Пользовательского поиска
Экология
Новости
Библиотека
Законодательство
Эко словарь
Заповеди экологии
Ваш вклад в дело
Вы не поверите!
О проекте








предыдущая главасодержаниеследующая глава

Что такое чистая вода?

Все воды земного шара находятся в едином природном круговороте. Они постоянно связаны с атмосферой, литосферой и биосферой. Эти связи изучает лимнология, которая сначала развивалась как наука об озерах, а со времени выхода в свет "Лимнологии" П. С. Уэлча (1935) занимается рассмотрением закономерностей, характеризующих водоемы совместно с площадями их водосбора как самостоятельные географические единицы.

Состав и свойства природных вод формируются при участии климата, ландшафта и процессов жизнедеятельности сообществ организмов водоема и суши. Для всех водоемов качественный состав растворенных газов и солей, микроэлементов и органических веществ в общем довольно близок, а количественные их колебания зависят от географических зон, в которых находится водоем и, кроме того, от типа водоема и внутриводоемных процессов. В каждом водоеме или даже отдельной его части по мере его становления образуется свой тип сообществ организмов - водный биогеоценоз.

Сведения о химическом составе вод и круговороте основных элементов обобщены в основополагающих работах О. А. Алехина, С. И. Кузнецова, Д. Хатчинсона1. Обобщающие работы этих ученых вобрали в себя знания, полученные большим числом отечественных и зарубежных гидробиологов, микробиологов и гидрохимиков. Они показали, что все процессы в гидросфере основываются на единстве между жизнью водного биогеоценоза, претерпевающего очень медленные (в течение столетий) изменения, и средой обитания, изменяемой человеком. Состав вод внутренних водоемов может иметь свои местные особенности, но в каждой географической зоне известны их пределы, характерные для чистых вод.

1 (См. О. А. Алекин. Основы гидрохимии. Л., Гидрометеоиздат, 1970; С. И. Кузнецов. Микрофлора озер и ее геохимическая деятельность. Л., "Наука", 1970; Д. Хатчинсон. Лимнология. М., "Прогресс", 1969)

Из растворенных газов наибольшее значение имеет кислород (O2) и двуокись углерода (CO2). Вода обогащается кислородом из атмосферы и в процессе фотосинтеза водорослей. При интенсивном перемешивании и в местах цветения водорослей вода может быть пересыщена кислородом. Однако в летнее время в поверхностных слоях большинства равнинных водохранилищ и озер часто имеется некоторый дефицит O2 (75 - 85% насыщения), наступающий вследствие биохимического поглощения кислорода в процессе дыхания организмов и окисления растворенных соединений. Двуокись углерода находится в виде растворенного газа CO2, часть которого (∼1%), взаимодействуя с водой, образует угольную кислоту H2CO3. Содержание CO2 в воде рек и озер колеблется в пределах 20 - 30 мг/л. От концентрации угольной кислоты и ионов HCO3 и CO3 в основном зависит активная реакция водной среды рек (pH), величина которой может колебаться от 6,5 до 9. Низкие величины pH (4 - 6,5) характерны для болотных вод, а высокие (8,6 - 9) обнаруживаются в местах цветения водорослей.

Основная часть минерального состава вод включает катионы Na·, K·, Ca··, Mg··· и анионы Cl′, SO″4, HCO′3, CO″3. Степень минерализации природных вод повышается с севера на юг и наибольших величин достигает в водоемах пустынь и полупустынь Средней Азии и Казахстана. По многолетним материалам станций сети Гидрометеослужбы СССР, исследованиям Гидрохимического института и гидробиологических институтов Украины, Молдавии и Российской Федерации составлены карты распределения анионов и катионов вод с различным минеральным составом. Зональность минерализации и относительного содержания главных ионов в средних и малых реках вызвана зональностью климата, почв и растительности. Подобную же зональность специалисты обнаружили для вод водохранилищ1.

1 (См.: М. И. Кривенцов, М. Н. Тарасов. Прогнозирование минерализации и содержания главных ионов в воде водохранилищ. Л., Гидрометеоиздат, 1976)

Мало минерализованы реки севера европейской части Союза и Сибири. Низкую минерализацию этих рек связывают с условиями вечной мерзлоты, подзолистопесчаными и тундровыми почвами, значительным распространением болот. Высоко минерализована вода в мелких реках Приазовья и некоторых реках Северного Кавказа. В некоторых из них (р. Кума и ее притоки) содержится свыше 1000 мг/л солей. Воды в низовьях рек, текущих из области влажного или умеренного климата в засушливые области (Дон, Волга, Амударья, Днепр), летом пересыщены солями кальция, и здесь создаются условия для их химического осаждения. Насыщена и пересыщена CaCO3 (часто в десятки раз) вода большинства водоемов Молдавии. Во взвесях и на дне содержится карбонат кальция в виде обломочного материала. Создание на реках водохранилищ замедляет обмен воды в них, а это существенно сказывается на их химическом и биологическом режиме (рис. 1). По многолетним данным наблюдений на р. Волге в результате перераспределения стока воды после образования водохранилищ минерализация после паводка протекает медленно, проявилась вертикальная неоднородность в распределении органических веществ и биогенных элементов (азота, фосфора, кремния, железа), необходимых для жизни бактерий, водорослей, зоопланктона.

Рис. 1. Влияние зарегулирования на внутриводоемные процессы
Рис. 1. Влияние зарегулирования на внутриводоемные процессы

Концентрация, как и круговорот, органических веществ определяет лимнологический тип водоема, проще говоря, характер биогеохимических циклов элементов, содержащихся в озерах и водохранилищах, насыщенность их жизнью. К биогенным элементам относится также калий, концентрации которого в воде значительно ниже, чем кремния и железа. В чистой воде большая часть биогенных элементов растворяется. Они поступают в водоемы при разрушении организмов, изымаются из донных отложений или попадают в воду с площади водосбора. Региональные особенности этих процессов описаны ведущими советскими лимнологами и гидрохимиками С. И. Кузнецовым, А. А. Зениным, Л. Л. Россолимо, Ю. И. Сорокиным и другими.

Содержание микроэлементов (медь, кобальт, марганец и др.) в природных водах колеблется в пределах 0,07 - 0,001 мг/л, а концентрации всех форм биогенных элементов в десятки и сотни раз выше. Режим биогенных элементов связан с биологическими процессами, прежде всего с деструкцией и продукцией и с органическими веществами. В связи с этим природным водам свойственно многообразие форм биогенных элементов. Проиллюстрируем это на примере соединений азота и фосфора, содержащихся в воде в следующих формах:


Вторая и третья группы веществ поступают в воду в результате отмирания, распада организмов и прижизненно. Поэтому лабораторный анализ только минеральных форм биогенов не создаст ясной картины их режима в водоеме. Приходится определять общее их содержание. Для этого разрушают формы соединений, связанные с живым и мертвым веществом, и переводят находящиеся в них биогены в минеральные соединения. Определив их валовое содержание при поступлении в водоем и выносе из него, составляют их баланс. На основании этого баланса судят об источниках и степени обогащенности водоема биогенами. Также определяют общее содержание минеральных элементов и микроэлементов, биогеохимические циклы которых связаны с жизнью в водоеме. Биогеохимические провинции, выделенные известным советским ученым А. П. Виноградовым и основоположником биогеохимической экологии В. В. Ковальским, позволяют судить о пределах природных колебаний содержания микроэлементов в почве, воде и в организмах разных территорий1. На территории СССР выделены геохимические провинции с современным накоплением содовых, сульфатных, сульфатно-хлоридных и хлоридных солей. Знание мест распространения этих провинций, выявленных известным геохимиком В. А. Ковдой, помогает прогнозировать минеральный состав грунтовых и поверхностных вод.

1 (См.: В. В. Ковальский. Геохимическая экология. М., "Знание", 1972, (серия "Биология"))

Природные геохимические аномалии вызваны местным влиянием нефтегазовых месторождений, выходом глубинных минерализованных вод или распространением в породах железа, меди, цинка, свинца, урана и других элементов. На территориях геохимических аномалий и биогеохимических провинций концентрации соответствующих элементов в почвах, илах и воде озер могут быть повышены в несколько сот и тысяч раз по сравнению с содержанием на территориях, располагающихся вне их.

В зонах подзолистых и дерново-подзолистых почв расположены биогеохимические провинции, связанные с недостаточностью йода, кальция, кобальта, меди. Повышение содержания бора, йода, фтора отмечено в воде рек, в бассейнах которых залегают породы морских (третичных) отложений или черноземные и каштановые почвы, сероземы пустыни, обогащенные этими элементами1. Увеличение концентраций меди и цинка обнаружено в р. Кубань, Амударья, Сырдарья, состав воды которых формируется в горах. Этими же элементами обогащены воды рек Севера. В их бассейнах распространены болотные почвы и подзолы.

1 (См.: Г. С. Коновалов. Вынос микроэлементов главнейшими реками СССР. Доклады АН СССР, 1959, т. 129, № 4)

Водоем - это элемент ландшафта, и изменения состава воды в нем в значительной мере зависят от событий, происходящих на окружающей его территории. Если считать природным фоном те содержания главных ионов, биогенных элементов и микроэлементов в воде, которые создаются благодаря сложившимся на протяжении геохимической истерии Земли естественным процессам, то диапазон колебаний их концентраций оказывается настолько велик, что в некоторых случаях в условиях геохимических аномалий возможна жизнь только специфических биоценозов, скажем, солелюбивых организмов или, напротив, привыкших к жизни в очень мягких водах.

В условиях недостатка или избытка микроэлементов отмечаются эндемические болезни среди животных, растений, в некоторых случаях (эндемический зоб, флюороз) людей, проявляются признаки изменчивости отдельных видов, которые используют как индикаторы при составлении карт биогеохимических провинций. Однако воды, формирующиеся в этих специфических условиях, приходится признать чистыми, поскольку изменение их состава не связано с промышленными и сельскохозяйственными загрязнениями. Это последствия эволюционного процесса. Зная об этих аномалиях и давая им соответствующую гигиеническую оценку, органы санитарного надзора предлагают вводить в необходимых случаях в рацион людей и животных недостающие элементы. Сейчас, пока загрязнения солями металлов еще не приняли глобальный характер, ученые собирают данные об их фоновых концентрациях в природе и устанавливают степень их вредного воздействия.

Формирование сообществ организмов в естественных условиях - длительный процесс. Поэтому наблюдения на водоемах носят длительный, многолетний характер и проводятся по единой программе, которая иногда объединяет усилия многих институтов и даже государств. По программе Международного биологического года были обследованы крупнейшие озера и некоторые водохранилища нашей страны и других стран мира. Получены отправные данные, исходя из которых можно ЧУТКО следить за их изменениями.

Органическое вещество (ОВ). Все содержащиеся в природной воде ОВ прямо или косвенно связаны с жизнью живых организмов. Чистая вода не содержит органических продуктов промышленного синтеза или их отходов. Состав ОВ в водоеме представлен теми же соединениями, которые содержатся в водорослях, водных животных, растениях и, кроме того, соединениями, вновь образованными в наши дни или в далекие геологические эпохи на основе живого вещества. К ним относятся прежде всего алифатические и ароматические углеводороды, смолы, гумусовые вещества.

Участие ОВ во внутриводоемных процессах велико и разносторонне (рис. 2). Оно сказывается на изменении физических и химических свойств вод. Органические вещества определяют цветовой тон воды и ее люминесцентные свойства. ОВ - источник образования химически активных соединений (перекисей) и частиц (свободных радикалов). Эти продукты образуются в результате самоокисления и как промежуточные вещества в некоторых ферментных реакциях дегидрирования и оксидирования.

Рис. 2. Роль органических веществ в формировании свойств природных вод, круговороте веществ и энергии в водоеме
Рис. 2. Роль органических веществ в формировании свойств природных вод, круговороте веществ и энергии в водоеме

По типу самоокисления во внешней среде протекает распад значительного числа органических соединений. Термин "самоокисление" возник в конце прошлого столетия в результате изучения механизма окисления ОВ кислородом воздуха при обычных условиях и температуре. Основоположники теории медленного окисления Х. Ф. Шенбайн, Ф. Гоппе-Зейлер, Я. Г. Ван-Гофф обнаружили необходимость в активировании кислорода, участвующего в окислительном процессе. Окончательное завершение идея получила в перекисной теории выдающегося биохимика А. Н. Баха и немецкого химика К. Энглера. Выяснено, что вещества, окисляющиеся кислородом воздуха при обычной температуре, присоединяют целые молекулы кислорода. Таким образом, процесс окисления ОВ протекает через промежуточную ступень образования перекисного соединения, которое обладает более сильным окисляющим действием, чем молекула O2. К перекисям принадлежат органические вещества, содержащие два атома кислорода, непосредственно связанного между собой. Этот кислород находится в слабо связанном, "активном", состоянии и легко переходит к другим веществам. Органические гидроперекиси образуются во многих ферментных реакциях (табл. 1).

Таблица 1. Биохимические реакции окисления, протекающие с образованием Hsub2/subOsub2/sub и органических гидроперекисей
Таблица 1. Биохимические реакции окисления, протекающие с образованием Hsub2/subOsub2/sub и органических гидроперекисей

Роль перекисей как промежуточных продуктов окисления ОВ существенна в процессе их деструкции и синтеза новых соединений вне организмов. ОВ регулируй ют экологические условия среды в водоеме. Установлено большое число выделяемых водорослями и бактериями соединений, которые используются в их конкурентных взаимоотношениях с другими организмами. Более 50% усвояемого водорослями азота выделяется в виде азотсодержащих соединений (полиаминокислот). Часть этих соединений (протеины, циклические полипептиды) токсичны для животных и рыб.

ОВ представляет собой источник энергии для большого числа одноклеточных организмов, и, кроме того, в составе растворенных форм ОВ содержатся витамины, АТФ, стероиды и другие биологически активные вещества. С углеродсодержащими соединениями наряду с соединениями азота и фосфора связано евтрофирование водоемов, т. е. повышение первичной продукции водоемов в связи с поступлением с площади водосбора избыточного количества веществ, влияющих на рост и размножение водорослей и автотрофных бактерий.

Еще несколько десятилетий назад науке было мало известно о химическом составе и механизме преобразования органических веществ в водоемах. Благодаря основополагающим работам С. И. Кузнецова, Б. А. Скопинцева, А. Д. Семенова, Ю. И. Сорокина, Х. Л. Голтермана, Ф. М. Суэйна и др. выяснены основные звенья круговорота углерода, азота и фосфора в водоемах, взаимосвязь их минеральных и органических форм. В настоящее время совершенно отчетливо наметился переход от исследования суммарного ОВ к превращениям конкретных соединений отдельных биохимических классов: липидов, пигментов, белков и продуктов их распада, углеводов и связанных с ними продуктов. Установлена прямая связь этих соединений с жизнью в водоеме. Соотношение между массой живых организмов и количеством ОВ зависит от многих причин: типа озера, температуры воды, зарегулирования реки, времени. Если соотношение сильно сдвигается в сторону ОВ, это свидетельствует о нарушении равновесия между процессами продукции и деструкции ОВ.

Общая масса живых организмов составляет небольшую часть от суммы растворенных и взвешенных в воде веществ. Так, биомасса бактерий в Рыбинском водохранилище составляет 0,1 - 0,3 мг/л, водорослей - 0,9 - 5,3 (максимально до 15), зоопланктона - 0,3 - 0,6, а сумма всех живых организмов - 1,3 - 6,2 мг/л и только в отдельных случаях в 2 - 3 раза выше. Концентрация растворимых продуктов жизнедеятельности (белков, аминокислот, сложных аминов, углеводов, растительных и животных пигментов) колеблется в пределах 0,4 - 1,5 мг/л. Суммарное содержание ОВ в бассейне Рыбинского водохранилища колеблется в пределах 15 - 30 мг/л. Таким образом, отношение живых организмов к ОВ составляет 1:5 - 1:11. Однако это не означает, что в водоемах имеется избыток пищи для организмов, ибо большая часть этих соединений находится в трудно усвояемой форме и имеет низкую энергетическую ценность. Поведение и характер усвоения организмами органических веществ зависят от их состояния (рис. 3).

Рис. 3. Трансформация и поведение в водоеме разных форм органических веществ
Рис. 3. Трансформация и поведение в водоеме разных форм органических веществ

Все органические вещества в водоеме подвергаются деструкции, хотя и с разной скоростью. Легкоусвояемые растворимые вещества имеют коэффициент скорости распада ∼0,1 - 0,2 сут-1, трудноусвояемые вещества взвесей - 0,02 - 0,05 сут-1. Часть органики (∼65%) усваивается гетеротрофными бактериями, а часть может образовывать органические агрегаты и наряду с другими формами взвешенных веществ усваиваться в толще воды фильтраторами и детритофагами, которые в основной массе находятся на поверхности донных отложений.

Синтез органических веществ в водоеме. Исследование процессов превращения ОВ в водоеме позволяет инженерам рассчитать количество очищенных сточных вод, которое может быть выпущено в водоем. Контрольные лаборатории получают данные о качестве воды. На возможность синтеза в воде, донных отложениях и породах новых соединений (поликонденсированных ароматических углеводородов, полифенолов и др.) обрати пи внимание геохимики. В этом процессе известная роль принадлежит частицам пород и минералам (как катализаторам), а также активным продуктам метаболизма.

Определенная часть ОВ не распадается до конечных продуктов: углекислоты, минеральных солей азота, фосфора и серы, а образует стойкие формы органических веществ. В такой форме органическое вещество гораздо длительнее сохраняется в водоеме и при определенных условиях концентрируется в воде (гумусовые вещества) или в донных отложениях (битумоиды, гумусовые вещества). Процессы поликонденсации и полимеризации противоположны минерализации органических веществ. В олиготрофных и мезотрофных1 водоемах процесс минерализации ОВ протекает более полно. Но в евтрофных водоемах, в которых распадаются большие массы органических веществ (например, о. Неро), роль синтетических процессов, протекающих вне организмов, возрастает. Продукты полимеризации, образующиеся во внешней среде, качественно отличаются от новообразования ОВ внутри организмов. Синтез ОВ в организмах - физиологический процесс, связанный с обменным процессом. Процесс полимеризации не физиологичен, так как не управляется организмами, хотя в нем участвуют их экзометаболиты.

1 (Все водоемы по уровню продуктивности можно отнести к трем основным группам: евтрофные - высокопродуктивные, мезотрофные - среднепродуктивные, олиготрофные - низкопродуктивные)

Для того чтобы раскрыть механизм образования основной части органического вещества вод, неоднократно предпринимались попытки синтезировать гумусовые вещества в условиях, близких к естественным. Немецкий гидрохимик Курт Калле из аминокислот и углеводов синтезировал окрашенные соединения подобные желтому органическому веществу моря. Они обладали флюоресценцией и другими оптическими свойствами, подобными желтому веществу. Однако для их синтеза в лабораторных условиях была необходима температура, не свойственная водоему. Коричневые вещества, обладавшие синей флюоресценцией, были получены и при щелочной обработке целлюлозы. К. Калле считает, что образование новых соединений происходит в воде и атмосфере. Эти окрашенные вещества, похожие на меланоидины, образуются при некоторых ферментных процессах, например, при спиртовом брожении, как побочные продукты.

Образование во внешней среде устойчивых высокомолекулярных соединений из простых молекул, синтезируемых организмами, и из промежуточных продуктов распадающихся веществ, достаточно распространенное явление. В природных условиях такого рода превращения протекают в почве, воде, а возможно, и в воздухе, приводя к образованию гумусовых веществ и гидрофобных ОВ (ГОВ): смол и асфальтенов. Нежелательные реакции полимеризации и конденсации сопутствуют биохимическим и химическим производственным процессам, а образующиеся при этом вещества поступают в отходы (рис. 4).

Рис. 4. Схема окисления аллохтонных органических веществ в водоемах
Рис. 4. Схема окисления аллохтонных органических веществ в водоемах

Факторы, связанные с жизнедеятельностью организмов, оказывают решающее влияние на протекание отдельных стадий синтеза. При всесторонней оценке влияния процессов полимеризации на жизнь водоема и качество воды в нем необходимо учитывать следующие свойства больших молекул.

Инертные продукты полимеризации в отличие от биологически ценных молекул (белков, липидов, некоторых полисахаридов) имеют большую энергию связи между атомами и мало доступны действию ферментных систем организмов. Их пищевая ценность для гидробионтов крайне невелика. Микроорганизмы наиболее легко усваивают органический углерод низкомолекулярных веществ, экстрагируемых из почвы водой, хуже - углерод фульватов и еще труднее - высокомолекулярную ульминовую кислоту. С увеличением молекулярного веса и образованием устойчивых форм пищевая ценность органических веществ падает, а биогенные элементы и углерод, вовлеченные в процесс полимеризации и оседающие на дно, исключаются из трофической цепи водоема. В то же время известны виды микроорганизмов, которые усваивают гумусовые вещества, и виды планктона, питающиеся гумифицированными частицами, например многощетинковые черви, личинки водных насекомых - ручейников, и другие фильтраторы.

С увеличением молекулярного веса снижается растворимость веществ в воде. Поэтому дальность распространения от источников образования или от места поступления в водоем у высокомолекулярных веществ меньше, чем у низкомолекулярных. Комплексные и клатратные1 соединения высокомолекулярных веществ с металлами и низкомолекулярными соединениями изменяют миграционную способность хорошо растворимых в воде веществ. Таким образом, с высокомолекулярными соединениями из водной массы довольно быстро удаляется часть низкомолекулярных веществ, способных к длительной миграции в водоеме. С точки зрения удаления из водоема веществ, поступающих с промышленными и бытовыми стоками, процессы полимеризации, ведущие к образованию химически инертных и плохо растворимых соединений, можно рассматривать как фактор, способствующий самоочищению.

1 (Клатратные соединения - соединения включения, в которых отдельные молекулы внедряются в пустоты кристаллической решетки макромолекулы)

В процессе минерализации легко распадающихся веществ потребляется большое количество кислорода, а перевод части этих соединений в устойчивую форму снижает величину ВПК. Увеличение содержания в водоеме гумусовых соединений ухудшает качество воды: возрастает цветность и окисляемость; подготовка воды для питьевых целей значительно удорожается.

По месту образования высокомолекулярные вещества можно разделить на вещества, образуемые в водоеме и вносимые в него. В зависимости от физико-химических свойств их можно разделить на гидрофильные гумусовые вещества и гидрофобные битумоиды.

Гумусовые вещества природных вод. Это основная группа ОВ, находящаяся в воде в растворенном, коллоидном и взвешенном состоянии. Химическая природа гумусовых веществ природных вод не вполне ясна. Это довольно широкая группа веществ, физические и химические свойства которых связаны с их происхождением. Источники образования гумусовых веществ различны: они могут вымываться водой из почвы, образовываться из животных и растительных остатков и из планктонных организмов водоемов. Молекулярные веса их колеблются от сотен до сотен тысяч.

Американский лимнолог И. Шапиро выделил из воды низкомолекулярные органические кислоты - гумолитические вещества с молекулярным весом 456. Они представляют собой двухосновные полигидроксиалифатические кислоты. Ароматические группы или отсутствуют в их молекуле, или их очень мало. К. Пактам и Р. Ф. Кристмен (США) нашли, что окрашенные вещества вод представлены фульво-гиматомелановой и гуминовой кислотами, но преобладают фульвокислоты (75 - 85% по весу). Исследования продуктов окисления разрушенных макромолекул окрашенного органического вещества вод доказывают наличие в основе его структуры фенольных ядер.

Основоположник изучения ОВ вод в Советском Союзе Б. А. Скопинцев выделил в отдельную группу водный гумус планктонного происхождения, представляющий собой бесцветное или слабо окрашенное вещество. Оно состоит из двух фаз: твердой и водорастворимой. Все формы водного гумуса устойчивы к биохимическому окислению. Исходным материалом для его образования служат продукты распада белков и полисахаридов планктона.

Дальнейшие исследования подтвердили роль синтетических процессов в образовании водного гумуса. Из природных вод были выделены гидрофильные соединения с молекулярным весом от 50 000 до 200 000. Эти вещества, извлеченные из морской пены, исследованы руководителями крупных морской и гидрохимической лабораторий К. М. Хайловым и А. Д. Семеновым. По физико-химическим свойствам они отличаются от собственно белков и углеводов и имеют некоторое сходство с почвенными гумусовыми веществами. Но в отличие от них очень трудно гидролизуются, плохо растворимы в воде, обладают некоторыми свойствами, присущими поверхностно-активным веществам. В течение последних лет опубликованы работы по трансформации растворенного органического вещества во взвесь вблизи поверхности раздела вода - воздух. Предполагается, что высокомолекулярные гидрофильные соединения могли образоваться в результате трансформации растворенных макромолекул во взвесь.

Таким образом, вещества, объединенные в понятие водный гумус, включают несколько групп гидрофильных соединений:

1) гумусовые вещества, извлеченные водой из почвы, - фульвокислоты, гиматомелановые, гуминовые и гумолитические кислоты;

2) белковоподобные и углеводоподобные вещества;

3) гумус планктонного происхождения и др.

При этом каждая из групп содержит соединения, находящиеся на различных стадиях трансформации. Полидисперсность макромолекул природных вод, т. е. присутствие частиц разных размеров и с разной молекулярной массой, свидетельствует о том, что процессы полимеризации протекают в водоемах непрерывно, а разнокачественность состава макромолекул связана с различным строением исходных мономеров.

Битумоиды природных вод и донных отложений. Название битумоиды предложил Н. Б. Вассоевич для веществ, экстрагируемых из пород и донных отложений хлороформом и другими органическими растворителями. Под этим названием объединяется группа неполярных и слабо полярных соединений, по строению близких к нефтяным битумам (смолам и асфальтенам) и содержащих исходные вещества, из которых они могут образоваться. Иногда битумоидами неправильно называют всю сумму соединений, извлекаемых из загрязненной воды или донных отложений органическими растворителями.

Но если брать во внимание только один этот признак, то в одну группу попадают вещества, относящиеся к различным химическим классам: жиры, масла, воски, красители, углеводороды, смолы. Естественно, что по остальным свойствам и аналитическим методам их определения они значительно различаются друг от друга.

К битумоидам загрязненных вод относится смесь высокоуглеродистых, высокомолекулярных смолистых веществ, основные структурные единицы которых представлены ароматическими, гетероциклическими и алициклическими ядрами. В различной степени конденсированные ядра молекулы связаны парафиновыми цепочками. В виде гетероатомов в них содержится кислород, азот и сера. Так же, как и нефтяные смолы, образующиеся из углеводородов в результате окислительной поликонденсации, битумоиды в природных условиях могут образовываться из растительных масел, липидов, терпенов, изопреноидов, фенолов. При определении битумоидов низкомолекулярные продукты от них отделяются.

Интерес к изучению образования и накопления битумоидов в морских осадках возник в связи с проблемой происхождения нефти. Но источником образования смолистых веществ могут быть не только природные соединения, но и бытовые и производственные отходы. Таким образом, битумоиды это - большая группа смолистых веществ природного и антропогенного происхождения, находящаяся на различной степени трансформации. В них включают несколько групп гидрофобных соединений: битумоиды планктонного происхождения; битумоиды нефтяного происхождения (нефтяные битумы); связанные битумоиды (извлекаются из донных отложений горячим хлороформом).

Процесс образования смолистых веществ многостадиен. В нем участвуют биологические и абиогенные факторы (рис. 5). На участках водоемов с высоким содержанием в воде и в донных отложениях хлороформорастворимых веществ находят более высокие концентрации битумоидов.

Рис. 5. Схема образования антропогенных битумоидов в водоеме. Поступающие в водоем ОВ (1, 10) используются гетеротрофами и планктонными организмами (2). При этом в воде накапливаются вторичные продукты распада ОВ и жизнедеятельности организмов (5). Одновременно с использованием ОВ организмами происходит их иеферментативный гидролиз в водной среде (11) с образованием активных частиц (12). Устойчивые промежуточные продукты распада (13) включаются в первые стадии полимеризации (14), образуя олигомеры ГОВ (15). Конечные продукты распада (4) используются автотрофами и фотосинтезирующими организмами (5), которые в свою очередь выделяют внешние метаболиты (6). Увеличение продукции первых стадий пищевой цепи (2, 5) сказывается на нарастании последующих трофических звеньев (7, 8, 9). Реакции полимеризации и поликонденсации продолжаются в образовавшихся взвешенных ОВ (16) и после выпадения их на дно (18). Реакции полимеризации и поликонденсации ускоряются солнечным светом (hv)
Рис. 5. Схема образования антропогенных битумоидов в водоеме. Поступающие в водоем ОВ (1, 10) используются гетеротрофами и планктонными организмами (2). При этом в воде накапливаются вторичные продукты распада ОВ и жизнедеятельности организмов (5). Одновременно с использованием ОВ организмами происходит их иеферментативный гидролиз в водной среде (11) с образованием активных частиц (12). Устойчивые промежуточные продукты распада (13) включаются в первые стадии полимеризации (14), образуя олигомеры ГОВ (15). Конечные продукты распада (4) используются автотрофами и фотосинтезирующими организмами (5), которые в свою очередь выделяют внешние метаболиты (6). Увеличение продукции первых стадий пищевой цепи (2, 5) сказывается на нарастании последующих трофических звеньев (7, 8, 9). Реакции полимеризации и поликонденсации продолжаются в образовавшихся взвешенных ОВ (16) и после выпадения их на дно (18). Реакции полимеризации и поликонденсации ускоряются солнечным светом (hv)

Экологические критерии чистой воды предусматривают возможность значительных колебаний физических свойств и химического состава, обусловленных географическими и геохимическими особенностями территории водосбора. В этом плане в числе чистых вод рассматриваются и воды болот, невзирая на их высокую цветность, и воды соляных озер, несмотря на высокую степень их минерализации, гидротермальные воды независимо от уровня их температуры, химического состава. Эти воды чистые, потому что их свойства сформировались в результате многовековых природных процессов, а не отрицательных воздействий человека. Режим этих вод устойчив, а свойства соответствуют оптимальным условиям обитания, приспособившимся к ним водным и наземным организмам - непременному элементу ландшафта. Процессы обмена веществ и самоочищения в них протекают сопряженно с сезонными изменениями облика ландшафта.

Чистая вода - это продукт, сформированный в природных условиях, и потому не содержит соединений, не свойственных природе, и организмов (болезнетворных бактерий, паразитов) - переносчиков инфекционных и инвазионных заболеваний. Поэтому чистая вода не всегда является эквивалентом природной воды, ибо известны природные воды, которые не используют ни человек, ни животные. Это воды с неприятными запахами и привкусами (затхлые, тухлые), содержащие большие количества разлагающихся веществ, продуктов гниения природного происхождения: водорослей, деревьев, травы. Основными критериями изменения качества вод больших рек и водохранилищ, в которых поступающие сточные воды разбавляются в несколько сот и тысяч раз, оказываются не химические, а биологические показатели трофии и сапробности, изменения в обмене веществ и в связанном с ними механизме самоочищения водоема.

предыдущая главасодержаниеследующая глава



Rambler's Top100 Рейтинг@Mail.ru
© Злыгостев Алексей Сергеевич - подборка материалов, оцифровка, статьи, разработка ПО 2001-2017
Вдохновитель и идеолог проекта: Злыгостева Надежда Анатольевна
При копировании материалов проекта обязательно ставить активную ссылку на страницу первоисточник:
http://ecologylib.ru "EcologyLib.ru: Экология"