Вещества, содержащиеся в природной воде

Природная вода существует не в виде химического соединения, состоящего из водорода и кислорода, а представляет собой слож­ное тело, в состав которого помимо молекул воды входят самые разнообразные вещества. Все они играют ту или иную роль в жизни водного населения. Наибольшее экологическое значение для него имеют степень насыщения воды различными газами, концен­трация ионов минеральных солей, водородных ионов и органиче­ских веществ, состав и концентрация взвешенных веществ.

Газы. Количество отдельных газов, присутствующих в воде, зависит от их природы, парциального давления в атмосфере и состояния самой воды, в частности ее температуры и солености. То количество газа, которое может раствориться в воде при дан­ных условиях, называется нормальным. Иногда количество газа выражается не в абсолютных показателях (объемных или весо­вых), а в процентах от нормального содержания (степень насы­щения воды газом).

Растворимость газов не зависит от гидростатического давле­ния, т. е. нормальное содержание их одинаково на всех глуби­нах. Нередко для характеристики респираторных условий в воде указывают парциальное давление Ог (в паскалях или милли­метрах ртутного столба). Зная нормальное содержание Ог (табл. 1), можно определить его количество в единице объема воды при разных парциальных давлениях газа и наоборот.

Наибольшее значение для водного населения имеют кислород, углекислый газ, сероводород и метан.

Кислород. Обогащение воды кислородом в основном проис­ходит за счет его инвазии (вторжения) из атмосферы и выделения фотосинтезирующими растениями. Убыль газа наблюдается в ре­зультате его эвазии (выхода) из воды в атмосферу и потребления на окислительные процессы, в частности на дыхание. Иногда со­держание кислорода в водоемах может существенно меняться за счет поступления вод с более высокой или низкой концентрацией газа.

Коэффициент абсорбции кислорода водой при 0°С равен 0,04898. Следовательно, при нормальном содержании этого газа в атмосфере (210 мл/л) в 1 л воды будет растворено 210-0,04898= = 10,29 мл кислорода. С повышением температуры и солености коэффициент абсорбции уменьшается и величина нормального содержания кислорода снижается (табл. 1).

Кислородный режим водоемов и их отдельных зон зависит от очень большого числа факторов. Так как инвазия кислорода из атмосферы происходит только через поверхность воды и зона фо­тосинтеза располагается в верхнем слое, последний, как правило, более насыщен кислородом, чем нижележащая толща. Однако на распределение кислорода весьма заметно влияют процессы переме­шивания воды, протекающие неодинаково в отдельных водоемах и в разное время года. Во многих континентальных водоемах сущест­венное значение для аэрации грунта имеют соединения марганца и железа. Выпадая на грунт из воды в виде плохо растворяющихся окисных соединений, они, отдавая кислород грунту, переходят в рас­творимые закисные соединения, которые поступают в воду, окис-

Таблица 1. Растворимость атмосферного кислорода в воде в зависимости от температуры и солености (мл/л)

ляются здесь и, снова превращаясь в окиси, оседают в грунт. Если поверхностные и глубинные слои резко отличаются друг от друга по содержанию кислорода, говорят о кислородной дихотомии. Рав­номерное распределение кислорода во всей водной массе называет­ся гомооксигенией, которая наблюдается во время энергичного пе­ремешивания, охватывающего всю водную массу. Кислородная ди­хотомия возникает в период стагнации (застоя) водоемов, когда от­сутствует вертикальная циркуляция водных масс.

Для водного населения в отличие от наземного кислород пред­ставляет собой решающий фактор среды. На суше, где воздух практически всегда содержит много кислорода, животные редко страдают от его недостатка. Иная картина наблюдается в воде. Кислорода в ней достаточно (полное насыщение) далеко не везде и всегда, поэтому респираторная обстановка для гидробионтов часто становится критической. Нередко считают, что условия ды­хания в водной среде хуже, чем на суше. Это не совсем точно. На­земные животные обычно получают кислород через дыхательные поверхности, покрытые жидкостью, в которой растворяются атмо­сферные газы. Жидкости эти насыщаются кислородом не больше, а подчас меньше, чем хорошо аэрированные природные воды, со­прикасающиеся с дыхательными поверхностями гидробионтов. Та­ким образом, респираторные условия у гидробионтов, обитающих в хорошо аэрированной воде, не хуже, чем у наземных животных. Положение резко меняется, когда концентрация кислорода в воде снижается до очень малых величин, что нередко наблюдается на глубине, у поверхности грунта и в его толще.

По отношению к кислороду организмы делятся на эври- и сте- ноксидные формы (эври- и стеноксибионты), способные соответст­венно жить в пределах широких и узких колебаний рассматривае­мого фактора. Из эвриоксидных форм можно назвать рачков Cyc­lops strenuus, червей Tubifex tubifex, моллюсков Viviparus vivipa- rus и ряд других организмов, способных жить в условиях почти полного отсутствия или высокого содержания кислорода. К стено- ксибионтам относятся ресничные черви Planaria alpina, рачки Му- sis relicta, Bythotrephes, личинки комаров Lauterbornia и другие животные, не выдерживающие падения концентрации кислорода ни­же 3—4 мл/л. В случаях, когда адаптация гидробионтов к дефици­ту кислорода оказывается недостаточной, наступает их гибель. Ес­ли она приобретает массовый характер и наблюдается на значи­тельной акватории, говорят о заморе.

Углекислый газ. Обогащение воды С0₂ происходит в ре­зультате дыхания водных организмов, за счет инвазии из атмосфе­ры и выделения изразличных соединений, в первую очередь из со­лей угольной кислоты. Снижение концентрации СОг в воде в основ­ном идет за счет его потребления фотосинтезирующими организ­мами и связывания в соли угольной кислоты.

Коэффициент абсорбции СОг при температуре 0°С равен 1,713. Следовательно, при нормальном содержании газа в атмосфере (0,3 мл/л) и температуре 0°С в 1 л воды может раствориться

Сероводород. В водоемах он образуется почти исключитель­но биогенным путем за счет деятельности различных бактерий. Для водного населения он вреден как косвенно — через снижение кон­центрации кислорода, идущего на окисление S^2- до S, так и непо­средственно. Для многих гидробионтов он смертелен даже в самых малых концентрациях. Обитающие в чистой воде полихеты Nereis zonata, Phyllodoce tuberculata, рачки Daphnia longispina и мно­гие другие организмы не переносят даже следов сероводо­рода. Терпимее к нему формы, живущие среди гниющего ила. По- лихета N. diversicolor способна жить 6 дней в воде с концентраци­ей H₂S до 8 мл/л, червь Capitella capitata — 8 дней при концент­рации до 20,4 мл/л. С возрастом устойчивость к ядовитому дейст­вию H₂S у гидробионтов обычно повышается. Так, для молодых, средневозрастных и взрослых рачков Artemia salina летальная кон­центрация H₂S соответственно равна 76,88 и 109 мл/л (Воскресен­ский и Хайдаров, 1968). Образование больших количеств этого га­за может вызывать заморы, как нередко наблюдается летом в Кас­пийском и Азовском морях во время штилей. Достаточно шторму перемешать воду, чтобы кислород, насытив водную толщу, окислил сероводород и заморные явления прекратились.

В морях H₂S образуется почти исключительно за счет восста­новления серы сульфатов гетеротрофными десульфирующими бак­териями, которые, обитая в анаэробных условиях, используют суль­фаты в качестве акцептора водорода при метаболическом окисле­нии. Количество H₂S, образованного в результате деятельности де­сульфирующих бактерий (главным образом Desulfovibrio), иног­да настолько велико, что им насыщаются придонные слои воды толщиной в десятки и сотни метров. В Черном море от сероводоро­да свободен только поверхностный слой в 150—250 м, вся же ос­тальная толща воды содержит этот газ и потому почти безжизнен­на. В значительной мере насыщены сероводородом глубины Кас­пийского моря и норвежских фиордов, отделенных от моря более или менее высокими барьерами, препятствующими обмену воды. Так, в Миофиорде близ Бергена H₂S начинает встречаться с глу­бины 60 м.

Метан. Подобно сероводороду, ядовит для большинства гид­робионтов. Образуется при микробиальном разложении клетчатки и других органических веществ. Обычно его объем составляет око­ло 30—50% от всех газов, выделяемых донными отложениями в воду. Скорость образования метана зависит главным образом от количества разлагаемого субстрата и температуры. В водоемах- охладителях АЭС выделяется до 200—300 мл СН4 на 1 м² в сутки. В р. Саар на загрязненных участках суточный синтез метана в толще воды достигает 1,5 мкмоль/л, в более чистых — 0,2— 0,5 мкмоль/л (Zaiss, 1979). На мелководьях тропических морей

из илистых грунтов в сутки выделяется 30—40 мкмоль/м², из круп­нодисперсных— примерно в 10 раз меньше. Особенно много метана выделяют грунты прудов и озер с высоким содержанием органиче­ских веществ.

Ионы минеральных солей. Суммарную концентрацию всех ми­неральных ионов, имеющихся в воде, обозначают как ее соле­ность. Наиболее часто соленость пресных вод выражается в мил­лиэквивалентах, а морских вод — в граммах на 1 кг, или в про­милле (%₀). Значение минеральных ионов в жизни гидробионтов очень многогранно. Одни из них, получившие название биогенов, необходимы растениям для обеспечения процессов биосинтеза. К таким биогенам, лимитирующим рост и развитие гидрофитов, в первую очередь относятся ионы, содержащие азот, фосфор, крем­ний, железо. Другое значение минеральных ионов связано с влия­нием на солевой состав гидробионтов (диффузия через их наруж­ные покровы). Суммарная концентрация ионов определяет тонич- ность внешней среды водных организмов, условия их осморегуля- торной работы. Наконец, с повышением солености воды возраста­ет ее плотность и вязкость, что существенно сказывается на плаву­чести гидробионтов и условиях их движения.