Повна версія

Головна arrow Географія arrow ГІДРОБОТАНІКА: ПРИБЕРЕЖНО-ВОДНА РОСЛИННІСТЬ

  • Увеличить шрифт
  • Уменьшить шрифт


<<   ЗМІСТ   >>

ГАЗОВИЙ РЕЖИМ ВОДОЙМ

Найбільший інтерес в газовому режимі водойм представляє концентрація кисню (0 2 ), вільної вуглекислоти (С0 2 ), сірководню (H 2 S) і метану (СН 4 ).

Газовий режим морів і прісних водойм тісно пов'язаний з термічними та біологічними процесами, активною реакцією середовища (pH) і ін. Розподіл газів по глибині іноді набуває досить складний характер, який пояснюється індивідуальними особливостями водойми і інтенсивністю біологічних процесів (Л. К.Давидов, А. А.Дмітріева, Н. Г. Конкіна, 1973).

Кисень. Це один з основних факторів, що забезпечують наявність життя в водоймах. Збагачення води киснем в основному відбувається за рахунок його інвазії (вторгнення) з атмосфери і виділення фотосинтезуючими організмами. Спад 0 2 пов'язана з його Еваз (виходом) з води в атмосферу і споживанням при диханні тваринами і рослинами (А. С. Константинов, 1979).

Коефіцієнт адсорбції 0 2 водою при 0 ° С дорівнює 0,04898. Отже, при нормальному вмісті цього газу в атмосфері (210 мл / л) в 1 л води виявиться розчиненим 210 мл 0,04898 =

Таблиця 4

Розчинність атмосферного кисню (мл / л) у воді в залежності від температури і солоності

Темпера- туру, ° С

Растворімостисіслорода при солоності води, %

0

1

2

3

4

0

10,29

9,65

9,01

8,36

7,71

10

8,02

7,56

7,10

6,63

6,17

20

6,57

6,22

5,88

5,53

5,18

30

5,57

5,27

4,96

4,65

4,35

= 10,29 мл кисню. На вміст кисню в воді великий вплив мають вітрове хвилювання і течії. Роль дифузії атмосферного 0 2 в спокійній воді має дуже мале значення.

Кисень відрізняється помірною розчинністю у воді, яка залежить від ряду факторів, насамперед від температури і солоності. З їх підвищенням коефіцієнт адсорбції зменшується і вміст 0 2 в воді знижується (табл. 4).

Кисневий режим водойм залежить від багатьох факторів. З огляду на, що інвазія 0 2 з атмосфери відбувається тільки через поверхню води, а зона фотосинтезу розташовується у верхньому шарі, останній, як правило, більш насичений киснем, ніж нижележащих товща. У процесі фотосинтезу рослини виділяють величезну кількість кисню. В окремі періоди сезону його вміст у воді в 3 - 4 рази перевищує ту кількість, яка могла б надійти з атмосфери.

Абсолютний показник вмісту кисню у водоймі не вказує повністю, багато чи мало його у воді при даних умовах, тому дуже часто використовують інший показник - відносний вміст 0 2 в воді (у відсотках насичення води киснем по відношенню до нормального величиною його розчинності при даних температурі і тиску):

де а - кількість кисню в воді; N - нормальна кількість кисню при даній температурі і тиску 760 мм рт. ст .; Р - атмосферний тиск.

Пересичення води киснем буває особливо значним при цвітінні фітопланктону. У морських водоймах максимальний вміст кисню в поверхневих шарах не перевищує 110-120% від повного насичення. Зона фотосинтезу знаходиться в верхньому шарі (до глибини 20 - 50 м), який, як правило, більш насичений киснем, ніж решта товща води. У прісних водоймах концентрація водоростей вище, а фотосинтез здійснюється більш інтенсивно; концентрація 0 2 нерідко досягає 300% і вище від повного насичення води киснем.

Зниження концентрації кисню в воді здійснюється в результаті його виходу з води в атмосферу з пересичені води киснем. Особливо інтенсивно це здійснюється при підвищенні температури. Значна кількість кисню витрачається організмами при диханні. Особливо велике споживання 0 2 бактеріями - до 90% від усієї кількості, споживаного іншими організмами. Крім того, частина кисню витрачається на окислення мінеральних і органічних сполук.

Надходження кисню у водойму (з атмосфери і в результаті фотосинтезу рослин) обмежується тільки верхнім шаром води. Споживання кисню для дихання і окисних процесів відбувається у всій товщі води, в тому числі і на дні. Тому в водоймах з інтенсивними деструкционная процесами дефіцит кисню буває досить значним.

У великих і глибоких водоймах (в основному оліготрофного типу) з відносно низькими температурами води протягом більшої частини року і малим вмістом біогенних елементів кисневий режим пов'язаний з температурою і умовами перемішування водних мас. Вміст кисню в цих водоймах підвищений і близьке до повного насичення.

Максимальна концентрація кисню (мг / л) в цих водоймах спостерігається в предледоставний період, що відповідає гарній його розчинності при низькій температурі. В період весняної та осінньої гомотермія кисень розподіляється рівномірно у всій товщі. Влітку кисневий максимум може дещо зміщуватися в товщу води (за рахунок фотосинтетичних процесів мікроводоростей).

У дрібних, добре прогріваються озерах евтрофних типу, з великою кількістю водної рослинності (прибережної і фітопланктону), тварин і багатих органічною речовиною режим газів визначається в основному біологічними процесами, що протікають в товщі води і в мулі.

Влітку в розподілі 0 2 спостерігається чітко виражена стратифікація, аналогічна температурної. Верхні шари водойми сильно насичені киснем; зі збільшенням глибини концентрація його різко падає. У неглибоких водоймах біологічні процеси в придонних шарах і в мулі бувають настільки інтенсивними, що утворюють дефіцит кисню.

У металімніоне також можливий дефіцит кисню. Це пов'язано з інтенсивними біологічними процесами в цьому шарі за рахунок концентрування тут легкоокисляющихся органічної речовини, що надходить з епілімніон. Перепад температур в шарі температурного стрибка сприяє затриманню на кордоні холодного шару відмерлих планктонних організмів.

Взимку при льодоставі приплив 0 2 стає нікчемним. До кінця зими його зміст зменшується як в епілімніон, так і в більш глибоких шарах водойми. У гіполімніоне інтенсивне споживання кисню призводить до заморам, в результаті чого гинуть багато тварин, в тому числі і риба.

В евтрофних водоймах максимальну кількість кисню спостерігається під час весняної та осінньої циркуляцій. У теплу пору року протягом тривалого періоду стійкої стратифікації запаси 0 2 в гіполімніоне можуть бути повністю вичерпані вже до середини літа. Якщо в цей час під впливом вітру поверхневі і глибинні води перемішуються, то в епілімніон на якийсь момент концентрація 0 2 може різко знизитися, що іноді призводить до заморам і в верхньому шарі водойми.

Всі озера можна розділити на голоміктіческіе , де перемішування води протягом всього літнього сезону йде до дна, дімікті- етичні і мероміктіческіе , де влітку встановлюється температурна стратифікація (В. М. Горленко, Г.А.Дубініна, С.І.Кузнецов, 1977 ).

У таких озерах обсяг аеробного зони починає більш-менш швидко скорочуватися в залежності від трофності водойми; в придонних шарах, а іноді і у всій зоні гіполімніона створюється анаеробна обстановка. Так, в олиготрофних водоймах аеробне зона зберігається цілий рік у всій водній масі; в мезотроф- них водоймах в придонних шарах кисень зникає в кінці літа і зими, а поповнюється в періоди весняної циркуляції. В евтрофних озерах в залежності від ступеня трофей кисень може зникати протягом 2-3 тижнів після весняної та осінньої циркуляцій.

У водному середовищі значна частина тварин і бактерій населяє глибини, де світла для існування фотосинтезуючих рослин недостатньо і, отже, дихати їм доводиться за рахунок 0 2 , що надходить ззовні (з атмосфери і верхніх шарів води, де відбувається фотосинтез рослин). Через це організмам часто доводиться відчувати гострий дефіцит кисню. Для водних організмів кисень є найважливішим фактором існування.

По відношенню до кисню водні організми діляться на еврі- і стеноксідние форми (еврі- і стеноксібіонти ), здатні жити в межах широких і вузьких коливань концентрації 0 2 відповідно. До Еврибіонти відносяться рачки Cyclops strenuus, багато рачки роду Daphnia , черви Tubifex tub if ex, молюски Viviparus v / v / - parus і ряд інших організмів, що живуть в умовах майже повної відсутності або високий вміст 0 2 . Всі вони є мешканцями заростей прибережно-водної рослинності.

Водні рослини в меншій мірі залежать від наявності кисню, ніж тварини, так як самі є його продуцентами.

Однак в деяких водоймах при підвищенні температури води і розкладанні відмерлих організмів спостерігається дефіцит кисню, що позначається на життєдіяльності як тварин, так і занурених рослин (на останніх, в основному опосередковано). Відсутність кисню призводить до зміни окислювально-відновного потенціалу середовища, концентрації водневих іонів, появі сірководню і метану. Все це несприятливо відбивається на фізіологічних процесах водних рослин.

Вуглекислота. Збагачення природних вод вуглекислим газом відбувається за рахунок його дифузії з атмосфери, в результаті дихання водних організмів, геохімічних процесів (руйнування осадових порід), надходження з різних з'єднань в першу чергу вугільної кислоти. Зниження концентрації вуглекислого газу у воді відбувається в результаті його споживання фотосинтезуючими організмами і зв'язування в солі вугільної кислоти.

У водоймах концентрація С0 2 невелика. Так, при 0 ° С в 1 л чистої води може розчинитися 0,5 мл С0 2 . З підвищенням температури і солоності розчинність С0 2 в воді знижується. У природних умовах вода поглинає набагато більше вуглекислоти завдяки зв'язуванню С0 2 в карбонати кальцію або магнію.

Зі збільшенням глибини концентрація С0 2 підвищується, особливо взимку, коли крижаний покрив перешкоджає його виходу в атмосферу. Наприклад, в гіполімніоне озер концентрація вільної вуглекислоти досягає 10-20 мг / л. У епілімніон під час цвітіння водоростей вона може майже повністю споживатися. При цьому pH зміщується в лужний бік. Такі різкі зміни концентрації С0 2 в товщі водойм в основному обумовлені біологічними процесами.

Коли двоокис вуглецю (С0 2 ) розчиняється в воді, вона частково реагує з водою, утворюючи вугільну кислоту, причому рівновага сильно зрушено вліво:

Вугільна кислота дисоціює з утворенням іонів Н * і гідрокарбонатно іона (НСО ():

Гідрокарбонатний іон може втратити іон Н + , тоді він стає карбонатних іоном (С0 3 ~):

Відносні концентрації Н 2 С0 3 , HCOJ і С0 3 "залежать від концентрації водневих іонів (Н *) в розчині. При низьких значеннях pH (4 - 6) спостерігається висока відносна концентрація Н 2 С0 3 ; при високих (pH 9-11) значеннях переважає С0 3 ~, а при середніх (pH 6 -9) - бікарбонати (HCOj).

Іони НС0 3 і С0 3 ", реагуючи з іонами різних елементів, утворюють солі, з яких в природних водах найбільше значення мають карбонати кальцію і карбонати магнію. Так як розчинність СаС0 3 не надто висока, дані солі вже при невеликих концентраціях іонів Са 2+ і С0 3 'випадають в осад. Це спостерігається в лужному середовищі, коли кількість іонів С0 3 2 ~ стає вище деякого критичного значення.

Коли вода подкисляется і кількість іонів СО 2 ", що утворюються за рахунок дисоціації вугільної кислоти, знижується, кислота починає надходити в воду в результаті розчинення монокарбонатов. Якщо реакція води залишається кислої, іони С0 3 " перетворюються в іони НС0 3 (відбувається зв'язування іонів Н + і підвищення pH), а дефіцит перших покривається освітою додаткових кількостей за рахунок подальшого розчинення монокарбонатов. Процес розчинення монокарбонатов буде йти до тих пір, поки не скінчиться їх запас або не зросте pH середовища, подщелачивают в результаті розчинення монокарбонатов. Зворотна картина буде спостерігатися в лужному середовищі: в результаті підвищення концентрації іонів С0 3 (відповідна дисоціація Н 2 С0 3 ) вони, з'єднуючись з іонами Са, утворюють осад СаС0 3 , при цьому середовище подкисляется (накопичуються іони Н + ).

Таким чином, в природних водах створюється буферна система, що попереджає помітна зміна pH середовища, поки в ній містяться карбонати і є контакт з С0 2 атмосфери (А.С.Константінов, 1979).

Динамічна рівновага відображає схема

Величезний вплив на зміст вільної вуглекислоти надає фотосинтетична діяльність водних рослин. У літній період при інтенсивному фотосинтезі С0 2 може повністю зникати з води. Активна реакція середовища при цьому зміщується в лужний бік.

Вища водна рослинність, активно споживаючи вуглекислий газ, сприяє осадженню вапняних солей на своїй поверхні у вигляді вапняних кірочок. У процесі фотосинтезу рослини можуть високо піднімати активну реакцію середовища. Це пов'язано з тим, що постачання вуглекислотою рослин можливо тільки за допомогою утилізації бікарбонатів, оскільки з підвищенням pH вільна вуглекислота зв'язується в вуглекислі солі. Водні рослини поглинають розчинний бікарбонат, виділяючи на своїй поверхні еквівалентну кількість Са (ОН) 2 .

Випадання кальцію з розчину в результаті фотосинтезу отримало назву биогенной декальцінаціей. Основними образова- телями вапна в водоймах Росії є рдести, кушир, телорез, уруть, елодея, латаття, харовиє водорості та інші занурені рослини. Рослини при фотосинтезі (у перерахунку на 100 кг сухої маси) протягом 10 год осаджують на своїй поверхні до 2 кг вапна (Н. П. Вороніхин, 1953; К.А. Кокін, 1982). Так, в ряді озер Псковської обл. в зоні виростання харових водоростей вміст кальцію досягало 32 -37% сухої маси грунту, в озерах Тульської обл. - 52%. У міру віддалення від заростей цих водоростей кількість вапна різко падає (В. Н.Абрамов, 1959; Д.С. Миколаїв, 2003). Осадження кальцію на поверхні рослин перешкоджає їх росту (А. А. Потапов, 1956).

У той же час ряд рослин не здатні використовувати бікарбонат в великих кількостях в якості джерела вуглецю (рдест плаваючий, калитка, пухирчатка). Такі види подщелачивают воду незначно і на їх поверхні не відкладається кальцій. Вони мешкають в слабокислих водах, де вуглекислота є в достатній кількості.

Метан (СН 4 ). Утворюється за рахунок бактеріального розкладання клітковини і інших органічних речовин в товщі води і грунтах прісних водойм, рідше в морях (в основному в анаеробних умовах). Метан - важлива ланка в круговерті вуглецю у водних екосистемах. Так, близько половини органічного вуглецю, що надходить в донні відкладення, виділяється потім у формі метану. Зазвичай його обсяг становить близько 30 -50% від всіх газів, що виділяються донними відкладеннями. Швидкість утворення метану залежить головним чином від кількості разлагаемого субстрату і температури середовища. Його концентрація досягає 6 10 мл / л. Особливо багато метану виділяють грунти ставків і озер з високим вмістом органічних речовин і підвищеною температурою води. Так, у водоймах-охолоджувачах теплових і атомних електростанцій виділяється до 300 мл СН 4 на 1 м 2 на добу. Нерідко можна бачити, як бульбашки метану піднімаються до поверхні води. Особливо це добре помітно на болотах, через що метан називають болотним газом.

Частина утворюється в водоймах метану надходить в атмосферу, частина окислюється мікроорганізмами до Н 2 С0 3 . Кількість метанокісляющіх бактерій (в основному Pseudomonas) в товщі води досягає сотень клітин в 1 мл води, а в грунтах - сотень тисяч в 1 г. Ці бактерії можуть використовувати СН 4 навіть в дуже малих концентраціях, перешкоджаючи його накопиченню в товщі води. Для інших організмів метан отруйний.

Вищі водні рослини з добре розвиненою кореневою системою сприяють виносу метану в атмосферу. Встановлено, що близько 75% СН 4 , що виноситься з літоралі озер, видаляється водоростями (JW Decey, MJ Klug, 1979).

Метан утворюється не тільки на дні водойм і боліт, а й в відстійниках очисних споруд. Людина давно навчилася використовувати метан, трансформуючи органічні відходи в біогаз (суміш метану і вуглекислоти). Вміст метану в біогазі варіює від 50 до 85% і визначається складом сбраживаемой маси. Так, при розпаді жироподібних речовин утворюється більше біогазу, причому вміст у ньому метану досягає 70%; при зброджуванні углеводоподобних з'єднань частка метану зменшується до 50%. Присутність вуглекислоти знижує теплотворну здатність біогазу.

Біогаз отримували вже в XIX столітті, і в принципі істотних змін в технології за весь цей час не відбулося. Процес отримання біогазу відрізняється простотою обладнання та доступністю сировини. Він володіє двома важливими перевагами: по-перше, відбувається утворення газу, який використовується в якості джерела енергії. По-друге, що залишилися відходи є хорошим добривом тривалої дії.

Технологія отримання біогазу настільки проста, що в багатьох країнах, розташованих в теплому поясі (зокрема, в Китаї та Індії), її застосування набуло масового характеру. У Китаї в сільській місцевості діє близько 15 млн дешевих і простих установок місткістю 10- 15 л, достатніх для задоволення енергетичних потреб сім'ї з декількох чоловік. В Індії функціонує кілька мільйонів таких установок. В якості сировини використовуються гній і рослинні відходи. В середньому 1 кг гною великої рогатої худоби дозволяє отримувати близько 200 л біогазу, гною свиней - 300 л, пташиного посліду - 400 л.

Зброджування органічного субстрату відбувається в спеціальних бродильних камерах (метантенках). Тверді органічні відходи попередньо повинні бути змочені водою (вологість близько 95%). Метантенки є герметичні судини у формі куба або циліндра. У них завадять сировину, що містить 2 -12% органічної речовини, і герметично закривають, так як освіта біогазу здійснюється в анаеробних умовах.

В процесі зброджування виділяють дві фази. В першу фазу мікроорганізми, використовуючи органічна речовина, споживають кисень і створюють анаеробні умови. При цьому в середовищі накопичуються органічні кислоти, водень і вуглекислота. Друга фаза приводить до утворення метану. Метанове бродіння здійснюється за 30-40 ° С (мезо- профільними процес) або 50-60 ° С (термофільний процес). Останній є найбільш швидким і ефективним.

В індивідуальних господарствах використовують метантенки об'ємом близько 1 м 3 . Промислові установки досягають обсягу кілька тисяч кубічних метрів. Виготовляють їх з металу або залізобетону. Метантенки забезпечені мішалками для перемішування бродить маси, що прискорює процес утворення метану і підтримує необхідну температуру всередині реактора. Утворені гази видаляються через трубку, розташовану у верхній частині метантенка.

Швидкість процесу визначається температурою ферментації (в термофільних умовах вона в 2-3 рази вище, ніж в мезофільних), хімічним складом сировини, його в'язкістю, кількістю бактерій і ступенем перемішування. Важливим моментом є швидкість надходження сировини в реактор або час перебування в ньому.

Чим інтенсивніше процес бродіння, тим вище повинні бути швидкість завантаження сировини в реактор і рентабельніше саме виробництво біогазу. Інтенсивно працює метантенк необхідно перезавантажувати один раз в 5 - 14 діб, а в середньому - через 10 - 20 днів. Необхідно мати на увазі, що тверді відходи сільськогосподарського виробництва (тваринництва і рослинництва) сбраживаются повільніше, ніж відходи харчової промисловості.

На інтенсивність газоутворення великий вплив роблять перемішування і температурний режим. Це пов'язано з тим, що в процесі метанового бродіння биогенное розігрівання невелика. Тому в умовах середньої смуги Росії доводиться максимально економити тепло: метантенки добре термоизолирующими і трохи підігрівають. В іншому випадку значну частину своєї продукції метану довелося б використовувати на обігрів самого метантенка. Це є однією з причин, по якій метантенки в домашньому господарстві зробили щеплення насамперед в тропічних областях, де температура повітря досить висока.

При існуючих цінах на газ виробництво біогазу навряд чи виправдано, проте в загальній системі заходів з переробки рідких відходів тваринницьких ферм з отриманням газу і добрив представляється перспективним.

Сірководень (H 2 S). Утворюється в водоймах при гнитті білків і відновленні сульфатів мікроорганізмами. Сірководень навіть в найменших концентраціях шкідливий для організмів. Крім того, знижуючи концентрацію кисню, що йде на окислення S 2 до S, він побічно негативно впливає на їх життєдіяльність.

У морських водоймах в освіті сірководню беруть участь десульфірующіе бактерії, що відновлюють сульфати води. Розвитку цих бактерій сприяють знижений вміст 0 2 , застійні зони на великих глибинах, присутність в значних кількостях сульфатів. Кількість H 2 S, утвореного десульфірующімі бактеріями (головним чином Desulfovibrio), може бути досить високим. Наприклад, в Чорному морі вся товща води, за винятком тонкого поверхневого шару (0-200 м), містить велику кількість сірководню (до 6 мг / л), тому єдиними мешканцями зараженої зони є мікроорганізми.

У прісних водоймах вміст сульфатів невелика. У зв'язку з цим утворення H 2 S за рахунок життєдіяльності десульфірующіх бактерій спостерігається вкрай рідко і зазвичай пов'язане із забрудненням водойм стоками, що містять сульфати.

У прісних водоймах сірководень виділяють гнильні бактерії, оскільки саме тут на дні скупчуються розкладаються білкові речовини. Значні кількості сірководню (до 790 мг / л) відзначені на дні водойм під час їх стагнації (А. С. Константинов, 1979).

Звільнення води від сірководню здійснюється за рахунок хімічного окислення до сульфату і тіосульфату в присутності кисню і за рахунок життєдіяльності бактерій, головним чином сірчаних. Абіогенне окислення H 2 S здійснюється в поверхневих шарах води, де завжди є достатня кількість кисню. Біологічним шляхом окислюється близько третини S 2 ', в основному на кордоні сірководневої зони, так як на великих глибинах діяльність сірчаних бактерій пригнічується. Крім сірчаних бактерій сірководень окислюють фотосинтезирующие пурпурні і деякі зелені бактерії, використовуючи його в якості донатору водню (А. С. Константинов, 1979).

 
<<   ЗМІСТ   >>