Геохимические особенности формирования состава органических веществ в озерах

Российский  Химико-Технологический Университет  им. Д.И.Менделеева 
 
 
 

Реферат по предмету «Химия окружающей среды»

на тему «Геохимические особенности формирования состава органических веществ в озерах» 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Выполнила: ст-ка гр. Э-43

Слугина Вера

Проверил: Кузнецов О.Ю. 
 
 

Москва

2010

Факторы влияющие на химический состав воды

Химический состав природной воды определяет предшествующая ему история, т.е. путь, совершенный  водой в процессе своего круговорота. Количество растворенных веществ в  такой воде будет зависеть, с одной  стороны, от состава тех веществ, с которыми она соприкасалась, с  другой - от условий, в которых происходили  эти взаимодействия. Влиять на химический состав воды могут следующие факторы: горные породы, почвы, живые организмы, деятельность человека, климат, рельеф, водный режим, растительность, гидрогеологические и гидродинамические условия  и пр. Рассмотрим лишь некоторые  факторы, влияющие на состав воды. 

Почвенный раствор  и фильтрующиеся через почву  атмосферные осадки способны усиливать  растворение пород и минералов. Это одно из важнейших свойств  почвы, влияющее на формирование состава  природных вод, является результатом  увеличения концентрации диоксида углерода в почвенном растворе, выделяющегося  при дыхании живых организмов и корневой системы в почвах и  биохимическом распаде органических остатков. Вследствие этого концентрация CO2 в почвенном воздухе возрастает от 0,033 %, свойственных атмосферному воздуху, до 1 % и более в почвенном воздухе (в тяжелых глинистых почвах концентрация CO2 в почвенном воздухе достигает иногда 5-10 %, придавая тем самым раствору сильное агрессивное действие по отношению к породам). Другим фактором, усиливающим агрессивное действие фильтрующейся через почву воды, является органическое вещество - почвенный гумус, образующийся в почвах при трансформации растительных остатков. В составе гумуса в качестве активных реагентов прежде всего следует назвать гуминовые и фульвокислоты и более простые соединения, например органические кислоты (лимонная, щавелевая, уксусная, яблочная и др.), амины и т.п. Почвенный раствор, обогащаясь органическими кислотами и CO2, во много раз ускоряет химическое выветривание алюмосиликатов, содержащихся в почвах. Аналогично вода, фильтрующаяся через почву, ускоряет химическое выветривание алюмосиликатов и карбонатных пород, подстилающих почву. Известняк легко образует растворимый (до 1,6 г/л) гидрокарбонат кальция. 

Почти на всей европейской  части России (кроме Карелии и  Мурманской области) известняки, а также  доломиты MgCO3•CaCO3 залегают довольно близко к поверхности. Поэтому вода здесь  содержит преимущественно гидрокарбонаты кальция и магния. В таких реках, как Волга, Дон, Северная Двина, и  основных их притоках гидрокарбонаты кальция и магния составляют от 3/4 до 9/10 всех растворённых солей. 

Соли попадают в водоёмы и в результате деятельности человека. Так, хлоридами натрия и  кальция зимой посыпают дороги, чтобы  растапливать лёд. Весной вместе с талой  водой хлориды стекают в реки. Треть хлоридов в реках европейской  части России привнесена туда человеком. В реках, на которых стоят крупные  города, эта доля гораздо больше. 

Рельеф местности  косвенно влияет на состав воды, способствуя  вымыванию солей из толщи пород. Глубина эрозионного вреза реки облегчает поступление в реку более минерализованных грунтовых  вод нижних горизонтов. Этому же способствуют и другие виды депрессий (речные долины, балки, овраги), улучшающие дренирование водосбора. 

Климат же, создает  общий фон, на котором происходит большинство процессов, влияющих на формирование химическою состава природных  вод. Климат прежде всего определяет баланс тепла и влаги, от которого зависит увлажненность местности и объем водного стока, а следовательно, и разбавление или концентрирование природных растворов и возможность растворения веществ или выпадения их в осадок. 

Огромное влияние  на химический состав воды и его  изменение с течением времени  оказывают источники питания  водного объекта и их соотношение. В период таяния снега вода в реках, озерах и водохранилищах имеет более  низкую минерализацию, чем в период, когда большая часть питания  осуществляется за счет грунтовых и  подземных вод. Это обстоятельство используют при регулировании наполнения водохранилищ и сброса из них воды. Как правило, водохранилища наполняют  в период весеннего половодья, когда  приточная вода имеет меньшую  минерализацию.

Органические  вещества

Органическим  веществом природных вод называют комплекс истинно растворенных и  коллоидных веществ органических соединений. По происхождению органические вещества природных вод могут быть разделены  на поступающие извне (с водосборной площади) и образующиеся в самом водном объекте. К первой группе относятся главным образом гумусовые вещества, вымываемые водой из почв, торфяников, лесного перегноя и других видов природных образований, включающих остатки растений, и органические вещества, поступающие с промышленными и хозяйственно-бытовыми сточными водами. Из гумусовых веществ для гидрохимии наибольший интерес представляют гуминовые и фульвокислоты. Обе эти кислоты характерны для гумуса (гумусовые кислоты), они не содержатся в живых растительных и животных тканях. Соотношение между ними в разных торфах и почвах неодинаково. В черноземных почвах преобладают гуминовые, а в подзолистых - фульвокислогы. 

Общая концентрация органического вещества в природных  водах, изменяясь в широких пределах, бывает наибольшей в болотных водах (в которых при большой концентрации гумусовых веществ она иногда достигает 500 мг/л и более) и реках  с болотным питанием, причем болотная вода бывает окрашенной в желтый и  коричневый цвет до 300° и выше по платиново-кобальтовой шкале цветности (окраску природной воде придают  гуминовые кислоты). Высокая концентрация органического вещества иногда встречается в подземных водах, связанных с нефтеносными месторождениями. Еще большая концентрация может быть в природных водах, загрязненных промышленными и хозяйственно-бытовыми сточными водами. Незагрязненные природные воды обычно содержат мало органических веществ.

В некоторых  поверхностных водах, особенно в  реках с болотным питанием, вещества гумусового происхождения являются основной частью химического состава  воды. После поступления в хорошо аэрируемые реки, а затем озера  и моря органические вещества воды подвергаются изменению, и начатый  в почвах процесс окисления завершается  для большей их части переходом  в простые минеральные соединения. Другая, более устойчивая часть остается и накапливается в водных объектах. 

В холодных климатических  зонах (тундре) очень мало органических остатков, и там водоёмы почти  не содержат гуминовых кислот. А  в зоне лесов, особенно хвойных, где  органических остатков образуется много  и они не успевают полностью разложиться, содержание гуминоных кислот составляет несколько десятков миллиграммов на литр. Гуминовые кислоты не только подкисляют воду в водоёме, но ещё и связывают практически все тяжёлые металлы в прочные комплексные соединения.

Воды озер различаются  также по содержанию биогенных элементов  и органических веществ. По этому  показателю выделяют олиготрофные, эвтрофные и дистрофные озера. Олиготрофные, как правило, глубоки, бедны минеральным азотом и фосфором. Вода в них прозрачна, зеленого или синего цвета, берега крутые н обрывистые. Плотность организмов низкая. Эвтрофные озера, богатые азотом и фосфором, имеют небольшие глубины и широкие пояса прибрежной растительности. Вода в них малопрозрачна, от зеленовато-коричневого до коричневого цвета. Обилие организмов может приводить к дефициту 

кислорода в  глубинных водах. Дистрофные озера мелкие, имеют берега, поросшие торфообразующей растительностью. Вода взвесью органических веществ окрашена в бурый цвет. Органический мир беден. 

Кроме этих основных озер существуют переходные, и по мере развития озеро или другой пресноводный водоем может переходить из одного типа в другой вплоть до полного  исчезновения. В естественный ход их динамики заметные изменения вносит человек. 

Характерной чертой водоемов суши является стратификация. Циркуляция воды в озере зависит  не только от течений (в случае больших  размеров водоема) и ветровых волнении,   но  и  от  климата  сопредельных территорий.  Нередко  озера  стратифицируются,  когда теплые верхние слои в озере (эпилимнион)  временно изолируются от охлажденных глубинных вод (гиполимниона) зоной термоклина, которая служит преградой для обмена различными веществами. В некоторых случаях, особенно зимой, может наблюдаться обратная стратификация, связанная с опусканием  воды с наибольшей плотностью (при 4 °С) и охлаждением ее под ледниковым панцирем. Вертикальное перемешивание вод происходит в периоды,   когда температура   разных   слоев   воды выравнивается. В очень глубоких озерах перемешивание воды не достигает дна. В них существует застойная зона, лишенная кислорода, с постоянными температурой и химическим составом.

С учетом термических  особенностей климата озера можно  классифицировать следующим образом (цит. по: Леме, 1976): 

1) мономиктические (от англ. mix — смешивать) — холодные озера арктических и альпийских областей с одним летним периодом циркуляции; 

2) мономиктические теплые озера субтропических областей, в которых перемешивание происходит в холодное время года; 

3) димиктические озера умеренных областей с двумя периодами обновления вод — весной и осенью (после этих перемешиваний часто происходит «цветение вод», так как водорослям в фотической (освещенной) зоне становятся доступны привнесенные донные биогенные вещества); 

4) полимиктические озера области тропического климата с многочисленными периодами циркуляции; 

5) олигомиктические озера, также тропические, с редкими и нерегулярными периодами циркуляции. 

От сезонной ритмики развития растительности и  перемешивания воды зависит содержание кислорода в ней. Недостаток кислорода  приводит к летним и зимним заморам  рыб, гибели беспозвоночных и растений. При его отсутствии сохраняются  лишь бактериальные формы жизни. Водные растения при фотосинтезе  выделяют кислород и создают органическое вещество, которое преобразуют организмы-гетеротрофы. В результате появляется автохтонное (местное по происхождению) органическое вещество, которое, оседая на дно, вместе с минеральными отложениями заполняет  озерную котловину различными илами, сапропелями и т. д. Минерализация  органического вещества на дне продолжается уже в условиях анаэробиоза. 

В отличие от автохтонного вещество, поступившее  в озеро извне в результате разрушения берегов и смыва его  с суши, называется аллохтонным. Благодаря  ему ускоряется процесс заиливания водоемов. Смыв удобрений с сельскохозяйственных угодий ускоряет дистрофикацию озер и других внутренних водоемов. 

Водоемам суши присуща четко выраженная зональность. У глубоководных озер обычно различают  литораль (мелководье), сублитораль (склон), профундаль (относительно выровненное ложе дна) и пелагиаль (зону открытой воды). По размещению в экологических зонах водоема среди организмов выделяются обитатели дна (бентос), водной толщи (планктон) и активно плавающие (нектон). 

Литоральная зона эвтрофных и дистрофных озер занята гигрофильной травянистой растительностью: осоками, тростником, камышом, водолюбивым разнотравьем. В умеренной полосе Северного полушария нередки черно-ольховые сырые насаждения и ивняковые кустарники. На глубине около 1 м, в сублиторали, гигрофильная растительность уступает место гидатофитам: кувшинкам, рдестам и др. На глубине 2—3 м и глубже встречаются только харовые водоросли. 

Песчаные и  галечниковые участки литорали и  сублиторали олиготрофных озер заняты прибрежником, полушником, харовыми водорослями и даже мхами (Fontinalis). В целом зона макрофитов определяется прозрачностью воды. У мелководных озер с прозрачной водой вся подводная котловина занята растительностью. Здесь обычно размножаются синезеленые, зеленые и диатомовые водоросли. На илистом дне эвтрофных озер обитают 

разнообразные моллюски, личинки и куколки стрекоз, поденок, комаров-звонцов, а также  губки, мшанки, нематоды и кольчатые  черви. С этими частями водоема  связана жизнь млекопитающих, ведущих  водно-наземный образ жизни (выдра, бобр, норка, водяная полевка), и многих водоплавающих птиц. 

В профундальной зоне состав бентоса определяется насыщением воды кислородом и его сезонными, вариациями. В олиготрофных озерах, богатых кислородом, бентические виды довольно многочисленны. Особенно характерны личинки комаров-звонцов. В эвтрофных озерах обитают виды, приспособленные к низкому содержанию кислорода, например личинки мотыля (Chironomus), а также комаров-звонцов (Tendipes) и представители кольчатых червей трубочники (Tubilex), которые покидают глубинную зону во время летнего застоя воды. В бореальных и альпийских озерах с постоянно низкой температурой гиполимниона выжили такие арктические представители, как ракообразные реликтовая мизида (Mysis relicta), бокоплав (Pontoporeia) и различные ракушковые (Ostracoda).