Биогенные элементы природных водах

Лекция4 Показатели воды и методы их определения. Биогенные элементы

Биогенными элементами или (биогенами) традиционно считаются элементы, входящие, в значительных количествах, в состав живых организмов. Круг элементов, относимых к биогенным, достаточно широк, это – азот, фосфор, сера, железо, кальций, магний, калий и др.Вопросы контроля качества воды и экологической оценки водоемов внесли в понятие биогенных элементов более широкий смысл: к ним относят соединения, (точнее, компоненты воды), которые во–первых являются продуктами жизнедеятельности, во–вторых, являются «строительными материалами» для живых организмов. В первую очередь к ним относятся соединения азота (нитраты, нитриты, органические и неорганические аммонийные соединения), а также соединения фосфора (ортофосфаты, полифосфаты, органические эфиры фосфорной кислоты).

Под влиянием солнечного излучения атмосферный азот превращается в нитраты посредством образования оксидов азота. Многие минеральные удобрения содержат нитраты, которые при избыточном или нерациональном внесении приводят к загрязнению водоемов. Источниками загрязнения нитратами являются также поверхности стоки с пастбищ, скотных дворов, молочных ферм и т. п.

Повышение содержания нитритов в воде может служить индикатором загрязнения водоема в результате распространения фекальных, либо химических загрязнений. Богатые нитратными водами сточные канавы ухудшают качество воды в водоеме, стимулируя массовое развитие водной растительности (в первую очередь – сине-зеленых водорослей) и ускоряя эвтрофикацию водоемов.

Питьевая вода и продукты питания, содержащие повешенное количество нитратов, также могут вызвать заболевание, и в первую очередь у младенцев (так называемая метгемоглобинемия). Вследствие этого расстройства ухудшается транспортировка кислорода с клетками крови и возникает синдром «голубого младенца» (гипоксия).

Метод определения нитратов основан на способности салициловой кислоты в присутствии H₂SO_{4 (конц).} вступать в реакцию нитрования с образованием нитросалициловой кислоты, которая в щелочной среде образует окрашенную в желтый цвет соль.

ПДК нитратов в воде водоемов и питьевой воде составляет 45 мг/л (или 10 мг/л по азоту), лимитирующий показатель вредности – санитарно–токсикологический.

Фосфаты и общий фосфор

В природных и сточных водах фосфор может присутствовать в разных видах:

в виде фосфорной кислоты Н₃РО₄,
ее анионов Н₂РО₄ — , НРО₄ 2- , РО₄ 3- ,
полифосфатов,
фосфорорганических соединений – нуклеиновых кислот, нуклеопротеидов, фосфолипидов, которые являются продуктами жизнедеятельности или разложения организмов,
пестицидов.

В нерастворимом состоянии:

в виде взвешенных в воде труднорастворимых фосфатов, включая природные минералы, белковые, органические фосфорсодержащие соединения, остатки умерших организмов.

Фосфор является необходимым элементом для жизнедеятельности, однако его избыток приводит к ускоренной эвтрофикации водоемов.

Большие количества фосфора могут попадать в водоемы в результате поверхностной эрозии почв, неправильного или избыточного применения минеральных удобрений и др.

Фосфаты определяют по реакции с молибдатом аммония в кислой среде:

Продукт реакции под действием SnCl₂ превращается в «молибденовую синь».

Для определения полифосфатов их необходимо предварительно перевести в ортофосфаты путем кислотного гидролиза в присутствии серной кислоты:

Для определения фосфорсодержащих органических соединений предварительно проводят «мокрое сжигание»: кипячение пробы с давлением кислоты и сильного окислителя – персульфата или перекиси водорода:

таким образом, определяется содержание общего фосфора.

ПДК полифосфатов – 3,5 мг/л в пересчете на РО₄ 3- , лимитирующий показатель вредности – органолептический.

Катионы аммония являются продуктом микробиологического разложения белков животного и растительного происхождения. Образовавшийся таким образом аммоний вновь вовлекаются в процесс синтеза белков, участвуя тем самым в биологическом круговороте веществ (цикле азота).

Существует два основных источника загрязнения окружающей среды аммонийными соединениями:

избыточное и неправильное применения минеральных и органических удобрений,
фекалии (стоки с пастбищ и мест скопления скота, сточные воды от животноводческих комплексов, а также разгерметизация систем канализации).

По этим причинам повышенное содержание аммонийного азота в поверхностных водах обычно является признаком хозяйственно – фекальных загрязнений.

Метод определения — реакция с реактивом Несслера:

Мешающее влияние устраняют добавлением к пробе сегнетовой соли: КСОО(СНОН)СООNa.

ПДК аммиака и ионов аммония в воде водоемов составляет 2,6 мг/л (или 2,0 мг/л по аммонийному азоту). Лимитирующий показатель вредности – общесанитарный.

Нитрифицирующие бактерии превращают аммонийные соединения в нитриты в аэробных условиях.

Нитриты часто используются в промышленности как ингибиторы коррозии, в пищевой промышленности как консерванты.

Благодаря способности превращаться в нитраты, нитриты, как правило, отсутствуют в поверхностных водах. Поэтому наличие в анализируемой воде повышенного содержания нитритов свидетельствует о загрязненности воды.

Определение основано на реакции нитрат – аниона в среде кислоты с реактивом Грисса (смесью сульфаниловой кислоты и α – нафтиламина). При этом протекают реакции диазотирования, в результате которых образуется азосоединение (азокраситель), имеющее пурпурную окраску.

ПДК нитритов 3,3 мг/л (1 мг/л нитритного азота), лимитирующий показатель вредности – санитарно–токсикологический.

Фтор в виде фторидов может содержаться в природных и грунтовых водах, что обусловлено его присутствием в составе некотрых почвообразующих (материнских) пород и минералов. Этот элемент может добавляться в питьевую воду в целях профилактики заболеваний кариесом. Однако, избыточные количества фтора оказывают вредное воздействие на человека, вызывает разрушение зубной эмали. Кроме того, избыток фтора в организме осаждает кальций, что приводит к нарушениям кальциевого и фосфорного обмена.

Метод определения фтора в воде основан на реакции фторидов с лантанализаринкомплексоном.

При этом образуется окрашенное в синий цвет тройное комплексное соединение фторида трехвалентного лантана и ализаринкомплексона:

В железистых водах используют потенциометрический метод. Органические вещества адсорбируют активным углем.

ПДК для разных климатических районов от 0,7 до 1,5 мг/л, лимитирующий показатель вредности – санитарно – токсикологический.

Источник

ЗАЧЕМ НУЖНЫ БИОГЕННЫЕ ВЕЩЕСТВА ВОДНОЙ ЭКОСИСТЕМЕ?

Биогенный – происходящий от живого организма, связанный с ним (Глоссарий по естествознанию, 2010). Биогенные вещества – это химические элементы, необходимые живым организмам для обеспечения их нормальной жизнедеятельности, представляющие собой остатки отмерших организмов, продукты жизнедеятельности и линьки живых организмов (Вернадский, 2001). Понятие биогенное вещество было введено еще в начале XX в. великим ученым Владимиром Ивановичем Вернадским при создании учения о биосфере. Биогенные вещества являются источником чрезвычайно мощной потенциальной энергии.

К биогенным веществам относятся минеральные и органические соединения азота, фосфора, кремния, железа. В природных водах биогенные вещества содержатся в весьма малых количествах (в пределах от тысячных до десятых долей миллиграмма в кубическом дециметре), но имеют важное значение для развития жизненных процессов фитопланктона. Фитопланктон, потребляя минеральные соединения азота, фосфора и кремния, продуцирует органическое вещество в процессе фотосинтеза. Данное органическое вещество является первичным источником энергии трофической цепи водной экосистемы (рисунок 1). Таким образом, биогенные элементы, являющиеся материальной базой фотосинтеза, обеспечивают биологическую продуктивность и рыбохозяйственную значимость водных объектов (Дацко, 1959). Поэтому, очень важно изучать количество, соотношение и динамику биогенных веществ в водных объектах рыбохозяйственного значения.

Рисунок 1 – Пищевая цепь водной экосистемы

ФГБНУ «АзНИИРХ» регулярно проводит исследования в Азовском и Черном морях, а также р. Дон по анализу биогенных веществ в воде. В Азовском море эти исследования были начаты Азовским НИИ рыбного хозяйства еще в 1959 г. Известно, что режим биогенных веществ в Таганрогском заливе тесно взаимосвязан с объемом стока р. Дон и установленное снижение концентрации минеральных форм азота и фосфора в заливе в недавний период маловодия р. Дон (2007-2017 гг.) является закономерным следствием данного явления. На акватории собственно моря достоверных изменений концентрации биогенных веществ в период сокращения объема речного стока Дона не отмечено. Данный факт может быть объяснен тем, что динамика биогенных веществ в собственно море в значительной степени определяется внутриводоемными процессами (т.е. обогащением воды биогенными веществами при заморных явлениях).

Литературные данные середины XX века (Карпевич, 1960) свидетельствовали о том, что материковый сток вносит в Азовское море более половины всех биогенных элементов, имеющих важное значение для продуктивности экосистемы Азовского моря. Однако, согласно современным исследованиям (Воловик с соавт., 2008) речному стоку принадлежит важная, но не решающая роль в круговороте биогенных элементов в экосистеме Азовского моря. Это море уникально тем, что представляет собой эвтрофный водоем с высоким базовым уровнем биогенных элементов. Критическая» роль речного стока в снабжении моря биогенными веществами может возникнуть лишь при многолетней устойчивой тенденции снижения поступления биогенных солей в условиях резкого снижения объема притока речных вод.

Исследованиями ФГБНУ «АзНИИРХ» показано, что в недавний период маловодия в Таганрогском заливе на фоне снижения концентрации биогенных веществ не отмечено уменьшения среднего уровня первичного продуцирования органического вещества фитопланктоном, относительно многоводных лет. При этом, в собственно море в маловодные годы, на фоне стабильного содержания в воде биогенных веществ, наблюдали снижение продуцирования первичного органического вещества фитопланктоном, однако данный факт обусловлен уже не гидрохимическими, а гидробиологическими факторами (сменой таксономических групп фитопланктона в условиях снижения речного стока и, как следствие, осолонения Азовского моря).

2018 г. отличается высоким объемом паводковых донских вод, которые несут значительное количество биогенных веществ в Азовское море. В настоящее время проводится подсчет и анализ концентраций минеральных форм азота, фосфора и кремния в Таганрогском заливе в ходе рейса судна «Владимир Усков», прошедшего в июне 2018 г. на акватории Таганрогского залива. Планируется также проведение комплексного гидрохимического анализа воды на всей акватории Азовского моря в июле 2018 г. Как повлиял паводок р. Дон на общую биопродуктивность моря узнаем очень скоро!

Источник