Введение в экологическую химию - Скурлатов Ю.И.
NBSN 5-06-002593-4
Скачать (прямая ссылка):
219
Донные отложения служат для водной среды в основном источником биогенных элементов, ионов Мп2+ и частично ионов Ре2+.
Процессы трансформации биогенных и загрязняющих веществ, а также обмен с водной средой совершаются в так называемом активном слое ила, толщина которого изменяется в зависимости от свойств донных отложений от 5 до 20 см.
Высокая растворимость минеральных форм азота определяет их высокую подвижность в системе вода — донные отложения.
Способность фосфатов обратимо сорбироваться гидроксидом железа (III), содержание которого зависит от окислительно-восстановительных условий среды, способствует высокой аккумулирующей способности ила донных отложений по отношению к Р в аэробных условиях и заметному ее снижению в анаэробной среде. При формировании анаэробных или квазивосстановительных условий в поверхностном слое ила наблюдается резкое (кратковременное) увеличение потока Р из донных отложений в толщу воды.
С ростом трофности водоема потоки вещества в системе вода — донные отложения возрастают: чем больше первичная продукция органического вещества, тем больше его седиментируется (в основном в виде частичек детрита), больше минерализуется в отложениях и возвращается в воду.
Коэффициент обмена /? биогенных элементов, определяемый как отношение скоростей выделения элемента из отложений и накопления его в отложениях, служит показателем скорости обмена соединениями N и Р в системе вода — донные отложения. Для соединений азота коэффициент Р изменяется от 0,5 до 1,0 для соединений фосфора — от 0,1 до 1,0. Иными словами, от 25 до 50% N и от 10 до 50% Р из поступивших на дно при седиментации биогенных элементов возвращаются в водную среду. В среднем интенсивность обмена соединениями азота в 3—6 раз меньше, чем фосфора.
Время оборота N и Р в системе вода — донные отложения может быть найдено по формуле
I = ЫЩ,
где К — средняя глубина водоема, м; с — средняя концентрация И(Р) в воде, кг/м3; Ц — поток Г*(Р) со дна в воду, кг/м2/год. Расчеты показывают, что для азота t я 2т4 года, для фосфора от года до нескольких десятков лет в зависимости от трофности водоема. Чем более высокотрофен водоем, тем меньше время оборота Р. Для соединений азота наблюдается обратная корреляция: интенсивность обмена N в системе вода — донные отложения уменьшается с ростом продуктив-; 220 ности водоема до ~ 500 г/м2/год (при дальнейшем увеличении троф-ности скорость обмена растет).
При оценке экологического состояния водоема важной характеристикой является редокс-состояние донных отложений, содержание и скорость образования в них веществ, эффективно взаимодействующих с Н2О2, каталитическая активность донных отложений в процессах с участием Н2О2, а также в процессах трансформации загрязняющих веществ.
При анализе кинетических особенностей процесса разложения Н202 в присутствии взвесей донных отложений оказалось, что, как и в случае микроводорослей, вклад в разложение Н2О2 дают два процесса — нулевого (&о) и первого (?1) порядка по концентрации Н202. В любом случае начальная скорость пропорциональна навеске донных отложений.
Реакция нулевого порядка может приводить к формированию на границе раздела вода — донные отложения квазивосстановительных условий:
[н2о2] = (щ - аду(ад),
где 10О — скорость поступления Н202 из толщи воды в результате диффузии и конвективного переноса; к0 — удельная константа скорости образования реакционноспособных в отношении Н2Ог восстановительных эквивалентов; [с] — содержание сухого вещества в активном слое ила, г/л.
Разность (адо — *0[с]) может быть как величиной пожительной (окислительное состояние среды поровых вод донных отложений), так и отрицательной (квазивосстановительное состояние). Чем больше вклад реакции нулевого порядка в скорость разложения Н202, тем больше влияние донных отложений на внутриводоемные редокс~про~ цессы вследствие формирования потока восстановительных эквивалентов в толщу воды.
Скорость разложения Н2О2 по первому порядку, обусловленная действием фермента катал азы, может служить относительной мерой биомассы донных микроорганизмов.
Важной характеристикой донных отложений служит их окислительно-восстановительная емкость, определяемая абсолютными значениями концентраций окислительных и восстановительных эквивалентов. Для определения этой величины используют ферри-ферроцианидиую систему, в которой соотношение концентраций Ге(П1)/Ре(И) измеряется электрохимически. Рост потенциала системы при контакте с донными отложениями свидетельствует об окислительном состоянии среды, уменьшение — о восстановительном.
221
Содержание восстановительных эквивалентов, отнесенное к единице сухой массы донных отложений, может достигать нескольких г-экв/кг.
Наличие в донных отложениях восстановительных эквивалентов приводит к тому, что многие загрязняющие вещества, поступая в донные отложения, восстанавливаются. Так, ДДТ гораздо легче восстанавливается в донных отложениях, чем окисляется в водной среде.. Многие красители трансформируются в сорбированном состоянии за счет первичного процесса восстановления.
