значительно более легко «вымываются» из почв бассейна, чем фосфор. Достигающая водоемов доля минеральных удобрений вносимых на поверхность бассейна, заметно выше для азота, чем для фосфора. Более высок и относительный вклад атмосферных осадков в поступление в водоемы азота.

В развитии диатомовых водорослей существенную роль играет кремний – постоянный из-за повсеместной распространенности соединений кремния в горных породах компонент химического состава природных вод. Формы соединений кремния в водных растворах весьма многообразны и меняются в зависимости от минерализации и значений рН. Режим кремния в поверхностных водах сходен с режимом других биогенных элементов, но случаев лимитирования кремнием развития фитопланктона не зафиксировано, хотя при математическом моделировании группы диатомовых водорослей кремний обычно учитывается. Из других микроэлементов, необходимых для развития растительной клетки, определенное внимание может быть уделено только железу и марганцу. пришла к выводу о лимитирующей роли этих элементов в водоемах Волжской системы водоснабжения г. Москвы [Гусева, 1952]. Однако, лимитирование железом и марганцем по ее мнению обусловлено не в результате очень низких концентраций в воде водоемов, а вследствие связывания их минеральных форм гуминовыми веществами в органоминеральные комплексы, малодоступные для водорослей.

Ведущая роль фосфора в процессах эвтрофирования внутренних водоемов, подробно обсуждавшаяся в главе 1, обусловила более глубокое внимание к исследованиям круговорота именно этого элемента в природных водах. Особенности режима фосфора в водохранилища рассмотрим подробнее.

4.1. Фосфор в природных водах

По сравнению с азотом фосфор значительно более подвижен (входит в состав энергетических молекул АТФ-АДФ). Естественно, скорость оборачиваемости фосфора намного выше и составление его баланса более сложно.

Ведущая роль фосфора в процессах эвтрофирования обусловила более глубокое внимание к этому элементу, что выразилось в явном преобладании работ, посвященных его режиму и круговороту в природных водах. Можно сказать, что исследование цикла фосфора в природных водах в настоящее время стало одной из важнейших проблем изучения качества воды водоемов. Прежде чем рассматривать вопросы трансформации фосфора в водохранилищах целесообразно обобщить существующие представления о закономерностях его круговорота и классификации форм его существования в природных водах.

Формы фосфора в природных водах.

Роль фосфора как биогенного элемента определяется его участием в энергетических и анаболических процессах в растительных клетках. Фосфор присутствует в ткани клеток фитопланктона в составе многих соединений, наиболее важный их которых – ортофосфат (существующий в виде Н2РО4- при 3 < рН < 7 или НРО42- при 8 < рН < 12). Фосфатные группы выступают основой нуклеиновых кислот АТФ и ФДФ – основных энергоносителей живой клетки.

Аналитическое определение соединений фосфора почти повсеместно базируется на колориметрическом методе определения фосфатов, разработанным Дениже [Deniges, 1920] и введенным в практику лимнологических исследований Аткинсом [Atkins, 1923]. Метод основан на реакции ортофосфата с молибдатом в кислой среде с образованием окрашенного комплексного соединения.

Суммируя известные представления о формах фосфора в водоеме, выразим их многообразие в виде следующей схемы (рис. 4.1).

 

Рис. 4.1. Формы общего фосфора в природных водах

Пояснение обозначений на схеме и основные характеристики приведенных в ней форм фосфора представлены в таблице 4.1.

Таблица 4.1.

Характеристика форм фосфора в природных водах

Форма фосфора	Обозначение на схеме	Обозначение в тексте	Обозначение в литературе (англоязычной)	Метод определения	Характеристика
Общий (валовой) фосфор	ОФ	Робщ	ТР	Общий фосфор в нефильтрованной воде	Все соединения фосфора, присутствующие в природных водах
Взвешенный фосфор	ВФ	Рвзв	РР	По разнице общего и фильтрованного фосфора	Все соединения фосфора, задерживающиеся фильтром 0.45мк
Взвешенный минеральный фосфор	ВМФ	Рвзв. мин	РIР	Либо прямым определением во взвеси, либо по разнице минерального фосфора в нефильтрованной и фильтрованной воде	Включает: 1) фосфор, сорбированный, 2)фосфор в составе минералов (корпускулярный), 3) фосфор апатитовый, 4)фосфор неаппатитовый.
Фосфор сорбированный	ФС	Рс			Ортофосфаты, сорбирующиеся на взвесях, детрите, гидроокисях железа и марганца. Может считаться реактивным и биологически доступным из-за равновесия в системе сорбция-десорбция. Кроме фосфатов сорбируется также коллоидный, органический и конденсированный фосфор.
Корпускулярный фосфор	ФК				Окклюдированный фосфор. Фосфор, присутствующий в фосфатных минералах, жестко связанный с кристаллической решеткой минералов (апатит, вивианит и др.) Нереакционный, биологически недоступный. В водоеме преимущественно осаждается со взвесью.
Фосфор апатитовый	ФА	Рапп		Извлекается из взвеси кислотой	Фосфор в соединениях с кальцием. Нерастворим. Не участвует в биологических взаимодействиях. В водоеме осаждается.
Фосфор неаппатитовый	ФНА	Рнеапп		Извлекается из взвеси щелочью	Неокклюдированный фосфор. Ортофосфат в соединении с железом, алюминием. Нерастворим. Наиболее значительная доля осаждающегося фосфора. Вопрос о биологической доступности пока не получил разрешения.
Взвешенный органический фосфор	ВОФ	Рвзв. орг	РОР	По разнице между взвешенным фосфором и взвешенным минеральным (ВФ-ВМФ)	Включает: 1) фосфор детритный, 2) фосфор бактериопланктона, 3) фосфор фитопланктона, 4) фосфор зоопланктона, 5) фосфор других гидробионтов, 6) коллоидный фосфор
Фосфор детритный	ФД	Рд			Входит в состав отмерших организмов и пеллет. Автолиз детрита сопровождается образованием фосфатов. Часть остается биологически недоступной и осаждается.
Фосфор бактериопланктона	ФБ	Рб			Фосфор в клетках бактериопланктона.
Фосфор фитопланктона	ФФ	Рф			Фосфор в клетках фитопланктона. Может запасаться в клетках.
Фосфор зоопланктона	ФЗ	Рз			Фосфор в клетках зоопланктона.
Фосфор коллоидный	ФКЛ				Отождествляется с низко и высокомолекулярным органическим веществом. Нереактивен, но возможно, легко гидролизуется.
Растворенный фосфор	РФ	Р раств		Общий фосфор в фильтрованной пробе	Включает: 1) растворенный минеральный и 2) растворенный органический фосфор.
Растворенный минеральный фосфор	РМФ	Рраст. мин	DIP	Минеральный фосфор в фильтрованной пробе	Включает: 1) ортофосфаты, 2) полифосфаты 3) конденсированные фосфаты
Ортофосфаты	ФРО	Рмин			Ионы ортофосфорной кислоты. Основная форма реактивного, биологически доступного фосфора.
Полифосфаты	ПФРО				Образуются в результате комбинаций ортофосфорных групп. Быстро гидролизуется. Редко встречаются в чистом виде. Основная форма запасания фосфора в клетках водорослей.
Конденсированные фосфаты	ФКОН				Полифосфаты, источники которых водные организмы, выделяющие фосфор.
Растворенный органический фосфор	РОФ	Рраст. орг	DOP	По разнице между общим фильтрованным и минеральным фильтрованным фосфором	Включает: 1) подвижные органические соединения, 2) стойкие органические соединения
Фосфор подвижных органических соединений	ФПОС				Органические соединения - продукты метаболизма. Нуклеотиды, полинуклеотиды, фосфорилированные углеводы, фосфоэфиры.
Фосфор стойких органических соединений	ФСОС				Фосфор, входящий в состав водного гумуса.

Все эти формы фосфора постоянно изменяются в водоемах в процессе взаимопревращений и обмена. Цепь этих превращений связана с биологическим, биохимическими и геохимическими процессами, протекающими на фоне физических и физико-химических характеристик водной среды.