Биогенные вещества

 

Биогенные вещества – минеральные вещества наиболее активно участвующие в жизнедеятельности водных организмов (ГОСТ 17 403-72). К ним относятся минеральные соединения N, P, Si, Fe и соединения некоторых микроэлементов (БЭС).

В. И. Вернадский называл их органогенными – веществами, входящими в состав биомассы микроорганизмов.

Цикл круговорота биогенных веществ, начатый в процессе фо­тосинтеза, заканчивается разложением морских растений и жи­вотных. В результате биогенные вещества переходят из органиче­ских в неорганические соединения (слайд). Этот процесс пере­хода биогенных веществ из сложных органических соединений в минеральные формы называется регенерацией.

Прямая регенерация органического вещества в океанах — процесс построения растениями органического вещества из веществ, выделяемых при деструкции органического вещества в поверхностной (продуктивной) зоне.

В результате прямой регенерации морским растением быстро возвращается часть усвоенных ранее биогенных веществ. Процесс прямой регенерации протекает непосредственно в зоне фотосинтеза, а пределы глубины распространения прямой регенерации определяются положением скачка плотности, который в свою очередь определяет глубину сезонных конвективных перемешиваний.

Непрямая регенерация органического вещества в океанах — процесс построения растениями органического вещества из веществ, выделяемых при деструкции сложных органических веществ.

Этот процесс распада органического вещества на биогенные элементы протекает на больших глубинах, ниже зоны конвективного перемешивания, и достигает дна, где происходит накопление биогенных веществ.

Постоянное пополнение биогенными веществами зоны фотосинтеза (где происходит его усвоение фитопланктоном) осуществляется в результате динамики водных масс. Особенно большое значение для обогащения верхней зоны биогенными элементами имеют турбулентные потоки в районе подъема глубинных вод при систематических сгонных явлениях в прибрежных зонах и в областях дивергенции.

Увеличение в поверхностных водах количества биогенных элементов вызывает в этих областях сильное развитие фитопланктона, обусловливающее богатство других форм животной жизни.

 

Соединения фосфора.Фосфор в морской воде содержится в виде иона ортофосфорной кислоты (минеральный фосфор) и в виде соединений в органическом веществе (органический фосфор). Считывая многообразие и сложность форм соединений фосфора в океане, более удобно выразить его концентрацию в пересчете на элементарный фосфор в мкг Р/л:

Р_общ = Р_неорг + Р_орг.

В водах океана содержание фосфора колеблется в широких пределах – от 0 до 100 мкг Р/л – и зависит в каждом отдельном районе от соотношения прихода и расхода фосфора в данный момент.

Приход фосфора. Основным источником поступления фосфора в морскую воду является минерализация органических остатков.

Первый – при отмирании организмов сложные органические вещества, входящие в состав тканей и клеток, постепенно разлагаются на более простые продукты. В конечном итоге происходит полная минерализация органических веществ и регенерация минеральных соединений фосфора.

Второй источник поступления фосфора в воду – материковый сток. Материковые воды содержат фосфор в виде органического фосфора и фосфора в минеральных взвесях. Ежегодно реки выносят значительное количество фосфора (до 300—1000 тыс. т в год), что имеет существенное значение для морей и приустьевых районов океана.

Расход фосфора. Основной процесс, уменьшающий содержание фосфора в морской воде, – это потребление его фитопланктоном. Скорость потребления, происходящего в основном в слое от 0 до 50 м, иногда до 100 м, зависит от интенсивности фотосинтеза. Таким образом, потребление фосфора происходит в основном в верхнем продуктивном слое, где фосфаты необходимы для развития растений.

Вертикальное распределение. Распределение фосфора в океане определяется процессами потребления фосфора и его регенерации (непрямой и прямой). Концентрация фосфора в поверхностном слое (0—50 м) вследствие его интенсивного потребления фитопланктоном меньше, чем в глубинных слоях. С глуби­ной содержание фосфора увеличивается и, быстро возрастая в слое скачка плотности (200—300 м), достигает максимума в слое кислородного минимума на глубинах 500–1200 м. С дальнейшим увеличением глубин содержание фосфора изменяются незначительно.

Наличие ясно выраженного максимума фосфатов в слое кисло­родного минимума можно объяснить теми же причинами, что и минимум кислорода, т. е. разложением остатков организмов, при котором потребляется кислород и выделяются биогенные вещества. Тесная связь между фосфором и фитопланктоном определяет суточный и сезонный ход фосфора в верхнем деятельном слое моря. Он характеризуется максимальным содержанием фосфора в ночное время и минимальным в дневное. В весенне-летний период, в пору интенсивного развития фитопланктона, содержание фосфора уменьшается зачастую до аналитического нуля. Осенне-зимний период характерен повышенным содержанием фосфатов.

Соединения азота.Азот в морской воде содержится в виде ряда неорганических и органических соединений. Неорганические соединения азота представлены нитратными ионами NO₃^--, нитритными NO₂ ^- и ионами аммония NH₄ ⁺ В органических соединениях азот находится главным образом в составе белка тканей организмов и продуктов его распада. Обмен азота между его неорганическими и органическими формами и живыми организмами является основным фактором, определяющим его содержание. Обмен азота осуществляется при двух противоположно направленных процессах – фотосинтезе (построение органического вещества) и распаде органического вещества.

Прямая регенерация происходит сравнительно быстро преимущественно в зоне фотосинтеза.

Непрямая регенерация протекает крайне медленно и под воздействием нитрифицирующих бактерий распадается на три фазы, охватывая все глубинные зоны океана. В первой фазе регенерации азота, связанного в органических веществах, появляется ион аммония NH₄⁺, который наблюдается в наибольших количествах (20—25 мкг N/л) в верхней продуктивной зоне. В зависимости от сезона наблюдаются изменения в концентрации ионов аммония, связанные с его потреблением при фотосинтезе: увеличение осенью и зимой и уменьшение в весенне-летний период.

С глубиной концентрация NH₄⁺ уменьшается, т.к. как в процессе регенерации ионы аммония переходят в нитритные ионы NO^-₂. Процесс перехода во второй фазе регенерации NH⁺₄ в NO^-₂ совершается под воздействием нитрифицирующих бактерий в присутствии кислорода:

NH₄⁺ +2O₂=NO₂^- + 2H₂O.

Нитриты как промежуточный продукт нитрификации содержатся в воде в очень малых концентрациях (до 10 мкг N/л, изредка до 20—30 мкг N/л). Присутствуют нитриты преимущественно в зоне фотосинтеза. Зимой нитриты отсутствуют и появляются весной при начале минерализации нового органического вещества. Максимум нитритов наблюдается в конце лета, в период интенсивного распада образовавшегося за лето органического вещества. Осенью содер­жание в воде нитритов уменьшается, и зимой нитриты полностью исчезают, превращаясь в нитраты. Нитритные ионы очень нестойкие и в третьей фазе регенерации под воздействием бактерий в присутствии кислорода окисляются в нитратные ионы:

2NO₂^- + O₂=2NO₃^-.

Ионы NO₃^- являются конечным продуктом минерализации орга­нического азота и в морской воде находятся в большом количестве (до 400—500 мкг N/л). В верхней зоне океана в результате интен­сивного фотосинтеза, при котором NO~ потребляется водорослями, содержание его наименьшее (рис. 15). С глубиной содержание нитратов повышается вследствие умень­шения их потребления и увеличения процесса регенерации (непря­мой). Вертикальный ход NOT подобен ходу фосфорных соединений.

Сезонные изменения нитратов наблюдаются только в верхних слоях океана и связаны с интенсивностью процесса фотосинтеза. В осенне-зимний период наблюдаются максимальные значения N0₃^-, а в весенне-летний сезон – минимальные, до полного исчезновения. Суточный ход нитратов в зоне фотосинтеза подобен суточному ходу фосфора.

Запасы нитратов в океане огромные, но основная доля их концентрации падает на глубинные и придонные слои океана. Поэтому, важнейшим фактором обогащения нитратами поверхностных слоев шляется динамика водных масс, т. е. перемешивание и поднятие дубинных вод на поверхность.

Таким образом, приход азотных соединений осуществляется в процессе нитрификации органического вещества при распаде остатков организмов. Кроме нитрификации, ионы азотных соединений поступают в Мировой океан с водами речного стока и с атмо­сферными осадками.

Расходуются соединения азота при усвоении их водорослями ю время фотосинтеза, а также при выпадении с органическими остатками в осадок дна.

 

Кремний.В морской воде кремний находится в виде слабой кремневой кислоты H₂Si0₃ в истинно-растворенном высокодисперсном и коллоидном состоянии. Формы кремневой кислоты многообразны и изучены еще недостаточно, поэтому концентрация выражается в виде кремния (мкr Si/л).

Содержание кремния в морской воде довольно высокое — от 200 до 1200 мкг Si/л, но может достигать и 4000 мкг Si/л (в Японском море).

Высокое содержание кремния в поверхностных слоях океана обусловлено стоком речных вод, богатых кремнием. Поэтому кремний является хорошим показателем распространения речных струй.

С глубиной концентрация кремния в результате распада организмов, имеющих кремневые скелеты и панцири, увеличивается и достигает максимума у дна. Увеличению концентрации кремния у дна способствует и процесс растворения пород, слагающих дно. В поверхностном слое вследствие потребления кремния диатомовыми водорослями, радиоляриями и другими организмами его концентрация в течение года колеблется в широких пределах – от 200 до 2000 мкг Si/л, но никогда не падает до нуля. Кроме того, распределение кремния зависит от динамики вод, а в приустьевых районах от речного стока.

 

Органическое вещество.Океан по всей своей толще населен живыми организмами. Между водными организмами и химическим составом морской воды существует тесная связь. Деятельность живых организмов является основной причиной происходящих вморской воде изменений химического состава и круговорота веществ и определяет наличие в морской воде растворенного органического вещества, которое и отличает природную воду от химического раствора.

Органическое вещество подразделяется на две группы:

1) вещества, входящие в состав водных организмов (животных и растительных);

2) растворенное органическое вещество в виде коллоидных и молекулярных соединений, которые являются продуктами жизнедеятельности организмов и их неполного распада при отмирании.

Химический состав растворенного органического вещества весьма сложен и полностью не изучен. Основными его компонентами являются углерод, кислород, водород и в меньших количествах фосфор, сера, калий, азот, кальций и др.

Поступлениеорганического вещества в океан происходит двумя путями. Во-первых, это продукты биохимического распада остатков организмов и продуктов их жизнедеятельности. Во-вторых, это органические вещества, выносимые в Мировой океан реками. Кроме того, часть органического вещества попадает в океан из атмосферы.

Расходуется органическое вещество как продукт питания морских организмов, но основная часть его (свыше 80%) минерализуется. Органическое вещество довольно стойкое, и процесс минерализации его до простейших соединений (СО₂, Н₂О, СН₄ и др.) протекает крайне медленно – более 60 суток.

Концентрация органического вещества в морской воде незначительная – примерно в пределах 1,98 – 5,42 мг/л, что в среднем составляет 3,0 мг/л, но его общее количество в океане огромно – 4- 10¹² т.

С глубиной наблюдается постепенное убывание органического вещества.

 

Микроэлементы. В водах океанов и морей, кроме основных элементов (рассмотренных ранее), содержится большое количество микроэлементов. Микроэлементами принято называть растворенные вещества, содержание которых в морской воде менее 1 мг/л.

По количеству элементов эта группа самая многочисленная, а по концентрации характеризуется наименьшими величинами. Предполагается, что в морской воде содержатся все элементы, известные на Земле, но несовершенство методов химического анализа не позволяет пока их обнаружить.

Суммарное содержание всех микроэлементов составляет ничтожную долю – менее 0,002% общего состава растворенных в океане веществ, но общее количество их в океане очень велико.

Являясь катализаторами, микроэлементы имеют большое значение в физиологических процессах морских организмов. Они входят в состав дыхательного пигмента беспозвоночных животных (гемоцианина), являются составной частью крови, ферментов, гормонов и пр.

Морские животные и растения обладают избирательной спо­собностью к усвоению этих элементов. Моллюски, например, поглощают медь, асцидии и голотурии – ванадий, ниобий, радиолярии концентрируют стронций, медузы – цинк, олово, свинец, губки – иод, омары и лангусты – кобальт, планктон—золото, а' водоросли концентрируют иод, алюминий и т. д.

С присутствием микроэлементов в океанической воде связано и образование железомарганцевых, фосфористых и никелевых конкреций: в процессе жизнедеятельности бактерии концентрируют эти металлы.

Микроэлементы в морской воде присутствуют в ионной, молекулярной, коллоидной форме и во взвесях. Большинство форм микроэлементов неустойчиво, взвеси и коллоиды с течением времени выпадают в осадок.

Режим микроэлементов, их изменения во времени и пространстве изучены слабо вследствие трудности их аналитического определения и многообразия форм.

с недостаточным водообменом и вентиляцией, т. е. в придонных слоях и во впадинах. С подъемом глубинных вод (зоны конвер­генции) происходит увеличение количества СО₂ и в поверхностных слоях.

Сезонный ход. Ввиду того, что интенсивность фотосинтеза, периодически меняющегося в течение года в зависимости от по­ступления солнечной радиации и температуры воды, оказывает значительное влияние на изменение СО₂, содержание двуокиси углерода в поверхностных водах испытывает сезонные и суточные изменения.

Осенью и зимой содержание СО₂ увеличивается, так как ох­лаждение морских вод способствует поглощению двуокиси угле­рода из атмосферы, а весной и летом при нагревании вод и бур­ном развитии фитопланктона содержание СО₂ падает.

В дневное время, когда растительные организмы интенсивно усваивают двуокись углерода, его содержание в воде уменьша­ется, а ночью возрастает.

Ионы водорода. Водородный показатель (рН). Концентрация "ионов водорода в морской воде определяет многие ее практически важные свойства (способность растворять горные породы, дейст­вие воды на бетон, корродирующие свойства и др.) и относится к числу гидрохимических характеристик, имеющих большое и раз­ностороннее значение.

Рассмотрим способы количественного выражения концентрации ионов водорода.

Молекула воды диссоциирует на ионы водорода и гидроксила:

[Н₂О]^[Н+] + [ОН-1. Применяя закон действующих масс, получим:

/, = /г, [Н₂О], У₂=Л₂[Н+1 [ОН"];

при

Vi=V₂ ft₁[H₂O]=fc[H-ⁱ-] [ОН"],-

откуда

k_x __ [Н+] [ОН-] h ~ [Н₂о]

Отсюда константа равновесия воды (константа диссоциации)

_ »i _ [Н+] [ОН-] ^дн₂о — k₂ ~ [Н₂О]

По величине электропроводности было установлено, что при 22°С концентрация ионов водорода, а следовательно, и гидрок-сильных в чистой воде равна 10"⁷ г-ион/л. Количество молей воды в 1 л составит

1000 _сг. г. ,

—^5—=5о,5 моль/л. .

.58

Заменим буквенные выражения К_но числовыми:

„ IP"? . Ю-7

^К™ ⁼-----5W-----^{= 1}'⁸ ' ¹⁰ •

Так как вода чрезвычайно слабо диссоциирована, а величина к очень мала, принято пользоваться ионным произведением

ВОДЫ Кв'-

[Н+][ОН-]=Л-_Нзо[Н₂О]=Л'_в.

Ионное произведение К_в для данной температуры строго по­стоянно и при 22° С равно

К_в=10~⁷ ■ КГ⁷=1(Г¹⁴ г-ион/л.

С изменением температуры оно будет равно n-10~¹⁴, где п — коэффициент, зависящий от температуры. Так, например, К_в при 50° С равно 5,6- 1(Н⁴, а при 100° С 74 • 10~¹⁴ г-ион/л.

Ионное произведение воды — очень важная величина. Она по­зволяет для любого водного раствора найти концентрацию ионов Н⁺ при известной концентрации ОН~ и наоборот. Чтобы опреде­лить реакцию раствора, достаточно знать концентрацию одних каких-либо ионов. Принято реакцию раствора характеризовать концентрацией ионов водорода.

Поскольку для чистой нейтральной воды [Н⁺]=[ОН~], то при 22° С .

[Н+]²=/Г_в=10-¹⁴ г-ион/л,

откуда [Н⁺]= ]/10-¹⁴=10-⁷.

Если в водном растворе [Н⁺] больше 10~⁷ г-ион/л, то такой ра-:твор имеет кислую реакцию. Кислая реакция тем больше, чем Зольше концентрация ионов водорода. Раствор, в котором [Н⁺] меньше 10~⁷ г-ион/л, имеет щелочную реакцию. Щелочная реак­ция увеличивается с уменьшением концентрации ионов водорода.. При [Н⁺], равном 1(Н г-ион/л, реакция нейтральная.

Практически удобнее пользоваться не абсолютным выраже­нием концентрации ионов водорода, а ее отрицательным логариф-иом. Сервисен предложил назвать эту величину водородным по­казателем и обозначить рН:

-lg[H+]=pH, -lg[10-⁷j=7.

Соответственно водородному показателю реакция воды будет:

кислая — при рН= 1 н-3,

слабокислая — при рН = 4ч-6,

нейтральная — при рН = 7,

слабощелочная — при рН = 8-т-10,

Щелочная — при рН= 11 -f-14.

В морской воде рН зависит главным образом от соотношения-^:°нцентрации угольной кислоты и ее ионов. Она определяет рав-^[овесие между угольной кислотой (кислая реакция), карбонатами