Углекислота источник CO2 в природных водах
Источник СO2 в природных водах — диффузия из атмосферы, различные биохимические процессы окисления органического вещества (дыхание, брожение и др.) и геохимические явления (процессы метаморфизации осадочных пород). С последними связано большое количество углекислого газа в глубинных минеральных источниках.
В не загрязненных водоемах количество свободной углекислоты обычно невелико
Основным источником ее является разложение органических остатков животных и растений. Наибольшее количество СО2 находится обычно в гиполимнионе озер (до 10 — 20 мг/л). Обладая высокой растворимостью, углекислый газ может скапливаться в воде в значительных количествах, особенно зимой, когда ледяной покров препятствует его выходу в атмосферу. Коэффициент абсорбции угольного ангидрида водой при средних температурах почти равен 1, однако в природе вода поглощает гораздо больше углекислоты, благодаря тому что СО2, поступая в воду, связывается в нейтральные и кислые карбонаты.
При растворении в воде угольного ангидрида часть его образует углекислоту, большая же часть находится в виде молекул газа. Равновесие СО2 + Н2О⇄Н2СО3 сильно сдвинуто влево (в воде примерно 1% Н2СО3).
Свободная углекислота присутствует почти во всех природных водах.
Избыточное количество углекислого газа выделяется в атмосферу или связывается при реакциях с карбонатами кальция или магния. Огромное влияние на содержание свободной углекислоты оказывает фотосинтетическая деятельность водных растений, для которых углекислый газ — основной источник углеродного питания. В летний период в хорошо освещенных и прогреваемых слоях С02 может полностью исчезать из воды. Активная реакция среды при этом смещается в щелочную сторону. Зависимость углекислотных соединений от рН можно видеть на рисунке.
Подвижное равновесие углекислотную-кальциевой системы можно представить следующим образом: СО2 (атмосфеpa) ⇄ (в воде) ⇄ H2CO3 ⇄ Са (НСО3)2 ⇄ СаСО3 (растворенный в воде) ⇄ СаСО3 (в осадке). Соли кальция, особенно углекислые, имеют большое биологическое значение. Отложение углекислой извести происходит при образовании раковин простейших и моллюсков, при обызвествлении скелета рыб и т. д. Такие организмы многочисленны в водоемах с жесткой водой и слабо развиваются или даже полностью отсутствуют в мягких водах. Содержание извести, растворенной в воде, прямо зависит от количества углекислого газа.
Рисунок — Соотношение углекислотных соединений при разной величине рН.
Высшая водная растительность, активно потребляя углекислый газ, способствует осаждению известковых солей из воды. Углекислый кальций осаждается на дно или оседает на поверхности растений, образуя известковые корочки (инкрустации). Выпадение кальция из раствора в результате фотосинтеза автотрофных организмов получило название биогенной декальцинации. Основными образователями извести в водоемах средней полосы РОССИИ являются блестящий рдест и элодея. Подсчитано, что заросли в 100 кг сухого iwca в течение десяти часов дают до 2 кг извести. Известь образуют также телорез, белая кувшинка, роголистник, уруть, хара.
При процессах фотосинтеза растения стоячих и текучих вод могут высоко поднимать активную реакцию среды, так что снабжение углекислотой возможно только посредством утилизации бикарбонатов, поскольку с повышением рН свободная углекислота связывается в углекислые соли (смотрите рисунок). Водные растения активно поглощают растворимый бикарбонат, выделяя эквивалентное (Количество Са:(ОН)2 (ассимиляционный коэффициент Са (HCO3)2: Са(ОН)2= 1). Исследование зависимости интенсивности фотосинтеза от источников углекислоты показало, что в колодезной воде с большими запасами свободной углекислоты и бикарбонатов выделение кислорода шло в несколько раз интенсивнее, чем в родниковой (мягкая вода). Увеличение содержания общей углекислоты в воде с 50 до 400 мг/л стимулировало при слабом освещении фотосинтез у пронзениолиетного рдеста и урути в среднем в 9 раз, у блестящего рдеста — в 3 раза.
Содержание углекислых соединений в воде имеет решающее значение в жизнедеятельности погруженных видов.
Бурр (Burr, 1941) считает даже, что погруженные растения обычно более приспособлены к малой освещенности, чем к низкому содержанию углекислоты в воде. Коэффициент диффузии углекислоты гораздо выше, чем бикарбонатных соединений. Увеличение интенсивности фотосинтеза при повышении концентрации СО2 в определенных пределах наблюдается также и у наземных растений. Однако очень большое количество свободной углекислоты (5 — 10%) угнетает фотосинтез высших водных растений. Для водорослей снижение роста отмечается уже с 5%, а для некоторых видов — с 1% СО2. Следует иметь в виду, что концентрация свободной углекислоты, при которой проявляется ее ингибирующее действие, зависит, с одной стороны, от интенсивности света, с другой — от величины рН. Так, если для хлореллы при рН=6,8 фотосинтез сильно снижается при СО2>1%, то при рН = 4,7 отмечено повышение фотосинтеза при СО2 = 5%. Снижение интенсивности фотосинтеза у рдеста пронзеннолистного и роголистника темно-зеленого отмечалось с повышением рН от 6,2 до 9,1 (Шиян, Мережко, 1972). В опытах Стимана-Нильсена (Steeman-Nielsen, 1944) по культивированию элодеи и роголистника при различных значениях рН и СО2 показано, что и в кислых водах (рН = 3,5 — 5,5) удается получить значительный прирост биомассы этих видов при условии насыщения среды углекислым газом.
Ряд видов высших водных растений не обладает, очевидно, способностью использовать бикарбонат в качестве источника углерода (рдест плавающий, кубышка, пузырчатка, хвощ). Такие виды сильно не подщелачивают воду и не откладывают кальций на поверхности, они обитают прежде всего в слабо кислых водах.
Следует признать, что использование водными растениями бикарбонатов и других соединений углерода является вынужденным, поскольку основным источником углерода служит свободная углекислота, не вызывающая неблагоприятного известкования поверхности растений. В рамках настоящей работы не представляется возможным подробнее рассмотреть механизм фотосинтетической утилизации углерода бикарбонатов погруженными водными растениями. Этот вопрос достаточно полно изложен в обзоре Мережко и Шиян (1974).
Прочие газы. Азот.
В природе существует ряд организмов различных систематических групп, способных усваивать молекулярный азот. Это некоторые грибы, клубеньковые бактерии бобовых растений, из аэробных азотфиксаторов — бактерии рода Azotobacter, Rhizobiumt из анаэробов — род Clostridium. Усвоение молекулярного азота отмечено и для некоторых синезеленых водорослей (род Anabaena, Nostoc, Calothrix).
Высшие водные растения не связывают молекулярный азот, однако поверхность погруженных видов может служить субстратом для свободно живущих фиксаторов азота, в частности азотобактера. Еще Коссович (1894) и Исаченко (1914) высказывали мысль о симбиозе азотобактера и подводной растительности, считая, что растения выделяют в окружающую среду углеводы, которыми питается азотобактер.
Из других газов, в значительном количестве накапливающихся в водоемах, прежде всего в анаэробных условиях донных отложений и гиполимнионе следует отметить метан и сероводород. Метан, или болотный газ, образуется за счет разложения клетчатки, сероводород — при гниении белков или восстановлении сульфатов бактериями. Около половины органического углерода, поступающего в донные отложения, выделяется затем в форме СН4.
Метан
Метан — важное звено в круговороте углерода в водных экосистемах. Высшие водные растения с хорошо разлитыми корневыми системами способствуют выносу метана в атмосферу. Определено, что 75% метана, выносимого из литоральной зоны озера, удаляется через водные растения. Возможно, что подобным образом может частично выделяться из осадков и сероводород.
