Питательные вещества и эвтрофирование

Кроме С0₂, воды и света растениям для роста необходимы и другие вещества (питательные). 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. Для обозначения способности водоемов синтезировать органические вещества был введен термин «трофность водоемов». Выделяют три степени трофности:

• • дистрофные (от греч. trophe — пища, dys — отсутствие, отрицание) водоемы — превышение скорости деструкции органических веществ над скоростью фотосинтеза;
• • олиготрофные (от греч. oligo — бедный) водоемы — сбалансированные скорости продукционно-деструкционных процессов;
• • эвтрофные (от греч. ей — хороший, избыточный) водоемы — цветение водорослей и накопление органических веществ, так как скорости продукции превышают скорости деструкции. Выделяют промежуточные градации: улыпраолиготрофные —

между дистрофными и олиготрофными и мезотрофные — между оли- готрофными и эвтрофными. Постепенный переход водоема из дистрофного или олиготрофного состояния в эвтрофное называют эвтрофированием. Оно может происходить естественным путем и в результате деятельности человека. Естественный процесс длится сотни и тысячи лет. При антропогенном эвтрофировании скорость фотосинтеза резко увеличивается вследствие поступления в водоемы питательных веществ со сточными водами и поверхностным стоком.

Связь эвтрофирования водоемов с обогащением их фосфором и азотом вытекает из схемы балансового уравнения фотосинтеза:

Согласно закону действующих масс при увеличении концентрации азота и фосфора скорость прямой реакции, т.е. скорость фотосинтеза, возрастает, что и приводит к эвтрофированию.

Имеет значение также соотношение основных питательных элементов, используемых водорослями. Считается, что максимальная скорость роста достигается в воде, в которой соотношение углерода, азота и фосфора (С: N: Р) соответствует их атомно-массовому отношению в составе вещества водорослей. Для фитопланктона в среднем оно приближается к 106:16:1. Всякое отклонение отданного соотношения в окружающей среде говорит об изменении обеспеченности водорослей питательными веществами.

Роль фосфора в эвтрофировании заслуживает особого рассмотрения в связи с тем, что он не содержится в атмосфере, а резервный фонд его находится в земной коре. Долгое время именно фосфор, как труднодоступный элемент, лимитировал эвтрофирование. Сейчас концентрация растворенных фосфатов в бытовых стоках возрастает вследствие широкого применения фосфатсодержащих моющих средств. В природных водах растворенный неорганический фосфор (РНФ) присутствует преимущественно в виде различных продуктов диссоциации ортофосфорной кислоты Н₃Р0₄:

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 поступлений, например, сточных вод. Поскольку в отложениях фосфор присутствует обычно в виде нерастворимого фосфата железа FeP0₄, то в восстановительных условиях (например, в отложениях, когда потребление кислорода

юо

превышает его поступление) РНФ может вернуться в столб воды при восстановлении Fe³⁺ до Fe²⁺.

Химия азота сложна, поскольку азот может присутствовать в нескольких окисленных состояниях, из которых № — газ азот N₂, N^3- — аммоний NH₄⁺ и N(5+) — нитрат N0“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. 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. Таким образом, N₂ может быть связан чисто химическим путем с помощью молний и биологическим путем с помощью микроорганизмов. Основным процессом является азотфиксация N₂ микроорганизмами, обеспечивающая основной природный источник азота в реках.

В биологических процессах азот используется в состоянии N^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 органических веществ, в основном в виде NH₄⁺. Однажды попав в почвы или воды, NH₄⁺, будучи катионом, может быть адсорбирован на отрицательно заряженных пленках органических веществ, покрывающих почвенные частицы или поверхности глинистых минералов. Аммоний потребляется также высшими растениями или водорослями или же окисляется до N0" — этот процесс обычно катализируется бактериями.

В отличие от NH₄⁺, N0“ является анионом, который растворим и не удерживается в почвах. Поэтому N0₃^_ дождевой воды или из удобрений, а также появляющийся в результате окисления почвенных органических веществ 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 окислительновосстановительного потенциала РНФ появляется в результате восстановления Fe³⁺, a N0₃“ теряется, что подчеркивает важность окислительно-восстановительных процессов в химии окружающей среды.

Сезонные колебания концентраций N0₃^_ во многих реках умеренной зоны вызваны флуктуациями в поступлении N0“ из почв.

В летний период концентрации N0₃^- низки, поскольку приток дождевой воды в почвенные воды незначителен. Осенью содержание почвенной влаги увеличивается, способствуя вымыванию нитратов из почвы в реки. Увеличение как площади, так и интенсивности сельскохозяйственной деятельности может быть вероятной причиной возросших концентраций N0₃“.

Другое важное питательное вещество, кремний, используется ди- атомеями (группа фитопланктона) для построения их экзоскелета. Диатомеи способны к быстрому и обильному росту в богатых питательными веществами условиях. В реках умеренных климатических областей цветение диатомовых водорослей происходит в начале года, поэтому уровень содержания кремния падает ранней весной с началом роста диатомовых водорослей и вновь повышается летом, когда диатомеи вытесняются другими группами водорослей. Поскольку поступление кремния происходит в основном в результате реакций выветривания, его природно низкие концентрации могут сильно уменьшаться во время цветения диатомеи, до такой степени, что дальнейший их рост тормозится. Таким образом, кремний ограничивает разнообразие видов, но не общую биомассу фитопланктона.

Утвержденных нормативов на предельные концентрации минеральных соединений фосфора и азота, при превышении которых начинается эвтрофирование водоема, в настоящее время не существует. Имеются лишь эмпирические данные для различных водоемов, позволяющие косвенно судить об экологических нормативах на биогенные вещества. Принято считать, что цветение воды становится вероятным, когда содержание минерального азота превышает 0,3...0,5 мг/л, а минерального фосфора — 0,01 ...0,03 мг/л.

Эвтрофирование водоемов зависит не только от нагрузки на водоем биогенных веществ, но и от условий развития автотрофных гидробионтов, т.е. от климатических, гидродинамических и морфологических особенностей водоема. Лимитировать цветение при достаточной концентрации питательных веществ могут низкая температура, недостаточная солнечная радиация, высокие скорости течений, большая глубина, мутность воды и другие экологические факторы. Наиболее сильно эвтрофирование происходит в хорошо прогреваемых и освещаемых прибрежных мелководьях. Поэтому нормативы биогенных веществ должны быть региональными, а для крупных водных систем — локальными.

Контрольные вопросы

• 1. От чего зависит химический состав примесей вод рек, озер и грунтовых вод?
• 2. Каковы особенности химического состава речных вод?
• 3. От каких факторов зависит характер поведения ионов в воде?
• 4. Как влияет испарение на химию основных растворенных ионов в реках?
• 5. Почему концентрации кремния в большинстве пресных вод очень низкие?
• 6. Каким образом растворимость алюминия зависит от pH?
• 7. Почему важен контроль за растворимостью алюминия в природных водах?
• 8. В каких случаях происходит подкисление пресных вод (природные и антропогенные причины)?
• 9. Как взаимосвязаны скорость течения реки, химический состав воды и биологическая активность в воде?
• 10. Какой слой в воде относится к эуфотической зоне?
• 11. Какие причины могут способствовать снижению концентрации кислорода в воде? К каким последствиям это может привести?
• 12. Каким образом pH и Eh могут определять поведение элементов и их соединений в окружающей среде?
• 13. Какое из питательных веществ чаще всего лимитирует рост растений во многих пресных водоемах?