Романенко Основы гидроэкологии. Р69 Основы гидроэкологии Учебн для студентов высших учебных заведений. К генеза, 2004. 664 с 1
 Скачать 7.62 Mb.
|
|
Содержание кальция в морских и океанических водах Океанические (морские) воды являются водами хлоридного класса, группы натрия. Поэтому содержание кальция в них меньше, чем в поверхностных водах суши. Основное его количество поступает в Мировой океан с речным стоком. Ежегодно с речными водами в моря и океаны поступает до 961 млн т карбоната кальция и 558 млн т растворенного кальция. Его концентрация неодинакова на разных глубинах. Так, в поверхностном слое Черного моря она достигает 0,250, а на глубине 200 м - 0,287 г/дм 3 Соответствующие концентрации для Азовского моря составляют и 0,215 Меньшая концентрация кальция в поверхностных слоях воды обусловлена использованием его планктонными организмами в процессе фотосинтеза, а также фактором разбавления морской воды атмосферными осадками. Более высокая концентрация кальция характерна для центральных участков морских акваторий. В отличие от океанических вод, обладающих общностью солевого состава, морские воды значительно различаются как по уровню общей минерализации, таки по соотношению отдельных ионов. Это можно проиллюстрировать на примере Азовского, Черного, Каспийского и Аральского морей. Последние два моря изолированы от Мирового океана, и их можно рассматривать как большие соленые озера. Характерной особенностью их вод является более высокая концентрация катионов кальция, магния и сульфатных анионов на фоне относительно небольшого содержания натрия. По соотношению основных ионов воды этих морей можно рассматривать как промежуточные междуречными и морскими. Каспийское море насыщено карбонатами кальция, что связано со значительным поступлением их со стоком Волги. Воды Аральского моря также содержат повышенную концентрацию кальция (до 2,55-3,00 г/дм 3 ), поскольку они формируются за счет материкового стока. В морях Полярного бассейна концентрация кальция значительно меньшая. Содержание кальция в континентальных водах Содержание кальция в поверхностных водах суши очень непостоянно и может существенным образом колебаться в зависимости от геологических особенностей водосборной площади и климатических условий. Воды большинства озер, рек, водохранилищ относятся к гидрокарбонатному классу, группе кальция. При минерализации речных вод до 1000 мг/дм 3 доминирующее положение среди других катионов занимает кальций. С ее увеличением выше 1000 мг/дм 3 могут преобладать ионы натрия, а иногда магния. Эта закономерность прослеживается почти на всей территории Украины III. Абиотические факторы водных экосистем По содержанию кальция вводе малые реки относят к пяти зонам. В реках первой зоны содержание кальция вводе изменяется в пределах 17—25 мг/дм 3 . Это, в частности, реки бассейна Припяти игорных районов Карпат (верхние притоки Днестра. Во вторую зону включены реки, в которых концентрация кальция вводе составляет от 30 до 50 мг/дм 3 . Это преимущественно реки Закарпатья и правобережные притоки Днепра. Содержание кальция в реках третьей зоны колеблется в пределах 50—100 мг/дм 3 . В эту зону входят в основном малые реки лесостепи, в частности реки Правобережья и северной части Левобережья — притоки Десны, Сулы и Притоки среднего бассейна Днепра также относятся к этой зоне. Четвертую зону составляют малые реки, содержание кальция вводах которых колеблется от 100 до 200 мг/дм 3 Они расположены в южной части Левобережья (реки бассейна южной части Южного Бугаи нижнего Днепра. К пятой зоне отнесены малые реки с концентрацией кальция вводе выше 200 мг/дм 3 Это реки Приазовья и Донбасса (Самара, Волчья. В их водах на фоне высокой общей минерализации содержание кальция достигает мг/дм 3 По сравнению с малыми реками воды средних и больших рек соответствующих геохимических зон характеризуются более высокой кальция. Так, в Припяти в разные сезоны года она колеблется от 27 до 100, в Десне - от 37 до 80 мг/дм 3 . Химический состав днепровской воды формируется на глинистых, суглинистых и дерново-подзолистых грунтах Смоленско-Москов- ской возвышенности. Это и определяет гидрокарбонатный характер воды верхнего Днепра и относительно небольшую концентрацию в ней кальция (20—65 мг/дм 3 ). В направлении течения она увеличивается и уже в средней части Днепра составляет 70-75, а в нижней — 80 мг/дм 3 . После зарегулирования Днепра и создания больших водохранилищ концентрация кальция в них в разные сезоны года изменяется в пределах 20-75 мг/дм 3 сравнения отметим, что содержание кальция вводе рек, впадающих в Балтийское, Белое и Баренцево моря, меньше, чем в реках Азово-Черноморского бассейна, и колеблется от 4 (Тулома) до 40-60 мг/дм 3 (Печора, Луга, Западная Двина, Неман. В волжских водохранилищах (Рыбинском, Угличском, Горьковском) его концентрация составляет в среднем 36, а в низовье Волги возрастает до 120 мг/дм 3 На содержание кальция в водоемах независимо от их типа большое влияние оказывают атмосферные осадки и сезон года. В период весеннего наводнения при поступлении больших объемов снеговых и дождевых вод с низким содержанием кальция его концентрация в водоемах значительно падает, а в меженный период, наоборот, возрастает Основы гидроэкологии Среди разнообразных форм кальция наибольшее значение для водных экосистем имеют его карбонатные соли. Содержание карбонатов в природных водах зависит от растворимости карбонатных породи химического выветривания алюмосиликатов под влиянием растворенного вводе При высокой интенсивности процессов фотосинтеза в летний период, когда утилизируется не только растворенный вводе но и связанный другими соединениями, карбонатное равновесие смещается в сторону разложения гидрокарбонатов с образованием карбонатов и свободного Последний утилизируется водными растениями в процессе фотосинтеза, а карбонаты вступают в реакции с кальцием и магнием, образуя труднорастворимые соли и которые выпадают в осадок. Зимой, при ослаблении фотосинтеза, происходит обратный процесс растворения карбоната кальция. В большинстве внутренних водоемов ион является основным компонентом солевого состава вод. Содержание его в речных водах может колебаться от 50 до 500 мг/дм 3 . Источником вводе являются главным образом карбонатные породы — известняки и доломиты, распространенные среди осадочных пород. Растворяясь вводе, содержащей они обогащают воду ионами и Гидрокарбонатные воды образуются также вследствие выветривания алюмосиликатов — наиболее распространенных породообразующих минералов земной поверхности (полевые шпаты, цеолиты, нефелины и т. п.). Решающим фактором формирования карбонатного режима водоемов, в частности неглубоких рыбоводных прудов, является концентрация вводе диоксида углерода. Значительное прогревание таких прудов в теплые летние дни, невысокая проточность и хорошо развитый фитопланктона по берегам - высшая водная растительность создают необходимые условия для интенсивного фотосинтеза. Метаболическая роль кальция и пути его поступления в организм гидробионтов Кальций принимает участие в формировании костного скелета, регуляции проницаемости клеточных мембран. Ему принадлежит важная роль в функционировании нервной, мышечной и железистых тканей, синаптической передаче, молекулярном механизме мышечных сокращений, ферментативных реакциях, связанных с процессами тканевого дыхания и гликолиза. Около 1,5 млрд т солей кальция, поступающих в моря и океаны с речным стоком, усваиваются в процессе жизнедеятельности гидробионтами. При этом большинство морских и пресноводных Раздел III. Абиотические факторы водных экосистем организмов могут накапливать и концентрировать кальций вот- дельных органах и тканях. Основным источником кальция для беспозвоночных является кальций воды, поскольку эти организмы могут его утилизировать непосредственно из водной среды. Установлено, что на протяжении дней обыкновенный прудовик (Lymnaea stagnalis) может утилизировать из воды до 80 % кальция. Интенсивность использования кальция зависит как от его содержания вводе, таки от ее общей минерализации. В мягкой воде эти моллюски получают из воды лишь 30 %, ас пищей - 70 % кальция, поступающего вор- ганизм. В обогащенной кальцием воде эти источники играют одинаковую роль. Карбонаты кальция практически не усваиваются водными растениями и животными. Некоторые водные растения в процессе фотосинтеза могут существенным образом влиять на карбонат- но-кальциевое равновесие водоемов, способствуя тем самым выпадению карбоната кальция в осадок. В период интенсивного фотосинтеза, в солнечные летние дни можно наблюдать, как на листьях элодеи, рдеста блестящего и других водных растений оседает в виде кристалликов карбонат кальция. Наибольшее количество кальция высшие водные растения утилизируют из воды в период вегетации. Так, тростник обыкновенный с воздушно-сухой фитомассой 40 т/га утилизирует до 200 кг/га кальция, а в зарослях элодеи в течение 10 ч световой части суток выпадает в осадок до 2 кг соединений кальция на 100 кг сухой массы. Приведенные данные свидетельствуют о важной роли высших водных растений не только в процессах утилизации, но ив круговороте кальция в гидросфере. Следует, однако, отметить, что, несмотря на большое значение кальция для нормального развития растений, его чрезмерное поступление в водоемы может вызвать обедненность флоры. Так, в водоемах, расположенных вблизи предприятий попе- реработке мрамора, значительное повышение содержания кальция вводе сопровождается деградацией фитоценозов. Особенно важную роль играет кальций в метаболических процессах беспозвоночных, которые могут его утилизировать непосредственно из воды. Например, у креветок до 90 % кальция, поступающего в их организм, поглощается жабрами. Пресноводные моллюски большую часть кальция, используемого на построение раковин, усваивают непосредственно из воды с помощью специальных клеток мантии. Таким способом моллюски могут утилизировать до 80-90 % кальция, и лишь 10-20 % его они получают с У моллюсков, живущих вводе с низким содержанием кальция, это соотношение резко изменяется в пользу его поступления с пищей. Важное значение для жизнедеятельности беспозвоночных имеет не только содержание кальция вводе, но и его соотношение с другими катионами, в частности с натрием и калием Основы гидроэкологии В отличие от позвоночных животных, у которых обмен кальция в опорных тканях более тесно связан с обменом фосфора, для беспозвоночных характерным является образование карбонатных соединений кальция, используемых для построения панциря. В тоже время фосфор играет важную роль в усвоении кальция организмом. Высокая интенсивность обмена кальция у беспозвоночных определяет их требования к экологическим условиям среды. Установлено, что моллюски избегают водоемов, в которых содержание кальция вводе меньше 2 мг/дм 3 , а ракообразные могут нормально развиваться при несколько меньшей его концентрации мг/дм 3 . При антропогенном влиянии на водные экосистемы, сопровождающимся значительным уменьшением концентрации кальция (на фоне возрастания вводе содержания других элементов, видовое разнообразие и численность беспозвоночных резко снижаются. В тоже время обогащение воды солями кальция до оптимального уровня положительно влияет на их развитие, в частности у моллюсков увеличивается не только размер раковины, но и удельный вес мягких тканей. Пресноводные моллюски способны переносить более высокие концентрации кальция вводе, чем морские. Так может в течение продолжительного времени обитать вводе с концентрацией кальция 400-500 мг/дм 3 . В основе высоких адаптивных возможностей моллюсков относительно значительного возрастания концентрации кальция вводе лежат физиолого- биохимические механизмы, обеспечивающие быстрый переход от тканевого дыхания к гликолизу. Ионы кальция участвуют в генерации нервных импульсов в безнатриевой среде. Благодаря этому механизму достигается высокая эффективность нервной регуляции мембранных процессов в организме моллюсков. Рыбы, как и беспозвоночные, могут утилизировать кальций не только из пищи, но и непосредственно из воды. У молоди карпа % кальция проникает в организм через жабры и лишь % - через кожу. У зеркальных карпов, тело которых непокрыто чешуей, через кожу проникает 31 % кальция, а через жабры — 69, тогда как у рыб, имеющих чешую, соответственно около 12 и 88 %. У форели через железистый аппарат жабр и кожные покровы в организм поступает 75 % кальция из воды и 25 % - с пищей. Отмеченные особенности поступления кальция в организм рыб играют важную роль в регуляции их физиолого-биохимических процессов. В отличие от наземных животных, у рыб абсорбированный железистыми клетками жабр кальций стоком крови сразу же разносится по всему организму. В связи с этим гепатопанкреас как внутренний фильтр организма не играет в гомеостазе у рыб такой важной роли, как у теплокровных животных. У рыб более развит Раздел III. Абиотические факторы водных экосистем механизм тканевого депонирования кальция. При повышении концентрации растворенного вводе кальция от 100 до 200 мг/дм 3 в митохондриях железистых клеток жабр уже на протяжении 24 чего содержание возрастает от 9,0 до 13,3 мкг/г белка. С увеличением накопления кальция в митохондриях резко повышается содержание как общего, таки неорганического фосфора. Магний морских и континентальных вод Среди элементов второй группы периодической системы Менделеева магний по своим химическим свойствам наиболее близок к кальцию. Он входит в состав более чем 100 минералов, в том числе брусита с содержанием магния около 41,7 %, магнезита, доломита (18,2 %) и т. п. В водные объекты магний поступает в основном при растворении доломитов, мергелей или при выветривании основных (габбро), ультраосновных (дунит) и других горных пород. Содержание магния в поверхностных водах суши зависит от характера грунтов водосборной площади. Ниже приведено сред- содержание магния в речных водах разных физи- ко-географических зон Украины. Физико-географические зоны Полесье Лесостепь Степь Предкарпатье Карпаты (горные и вулканические) Закарпатская равнина Крымские горы Украина в целом мг/дм 8 8 19 69 8 5 5 3 Высокая растворимость соединений магния способствует его постоянному поступлению с речным стоком в моря и океаны. Общая масса магния в Мировом океане составляет Ю т. В 1 л морской воды содержится в среднем 1,317 г магния магния в природных водах В природных водах магний, взаимодействуя с образует карбонат магния - магнезит Как и карбонат кальция, он легко растворяется вводе, содержащей растворенную углекислоту, превращаясь в растворимую кислую соль. Между твердой фазой карбоната магния угольной кислотой, растворенной вводе и гидрокарбонатными ионами сущест- 263 Основы гидроэкологии вует постоянное химическое которое осуществляется последующей схеме + + Mg + + + +Магний, как и кальций, взаимодействует не только с угольной кислотой. Он может образовывать комплексы с серной кислотой - сульфаты и с растворенными вводе органическими веществами. В ионно-растворенном состоянии он находится, в основном, вводах с невысокой общей минерализацией. С ее повышением возрастает электростатическое взаимодействие между противоположно заряженными ионами, что приводит к образованию ионных парили ассоциаций: В природных водах магний образует комплексные соединения с органическими веществами. Комплексные соединения магния в некоторых озерах Германии составляют более 65 % общего содержания растворенных форм. В слабоминерализованных водах зоны вечной мерзлоты (тундра) почти 90-100 % ионов образуют комплексы с гуминовыми и фульвокислотами. Такие комплексы играют стабилизирующую роль вводных растворах. Так, гуминовые кислоты в количестве до 10 мг/дм 3 воды предотвращают выпадение в осадок до 75 % карбоната магния. Фосфорорганические соединения, альбумины, стеариновые кислоты, полифенолы препятствуют выпадению магния в осадок. Магний взаимодействует с растворенными органическими веществами с молекулярной массой менее 500. Магний и кальций, наряду с общими химическими свойствами, имеют и отличные. В частности и Mg растворяются лучше, чем и Это и определяет более высокое содержание магния вводах, формирующихся на водосборных площадях с залежами доломитов, мергелей и других магнийсодержащих минералов. Природная вода, в которой растворено значительное количество гидрокарбонатов и сульфатов кальция и магния, отличается повышенной жесткостью, которую выражают суммарным количеством миллиграмм-эквивалентов ионов кальция и магния, находящихся в 1 л воды. Один миллиграмм-эквивалент соответствует содержанию 20,04 мг/дм 3 ионов или 12, 16 мг/дм 3 ионов В отличие от пресных, морские и океанические воды характеризуются высоким содержанием не только натрия, но и магния. В океанической воде хлориды натрия и магния составляют 88,7 количества всех растворенных солей. Из-за высокой концентрации магния морская вода имеет горьковатый привкус. Всего в океанической воде на соединения магния приходится около содержания всех солей. В морях его концентрация несколько меньше, в частности вводе Черного моря она составляет около % общей массы солей Раздел III. Абиотические факторы водных экосистем В местах впадения речного стока формируются смешанные пресные и морские воды, различающиеся по химическому составу. Вводах Днестровского лимана, соединяющегося с Черным морем, преобладают карбонатные соединения кальция (41 % ) , аза ними следуют хлорид натрия (28 %) и сульфат магния (25 % ) Магний в организме гидробионтов Содержание магния в организме гидробионтов зависит от того, в какой воде — морской или пресной они обитают. Так, в гемолим- фе морских моллюсков мидий устриц (Ostrea), морских улиток (Strombus) его концентрация составляет 55-58 ммоль/дм 3 , а у пресноводной беззубки (Anodonta) и живородки (Viviparus) лишь 0,19 и 0,31-0,37 ммоль/дм 3 . У морских ракообразных — лангустов и креветок (Palaemon) концентрация магния в гемолимфе равна соответственно 16,6 и 12,6 ммоль/дм 3 . Значительно выше она у краба — 23,6 ммоль/дм 3 . У пресноводных ракообразных, обитающих в водоемах с концентрацией магния ммоль/дм 3 , его содержание следующее в гемолимфе американского речного рака (Cambarus) - 4,3, у щитней рода Triops - 0,9 ммоль/дм 3 Сравнение концентрации магния в гемолимфе морских и пресноводных моллюсков и ракообразных свидетельствует о том, что у морских организмов она выше и колеблется значительно меньше, чему пресноводных форм. Это указывает на более стабильный ионный состав морской (океанической) воды по сравнению с пресными водами. У низших позвоночных животных концентрация магния в плазме крови значительно меньшая, чем в биологических жидкостях беспозвоночных. Так, в крови морского черта (Lophius pis- catorius) она составляет не более 6,0, ау получешуйника Гильберта ммоль/дм 3 . У миксин (Myxine) содержание магния в крови значительно выше и колеблется в пределах 28—29 ммоль/дм 8 . В крови личинок миног (оно не превышает 1,6, ау взрослых достигает ммоль/дм 3 Обмен магния у морских рыб имеет много общих черт с обменом кальция. Заглатывая соленую морскую воду, рыбы должны выводить избыток солей, чтобы предотвратить нарушения водно- солевого баланса в организме. В их кишечном тракте интенсивно всасываются натрий и хлор, которые выводятся из организма почками при формировании концентрированной мочи. Значительное количество ионов как и и поступившее в кишечник с морской водой, всасывается очень медленно, в связи с чем большая часть этих ионов выводится из организма с экскрементами. Та же часть, которая всосалась, выводится через почки Основы гидроэкологии В результате секреторного процесса концентрация ионов ив моче морских рыб может в десятки раз превышать их концентрацию в крови. У миног, мигрирующих в разбавленную морскую воду близ устьев рек, сульфаты магния выводятся из организма как через почки, таки через кишечник. В почках морских рыб двухвалентные ионы из крови в мочу переходят путем секреции. Благодаря такому механизму при повышении их концентрации в плазме крови экскреция тиосульфата и сульфата магния с мочой достигает максимального уровня. У пресноводных рыб магний выводится из организма также путем секреции через почки. В отличие от морских рыбу которых моча у пресноводных она резко гипотонична. На основании анализа особенностей регуляции концентрации неорганических ионов в организме водных животных разных экологических групп можно сделать вывод, что уровень магния в крови у водных позвоночных невысокий, а соотношение + / + выше, чем в биологических жидкостях беспозвоночных. Морские позвоночные животные могут регулировать содержание ионов в своем организме. При этом концентрация магния в теле морских костистых рыб значительно выше, чему прес- новодных. Метаболическая роль магния у гидробионтов Магний относится к ионам сочень широким спектром действия. Он играет исключительно важную роль в активации ферментативных реакций, протекающих у автотрофных и гетеротрофных организмов. У водорослей и высших водных растений он входит в состав молекулы хлорофилла и принимает участие в начальных стадиях биосинтеза порфиринового ядра (протопорфи- рин IX). Структурная формула хлорофилла имеет следующий вид: При повышении концентрации магния в строме хлоропласта активируется рибулезо-бисфосфат-карбоксилаза и возрастает ее сродство с О значении магния для нормального протекания фотосинтеза свидетельствует тот факт, что при его дефиците вводе наблюдается бледность и пожелтение листьев у водных растений. У водных животных магний играет ключевую роль в биоэнергетическом обеспечении мембранного транспорта ионов и внутриклеточном обмене аминокислот Раздел Абиотические факторы водных экосистем. Сера природных води процессы Сера встречается в природе как в самородном виде, таки в виде разных соединений, а также в газообразном состоянии (сероводород и оксид серы. Легкорастворимые сульфаты содержатся в большом количестве в морской воде. Сера (один из незаменимых компонентов при синтезе белков в организме животных и образовании серосодержащих органических веществу растений способны окислять сероводород до серы, а освобождающуюся при этом энергию используют для метаболических процессов (по аналогии с солнечной энергией при фотосинтезе). Поверхностные воды, в составе которых сульфатные ионы составляют более 25 %, относятся к сульфатным водам. Их химический состав обусловлен поступлением сульфатов с водосборной площади и вымыванием их из донных грунтов. Сульфаты могут поступать в водоемы при химическом выветривании и вымывании из таких минеральных залежей, как гипс ангидрит и барит При выщелачивании солончаков воды также обогащаются сульфатными ионами. Причиной возрастания содержания серы вводе может быть окисление сульфидов, поступающих со сточными водами промышленных, сельскохозяйственных и коммунально-бытовых предприятий. Источником образования сероводорода вводных объектах является также разложение органических веществ в донных грунтах в анаэробных условиях. Хотя сульфаты хорошо растворимы вводе, их содержание в водоемах ограничивается образованием малорастворимых сульфатов кальция оседающих на дно. В Украине сульфатные воды встречаются преимущественно в реках степной зоны, охватывающей Украинский кристаллический щит, Причерноморскую впадину, Донецкую складчатую область и склоны Воронежского кристаллического массива. Воды большинства рек этого региона, в которых ведущее место принадлежит сульфатам, относятся к сульфатно-хлоридному и натрий-кальциевому или натрий-магниевому классу. Преобладают сульфатно-хлоридные воды смешанного катиошюго состава в реках Приазовья ив левых притоках Днепра степной зоны (Орель, Самара, Конка и др.). В водных экосистемах сульфатные ионы находятся в биологическом круговороте, который осуществляется с участием практически всех гидробионтов, усваивающих сульфаты для построения своего тела. После отмирания организмов под влиянием серо- бактерий окисляется сначала в S, а потом в ион который снова включается в круговорот. Вводных экосистемах происходит также процесс сульфатредукции. 267 Основы гидроэкологии — это восстановление сульфатных ионов до сероводорода под влиянием сульфатредуцирующих бактерий при отсутствии кислорода ив присутствии органических веществ. Схематически реакция протекает следующим образом + СВ анаэробных условиях сульфатредуцирующие бактерии используют энергию сульфатов для дыхания, а сероводород выделяется вводу. Подобные реакции характерны практически для всех водоемов, где есть значительные залежи донных грунтов и замедленный водообмен. Характерными признаками таких водоемов является наличие вводе сероводорода, сульфидов, тиосульфатов и сульфатредуцирующих бактерий. Процессы протекают с наибольшей активностью в меромиктических водоемах, к которым относится Черное море. Меромиктические водоемы имеют двухслойную стратификацию толщи воды, причем вода нижнего слоя более минерализована и значительно плотнее, чем верхнего. В таких водоемах циркуляция охватывает только поверхностный слой воды меньшей плотности. Черное море относится к числу самых больших в мире меромиктических водоемов. На глубине 150—250 м в нем проходит хемоклин, разделяющий распресненный и обогащенный кислородом миксолимнион, или верхний слой, ив раз более мощный монимолимнион, или нижний слой воды, который не переме- шивается. В водоемах с хорошим кислородным режимом сульфатредук- ция происходит только в толще иловых отложений. При этом черный цвет донных отложений свидетельствует о характере суль- фатредуцирующих процессов. Они свойственны водным объектам, в которые сбрасываются высококонцентрированные сточные воды, обогащенные органическими веществами, содержащими в своем составе сульфаты. Сульфатредукция часто возникает в эвтрофных водоемах в периоды летней или зимней стагнации. Повышенное содержание сероводорода вводной среде отрицательно влияет на жизнедеятельность гидробионтов, поэтому они обладают высокой чувствительностью к нему. Так, полихеты Ne- reis zonata, tuberculata, ветвистоусые рачки Daphnia longispina и многие другие не выдерживают даже следовых количеств сероводорода вводе. Более устойчивые к сероводороду донные полихеты Nereis diversicolor, черви Capitella capitata и некоторые другие бентонты живут в толще донных отложений, где происходит гниение органических веществ. Исключительную устойчивость к сероводороду проявляет рачок Artemia salina. Токсичной для его молоди является концентрация 76,8 мг/дм 3 , а для взрослых — 109 Рыбы, особенно молодь, отличаются повышенной чувствительностью к сероводороду Раздел Абиотические факторы водных экосистем Глава 12. Микроэлементы водных экосистем и их биологическая роль как биоконцентраторы микроэлементов Химические элементы, содержащиеся в организме растений и животных в низких концентрациях (тысячные доли процента), называются микроэлементами Несмотря на их малые количества в организме гидробионтов, они играют важную метаболическую роль. К микроэлементам относят более 30 основных элементов, среди которых металлы — алюминий, железо, медь, марганец, цинк, молибден, кобальт, никель, стронций и другие и неметаллы - йод, селен, бром, фтор, мышьяк, бор. В организм бактерий, водных растений и животных они поступают непосредственно из воды и донных отложений. Преимущественно это водорастворимые формы, которые легко усваиваются. Микроэлементы входят в состав ферментов, в частности Мп - в состав арги- назы, - карбоангидразы, Си — полифенолоксидаз, Со витамина J — тироксина. Все они существенным образом влияют на метаболические процессы в организме растений и животных. Вводных экосистемах такие микроэлементы, как медь, цинк, марганец, железо, никель, свинец, в концентрациях, превышающих предельно допустимые, становятся биологически опасными и их рассматривают как токсиканты. Гидробионты разных трофических уровней могут аккумулировать в своем организме некоторые микроэлементы, особенно металлы. В зависимости от способности накапливать химические элементы гидробионты подразделяются на макро-, микро- и де- концентраторы. Критерием такого деления может быть коэф- биологического накопления под которым понимают отношение концентрации металла в теле гидробионтов к его содержанию в иле (в массе сухого вещества. Условно к концентраторам относят гидробионтов с > 2, к микроконцент- раторам - сот дои к деконцентраторам - с < 1. Такое деление условно, но оно может дать представление о способности того или иного гидробионта накапливать отдельные химические элементы водной среды. По крайней мере, эти данные могут свидетельствовать о влиянии отдельных химических элементов, растворенных вводе, на метаболические процессы, протекающие в организме гидробионтов Основы гидроэкологии 12.2. Железо Железо — один из активных металлов, который в природе в свободном состоянии почти не встречается. Основные минералы, в состав которых входит железо, - это пирит магнитный железняк (FeO, бурый железняк и шпатовый железняк Железо образует комплексные соединения с органическими кислотами, азотсодержащими веществами, белками и В Мировом океане присутствуют неорганические и органические соединения железа. Содержание этого микроэлемента в эвфо- тическом слое воды (0—25 м) зависит от биоседиментации и депонирования его соединений в донных отложениях. В поверхностных водах суши железо может образовывать комплексные соединения с растворенными органическими веществами, а в донных отложениях взаимодействовать со взвешенными и дисперги- рованными частицами. С легкорастворимыми веществами поро- вых вод, преимущественно органическими, железо образует кинетически устойчивые соединения слабо диссоциируют. В клетках и тканях гидробионтов железо входит в состав многих ферментов. Несмотря на относительно небольшое содержание железа в тканях и биологических жидкостях живых организмов, его биологическая роль чрезвычайно высока. Формы растворенного железа вводных экосистемах В океанической воде, при общей ее солености 34,5-35,0 %о, концентрация железа может колебаться в пределах 0,005— 0,14 мкг/дм 3 . На глубине 50 м содержится в среднем до 20 мг/м 3 железа в форме неорганических и органических соединений. Как в морских, таки в пресных водах железо имеет разную степень окисления и При этом закисные соединения железа наиболее часто встречаются вводах с низким содержанием кислорода, а вводах, обогащенных растворенным кислородом, преобладают окисные формы железа Общая концентрация и формы соединений железа вводных экосистемах зависят от геологических особенностей водосборной площади, характера водообмена, количества осадков и его поступления со сточными водами. Последнее имеет особое значение для водных объектов, расположенных вблизи металлургических комбинатов (города Днепродзержинск, Запорожье, Кривой Рог и др.). Характерной особенностью круговорота железа является его поступление с водосборной площади в форме растворенных солей оксидов ив комплексах с гуматами. Содержание железа колеблется в широких пределах как вводе, таки в донных отложениях (табл. 6). 270 Раздел III. Абиотические факторы водных экосистем Таблица 6. Содержание железа вводе и донных отложениях (г/кг сухой массы) водоемов Днестра и Днепра Водные объекты Днестр: верхний Днестр Днестровское водохранилище средний Днестр Дубоссарское водохранилище нижний Днестр Водохранилища Днепра: Киевское Кременчугское Запорожское Каховское Днепровско-Бугский лиман Вода 0,0-9,6 300,6-457,2 197,5-357,8 182,4-227,0 221,9-579,8 278,0-361,0 140,0-182,0 122,5-158,3 118,0-154,0 Донные отложения на глубине 0-5 см 4,8-7,3 4,9-6,9 3,6-7,8 3,2-39,8 2,5-31,4 Примечание Указаны предельные величины концентрации. В Днепре до его зарегулирования верхний предел концентрации железа составлял 2,0, растворенных форм — 1,2 мг/дм 3 . После зарегулирования стока Днепра произошло значительное снижение общей концентрации железа до 0,09-0,72, а растворенного - до 0,02-0,32 мг/дм 3 . Зарегулирование повлияло на содержание железа в днепровском каскаде как во времени, таки в пространстве, те. этот показатель уменьшался от верхнего Киевского к нижнему Каховскому водохранилищу, а также с увеличением отрезка времени от момента затопления ложа. Уменьшение концентрации железа в водохранилищах связано сего биоседиментацией и депонированием в донных отложениях. В каждом из днепровских водохранилищ аккумулируется около 40 % поступающего в него железа. Из двух форм железа — и — более устойчивой является вторая, поэтому соединения трехвалентного железа чаще встречаются в поверхностных водах суши. На окисление в влияет насыщенность воды кислородом. В тоже время фульвокислоты и гуминовые кислоты могут в значительной мере предотвращать окисление вследствие связывания железа в комплексы. При этом фульвокислоты имеют большую комплексообразующую способность по сравнению с гуминовыми кислотами. Железо может образовывать комплексы с растворенными вводе органическими веществами, которые выделяются в процессе жизнедеятельности водорослей и микроорганизмов. Основное влияние на содержание железа в поверхностных водах может оказывать его комплексообразование с неорганическими лигандами. Нов большинстве случаев концентрация раство- 271 Основы гидроэкологии ренного железа определяется комплексообразованием с органическими веществами, в частности с фульвокислотами и гуминовыми кислотами. В речных водах высокие концентрации железа обусловливаются, как правило, образованием отрицательно заряженных коллоидных частиц в процессе взаимодействия гидроксида железа и органических веществ гумусовой природы. Для ионов и характерно также образование в реакциях гидролиза и полимеризации таких соединений, как [Fe [Fe (ОН и др. Их соотношение зависит от реакции среды ее окислительно-восстано- вительного потенциала (Eh) и общей концентрации железа в природных водах. Среди факторов, влияющих на соотношение отдельных форм железа комплексных соединений с органическими веществами, восстановленного и связанного гидроксил-ионами - особенно важная роль принадлежит активной реакции (рН) воды. Окисление в наиболее интенсивно происходит в нейтральных и слабощелочных водах. Содержание железа в природных водах и соотношение его отдельных форм зависят от сезонных особенностей протекания внутриводоемных процессов. В озерах, реках и водохранилищах наибольшие концентрации железа обнаруживаются в зимний и ранневесенний периоды. Особенно большое его количество поступает в водоемы из заболоченных местностей, в частности из бассейна р. Припяти в Киевское водохранилище поступает вода, обогащенная железо-гумусовыми комплексными соединениями. Кроме образования комплексов с органическими веществами, железо может сорбироваться взвешенными вводе частицами. Особенно ощутимую роль они играют в миграции железа с речными водами, формирующимися в горной местности, например со стоком Дуная и его притоков - Тисы, Прута, Сирета, Латорицы и некоторых других. В дунайской воде содержание железа в составе взвешенных частиц превышает 85—90 % общего количества, которое выносится сводным стоком. В составе взвешенных частиц преобладают силикатные соединения железа, несколько меньше его гидро- генных форм и еще меньше - биогенных комплексов. Ежегодно с речным стоком в Мировой океан выносится около т железа. На долю взвешенных форм приходится 98 %, или т. В водоемах озерного типа четко обнаруживается вертикальная стратификация двухвалентное железо поступающее с приточной водой, окисляется на поверхности водной толщи в трехвалентное железо ив форме более тяжелого гидроксида опускается на дно. В придонных слоях воды под влиянием повышенного содержания и и низких значений Eh Раздел III. Абиотические факторы водных экосистем оно снова превращается в двухвалентное железо которое растворяется вводе. В результате таких превращений разница между концентрацией в поверхностном и придонном слоях может достигать 30-40 мг/дм 3 В поровых растворах донных отложений содержание железа, большая часть которого входит в состав комплексов высокомолекулярных соединений, значительно выше, чем в поверхностных Основными формами миграции железа в поверхностных пресных водах являются взвешенные и коллоидные формы, составляющие его содержания в речных водах и на меньше вводах озер и водохранилищ. Роль железа в ферментативных реакциях и процессах дыхания гидробионтов Железу принадлежит исключительно важная роль в эволюции биосферы. Как составная часть металлопорфиринов оно участвует в биосинтезе хлорофилла и дыхательных ферментов. Железо входит в состав пигментов гемоглобина и миоглобина, а также дыхательных ферментов — цитохромов, цитохромоксидазы, пе- роксидаз и азы. Оно является обязательным компонентом в реакциях окислительного фосфорилирования, протекающих за счет энергии, которая освобождается при переносе электронов от окисляемых органических веществ к молекулярному кислороду. Некоторые микроорганизмы способны окислять соли двухвалентного (закисного) железа с образованием гидрата окиси железа, а освобождающуюся при этом энергию используют на усвоение углерода. Наибольшая роль в круговороте железа принадлежит бактериям. Так, в процессах хемосинтеза принимают участие железобактерии и другие. Бактерии родов Cladothrix, Lyngbia могут накапливать железо в большом количестве, в результате чего их поверхность покрывается твердыми железосодержащими образованиями. Железобактерии Siderocapsa утилизируют железо из гума- тов, которое также откладывается на поверхности их тела. Диатомовые водоросли обладают способностью интенсивно усваивать коллоидные формы гидроксида трехвалентного железа. Высшие растения для построения железосодержащих белков протоплазмы используют намного меньше железа, чем животные организмы. Железо, хотя и не входит в состав хлорофилла, необходимо для его образования. Наряду с повышением содержания железа в надводной части высших водных растений возрастает и концентрация хлорофилла. Молярное соотношение железа и хлорофилла у большинства растений колеблется от 1:4 до 1:10. 273 Основы гидроэкологии В организме рыб и беспозвоночных железо находится, главным образом, в форме органических соединений. Его содержание в тканях и биологических жидкостях у них значительно меньше, чем у теплокровных животных. Биологическая роль железа связана с транспортом газов кровью и каталитическим действием в составе ферментов. У водных животных существуют дыхательные пигменты, представляющие собой белок (глобин, связанный с простетической группой, или гемом. Последний состоит из четырех пиррольных колец, соединенных в структуру, в центре которой расположен атом железа. В состав некоторых дыхательных пигментов вместо атома железа входит атом меди. Железу принадлежит чрезвычайно важная роль в механизме связывания кислорода дыхательными пигментами. Из наиболее известных дыхательных пигментов крови (гемоглобин, хлорокруорин, ритрин и гемоцианину водных животных преимущественно встречается гемоглобин и меньше всего — хлорокруорин. Водные животные разных систематических групп характеризуются не только различными наборами дыхательных пигментов, но и разным их количеством, что отражается и на содержании в организме железа. Так, у коловраток, кишечнополостных, мшанок, плеченогих, морских ежей, звезд и лилий дыхательных пигментов вообще нет. У полихет в крови есть и хлорокру- орин, у Spirothrix borealis - хлорокруорин, ау только Кислород переносится пигментами благодаря связыванию его железом в простетической группе. При этом одна молекула связывается одним атомом железа в гемоглобине и одним — в хло- рокруорине, двумя атомами железа — в гемеритрине и двумя атомами меди - в гемоцианине. Содержание пигментов в организме водных животных зависит от особенностей их поведения и экологических условий среды, прежде всего от степени насыщенности воды кислородом. У более подвижных рыб (форель, судак, скумбрия, ставрида, шпрот) концентрация и железа выше, чему малоподвижных донных рыб (скорпена, скат-хвостокол и др. При продолжительном пребывании рыб в условиях гипоксии в их крови увеличивается содержание пигментов (компенсаторная реакция) и железа. Такая адаптивная реакция характерна не только для рыб, но и для других. Медь В природе медь встречается в свободном состоянии в виде самородков ив составе минералов халькопирита халькозина малахита азурита и др Раздел III. Абиотические факторы водных экосистем В соединениях медь имеет степень окисления +1 и +2. Она легко взаимодействует с галогенами, серой и селеном. Разная валентность ионов меди и обусловливает наличие в природных водах ее легкорастворимых и труднорастворимых форм. Образование соединений меди в поверхностных водах зависит от рН воды, наличия в ней растворенных органических веществ (гуминовых и фульвокислот) и взвешенных частиц органической и минеральной природы. Растворенная медь находится преимущественно в связанном состоянии, обусловленном, в основном, химическими свойствами самого элемента как сильного комплексообразователя. Наряду с образованием комплексов с органическими веществами, медь может сорбироваться взвешенными частицами, содержащими гидроксиды металлов и взаимодействовать с гумусовыми и другими органическими веществами. Определенная ее часть в водоемах адсорбируется на взвешенных глинистых минеральных частицах, с которыми оседает на дно. Значительное количество меди ассимилируется планктонными организмами, в составе которых она принимает участие в круговороте веществ вводных экосистемах. Около % общего количества меди, которая поступает с речным стоком в днепровские водохранилища, сорбируется взвешенными частицами, постепенно оседающими на дно. Поэтому в донных отложениях водохранилищ меди значительно больше, чем в толще воды. В первые годы после образования Киевского водохранилища концентрация растворенных форм меди, выносившихся из него, была выше поступающих с водой притоков. Такой положительный баланс явился следствием десорбции меди с затопленных почв. Со временем в донных отложениях накапливались значительные запасы меди, что, в свою очередь, приводило к возрастанию ее концентрации в воде. Существуют определенные особенности формирования баланса меди в верхнем, среднем и нижнем течении зарегулированного Днепра. Они обусловлены влиянием вышерасположенных в каскаде водохранилищ на нижерасположенные. Так, из Каневского водохранилища в Кременчугское поступает, кроме растворенных, значительное количество взвешенных форм меди, большинство которых постепенно оседает на дно. Общий баланс форм меди в этом водохранилище определяется, главным образом, их аккумуляцией в донных отложениях. Содержание меди вводе рек зависит от особенностей формирования их водного режима. Так, в верхнем Днестре, водность которого определяется количеством атмосферных осадков в горных Карпатах, концентрация меди в разные сезоны года изменяется от аналитического нуля до 3,4 мкг/дм 3 , на среднем участке она Основы гидроэкологии составляет 2,0—2,3, а на нижнем Днестре - |