2 месяца назад
Нету коментариев

На поверхности Земли не существует вод, в которых не было бы растворено большее или меньшее количество ми­неральных веществ. В величайшем резервуаре вод земно­го шара — Мировом океане — количество солей в среднем составляет 35 граммов в 1 килограмме воды. Материковые воды — реки и озера — очень разнообразны по своему со­лесодержанию. Высокогорные озера, питающиеся снего­выми и ледниковыми водами, содержат ничтожное коли­чество солей. С другой стороны, воды в соленых озерах насыщены минеральными веществами. На дне таких озер пластами осаждается кристаллическая соль.

В природных водах растворено большинство известных химических элементов, основную массу солевого состава вод образуют лишь немногие из них. Прочие содержатся в очень малых количествах, а иные даже не могут быть об­наружены непосредственно химическим анализом.

Источник растворенных в природных водах минераль­ных веществ один — это породы земной коры (если не считать ничтожно малой роли космической пыли). Но пути обогащения водоемов этими веществами различны. Они могут переходить в раствор при непосредственном контак­те вод с дном и берегами, они смываются с прибрежных склонов, приносятся в виде пыли, попадающей на водную поверхность непосредственно, либо с атмосферными осад­ками; их доставляют притоки, а также подземные воды, обычно богатые солями.

Наряду с минеральными веществами в природных во­дах всегда встречаются и органические. Это — остатки от­мерших водных организмов либо выделяемые ими про­дукты обмена веществ, а также органические остатки на­земной растительности, попадающие в воду. Все боль­шее значение приобретают при этом органические отходы промышленного и сельскохозяйственного производст­ва, а также стоки населенных пунктов, попадающие в во­доемы.

Кроме минеральных солей и органических веществ, в природных водах всегда растворены различные газы. Ис­точником их являются газообмен с атмосферой и обмен ве­ществ животных, растений, а также выделение газов из от­ложений на дне водоемов.

Водные растения в процессе фотосинтеза извлекают из воды углекислоту и выделяют кислород. Животные, на­оборот, при дыхании поглощают из воды кислород и выде­ляют в окружающую воду углекислоту. Гниение и разло­жение органических веществ также сопровождается по­глощением кислорода и выделением углекислоты, метана, водорода, нередко сероводорода и других газообразных веществ.

В отдельных случаях на дне водоемов выделяются под­земные газы.

Материковые воды — реки, озера — отличаются боль­шим разнообразием не только общего количества раство­ренных веществ, но и их состава. Это целиком определяет­ся характером и составом почв и пород в бассейне реки или озера и в непосредственном их окружении.

Как известно, Байкал — пресноводное озеро. Его воды отличаются прекрасными питьевыми качествами. Поэтому трудно поверить, что в нем растворено около 2 млрд. т ми­неральных солей и около 130 млн. т органических веществ. Однако, если принять во внимание, что все эти вещества растворены в 23 000 км3 байкальских вод, то окажется, что солей на 1 л воды приходится всего около 100 мг. Присутствие солей ощущается на вкус при их содержа­нии около 1 г в 1 л воды, т. е. примерно в 10 раз больше, чем в Байкале.

Байкальские воды не богаты растворенными солями по сравнению с многими пресноводными озерами и реками, в подавляющем большинстве которых содержание солей составляет 200—400 мг в 1 л воды.

Первые анализы, выполненные в 1877 г., показали, что байкальские воды не отличаются каким-либо особенным своеобразием состава растворенных веществ по сравнению с прочими пресными водами. Это, по-видимому, погасило на много лет интерес к изучению химических особенностей Байкала — водоема, столь исключительно своеобразного в других отношениях. Только с 1928 г. начинаются широкие исследования содержания и распределения в его водах растворенных веществ и изменений, которые происходят по сезонам и в отдельные годы.

Химический состав байкальских вод сформировался не­сомненно в очень далеком прошлом и в наши дни отлича­ется большим постоянством. Сезонные, годовые или слу­чайные изменения минерального состава его вод сравни­тельно незначительны. Было бы, однако, ошибкой думать, что это постоянство их состава выражает собой неподвиж­ное состояние, подобное тому, в котором находится рас­твор, налитый в склянку. Постоянство химического соста­ва байкальских вод сохраняется при том условии, что в Байкал непрерывно поступают и удаляются из него рас­творенные вещества, а в самом озере непрерывно идут процессы их превращения. Это постоянство нужно рас­сматривать как установившееся подвижное равновесие.

Основной источник поступления в Байкал растворен­ных минеральных веществ — его притоки, а органиче­ских — фотосинтез водных растений. Так называемый хи­мический или растворенный сток в Байкал составляет за год внушительное количество веществ — около 6 млн. т, изкоторых на долю минеральных солей приходится свыше 5,5 млн. т и более 400 тыс. т органических. Небольшое, сравнительно, количество веществ — около 120 тыс. т — вносится в Байкал с дождем и снегом; некоторое количе­ство оседает на водную поверхность в виде пыли.

Удаляются растворенные вещества из Байкала через Ангару в количестве около 5,4 млн. т в год, из которых около 5,2 млн. т — минеральных веществ.

Таким образом, в Байкале ежегодно остается око­ло 0,7 млн. т веществ, из них около 0,45 млн. т мине­ральных.

Величины прихода и расхода растворенных веществ в Байкале значительно колеблются в разные годы, а пото­му приведенные выше цифры приблизительны. Несомнен­но, однако, что приход растворенных веществ превы­шает расход, и в Байкале идет непрерывно накопление не­которых веществ.

Ниже приведены средние величины содержания основ­ных минеральных компонентов воды Байкала и его прито­ков (в мг/л).

Sh_001

В минеральном составе байкальских вод, как, впрочем, и большинстве пресных озер и рек, преобладают углекис­лые соли и главным образом гидрокарбонат кальция. Воды Байкала, согласно химической классификации материко­вых вод О. А. Алекина, должны быть отнесены к каль­циевой группе гидрокарбонатного класса.

Характерная особенность байкальских вод — относи­тельно высокое содержание щелочных металлов — натрия и калия, преимущественно первого. Сравнительно высо­ко содержание в них и нитратов (солей азотной кислоты). Кроме того, они имеют повышенное содержание фосфатов (соединений фосфорной кислоты). Высказывалось пред­положение, что обогащение нитратами происходит вслед­ствие связывания особыми бактериями газообразного азо­та, растворенного в байкальских водах (нитрификация). Известно также, что подземные воды, выходящие по юго-восточным берегам Байкала, богаты нитратами.

Для байкальской воды характерно также небольшое со­держание органических веществ.

Минеральный состав вод открытого Байкала, как было сказано, в основном постоянен. Это объясняется тем, что средний состав вод притоков Байкала сравнительно мало отличается от состава вод самого озера. Кроме того, годо­вой сток воды в Байкал составляет всего лишь около 1/500 его водной массы.

Когда говорят о постоянстве состава байкальских вод, то имеют в виду основные минеральные компоненты: гид­рокарбонаты, сульфаты, хлориды, магний, натрий, кальций и некоторые другие. Но есть и такие вещества, содержа­ние которых не остается постоянным и заметно изменяет­ся по сезонам и на разных глубинах. Это силикаты, нитра­ты, фосфаты, растворенные газы — кислород и углекисло­та, органические вещества.

Как известно, все растворенные вещества в той или иной степени участвуют в химических и биологических процессах, непрерывно протекающих в водоемах, хотя сте­пень их участия и роль в этих процессах очень различны.

Жизнедеятельность водных организмов и их обмен веществ сопровождаются поглощением из воды одних ве­ществ и выделением других. В соответствии с этим изме­няется и состав воды. Особенно сильно изменяется содер­жание тех (веществ, которые теснее связаны с биологиче­скими процессами. Наоборот, вещества, принимающие наи­меньшее участие в обмене веществ водных организмов, отличаются постоянством. Изменения этих так называе­мых постоянных компонентов байкальской воды очень не­велики и кажутся случайными, тем не менее они вполне реальны и закономерны. Так, основной компонент бай­кальских вод — бикарбонаты (НСО3), на долю которых приходится около 70% ионного состава, колеблется всего в пределах в среднем от 65,7 до 68,3 мг/л.

Неравномерность и изменчивость распределения рас­творенных веществ, обусловленные биохимическими про­цессами, еще больше осложняются движениями вод — те­чениями и различным перемешиванием. Поэтому необхо­димо большое количество регулярных наблюдений, чтобы установить постоянные и закономерные черты распреде­ления состава воды в Байкале.

Одним из наименее постоянных минеральных компо­нентов байкальских вод являются силикаты, или кремне­зем (SiO2). Его содержание колеблется от 1,6 до 5,5 мг/л. Это полностью объясняется тесной связью кремния с раз­витием диатомовых водорослей, в огромных количествах размножающихся в байкальских водах. Микроскопические водоросли одеты стекловидными кремневыми створками, для построения которых они и извлекают кремний из воды. Особенно мало кремния в верхних слоях воды: диатомовые водоросли, как и прочие растительные организмы, держат­ся в верхних освещенных слоях озера. В более глубоких слоях и до самого дна содержание кремния возрастает. Здесь он не потребляется, а, наоборот, переходит в воду при растворении оболочек отмерших водорослей, медлен­но оседающих на дно.

Значительные сезонные колебания содержания крем­ния в верхних слоях воды вполне соответствуют периодам развития диатомовых водорослей. Больше всего кремния в декабре и январе. Но уже в феврале-марте, когда начи­нается массовое развитие диатомовых, содержание кремния понижается и достигает минимума в мае. Летом коли­чество диатомовых уменьшается и содержание кремния возрастает (рис. 35).

Сезонные изменения содержания нитратного азота, кремния и окисляемости в водах Байкала

Сезонные изменения содержания нитратного азота, кремния и окисляемости в водах Байкала

Особое место среди растворенных в байкальских во­дах минеральных веществ занимают соединения фосфо­ра — фосфаты — и азота — нитраты. Несмотря на то, что содержание этих веществ невелико, значение их в жизни водоема исключительно важно: фосфор и азот являются не­обходимыми составными частями белкового вещества — носителя жизни, почему и получили название биогенных элементов. Содержание фосфат-иона (РО»’4) колеблется в байкальских водах от 0 до 0,1 мг/л, а нитрат-иона (N0′3) — от 0 до 0,6 мг/л.

Содержание в воде фосфатов и нитратов находится в тесной связи с жизнедеятельностью водных организмов. Поэтому наибольшие колебания содержания этих веществ происходят в верхнем 100-метровом слое вод, так как здесь сосредоточена основная масса водорослей и здесь идет сильное перемешивание вод. Наибольшее содержание фос­фатов и нитратов в верхних слоях Байкала приходится на декабрь и январь. Уже в конце февраля их содержание па­дает в связи с развитием холодолюбивых диатомовых во­дорослей, которые используют фосфор и азот. Минимум со­держания фосфатов и нитратов наступает в конце апре­ля — начале мая, а после освобождения Байкала от льда оно начинает возрастать. Весеннее перемешивание выно­сит к поверхности более богатые фосфатами и нитратами глубинные воды. Обогащение последних фосфором и азо­том происходит потому, что остатки отмерших водорослей и других организмов, опускаясь в глубину, распадаются; белковые вещества при участии бактерий разлагаются, а содержащиеся в них фосфор и азот, окисляясь, перехо­дят в растворимые фосфаты и нитраты.

Во второй половине лета наступает второе обеднение верхних слоев воды фосфором и азотом в связи с развитием теплолюбивых водорослей. В сентябре при понижении тем­пературы начинается массовое отмирание водорослей, и со­держание фосфатов и нитратов снова возрастает.

Наряду с минеральными веществами в байкальских водах содержатся и органические, но количество их в срав­нении с многими другими водоемами невелико. Кроме того, их содержание в Байкале непостоянно и заметно из­меняется по глубинам и по сезонам. В этом выражается связь растворенных органических веществ с жизнедеятель­ностью водных организмов. Наибольшее количество орга­нического вещества содержится в верхнем слое Байкала до глубины 25—50 м: здесь сосредоточена основная масса одноклеточных водорослей. С глубиной содержание орга­нического вещества убывает. Сезонные колебания содер­жания органического вещества также достигают наиболь­шего размаха в верхних слоях байкальских вод и угасают с глубиной, так как зависят от сезонного хода развития планктонных водорослей.

Важнейшим компонентом химического состава природ­ных вод являются растворенные газы. При этом исключи­тельно важное значение имеют такие газы, как кислород и свободная углекислота, тесно связанные с жизнедеятель­ностью водных организмов.

Кислород поступает в воду из воздуха, в котором его со­держится около 21%. Важнейший источник обогащения водоема кислородом — фотосинтез. Расходуется раство­ренный кислород при дыхании водных организмов и при окислении органических веществ в воде и донных отложе­ниях.

Кислород может не только поступать из атмосферы в воду, но и удаляться из нее в атмосферу. Направление это­го обмена определяется относительным содержанием кис­лорода в воде. Как известно, предельное количество газа, которое может раствориться в пресной воде, зависит от ее температуры и от атмосферного давления. Это количество принимается за 100% насыщения. Фактическое содержа­ние растворенных газов, в частности кислорода, может не соответствовать насыщающему количеству: оно может быть и большим и меньшим. В первом случае кислород бу­дет удаляться в атмосферу, во втором — поступать в воду.

Характерную особенность Байкала составляет сравни­тельно небольшая разница в содержании кислорода в верх­них слоях и глубинной области озера. В большинстве озер в глубинных слоях содержание кислорода сильно пониже­но и нередко падает до нуля, а в верхних — летом наблю­дается перенасыщение кислородом, причем часто довольно значительное. В Байкале же даже на наибольших глуби­нах содержание кислорода остается высоким и не падает ниже 9 мг/л, что составляет около 70% насыщения. Вме­сте с тем в верхних слоях озера обычно наблюдается не­большоенедонасыщевие. Последнее объясняется сравни­тельно небольшим развитием фитопланктона и небольшой интенсивностью фотосинтеза. В глубинной области Бай­кала содержание кислорода остается высоким: потребле­ние его на окисление и на дыхание в этой малонаселенной и всегда холодной области озера очень мало.

Содержание кислорода в байкальских водах соответ­ствует развитию и распределению в них планктонных во­дорослей (рис. 36). Верхние слои до глубины 70—80 ж, где сосредоточивается основная масса фитопланктона, со­держат много кислорода, причем количество его здесь наи­более изменчиво. С глубиной содержание кислорода незна­чительно убывает. Связь между фитопланктоном и содер­жанием кислорода выражается также в его сезонных из­менениях. Размножение диатомовых во второй половине зимы вызывает уже к началу марта увеличение содержа­ния кислорода подльдом. Это характерно для Байкала с его прозрачным ледовым покровом, пропускающим достаточно солнечного света. Весной и в начале лета количество кислорода понижается с тем, чтобы снова возрасти в кон­це июля — августе в связи с развитием летних видов планктонных водорослей. Уже в первой половине сентября содержание кислорода несколько уменьшается в связи с отмиранием планктонных водорослей и ослаблением фо­тосинтеза. Поздней осенью до ледостава Байкал снова обо­гащается кислородом, поступающим из воздуха.

Вертикальное распределение кислорода и водоросли - мелозиры в водах Байкала

Вертикальное распределение кислорода и водоросли — мелозиры в водах Байкала

Свободная углекислота имеется в водах Байкала срав­нительно в небольшом количестве: в верхних слоях в сред­нем немногим более 1 мг на 1 л воды, на глубине 250 м — около 2 мг, а глубже 1000 м — 5—6 мг. Углекислота столь же тесно связана с процессом фотосинтеза, как и кисло­род: растительная клетка на свету поглощает из воды углекислоту (СО2).

В верхних слоях, где сосредоточена основная масса фи­топланктона, содержание углекислоты наиболее низко и временами летом падает до нуля. В более глубоких слоях, где углекислота не потребляется водорослями, количество ее увеличивается: она выделяется при дыхании водных организмов и при окислении органических веществ.

Понижается содержание углекислоты в верхних слоях также во второй половине зимы во время подледного раз­вития диатомовых водорослей. До этого зимой содержание углекислоты в верхнем слое достигает максимума — 2,0— 2,5 мг/л.

Познакомившись ближе с поведением ряда компонен­тов байкальских вод, можно снова убедиться, что все из­менения содержания этих веществ PI ВО времени и в про­странстве тесно связаны с жизнедеятельностью водных организмов. Все эти изменения связаны и между собой, образуя единый комплекс биолого-химических процессов превращения и обмена веществ в водоеме.

Выше уже говорилось о данных, характеризующих по­ступление и удаление веществ в Байкале. Напомним, что разность между приходом и расходом по приблизительным подсчетам составляет ежегодно около 0,7 млн. т. Но в ка­ком же виде и где происходит накопление этого вещества?

В Байкале, как и в любом другом озере, накопление в основном происходит в виде веществ, входящих в состав донных отложений. Накопляются вещества, которые в ре­зультате тех или иных биолого-химических процессов вы­водятся из раствора и оседают на дно.

Веществом, накопляющимся в Байкале в наибольшем количестве, является кремний. Он оседает на дно в виде створок диатомовых водорослей. Годовое накопление крем­ния составляет приблизительно 150 тыс. т. Сопоставление состава растворенных веществ в водах Байкала и его при­токов (см. табл.) показывает, что в озере задерживаются и накапливаются также алюминий, железо и другие вещества.

Особый интерес в Байкале представляет органическое вещество. Ежегодно Б озеро вносится извне около 400 тыс. т органического вещества. За вычетом того, что выносит Ангара, в озере остается около 240 тыс. т. Много больше органического вещества синтезируется в самом Байкале планктонными и отчасти донными водорослями. Эта внушительная величина составляет около 30,7 млн. Т органического вещества (в сухом весе).

Какова же судьба этого громадного количества вещест­ва? Оно является основой существования всех водных жи­вотных и бактерий: это их пища. При этом органическое вещество претерпевает ряд превращений: оно постепенно окисляется и разлагается. Для Байкала характерно быст­рое окисление остатков отмерших организмов, что обеспе­чивается высоким содержанием кислорода во всей огром­ной толще байкальских вод. Лишь очень небольшая часть наиболее трудно окисляющихся органических веществ в виде остатков организмов накопляется в донных отложе­ниях озера.

Итак, характерную особенность огромных водных масс открытого Байкала составляет их значительная химиче­ская однородность и большое постоянство ионного соста­ва. Эта однородность нарушается лишь в местах впадения в озеро притоков, а также в его обособленных районах. Например, в пределах обширного Селенгинского мелко­водья на расстоянии до 7 км и более от берега заметно влияние вод р. Селенги. Оно выражается в повышенном содержании гидрокарбонатов, кальция, кремния, железа и органического вещества (рис. 37). Подобные же изменения в составе озерной воды вносит р. Баргузин.

Распределение гидрокарбонатов и кремния в Селенгинском районе озера Байкал

Распределение гидрокарбонатов и кремния в Селенгинском районе озера Байкал

Химическое своеобразие вод заливов, бухт, губ зави­сит в основном от их обособленности и мелководности. Большое влияние также оказывает вода речек, впадаю­щих в глубине заливов и губ. Все эти условия обособлен­ных районов содействуют более пышному развитию в них жизни: обилию планктона, богатому развитию донных растений и животных,

Изменения химического режима можно наблюдать в южной части Малого Моря, изобилующей бухтами и губа­ми, и в тех частях Баргузинского залива, где особенно сильно влияние р. Баргузина. Особенно сильно выражено химическое своеобразие соров Посольского, Истокского, Северобайкальского и других сильно обособленных мелко­водных придатков Байкала.

Невысокая минерализация байкальской воды и ее со­левой состав, очень малое содержание органических ве­ществ, обилие кислорода и громадная окислительная мощь — вот те качества, которые составляют исключи­тельную ценность этого огромного запаса чистейшей воды. Не говоря о том громадном непосредственном значении, которое имеют эти качества воды для человека и для оби­тающих в Байкале растений, животных и особенно про­мысловых рыб, свойства байкальских вод открывают ши­рочайшие перспективы их технического использования. Уже сейчас решается вопрос о развитии в районе Байкала таких промышленных производств, для которых решаю­щее значение имеет обеспеченность большими объемами чистой слабоминерализованной воды. Но одновременно с расширением технического использования байкальских вод возникает серьезнейшая проблема охраны вод от за­грязнения, неизбежно связанного с развитием по берегам любых видов промышленности. Угроза загрязнения бай­кальских вод и потери их высоких качеств слишком серь­езна и привлекает к себе пристальное внимание.

comments powered by HyperComments