Глобальный гидрологический цикл и его структура (стр. 7 )

СН2О(тв) + О2(г) → СО2(г) + Н2О(ж)

∆G° = - 475 кДж • моль-1 (4)

Поскольку фотосинтез требует света, он сосредоточен в поверхностных слоях воды - эуфотической зоне (область, по­лучающая >1% излучения, попадающего на поверхность воды). Глубина эуфотической зоны варьирует в зависимости от поло­жения солнца, количества света, абсорбируемого взвешенным веществом (включая фитопланктон) и наличия в воде раство­ренных окрашенных соединений [3].

Разложение органических веществ (которое практически всегда осуществляется при участии бактерий) может проис­ходить на любой глубине столба воды. В процессе разложения потребляется кислород [уравнение (4)], который поступает воду в большой степени путем обмена газов на границе во­да/воздух и частично - как побочный продукт фотосинтеза. Количество кислорода, способного раствориться в воде, зависит от температуры. Насыщенная кислородом пресная вода содер­жит около 450 мкмоль • л-1 кислорода при 1°С и 280 мкмоль • л-1 при 200С [3].

В летний период приповерхностные слои многих озер на­греваются лучами солнца. Более теплые приповерхностные воды являются менее плотными, чем холодные глубинные, и это приводит к устойчивому расслоению по плотности. Такая стратификация ограничивает обмен между обогащенными кислородом поверхностными водами и глубинными водами.

Органическое вещество, образующееся в поверхностных водах, опускается в глубинные воды, где оно окисляется, еще более понижая концентрацию кислорода. В некоторых случаях со­держание кислорода падает ниже уровня, необходимого для поддержания жизни животных. Скорость потребления кислоро­да увеличивается по мере того как возрастает количество посту­пающего органического вещества по причине как усиленного фотосинтеза в поверхностных водах, так и из-за прямого стока органических отходов, т. е. сточных вод [3].

В том случае, если кислород израсходован, бактерии исполь­зуют другие окисляющие агенты для потребления органическо­го вещества. Эти альтернативные окислители используются в порядке, зависящем от выхода энергии. Восста­новление нитратов (денитрификация) энергетически выгодно бактериям, но в природных пресных водах оно обычно ограни­чено из-за низких концентраций нитратов. Однако в результате антропогенного привноса концентрации нитратов в реках и подземных водах возросли, что увеличило доступ­ность нитратов для восстановления бактериями [3].

Восстановление сульфатов в пресных водах не служит зна­чительным механизмом потребления органического вещества, поскольку уровень растворенных сульфатов там обычно низ­кий. Однако в морской воде сульфатов много, и процесс их восстановления очень важен. В некоторых богатых органическим веществом речных и болотных осадках сущест­венным деструкционным процессом может быть метаногенез. Известно, что восстановленный продукт реакции, метан (СН4), являющийся парниковым газом, выделяется в виде пузырей из некоторых заболоченных земель, включая рисовники, что вносит значительный вклад в резервуар атмосферного СН4 [3].

2.1.5 Питательные вещества и эвтрофикация

Кроме СО2, воды и света растениям для роста нужны определен­ные ионы (питательные вещества). Некоторых из этих ионов, например Mg2+, довольно много в пресной воде, однако другие необходимые питательные вещества, например азот (N) и фос­фор (Р), присутствуют в низких концентрациях. Если недоста­ток света не ограничивает рост водорослей, то может иметь мес­то химическое ограничение роста, когда потребность в азоте и фосфоре начинает превышать их доступность. Поэтому на поведении азота и фосфора в природных водах и их роли как потенциальных или актуальных лимитирующих питательных веществах было сосредоточено большое внимание. В морской воде атомное отношение азота к фосфору, необходимое для оптимального роста, хорошо известно и составляет 16:1. В пресных водах требуемое отношение азот : фосфор варьирует сильнее [3].

В природных водах растворенный неорганический фосфор (РНФ) присутствует преимущественно в виде различных продуктов диссоциации фосфорной кислоты (Н3РО4). В почвах фосфор обычно удерживается в результате осаждения нерастворимых фосфатов кальция и железа, адсорбции на гидроксидах железа или адсорбции на частицах почвы. Таким образом, РНФ в реках возникает в основном из-за прямых разгрузок, например, сточных вод. Концентрации РНФ изменяются обратно пропорционально потоку воды (рис. 6), и привнесенное его количество разбавляется в условиях быстрого потока. Поскольку в отложениях фосфор присутствует обычно в виде нерастворимого фосфата железа (III) (FePО4), в восстановительных условиях (например, таких, какие встречаются в отложениях, когда потребление кислорода превышает его поступление) РНФ может вернуться в столб воды при восстановлении железа (III) до железа (II) [3].

Химия азота сложна, поскольку азот может присутствовать в нескольких окисленных состояниях, из которых N(0) - газ азот (N2), N(3-) - аммоний (NH4+) и N(5+) - нитрат (NО3-) являют­ся наиболее важными. Газообразный азот, растворенный в реч­ной воде, не может быть использован большинством высших растений и водорослей как источник азота, поскольку они не могут разорвать его сильную тройную связь [3].

Существуют особые «азотфиксирующие» бактерии, использующие N2, однако это энергетически невыгодный путь получения азота. Следовательно, такие микроорганизмы получают преимущество только тогда, когда N2 является единственным до­ступным источником азота. Тем не менее, наряду с фиксацией N2 молниями азотфиксирующие микроорганизмы обеспечива­ют основной природный источник азота в реках [3].

В биологических процессах азот используется в состоянии 3-, в основном в виде аминогрупп белков. Это окислительное состояние предпочтительно для поглощения водорослями, а также является формой, в которой азот высво­бождается в процессе разложения органического вещества, в основном в виде NH4+. Однажды попав в почвы или воды, NH4+, будучи катионом, может быть адсорбирован на отрицательно заряженных пленках органического вещества, покрывающих почвенные частицы или поверхностях глинистых минералов. Аммоний потребляется также высшими растениями или водо­рослями или же окисляется до NO3- - этот процесс обычно катализируется бактериями [3].

В отличие от NH4+, NО3- является анионом, который раство­рим и не удерживается в почвах. Поэтому NО3- дождевой воды или из удобрений, а также появляющийся в результате окисле­ния почвенного органического вещества и отходов животных вымывается из почв в реки. Помимо биологической ассими­ляции, денитрификация в средах с низким содержанием кисло­рода является наиболее важным путем, посредством которого нитраты удаляются из почв, рек и подземных вод. По существующим оценкам, в реках северо-западной Европы половина общего прихода азота в дренирующие воды теряется в результа­те процесса денитрификации до того, как эти воды достигают моря. Таким образом, в условиях низкого окислительно-вос­становительного потенциала РНФ мобилизуется в результате восстановления железа (III), а NО3- теряется, что подчеркивает важность окислительно-восстановительных процессов в химии окружающей среды [3].

Крайне различный химизм РНФ и NО3- может быть проил­люстрирован поведением их в подземных водах. Сезонные колебания концентраций NО3- во многих реках умеренной зоны вызваны флуктуациями в поступлении NО3-  из почв. В летний период концентрации NО3-  низки, поскольку приток дождевой воды в почвенные воды незначителен. Осенью содержание почвенной влаги увеличивается, способствуя вы­мыванию нитратов из почвы в реки (рис. 7) [3].

Увеличение как площади, так и интенсивности сельскохозяйственной деятель­ности может быть вероятной причиной возросших концентраций NО3-. Искуственно возросшие концентрации NO3- привели к тому, что РНФ является теперь основным питательным веществом, лимитирующим рост растений во многих пресных водах. Увели­чение водорослевой биомассы может привести к токсичности, засорению водных фильтров, неприглядности водоемов, сниже­нию биоразнообразия и низким концентрациям кислорода в стратифицированных водах - к процессу, обычно называемому эвтрофикацией. Взаимосвязь между РНФ и уровнем хлорофил­ла а (мерой водорослевой биомассы) (рис. 8) придает особое значение наблюдению за поступлением фосфора в реки и озера [3].

Другое важное питательное вещество, кремний, использует­ся диатомеями (группа фитопланктона) для построения их экзо-скелета. Диатомеи способны к быстрому и обильному росту в богатых питательными веществами условиях. В реках умеренных областей цветение диатомовых водорослей происходит в начале года. Например, уровень содержания кремния падает ранней весной с началом роста диатомовых водорослей и вновь повышается летом, когда диатомеи вытесняются другими группами водорослей (рис. 7). В богатых нитратами реках (азот: фос­фор около 30:1 зимой), биологическая продукция изначально мало влияет на уровни NO3- вплоть до более позднего времени года, когда поступление NO3- уменьшается из-за пониженного стока. Минимума содержание NO3- достигает летом, а потом вновь возрастает осенью (рис. 7). Концентрациям РНФ, напротив, свойственно более непостоянной поведение (рис.7), отражающее влияние биологического контроля и процессов разбавления, но они, в общем, более высоки в летний период в условиях слабого потока воды. Поскольку поступление кремния происходит в основном в результате реакций вывет­ривания, его природно-низкие концентрации могут сильно уменьшаться во время цветения диатомей, до такой степени, что дальнейший их рост тормозится. Таким образом, кремний огра­ничивает разнообразие видов, но не общую биомассу фито­планктона [3].

2.1.6. Загрязнение подземных вод

Подземные воды крайне важны для человека, поскольку это ос­новной источник питьевой воды. Например, в США более 50% населения использует подземные воды как источник питьевой воды. Поэтому качество грунтовых вод становится очень важ­ным фактором, и в большинстве развитых стран вода для по­требления человеком должна соответствовать определенным стандартам. Грунтовые воды могут не соответствовать стандар­там качества воды, поскольку содержат растворенные составля­ющие, появляющиеся как из природных, так и антропогенных источников. Типичные механизмы антропогенного загрязнения подземных вод приведены на рис. 9.  Основную угрозу для подземных вод составляет утечка из подземных цистерн, сток отходов из канализаций, сток с сельскохозяйственных полей, мест захоронения городских отходов, а также заброшен­ных хранилищ вредных отходов. К наиболее часто упоминаемым загрязнителям, поступающим из этих источников, относятся нитраты, пестициды, летучие органические соединения, бензопродукты, металлы и синтетические органические химикаты [4].