teorosnobesvr

НАУЧНО-ИНФОРМАЦИОННЫЙ ЦЕНТР САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО УНИВЕРСИТЕТА РАСТИТЕЛЬНЫХ ПОЛИМЕРОВ

равновесия в системе воздух-вода. Однако возможности Мирового океана не безграничны. К тому же в газообмене океана с атмосферой участвует лишь тонкий поверхностный слой воды. Огромное количество СО2 находится на больших глубинах (ниже слоя температурного скачка) и выходит на поверхность в немногих областях (Западная Африка, Чили). Следует также учитывать, что около 20 % поверхности воды на Земле покрыто нефтяной плёнкой и практически выведено из газообмена с атмосферой.

Уже на протяжении многих лет содержание диоксида углерода в воздухе неуклонно возрастает. Кроме указанных выше причин (сжигание топлива, загрязнение Мирового океана нефтью), это связано с уменьшением фотосинтетической фиксации углерода в результате сведения больших лесных массивов (в частности, вырубки лесов в бассейне Амазонки) и

деградации почвы.

2.2.2.Круговорот углерода в водоёме

В водоёме круговорот углерода (рис. 2.2) обеспечивается двумя основными процессами: фотосинтезом и минерализацией. Кроме того, в

анаэробных зонах происходит сбраживание органических веществ с образованием метана и диоксида углерода, а также биовосстановление CO2

до метана метановыми бактериями, использующими водород

(4H2 + CO2 → CH4 + 2H2O).

Сброс сточных вод, содержащих органические вещества,

интенсифицирует процесс минерализации, что существенно нарушает кислородный баланс в водоёме.

Общее содержание органических веществ в воде определяют с помощью кислородных эквивалентов - показателей БПК (биохимическое потребление кислорода) и ХПК (химическое потребление кислорода).

11

НАУЧНО-ИНФОРМАЦИОННЫЙ ЦЕНТР САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО УНИВЕРСИТЕТА РАСТИТЕЛЬНЫХ ПОЛИМЕРОВ

				Атмосфера				Сброс
	СН	4 Обмен				сточных вод
					Водоем
				Фитопланктон	Зоопланктон Нектон
								Аэробная зона
					Органические
								Анаэробная зона
					вещества

Рис. 2.2. Круговорот углерода в водоеме

БПК - это количество кислорода, потребленного микроорганизмами на биоокисление (минерализацию) органических веществ, содержащихся в воде.

Так как при определении величины БПК полной минерализации органических веществ не достигается (часть органических веществ трансформируется в биомассу микроорганизмов, а часть - не поддается биоокислению в условиях анализа), то БПК является кислородным эквивалентом не всех, а лишь части органических веществ (считают, чтo БПК характеризует содержание в воде легкоокисляемых органических веществ).

При стандартном анализе ХПК (окисление органических веществ бихроматом калия) происходит практически полное окисление органических веществ. Поэтому ХПК служит кислородным эквивалентом всех органических веществ, содержащихся в воде (всегда выполняется:

ХПК>БПК).

Вместе с тем, анализ БПК является простой и удобной моделью процесса аэробного окисления органических веществ в природных водоемах.

С достаточной для оценочных расчётов точностью, уменьшение количества кислорода в водоёме в результате сброса стоков равно величине БПК сточных вод. Например, если в водоём поступило 1000 м3 сточных вод с

12

НАУЧНО-ИНФОРМАЦИОННЫЙ ЦЕНТР САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО УНИВЕРСИТЕТА РАСТИТЕЛЬНЫХ ПОЛИМЕРОВ

БПК=300 г/м3, т.е. сброшено органических веществ в количестве 300 кг по

БПК, то количество кислорода в водоёме уменьшится на 300 кг.

Содержание растворённого кислорода в воде водоёма определяется

тремя основными факторами: абсорбция кислорода из воздуха (реаэрация),

выделение кислорода фотосинтезирующими организмами, потребление

кислорода аэробными микроорганизмами (в процессе минерализации). Для

озёр и водохранилищ оба источника поступления кислорода (реаэрация,

фотосинтез) играют существенную роль. Для рек основным источником

кислорода является реаэрация.

Река, в которую от крупного объекта сбрасываются стоки,

содержащие органические вещества, имеет четыре довольно хорошо

выраженные зоны (рис. 2.3).
				1		2		3		4
		CО2

БПК

Бактерии

			Время или расстояние вниз по
Точка сброса			течению
Рис. 2.3. Последствия сброса в		реку сточных вод, содержащих

органические вещества. 1- зона резкого ухудшения; 2 – зона активного распада органических веществ; 3 – зона восстановления; 4 – зона чистой воды

13

НАУЧНО-ИНФОРМАЦИОННЫЙ ЦЕНТР САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО УНИВЕРСИТЕТА РАСТИТЕЛЬНЫХ ПОЛИМЕРОВ

В зоне резкого ухудшения скорость реаэрации значительно меньше скорости потребления кислорода на биоокисление органических веществ,

концентрация растворённого кислорода быстро падает (возможно полное исчерпание кислорода), снижается БПК воды и наблюдается быстрый рост аэробных гетеротрофных бактерий.

В зоне активного распада органических веществ скорость реаэрации примерно равна скорости биоокисления, концентрация кислорода стабилизируется на минимальном уровне, увеличивается объём анаэробных зон, может появляться дурной запах в силу выброса в атмосферу дурнопахнущих продуктов анаэробного распада органических веществ. Для многих высших форм жизни, особенно для рыб, такая среда неблагоприятна.

Нормальная жизнедеятельность ценных пород pы6, таких как форель,

возможна при концентрации растворённого кислорода не менее 6 мг/л. Для толерантных (устойчивых) пород, таких как окунь, плотва, требуется 4-5 мг/л

растворённого кислорода. Ещё более толерантные породы (карп, карась,

бычок) живут при содержании кислорода 2-3 мг/л. Организмы зоопланктона нормально развиваются при концентрации растворённого кислорода не менее 1-2 мг/л. Если в результате сброса сточных вод концентрация кислорода падает до 1 мг/л, то происходит массовая гибель рыб и зоопланктона, а вода обогащается токсичными продуктами анаэробного распада биомассы.

В зоне восстановления скорость реаэрации превышает скорость аэробного окисления, содержание растворённого кислорода медленно возрастает. Вновь появляются организмы зоопланктона и толерантные породы рыб. В зоне чистой воды обитает множество водных растений и животных, включая более требовательных к качеству воды породы рыб.

14

НАУЧНО-ИНФОРМАЦИОННЫЙ ЦЕНТР САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО УНИВЕРСИТЕТА РАСТИТЕЛЬНЫХ ПОЛИМЕРОВ

2.3.Круговорот азота

Вкруговороте азота (рис.2.4) центральное место занимает аммоний,

который является продуктом как аэробного, так и анаэробного разложения белков и аминокислот биомассы водных организмов. Превращение азота органических веществ в азот аммонийный называют аммонификацией.

Сброс сточных вод		АТМОСФЕРА
				Обмен
(NH4+)

ВОДОЕМ

Зоопланктон

(орг. N)

Фитопланктон

(орг. N)

ассимиляция

Рис. 2.4. Круговорот азота в водоеме

15

НАУЧНО-ИНФОРМАЦИОННЫЙ ЦЕНТР САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО УНИВЕРСИТЕТА РАСТИТЕЛЬНЫХ ПОЛИМЕРОВ

В аэробных условиях аммонийный азот окисляется нитрифицирующими бактериями до нитритов, а затем до нитратов. Процесс нитрификации, также как и аэробное окисление органических веществ, ведёт к снижению содержания растворённого кислорода в водоёме. Правда,

нитриты и нитраты в состоянии обеспечить запас связанного кислорода,

который может быть использован для биоокисления органических веществ в процессе денитрификации, если условия становятся анаэробными.

Молекулярный азот, выделяющийся при денитрификации, поступает в атмосферу, тем самым обеспечивается вывод избытка азота из водоема.

Связывание молекулярного азота и включение его в круговорот в водоеме осуществляют азотфиксирующие бактерии.

Особенно эффективно связывают молекулярный азот бактерии рода

Azotobacter (около 20 мг N2 на 1 г использованного органического субстрата).

Способностью к азотфиксации обладают и многие другие бактерии

(цианобактерии, сульфатредуцирующие и метанообразующие бактерии и др.). Для фиксации молекулярного азота необходимо присутствие молибдена в воде. Этот тяжёлый металл входит в состав нитрогеназы - ферментного комплекса, связывающего молекулярный азот.

Во многих внутренних водоемах и некоторых областях океана ежегодно в теплый период наблюдается массовое развитие цианобактерий,

так называемое "цветение воды". В период цветения воды возможно накопление азота в водоеме за счёт азотфиксации.

Фотосинтезирующие организмы и бактерии потребляют азот на синтез биомассы (ассимилируют) в основном в виде аммония, а также в виде нитратов (см. pис.2.4).

За исключением сельского хозяйства и предприятий по производству удобрений, сточные воды от населённых пунктов и промышленных комплексов содержат азот в восстановленной форме – в составе органических веществ и аммонийных соединений. Сброс таких стоков увеличивает количество аммонийного азота в водоеме и может привести к

16

НАУЧНО-ИНФОРМАЦИОННЫЙ ЦЕНТР САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО УНИВЕРСИТЕТА РАСТИТЕЛЬНЫХ ПОЛИМЕРОВ

бурному развитию фитопланктона, если его рост был лимитирован по азоту.

Кроме того, интенсифицируется нитрификация. В результате аэробного разложения образовавшейся биомассы фитопланктона и зоопланктона, а

также потребления кислорода на нитрификацию, его концентрация в воде водоёма снижается, что приводит к гибели животных (рыб, зоопланктона).

2.4. Круговорот фосфора

Водные организмы используют фосфор в виде фосфатов. В клетках фосфор входит в состав молекул АТФ и нуклеиновых кислот (ДНК, РНК).

После отмирания клеток при распаде биомассы фосфор возвращается в среду в виде анионов фосфорной кислоты (рис.2. 5).

Сброс сточных	АТМОСФЕРА
вод (PO43-)

ВОДОЕМ

ассимиляция

Фосфор

биомассы

диссимиляция

Рис. 2.5. Круговорот фосфора в водоеме

17

НАУЧНО-ИНФОРМАЦИОННЫЙ ЦЕНТР САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО УНИВЕРСИТЕТА РАСТИТЕЛЬНЫХ ПОЛИМЕРОВ

С катионами металлов (железа, кальция, алюминия) фосфаты образуют малорастворимые и нерастворимые в воде комплексы. Связанный в нерастворимые соединения фосфор выводится из круговорота, так как недоступен для живых организмов.

В Мировом океане и в большинстве внутренних водоемов именно содержание доступных форм фосфора (фосфатов) ограничивает рост водных организмов (вторым лимитирующим рост элементом является азот).

Промышленность производства минеральных удобрений переводит фосфор из недоступных для микроорганизмов форм, таких как апатиты, в доступные формы - фосфаты. Во многих местах фосфат из удобрений попадает в реки и озера. Так как концентрация катионов железа, кальция и алюминия в водоемах невысока, фосфат остается в растворенной форме и вызывает рост фототрофных организмов. Бурное развитие фитопланктона после сброса фосфатов может происходить даже при недостатке в водоёме аммония и нитратов, так как многие бактерии способны потреблять молекулярный азот

(наиболее часто наблюдается развитие азотфиксирующих цианобактерий).

Результатом является загрязнение водоёма биомассой первичных продуцентов, разложение которой вызывает снижение концентрации растворённого кислорода и обогащение воды токсичными продуктами.

2.5.Круговорот серы

Вживых клетках сера представлена, главным образом,

сульфгидрильными группами в серусодержащих аминокислотах (цистеин,

метионин, гомоцистеин). При анаэробном разложении органических веществ биомассы сульфгидрильные группы отщепляются ферментами десульфуразами. Поэтому процесс образования сульфидов (при минерализации серусодержащих органических веществ в анаэробных условиях) называют десульфурацией (рис. 2.6)

18

НАУЧНО-ИНФОРМАЦИОННЫЙ ЦЕНТР САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО УНИВЕРСИТЕТА РАСТИТЕЛЬНЫХ ПОЛИМЕРОВ

	Сброс						Обмен
			АТМОСФЕРА
	сточных вод
				ВОДОЕМ

Рис. 2.6. Круговорот серы в водоеме

Однако наибольшее количество сероводорода образуется при анаэробном биовосстановлении сульфатов, осуществляемом сульфатредуцирующими бактериями. Этот процесс называют сульфатредукцией или диссимиляционной сульфатредукцией.

На синтез биомассы клетки используют сульфат. В процессе синтеза биомассы происходит ассимиляционная сульфатредукция - сульфат восстанавливается до сульфида и в этой форме сера включается в состав аминокислот и белков.

В аэробных условиях сульфид окисляется бактериями (тиобациллами,

серобактериями) до элементарной серы и сульфатов (рис.2.6).

В водоёмах окисление сероводорода происходит и без участия микроорганизмов (химическое окисление молекулярным кислородом). Но скорость химического окисления меньше, чем биологического. Основным

19

НАУЧНО-ИНФОРМАЦИОННЫЙ ЦЕНТР САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО УНИВЕРСИТЕТА РАСТИТЕЛЬНЫХ ПОЛИМЕРОВ

продуктом химического окисления сероводорода являются тиосульфаты

(S2O32-), которые тиобациллами окисляются до сульфатов.

В воде сероводород может находиться в трех формах:

АТМОСФЕРА

ВОДОЕМ

Соотношение между различными формами сероводорода определяется величиной рН воды (табл. 2.1).

Таблица 2.1

Соотношение форм сероводорода при различных значениях рН ( t =25°С)

Форма					Значение рН
серово-
	4	5	6	7		7,5		8	8,5	9	10
дорода
				Содержание,			%
H2S	99,9	98,9	91,8	52,9		26		10,1	3,4	1,1	0,1
HS-	0,1	1,1	8,2	47,1		74		89,9	96,6	98,89	99,8
S2-	-	-	-	-		-		-	-	0,01	0,1

Благодаря обмену с атмосферой (см. рис.2.6) сера может выводиться из круговорота в водоеме путем десорбции сероводорода. Кроме того,

сульфиды образуют с катионами металлов нерастворимые соединения,

выпадающие в осадок (этим путём образовывались сульфидные руды).

В круговороте серы наибольшую опасность для водоема представляют процессы, ведущие к образованию сероводорода -

высокотоксичного вещества (предельно допустимая концентрация в воде водоемов равна нулю). Содержание сульфатов в воде вполне достаточно для

20