Хімічні та біологічні перетворення діоксиду вуглецю у водних екосистемах
Хімічні та біологічні перетворення діоксиду вуглецю у водних екосистемах - раздел Экология, Динаміка водних мас та її роль у водних екосистемах Основними Джерелами Надходження Діоксиду Вуглецю У Водне Середовище Є Його Ін...
Основними джерелами надходження діоксиду вуглецю у водне середовище є його інвазія з атмосфери, дихання гідробіонтів, виділення із солей вугільної кислоти в результаті хімічних реакцій та процеси гниття органічних речовин. Коефіцієнт розчинності СО2 у воді вищий, ніж кисню. Він становить при нульовій температурі 1,713 (для кисню цей показник становить 0,049).
Між атмосферою і водним середовищем відбувається постійний обмін діоксидом вуглецю, який пов’язаний з урівноваженням його парціального тиску (“атмосфера – вода”). У зв’язку з цим, при зростанні концентрації СО2 в атмосфері збільшується і його вміст у воді. І, навпаки, коли підвищується концентрація діоксиду вуглецю у воді, відбувається його перехід у атмосферу. Коефіцієнт розчинності діоксиду вуглецю у воді залежить від її температури та концентрації розчинених солей (табл. 18). Як в прісних, так і в морських водах розчинність СО2 значно перевищує рівень розчинності кисню. При цьому насиченість солоної морської води менша, ніж прісної.
Таблиця 18
Відносна об’ємна розчинність повітря та газів у воді (долі одиниць) при парційному тиску 1 атм
Газ
Температура, °С
Повітря
0,0288
0,0226
0,0187
0,0161
0,0142
СО2
1,713
1,194
0,878
0,655
0,530
О2
0,049
0,038
0,031
0,0276
0,0237
Вміст СО2 в континентальних водоймах може коливатись у дуже широких межах. Так, в дніпровських водосховищах після стабілізації гідрохімічного режиму, в залежності від сезону року, біологічних і хімічних процесів, що відбуваються у товщі води і донних відкладах, його концентрація може коливатись від 0 до 55–60 мг/дм3. Найбільш високий його вміст – в період льодоставу (20–60 мг/дм3).
У літні дні внаслідок інтенсифікації процесів фотосинтезу водоростей і вищих водяних рослин, в ході якого засвоюється діоксид вуглецю, його концентрація у поверхневих водах знижується до аналітичного нуля. Одночасно змінюється і активна реакція води в лужний бік (до рН 9–9,7). Влітку мають місце і добові коливання вмісту СО2 у воді, що пов’язано з більшою фотосинтетичною активністю рослинних організмів, зокрема планктонних водоростей, в світловій фазі.
Вміст діоксиду вуглецю в природних водоймах може коливатись внаслідок не тільки біологічних процесів, а й хімічних перетворень його сполук. Розчинений у воді діоксид вуглецю частково вступає в реакцію з водою, внаслідок чого утворюється вугільна кислота:
Н2О + СО2 = Н2СО3 .
Як двохосновна кислота Н2СО3 може утворювати два види солей: середні вуглекислі (карбонати) з аніоном СО32– та кислі вуглекислі, або бікарбонати (НСО3–). У зв’язку з цим у водному розчині відбуваються такі реакції:
Н2О + СО2 ® Н2СО3 ® Н+ + НСО3– ® 2Н+ + СО32– .
Кількісні співвідношення окремих форм вугільної кислоти (Н2СО3, НСО3–, СО32–) у воді, як видно з наведеного рівняння, обумовлюють величину рН.
У відповідності із законом діючих мас можна розрахувати кількісні співвідношення між окремими формами двуоксиду вуглецю та його сполук при різних значеннях рН. Таке співвідношення молярних концентрацій окремих форм похідних вугільної кислоти відображене (у відсотках до її загального вмісту) в таблиці 19.
Таблиця 19
Співвідношення між окремими формами вугільної кислоти залежно від рН води, % (молярна частка)
Форми
Молярна частка при рН:
Н2СО3
СО2 + Н2СО3
НСО3–
СО32–
99,7
0,3
–
96,7
3,8
–
71,5
28,5
–
20,0
80,0
–
2,4
97,5
0,4
0,2
95,7
4,1
–
79,4
29,6
Стійкість рН природних вод обумовлена наявністю НСО3– і СО32–. У випадках відсутності або низьких концентрацій цих іонів рН води при насиченні СО2 зміщується у кислу сторону. Сума різних форм вугільної кислоти (СО2, Н2СО3, НСО3– і СО32–) складає карбонатну систему. Поряд з вуглекислотою та її похідними вона включає іони водню, кальцію, магнію та інші розчинені речовини (рис. 130).
Рис. 130. Перетворення діоксиду вуглецю у водних екосистемах (за Хорн, 1972)
Наявність карбонатів у природних водах обумовлена реакціями розчинення карбонатних порід та хімічного вивітрювання алюмосилікатів під впливом дії на них розчиненого у воді діоксиду вуглецю:
Карбонатна система є одним з ефективних регуляторів вмісту СО2 і рН природних вод. Так, підвищення концентрації розчиненого СО2 у воді викликає зростання концентрації іонів водню, що, в свою чергу, знижує вміст СО32–. Насичення води карбонатом кальцію при цьому зменшується, а сам СаСО3 розчиняється. І, навпаки, при зниженні вмісту СО2 (коли підвищується рН) зростає концентрація СО32––, внаслідок чого солі (переважно карбонат кальцію) випадають в осад, а частково осідають на листя і стебла водяних рослин, утворюючи білий наліт. Карбонатна система відіграє важливу буферну роль, запобігаючи різким змінам рН водного середовища, які негативно позначається на гідробіонтах.
Концентрація вільного діоксиду вуглецю може перевищувати концентрацію його збалансованих сполук з гідрокарбонатними іонами. Про це свідчить зрушення активної реакції води в кислу сторону. У такому випадку говорять про вуглекислотну агресивність води.
Оцінюючи роль вуглекислоти як основного джерела вуглецю у живій речовині, В.І. Вернадський відзначав, що вона утворюється з вугільної кислоти атмосфери, або з вугільної кислоти, розчиненої у воді. Всі інші джерела вуглецю, які жива речовина використовує у земній корі, генетично зв’язані з нею. Головна маса рослинного життя зосереджена у гідросфері, але вона повністю залежить від атмосферного СО2, який є для неї головним джерелом живлення.
Динаміка водних мас та її роль у водних екосистемах
Під водною масою розуміють об’єм води, який співпадає з площею і глибиною котловин водних об’єктів або заглибленнями земної поверхні і має однорідні фізико-хімічні характеристики,
Фізико-хімічні властивості води та їх екологічне значення
Вода – найважливіша середовищеутворююча речовина, вплив якої на життєдіяльність організмів багатосторонній. Саме завдяки особливим властивостям води як універсального розчинника неорганічних і орга
Щільність води
Під щільністю розуміють масу одиничного об’єму води – кг/м3. Вона залежить від температури, наявності розчинних солей, а також від атмосферного тиску та вищерозташованих
Кольоровість води
Колір природних вод залежить від власного кольору розчинених у ній речовин, завислих частинок та мікроорганізмів, що населяють водну товщу. Забарвлення води зумовлено взаємовідносинами між водним с
Температурний та термічний режим водних об’єктів
Температурний режим водних об’єктів – це зміна температури води по акваторії і глибині на протязі певного проміжку часу. Коливання температури води у водних екосистемах можуть бути добові, місячні,
Льодовий режим
Зі зниженням температури до 0°С і нижче на водоймах і водотоках утворюється льодовий покрив. Період замерзання починається з появи кристалічних структур води (лід) спочатку біля берега, де течія не
Світло та його роль у функціонуванні водних екосистем
Світло надходить до земної поверхні у вигляді прямої і розсіяної сонячної радіації, які разом оцінюються як сумарна радіація. На її видиму частину спектру припадає
Седиментація, осадоутворення та формування донних грунтів
У товщі води постійно знаходиться певна кількість завислих часток мінерального і органічного походження. Під дією сили тяжіння вони поступово опускаються на дно. Процес осадження завислих частинок
Роль гідрофізичних факторів у життєдіяльності гідробіонтів
Турбулентне перемішування водних мас, їх температура, сонячна радіація та осадоутворення відіграють вирішальну роль у формуванні якості води та біологічної продуктивності водних екосистем. В зв’язк
Сольовий склад океанічних (морських) вод
Для вод відкритих океанів, незалежно від їх положення на Земній кулі, характерним є схожість у кількісному співвідношенні між основними іонами. Це пов'язано з тим, що маса солей в океанах настільки
Сольовий склад континентальних вод
На відміну від морських вод з однотипним сольовим складом, прісні води різних ландшафтних зон за складом головних іонів суттєво відрізняються. Згідно класифікації О.О. Альокіна (1970), природні вод
Евригалінні і стеногалінні гідробіонти
Солоність води є визначальним чинником у приуроченні водяних організмів до умов середовища. Саме за вмістом солей у воді можна поділити гідробіонти на морських і прісноводних. При цьому у високомін
Пристосування гідробіонтів до сольових факторів середовища
Пристосування гідробіонтів до солоності води пов'язане з регуляцією концентрації іонів у внутрішньоклітинній рідині та її осмотичного тиску.
Концентрація неорганічних іонів у водному серед
Пойкілоосмотичні гідробіонти
У процесі еволюції сформувались різні механізми сольової адаптації. За концентрацією осмотично активних речовин у біологічних рідинах внутрішнього середовища та цитоплазмі клітин пойкілоосм
Гомойоосмотичні гідробіонти
У прісноводних організмів концентрація біологічних рідин гіпертонічна по відношенню до водного середовища. Тому підтримання осмотичного тиску внутрішнього середовища є багатофункціональним процесом
Натрій, калій і цезій в водних екосистемах
Натрій, калій і цезій належать до групи лужних металів, які легко віддають один електрон, перетворюючись у позитивно заряджені іони. Саме завдяки цій властивості вони зустрічаються в природі виключ
Роль калію в метаболічних реакціях водяних рослин
Для водяних рослин характерним є досить високий вміст калію і значно менший – натрію в їхніх тканинних структурах. Калій у більшості рослин становить 0,9–1,2 % їх біомаси. Найбільша його кількість
Натрій і калій у морських і прісноводних рибах
Організм морських риб гіпоосмотичний по відношенню до морської води. Щоб підтримувати водний баланс, морські риби змушені постійно поглинати морську воду, з якою надходить в організм не тільки натр
Природний цезій в організмі гідробіонтів
Цезій належить до калієвої групи лужно-земельних металів. Він має один стабільний ізотоп і 21 радіоактивний. Після випробувань ядерної зброї та аварій на атомних електростанціях у гідросфері збільш
Кальцій у водних екосистемах
Кальцій – один з найголовніших іонів водних екосистем. Він переважає серед катіонів слабомінералізованих вод, а при зростанні загальної мінералізації його співвідношення з іншими хімічними елемента
Вміст кальцію в морських і океанічних водах
Океанічні (морські) води є водами хлоридного класу, групи натрію. Тому вміст Са2+ в них менший в порівнянні з поверхневими водами суші. Основна кількість кальцію надходи
Кальцій континентальних вод
Вміст кальцію в поверхневих водах суші дуже мінливий і може істотно відрізнятися в залежності від геологічних умов водозбірної площі та кліматичних умов. Води більшості озер, річок, водосховищ нале
Магній морських і континентальних вод
Серед елементів другої групи періодичної системи магній за своїми хімічними властивостями найближчий до кальцію. Він входить до складу більш ніж 100 мінералів, у тому числі бруситу Mg(OH)2
Форми міграції магнію у природних водах
У природних водах магній утворює сполуку з карбонатом – магнезит (MgCO3). Як і карбонат кальцію, він легко розчиняється у воді, яка містить розчинену вуглекислоту, внаслідок перетворення
Магній в організмі гідробіонтів
Вміст магнію в організмі гідробіонтів залежить від того, в якій воді – морській чи прісній вони мешкають. Так, у гемолімфі морських молюсків мідій (Mytіlus), устриць (Ostrea), морськи
Метаболічна роль магнію у гідробіонтів
Магній належить до іонів з дуже широким спектром дії. Він відіграє виключно важливу роль в активації ферментативних реакцій, які відбуваються у автотрофних і гетеротрофних організмів. У водоростей
Сірка природних вод та процеси сульфатредукції
Сірка зустрічається в природі як в самородному вигляді, так і в різних сполуках та газоподібному стані, у вигляді сірководню та оксиду сірки. Легкорозчинні сульфати сірки знаходяться у великій кіль
Форми розчиненого заліза у водних екосистемах
В океанічній воді, при загальній її солоності 34,5–35,0 ‰, концентрація заліза може коливатись у межах 0,005–0,14 мкг/дм3. На глибині 50 м міститься в середньому до 20 мг/м3 з
Марганець
Марганець належить до металів із змінною валентністю (Mn2+, Mn4+, Mn7+), що визначає його участь у окиснювано-від
Кобальт
Кобальт належить до елементів, які утворюють сполуки практично з усіма галогенами (CoF2, CoF3, CoCl2, CoBr2, CoІ2). Всі галогеніди двовалентно
Кадмій, хром, алюміній
Серед мікроелементів, які при певних концентраціях у воді виявляють високу токсичність, є особливо небезпечні забрудники водного середовища, які в мікродозах негативно впливають на функціональний с
Роль кисню в розкладі органічних речовин та формуванні якості води
Кисень водних екосистем відіграє виключно важливу роль у процесах розкладу розчинених органічних речовин, відмерлих рослин і тварин, при яких складні органічні речовини перетворюються на прості (СО
Роль кисню у життєдіяльності гідробіонтів
Підтримання життєдіяльності гідробіонтів тісно пов’язане з енергетичними процесами, які грунтуються на окиснювано-відновних реакціях, що протікають за участю кисню. Розщеплення молекул білків, жир
Особливості використання гідробіонтами кисню з води
У процесі еволюції у гідробіонтів різних трофічних рівнів сформувались механізми адаптації до більш низького рівня кисню у воді в порівнянні з атмосферним повітрям. Як відзначає В.І. Вернадський, “
Адаптація риб до змін вмісту СО2 у воді
Спостереження за поведінкою риб різних видів і вікових груп свідчать, що поряд з позитивним впливом розчиненого у воді СО2 на їх організм, мають місце прояви негативних реакцій. Такі різ
Азотфіксація у водних екосистемах
Азотфіксація – це засвоєння молекулярного азоту повітря за допомогою мікроорганізмів-азотфіксаторів. Основну масу азоту на Землі (4,6×1017 т) становить молекулярни
Алохтонний і автохтонний азот водних екосистем
Між сполуками азоту, які надходять у водойми іззовні (алохтонними) і тими, які утворюються в них за рахунок відмирання гідробіонтів (автохтонними), існує певна якісна різниця. Органічна біомаса наз
Вміст фосфору в організмі гідробіонтів і його метаболічна роль
Про вміст фосфору в організмі гідробіонтів свідчать такі дані. В сухій масі морського планктону міститься близько 0,42 % фосфору; в організмі бактерій він становить 3 %, бурих водоростей – 2,8 % і
Хотите получать на электронную почту самые свежие новости?
Подпишитесь на Нашу рассылку
Наша политика приватности обеспечивает 100% безопасность и анонимность Ваших E-Mail
Са2+ + 2НСО3– ;
Новости и инфо для студентов