2.5.4. Особенности окислительно-восстановительных процессов в озерах

Редокс-условия в озерах определяются балансом между окислением органического вещества и поступлением кислорода за счет цирку­ляции или вертикального перемешивания воды.

Специфическая зависимость плотности воды от температуры приводит к возникновению ярко выраженной слоистой структуры озер, расположенных в районах с умеренно континентальным кли­матом (рис. 2.7).

Летом поверхностный слой (эпилимнион) нагревается за счет солнечной радиации. Температура в пределах эпилимниона доволь­но постоянна, так как поверхностная зона подвержена волновому перемешиванию. Непосредственно под эпилимнионом расположен металимнион, или зона термоклина, — область, в которой темпера­тура быстро уменьшается с глубиной. Ниже металимниона находит­ся гиполимнион — масса одинаково холодной воды. Когда теплая вода малой плотности лежит над холодной водой высокой плотно­сти, смешение и, как следствие, обмен растворенными веществами между эпилимнионом и гиполимнионом затруднены. Такое явление называется термической стратификацией.

Рис. 2.7. Стратификация озера

Осенью постепенное понижение температуры эпилимниона при­ведет к тому, что в определенный период, при температуре воздуха около 277К, вода во всем водоеме будет одинаковой температуры и плотности. При этом в результате волновой деятельности вся во­да в водоеме будет перемешана. Такой период называют периодом осеннего водообмена.

В дальнейшем при понижении температуры в верхнем слое воды ее плотность снизится, и в водоеме вновь произойдет разделение на слои различной плотности, обмен между которыми будет затруд­нен. Это явление называют зимней стратификацией.

Весеннее повышение температуры в зоне эпилимниона приведет к выравниванию температуры и плотности воды во всем водоеме. Начнется процесс весеннего водообмена.

Во время весеннего и осеннего водообмена содержание раство­ренного кислорода во всем озере в основном соответствует равно­весным значениям, характерным для приземного воздуха и воды при температуре 277К.

В период летней стратификации равновесное количество рас­творенного в эпилимнионе кислорода снизится по сравнению с пе­риодом водообмена, поскольку растворимость газов уменьшается с ростом температуры.

Следует отметить, что в эпилимнионе в этот период интенсив­но протекает фотосинтез, который помимо процесса растворения кислорода из атмосферного воздуха является еще одним источни­ком растворенного кислорода. В некоторых случаях это приводит к нарушению равновесий из-за разности скоростей процессов по­ступления и выделения, и концентрация растворенного кислорода в некоторых зонах эпилимниона может быть больше равновесной.

В процессе фотосинтеза, как известно, происходит образование органических соединений и кислорода. Помимо углерода для фо­тосинтеза требуются азот, фосфор и ряд рассеянных элементов. В пресных незагрязненных водах лимитирующим питательным веще­ством обычно являются фосфаты, в загрязненных водах фотосин­тез в некоторых случаях лимитируется нитратами. Лимитирование рассеянными элементами встречается крайне редко.

Средний состав органического вещества фитопланктона опреде­ляется приближенной формулой C₁₀₆H₂₆₃O₁₁₀N₁₆P, поэтому более правильное по сравнению с уравнениями (2.54) и (2.55) отображе­ние картины фотосинтеза можно представить следующим брутто-уравнением:

106СO₂ + 16NO₃⁻ + НРО₄ ²⁻ + 122Н₂O

hν, микроэлементы → C₁₀₆H₂₆₃O₁₁₀N₁₆P + 138О₂. (2.98)

Образовавшийся в эпилимнионе фитопланктон обычно живет не более нескольких суток. Отмирая, он образует мертвую массу органических соединений, которые имеют тот же состав, что и ис­ходный фитопланктон. Эти органические соединения опускаются в глубь водоема и попадают в гиполимнион. Процесс их окисле­ния, выраженный брутто-уравнением, представляет собой реакцию, обратную фотосинтезу:

C₁₀₆H₂₆₃O₁₁₀N₁₆P →106СO₂ + 16NO₃⁻ + НРО₄ ²⁻ + 122Н₂O (2.99)

т. е. когда органическое вещество, образовавшееся в эпилимнионе при участии одного атома фосфора, распадается, оно становится потенциальным потребителем 138 молекул кислорода, но это про­исходит уже в гиполимнионе.

Поэтому когда в озере возникает стратификация, содержание кислорода в воде гиполимниона устойчиво снижается вследствие разложения органического вещества, выпадающего из эпилимниона. Станет ли гиполимнион анаэробным, зависит от суммарного количества органического вещества, поступающего в него в пери­од стратификации, которое контролируется главным образом на­личием питательных неорганических веществ, особенно фосфатов в эпилимнионе.

В соответствии с количеством поступающих в водоем питатель­ных веществ водоемы можно разделить на олиготрофные и эвтрофные.

Олиготрофное озеро — это озеро, в котором поступление пита­тельных веществ незначительно, поэтому продуктивность фотосин­теза мала и вода содержит кислород на всех глубинах.

В эвтрофном озере наблюдается рост биопродуктивности, свя­занный с интенсивным поступлением питательных веществ. В пе­риод стратификации весь кислород в гиполимнионе может быть израсходован. Величина ре⁻ гиполимниона резко снижается, и на­чинаются процессы сульфат-редукции. В воде гиполимниона нака­пливается токсичный для живых организмов сероводород. В этот период рыбы находятся лишь в эпилимнионе и зоне термоклина, в которых есть кислород и нет сероводорода. При водообмене в эвтрофном озере сероводород и другие токсичные соединения будут перемешиваться со всем объемом воды и постепенно окисляться, по­скольку за счет поступающего в водоем кислорода редокс-уровень во всем водоеме повысится. Однако по истечении некоторого пери­ода времени, продолжительность которого зависит от количества образовавшегося в гиполимнионе сероводорода и скорости его раз­ложения, во всем водоеме содержание сероводорода может превы­сить допустимый уровень и вызвать гибель рыб. Такие явления, наблюдающиеся в некоторых водоемах, приводят к осенним или весенним заморам рыбы.

Когда олиготрофное озеро в результате антропогенного загряз­нения становится эвтрофным, этот процесс трудно сделать обрати­мым, даже если интенсивность поступления питательных веществ будет уменьшена до первоначального значения. Это связано с тем, что в период стратификации в эвтрофном озере значительная часть растворимых фосфатов связывается в эпилимнионе, например, с гидроксидами железа (III). Имея высокоразвитую поверхность, эти соединения активно адсорбируют фосфаты и, опускаясь в глубь во­доема, переносят их в гиполимнион. При их восстановлении и обра­зовании сульфидов или карбонатов двухвалентного железа (FeS или FeCО₃), которое будет происходить в восстановительной среде гиполимниона, фосфаты будут вновь выделены в раствор. В пе­риод водообмена часть этих фосфатов попадет в эпилимнион, и за счет этого внутреннего, дополнительного поступления питательных веществ водоем может сохранить эвтрофное состояние.

Существует и химическая стратификация. Она встречается там, где вода с более высокой соленостью, образовавшаяся в засушливый период или за счет растворения солей на дне озера, находится под менее соленой поверхностной водой. Такая химическая стратифика­ция может сохраняться многие годы. Одно из крупномасштабных проявлений химической стратификации демонстрирует, например, Черное море.