Биогенные вещества в природных водах

РОССИЙСКИЙ  ХИМИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ

УНИВЕРСИТЕТ

им. Д. И. Менделеева 
 
 
 
 

Реферат на тему:

«Биогенные элементы в природных водах». 
 
 
 

                                                                                Выполнила: студентка гр. Э-43

                                                                                                    Александрова К. И.

                                                                                      Проверил: Кузнецов О. Ю. 
 
 
 
 
 
 

г. Москва

Биогенные вещества в природных  водах

 Минеральные  вещества, наиболее активно участвующие  в жизнедеятельности водных организмов. К ним относятся; соединения азота {NH4+, NO2-, NO3-), фосфора (Н2РО4 , НРО42-, РО43-), кремния (HSiO3-, SiO32-), углерода.  И некоторых микроэлементов. В природные воды биогенные вещества поступают главным образом при распаде животных и растительных организмов, жизнедеятельность которых протекает в водной среде, с площади водосбора и со сточными водами. Концентрация биогенных веществ в природных водах обычно невелика и, как и режим биогенных веществ в водных объектах, сильно зависит от температуры воды, которая определяет интенсивность жизнедеятельности организмов и процессы образования и разложения органических веществ.

Азот.

Азот  общий.

Сумма минерального и органического азота в природных  водах.

 Азотсодержащие  соединения находятся в поверхностных  водах в растворенном, коллоидном  и взвешенном состоянии и могут  под влиянием многих физико-химических  и биохимических факторов переходить  из одного состояния в другое.

 Средняя концентрация  общего азота в природных водах  колеблется в значительных пределах  и зависит от трофности водного объекта: для олиготрофных изменяется обычно в пределах 0.3-0.7 мг/дм3, для мезотрофных — 0.7-1.3 мг/дм3, для эвтрофных — 0.8-2.0 мг/дм3 .

 Повышение  концентрации ионов аммония и нитритов обычно указывает на свежее загрязнение, в то время как увеличение содержания нитратов - на загрязнение в предшествующее время. Все формы азота, включая и газообразную, способны к взаимным превращениям .

Аммиак.

В природной  воде аммиак образуется при разложении азотсодержащих органических веществ. Хорошо растворим в воде с образованием гидроксида аммония. ПДКв аммиака составляет 40 мг/дм3, ПДКвр — 0.08 мг/дм3 (лимитирующий признак вредности — токсикологический) .

Аммоний

Содержание ионов  аммония в природных водах  варьирует в интервале от 10 до 200 мкг/л в пересчете на азот. Присутствие в незагрязненных поверхностных водах ионов аммония связано главным образом с процессами биохимической деградации белковых веществ, дезаминирования аминокислот, разложения мочевины под действием уреазы. Основными источниками поступления ионов аммония в водные объекты являются животноводческие фермы, хозяйственно-бытовые сточные воды, поверхностный сток с сельхозугодий в случае использования аммонийных удобрений, а также сточные воды предприятий пищевой, коксохимической, лесохимической и химической промышленности. В стоках промышленных предприятий содержится до 1 мг/дм3 аммония, в бытовых стоках - 2-7 мг/дм3; с хозяйственно-бытовыми сточными водами в канализационные системы ежесуточно поступает до 10 г аммонийного азота (в расчете на одного жителя) .

 При переходе  от олиготрофных к мезо- и эвтрофным водоемам возрастают как абсолютная концентрация ионов аммония, так и их доля в общем балансе связанного азота.

Предельно допустимая концентрация в воде водоемов хозяйственно-питьевого  и культурно-бытового водопользования (ПДКв) установлена в размере 2 мг/дм3 по азоту или 2.6 мг/дм3 в виде иона NH4+ (лимитирующий показатель вредности - санитарно-токсикологический).

 Присутствие  аммония в концентрациях порядка  1 мг/дм3 снижает способность гемоглобина  рыб связывать кислород. Признаки  интоксикации - возбуждение, судороги, рыба мечется по воде и выпрыгивает  на поверхность. Механизм токсического  действия - возбуждение центральной  нервной системы, поражение жаберного  эпителия, гемолиз (разрыв) эритроцитов.  Токсичность аммония возрастает  с повышением pH среды .

Повышенная концентрация ионов аммония может быть использована в качестве индикаторного показателя, отражающего ухудшение санитарного  состояния водного объекта, процесс  загрязнения поверхностных и  подземных вод, в первую очередь, бытовыми и сельскохозяйственными  стоками.

Нитраты.

Присутствие нитратных  ионов в природных водах связано  с:

-внутриводоемными процессами нитрификации аммонийных ионов в присутствии кислорода под действием нитрифицирующих бактерий;

-атмосферными осадками, которые поглощают образующиеся при атмосферных электрических разрядах оксиды азота (концентрация нитратов в атмосферных осадках достигает 0.9 - 1 мг/дм3);

-промышленными и хозяйственно-бытовыми сточными водами особенно после биологической очистки, когда концентрация достигает 50 мг/дм3;

-стоком с сельскохозяйственных угодий и со сбросными водами с орошаемых полей, на которых применяются азотные удобрения. 

 Главными  процессами, направленными на понижение  концентрации нитратов, являются  потребление их фитопланктоном  и денитрофицирующими бактериями, которые при недостатке кислорода используют кислород нитратов на окисление органических веществ.

 В поверхностных  водах нитраты находятся в  растворенной форме. Концентрация  нитратов в поверхностных водах  подвержена заметным сезонным  колебаниям: минимальная в вегетационный  период, она увеличивается в осенью  и достигает максимума зимой,  когда при минимальном потреблении  азота происходит разложение  органических веществ и переход  азота из органических форм  в минеральные. Амплитуда сезонных колебаний может служить одним из показателей эвтрофирования водного объекта.

 В незагрязненных  поверхностных водах концентрация  нитрат-ионов не превышает величины порядка десятков микрограммов в литре (в пересчете на азот). С нарастанием эвтрофикации абсолютная концентрация нитратного азота и его доля в сумме минерального азота возрастают, достигая n.10-1 мг/дм3. В незагрязненных подземных водах содержание нитратных ионов обычно выражается сотыми, десятыми долями миллиграмма и реже единицами миллиграммов в литре. Подземные водоносные горизонты в большей степени подвержены нитратному загрязнению, чем поверхностные водоемы (т.к. отсутствует потребитель нитратов) .  
 

При длительном употреблении питьевой воды и пищевых  продуктов, содержащих значительные количества нитратов (от 25 до 100 мг/дм3 по азоту), резко  возрастает концентрация метгемоглобина в крови. Крайне тяжело протекают  метгемоглобинемии у грудных детей (прежде всего, искусственно вскармливаемых молочными смесями, приготовленными на воде с повышенным - порядка 200 мг/дм3 - содержанием нитратов) и у людей, страдающих сердечно-сосудистыми заболеваниями. Особенно опасны грунтовые воды и питаемые ими колодцы, поскольку в открытых водоемах нитраты частично потребляются водными растениями. 

 Присутствие  нитрата аммония в концентрациях  порядка 2 мг/дм3 не вызывает нарушения  биохимических процессов в водоеме;  подпороговая концентрация этого вещества, не влияющая на санитарный режим водоема, 10 мг/дм3. Повреждающие концентрации соединений азота (в первую очередь, аммония) для различных видов рыб составляют величины порядка сотен миллиграммов в литре воды . 

 В воздействии  на человека различают первичную  токсичность собственно нитрат-иона; вторичную, связанную с образованием нитрит-иона, и третичную, обусловленную образованием из нитритов и аминов нитрозаминов. Смертельная доза нитратов для человека составляет 8-15 г; допустимое суточное потребление по рекомендациям ФАО/ВОЗ - 5мг/кг массы тела. 

 Наряду с  описанными эффектами воздействия  немаловажную роль играет тот  факт, что азот - это один из  первостепенных биогенных (необходимых  для жизни) элементов. Именно  этим обусловлено применение  соединений азота в качестве  удобрений, но, с другой стороны,  с этим связан вклад вынесенного  с сельскохозяйственных земель  азота в развитие процессов  эвтрофикации (неконтролируемого роста биомассы) водоемов. Так, с одного гектара орошаемых земель выносится в водные системы 8-10 килограммов азота.

 Предельно  допустимая концентрация в воде  водоемов (ПДКв) установлена в размере 10 мг/л по азоту или 45 мг/л в виде иона NO3- (лимитирующий показатель вредности - санитарно-токсикологический). В требованиях к составу воды хозяйственно-питьевого назначения также указан норматив, соответствующий 10 мг/дм3 по азоту или 45 мг/дм3 в виде иона NO3- (тождественно равен стандарту США для питьевой воды).

Нитриты.

Представляют  собой промежуточную ступень  в цепи бактериальных процессов  окисления аммония до нитратов (нитрификация - только в аэробных условиях) и, напротив, восстановления нитратов до азота и  аммиака (денитрофикация - при недостатке кислорода). Подобные окислительно-восстановительные реакции характерны для станций аэрации, систем водоснабжения и собственно природных вод. Кроме того, нитриты используются в качестве ингибиторов коррозии в процессах водоподготовки технологической воды и поэтому могут попасть и в системы хозяйственно-питьевого водоснабжения. Широко известно также применение нитритов для консервирования пищевых продуктов.

 В поверхностных  водах нитриты находятся в  растворенном виде. В кислых водах  могут присутствовать небольшие  концентрации азотистой кислоты  (HNO2) (не диссоциированной на ионы). Повышенное содержание нитритов указывает на усиление процессов разложения органических веществ в условиях более медленного окисления NO2- в NO3-, что указывает на загрязнение водного объекта, т.е. является важным санитарным показателем .

 Концентрация  нитритов в поверхностных водах  составляет сотые (иногда даже  тысячные) доли милиграмма в 1дм3; в подземных водах концентрация нитритов обычно выше, особенно в верхних водоносных горизонтах (сотые, десятые доли милиграмма в 1дм3).

 Сезонные  колебания нитритов характеризуются  отсутствием их зимой и появлением  весной при разложении неживого  органического вещества. Наибольшая  концентрация нитритов наблюдается  в конце лета, их присутствие  связано с активностью фитопланктона  (установлена способность диатомовых  и зеленых водорослей восстанавливать нитраты до нитритов). Осенью содержание нитритов уменьшается. 

 Одной из  особенностью распределения нитритов  по глубине водного объекта  являются хорошо выраженные максимумы,  обычно вблизи нижней границы  термоклина и в гиполимнионе, где концентрация кислорода снижается наиболее резко .

Предельно допустимая концентрация нитритов в воде водоемов (ПДКв) установлена в размере 3.3 мг/дм3 в виде иона NO2- или 1 мг/дм3 в пересчете на азот нитритов. Показатель вредности - санитарно-токсикологический.

В соответствии с требованиями глобальной системы  мониторинга состояния окружающей среды (ГСМОС/GEMS) нитрит- и нитрат-ионы входят в программы обязательных наблюдений за составом питьевой воды и являются важными показателями степени загрязнения и трофического статуса природных водоемов. 
 

Фосфор.

Фосфор  общий.

Сумма минерального и органического фосфора.

 Так же, как  и для азота, обмен фосфором  между его минеральными и органическими  формами с одной стороны, и  живыми организмами - с другой, является основным фактором, определяющим  его концентрацию.

Концентрация  общего растворенного фосфора (минерального и органического) в незагрязненных природных водах изменяется от 5 до 200 мкг/дм3

 Фосфор - важнейший  биогенный элемент, чаще всего  лимитирующий развитие продуктивности  водоемов. Поэтому поступление избытка соединений фосфора с водосбора (в виде минеральных удобрений с поверхностным стоком с полей (с гектара орошаемых земель выносится 0.4-0.6 кг фосфора), со стоками с ферм (0.01-0.05 кг/сут. на одно животное), с недоочищенными или неочищенными бытовыми сточными водами (0.003-0.006 кг/сут. на одного жителя), а также с некоторыми производственными отходами приводит к резкому неконтролируемому приросту растительной биомассы водного объекта (это особенно характерно для непроточных и малопроточных водоемов). Происходит так называемое изменение трофического статуса водоема, сопровождающееся перестройкой всего водного сообщества и ведущее к преобладанию гнилостных процессов (и, соответственно, возрастанию мутности, солености, концентрации бактерий) .