Биогенные вещества в природных водах

 Один из  вероятных аспектов процесса  эвтрофикации - рост сине-зеленых водорослей (цианобактерий), многие из которых токсичны. Выделяемые этими организмами вещества относятся к группе фосфор- и серосодержащих органических соединений (нервно-паралитических ядов). Действие токсинов сине-зеленых водорослей может проявляться в возникновении дерматозов, желудочно-кишечных заболеваний; в особенно тяжелых случаях - при попадании большой массы водорослей внутрь организма может развиваться паралич.

В соответствии с требованиями глобальной системы  мониторинга состояния окружающей среды (ГСМОС/GEMS) в программы обязательных наблюдений за составом природных вод  включено определение содержания общего фосфора (растворенного и взвешенного, в виде органических и минеральных  соединений). Фосфор является важнейшим  показателем трофического статуса  природных водоемов.

Фосфор  органический.

 В этом  разделе не рассматриваются синтезированные  в промышленности фосфорорганические  соединения. Природные соединения  органического фосфора поступают  в природные воды в результате  процессов жизнедеятельности и  посмертного распада водных организмов, обмена с донными отложениями.

 Органические  соединения фосфора присутствуют  в поверхностных водах в растворенном, взвешенном и коллоидном состоянии.

Фосфор  минеральный.

Соединения минерального фосфора поступают в природные  воды в результате выветривания и  растворения пород, содержащих ортофосфаты (апатиты и фосфориты) и поступления с поверхности водосбора в виде орто-, мета-, пиро- и полифосфат-ионов (удобрения, синтетические моющие средства, добавки, предупреждающие образование накипи в котлах и т.п.), а также образуются при биологической переработке остатков животных и растительных организмов. Избыточное содержание фосфатов воде, особенно в грунтовой, может быть отражением присутствия в водном объекте примесей удобрений, компонентов хозяйственно-бытовых сточных вод, разлагающейся биомассы.

 Основной формой неорганического фосфора при значениях pH водоема больше 6.5 является ион HPO42- (около 90%). В кислых водах неорганический фосфор присутствует преимущественно в виде H2PO4-.

Концентрация  фосфатов в природных водах обычно очень мала - сотые, редко десятые  доли милиграммов фосфора в литре, в загрязненных водах она может достигать нескольких миллиграммов в 1 дм3. Подземные воды содержат обычно не более 100 мкг/дм3 фосфатов; исключение составляют воды в районах залегания фосфорсодержащих пород.

 Содержание  соединений фосфора подвержено  значительным сезонным колебаниям, поскольку оно зависит от соотношения  интенсивности процессов фотосинтеза  и биохимического окисления органических  веществ. Минимальные концентрации  фосфатов в поверхностных водах  наблюдается обычно весной и  летом, максимальные — осенью  и зимой, в морских водах  — соответственно весной и  осенью, летом и зимой.

 Общее токсическое  действие солей фосфорной кислоты  возможно лишь при весьма высоких  дозах и чаще всего обусловлено  примесями фтора [9].

В методике оценки экологической ситуации, принятой Госкомэкологией РФ, рекомендован норматив содержания растворимых фосфатов в воде - 50 мкг/дм3. 

 Без предварительной  подготовки проб колориметрически определяются неорганические растворенные и взвешенные фосфаты.

Полифосфаты.

Men(PO3)n , Men+2PnO3n+1 , MenH2PnO3n+1

 Применяются  для умягчения воды, обезжиривания  волокна, как компонент стиральных  порошков и мыла, ингибитор коррозии, катализатор, в пищевой промышленности.

 Малотоксичны. Токсичность объясняется способностью полифосфатов к образованию комплексов с биологически важными ионами, особенно с кальцием .

Установленное допустимое остаточное количество полифосфатов в воде хозяйственно-питьевого назначения составляет 3.5 мг/дм3 (лимитирующий показатель вредности - органолептический). 
 

Кремний.

Кремний является постоянным компонентом химического  состава природных вод. Этому  способствует в отличие от других компонентов повсеместная распространенность соединений кремния в горных породах, и только малая растворимость  последних объясняет малое содержание кремния в воде.

 Главным источником  соединений кремния в природных  водах являются процессы химического  выветривания и растворения кремнесодержащих минералов, например алюмосиликатов:

KMg3AlSi3O10(OH)2 + 7H2CO3 + 1/2H2O --> K+ + 3Mg2+ + 7HCO3- + 2H4SiO4 + 1/2Al2Si2O5(OH)4

 Значительные  количества кремния поступают  в природные воды в процессе  отмирания наземных и водных  растительных организмов, с атмосферными  осадками, а также со сточными водами предприятий, производящих керамические, цементные, стекольные изделия, силикатные краски, вяжущие материалы, кремнийорганический каучук и т.д. 

 Формы соединений, в которых находится кремний  в растворе весьма многообразны и меняются в зависимости от минерализации, состава воды и значений рН. Часть кремния находится в истинно растворенном состоянии в виде кремниевой кислоты и поликремниевых кислот:

H4SiO4 <=> H+ +H3SiO4-

Таблица. Соотношение  форм производных кремниевой кислоты  в воде в зависимости от значений рН, % количества вещества эквивалентов

(К1 = 1.41.10-10) [31].

Форма  рН

                         7  8 9 10

[H4SiO4] 99.9 98.6 87.7 41.5

[H3SiO4-] 0.1 1.4 12.3 58.5 
 

 Поликремниевые кислоты имеют переменный состав типа mSiO2.nH2O, где m и n — целые числа. Кроме того, кремний содержится в природных водах в виде коллоидов типа xSiO2. yH2O.

Концентрация  кремния в речных водах колеблется обычно от 1 до 20 мг/дм3; в подземных  водах его концентрация возрастает от 20 до 30 мг/дм3, а в горячих термальных водах содержание кремния может  достигать сотен миллиграммов в 1 дм3. 

 Сравнительно  малое содержание кремния в  поверхностных водах, уступающее  растворимости диоксида кремния  (125 мг/дм3 при 26°С, 170 мг/дм3 при 38°С), указывает на наличие в воде процессов, уменьшающих ее концентрацию. К ним надо отнести потребление кремния водными организмами, многие из которых, например диатомовые водоросли, строят свой скелет из кремния. Кроме того, кремниевая кислота как более слабая вытесняется из раствора угольной кислотой:

Na4SiO4 + 4CO2 + 4H2O = H4SiO4 + 4NaHCO3

 Cпособствует неустойчивости кремния в растворе и склонность кремниевой кислоты при определенных условиях переходить в гель.

 Режим кремния  в поверхностных водах до некоторой  степени сходен с режимом соединений  азота и фосфора, однако кремний  никогда не лимитирует развитие  растительности .

ПДКв кремния равна 10 мг/дм3  

Углерод

Диоксид углерода.

Диоксид углерода содержится в воде в основном в  виде растворенных молекул CO2 и лишь малая часть его (около 1%) при взаимодействии с водой образует угольную кислоту:

CO2 + H2O <=> H2CO3

 Диоксид углерода, гидрокарбонатные и карбонатные  ионы являются основными компонентами  карбонатной системы. В растворе  между ними существует подвижное  равновесие:

H2CO3 <=> Н+ + HCO3- <=> 2Н+ + CO32-

 Соотношение  между компонентами в значительной  мере определяется величиной  рН. При рН 4.5 и ниже из всех компонентов карбонатного равновесия в воде присутствует только свободная углекислота. В интервале рН=6-10 гидрокарбонатные ионы являются основной формой производных угольной кислоты (максимальное их содержание при рН=8.3-8.4). При рН более 10.5 главной формой существования угольной кислоты являются карбонатные ионы.

 Главным источником  поступления оксида углерода  в природные воды являются  процессы биохимического распада  органических остатков, окисления  органических веществ, дыхания  водных организмов.

 Одновременно  с процессами поступления значительная  часть диоксида углерода потребляется  при фотосинтезе, а также расходуется  на растворение карбонатов и  химическое выветривание алюмосиликатов:

CaCO3 + CO2 + H2O <=> Ca(HCO3)2

HSiO3- + CO2 + H2O <=> H2SiO3 + HCO3-

 Уменьшение  диоксида углерода в воде происходит  также в результате его выделения  в атмосферу.

 Концентрация  диоксида углерода в природных  водах колеблется от нескольких  десятых долей до 3-4 мг/дм3, изредка  достигая 10-20 мг/дм3.

 Обычно весной  и летом содержание диокида углерода в водоеме понижается, а в конце зимы достигает максимума. Диоксид углерода имеет исключительно важное значение для растительных организмов (как источник углерода). В то же время повышенные концентрации CO2 угнетающе действуют на животные организмы. При высоких концентрациях CO2 воды становятся агрессивными по отношению к металлам и бетону в результате образования растворимых гидрокарбонатов, нарушающих структуру этих материалов .

Карбонаты.

Основным источником гидрокарбонатных и карбонатных  ионов в поверхностных водах  являются процессы химического выветривания и растворения карбонатных пород  типа известняков, мергелей, доломитов, например:

CaCO3 + CO2 + H2O <=> Сa2+ + 2HCO3-

MgCO3 + CO2 + H2O <=> Mg2+ + 2HCO3-

 Некоторая часть гидрокарбонатных ионов поступает с атмосферными осадками и грунтовыми водами. Гидрокарбонатные и карбонатные ионы выносятся в водоемы со сточными водами предприятий химической, силикатной, содовой промышленности и т.д.

 По мере  накопления гидрокарбонатных и  особенно карбонатных ионов последние  могут выпадать в осадок:

Ca(HCO3)2 => CaCO3 + H2O + CO2

 Сa2+ + CO32- => CaCO3

 В речных водах содержание гидрокарбонатных и карбонатных ионов колеблется от 30 до 400 мг HCO3 -/дм3, в озерах - от 1 до 500 мг HCO3-/дм3, в морской воде - от 100 до 200 мг/дм3, в атмосферных осадках - от 30 до 100 мг/дм3, в грунтовых - от 150 до 300 мг/дм3, в подземных водах - от 150 до 900 мг/дм3.