Биогенные вещества

Биогенные вещества – минеральные вещества наиболее активно участвующие в жизнедеятельности водных организмов (ГОСТ 17 403-72). К ним относятся минеральные соединения N, P, Si, Fe и соединения некоторых микроэлементов (БЭС).
В. И. Вернадский называл их органогенными – веществами, входящими в состав биомассы микроорганизмов.
Цикл круговорота биогенных веществ, начатый в процессе фо­тосинтеза, заканчивается разложением морских растений и жи­вотных. В результате биогенные вещества переходят из органиче­ских в неорганические соединения (слайд). Этот процесс пере­хода биогенных веществ из сложных органических соединений в минеральные формы называется регенерацией.
Прямая регенерация органического вещества в океанах — процесс построения растениями органического вещества из веществ, выделяемых при деструкции органического вещества в поверхностной (продуктивной) зоне.
В результате прямой регенерации морским растением быстро возвращается часть усвоенных ранее биогенных веществ. Процесс прямой регенерации протекает непосредственно в зоне фотосинтеза, а пределы глубины распространения прямой регенерации определяются положением скачка плотности, который в свою очередь определяет глубину сезонных конвективных перемешиваний.
Непрямая регенерация органического вещества в океанах — процесс построения растениями органического вещества из веществ, выделяемых при деструкции сложных органических веществ.
Этот процесс распада органического вещества на биогенные элементы протекает на больших глубинах, ниже зоны конвективного перемешивания, и достигает дна, где происходит накопление биогенных веществ.
Постоянное пополнение биогенными веществами зоны фотосинтеза (где происходит его усвоение фитопланктоном) осуществляется в результате динамики водных масс. Особенно большое значение для обогащения верхней зоны биогенными элементами имеют турбулентные потоки в районе подъема глубинных вод при систематических сгонных явлениях в прибрежных зонах и в областях дивергенции.
Увеличение в поверхностных водах количества биогенных элементов вызывает в этих областях сильное развитие фитопланктона, обусловливающее богатство других форм животной жизни.

Соединения фосфора.Фосфор в морской воде содержится в виде иона ортофосфорной кислоты (минеральный фосфор) и в виде соединений в органическом веществе (органический фосфор). Считывая многообразие и сложность форм соединений фосфора в океане, более удобно выразить его концентрацию в пересчете на элементарный фосфор в мкг Р/л:
Робщ = Рнеорг + Рорг.
В водах океана содержание фосфора колеблется в широких пределах – от 0 до 100 мкг Р/л – и зависит в каждом отдельном районе от соотношения прихода и расхода фосфора в данный момент.
Приход фосфора. Основным источником поступления фосфора в морскую воду является минерализация органических остатков.
Первый – при отмирании организмов сложные органические вещества, входящие в состав тканей и клеток, постепенно разлагаются на более простые продукты. В конечном итоге происходит полная минерализация органических веществ и регенерация минеральных соединений фосфора.
Второй источник поступления фосфора в воду – материковый сток. Материковые воды содержат фосфор в виде органического фосфора и фосфора в минеральных взвесях. Ежегодно реки выносят значительное количество фосфора (до 300—1000 тыс. т в год), что имеет существенное значение для морей и приустьевых районов океана.
Расход фосфора. Основной процесс, уменьшающий содержание фосфора в морской воде, – это потребление его фитопланктоном. Скорость потребления, происходящего в основном в слое от 0 до 50 м, иногда до 100 м, зависит от интенсивности фотосинтеза. Таким образом, потребление фосфора происходит в основном в верхнем продуктивном слое, где фосфаты необходимы для развития растений.
Вертикальное распределение. Распределение фосфора в океане определяется процессами потребления фосфора и его регенерации (непрямой и прямой). Концентрация фосфора в поверхностном слое (0—50 м) вследствие его интенсивного потребления фитопланктоном меньше, чем в глубинных слоях. С глуби­ной содержание фосфора увеличивается и, быстро возрастая в слое скачка плотности (200—300 м), достигает максимума в слое кислородного минимума на глубинах 500–1200 м. С дальнейшим увеличением глубин содержание фосфора изменяются незначительно.
Наличие ясно выраженного максимума фосфатов в слое кисло­родного минимума можно объяснить теми же причинами, что и минимум кислорода, т. е. разложением остатков организмов, при котором потребляется кислород и выделяются биогенные вещества. Тесная связь между фосфором и фитопланктоном определяет суточный и сезонный ход фосфора в верхнем деятельном слое моря. Он характеризуется максимальным содержанием фосфора в ночное время и минимальным в дневное. В весенне-летний период, в пору интенсивного развития фитопланктона, содержание фосфора уменьшается зачастую до аналитического нуля. Осенне-зимний период характерен повышенным содержанием фосфатов.
Соединения азота.Азот в морской воде содержится в виде ряда неорганических и органических соединений. Неорганические соединения азота представлены нитратными ионами NO3--, нитритными NO2 - и ионами аммония NH4 + В органических соединениях азот находится главным образом в составе белка тканей организмов и продуктов его распада. Обмен азота между его неорганическими и органическими формами и живыми организмами является основным фактором, определяющим его содержание. Обмен азота осуществляется при двух противоположно направленных процессах – фотосинтезе (построение органического вещества) и распаде органического вещества.
Прямая регенерация происходит сравнительно быстро преимущественно в зоне фотосинтеза.
Непрямая регенерация протекает крайне медленно и под воздействием нитрифицирующих бактерий распадается на три фазы, охватывая все глубинные зоны океана. В первой фазе регенерации азота, связанного в органических веществах, появляется ион аммония NH4+, который наблюдается в наибольших количествах (20—25 мкг N/л) в верхней продуктивной зоне. В зависимости от сезона наблюдаются изменения в концентрации ионов аммония, связанные с его потреблением при фотосинтезе: увеличение осенью и зимой и уменьшение в весенне-летний период.
С глубиной концентрация NH4+ уменьшается, т.к. как в процессе регенерации ионы аммония переходят в нитритные ионы NO-2. Процесс перехода во второй фазе регенерации NH+4 в NO-2 совершается под воздействием нитрифицирующих бактерий в присутствии кислорода:
NH4+ +2O2=NO2- + 2H2O.
Нитриты как промежуточный продукт нитрификации содержатся в воде в очень малых концентрациях (до 10 мкг N/л, изредка до 20—30 мкг N/л). Присутствуют нитриты преимущественно в зоне фотосинтеза. Зимой нитриты отсутствуют и появляются весной при начале минерализации нового органического вещества. Максимум нитритов наблюдается в конце лета, в период интенсивного распада образовавшегося за лето органического вещества. Осенью содер­жание в воде нитритов уменьшается, и зимой нитриты полностью исчезают, превращаясь в нитраты. Нитритные ионы очень нестойкие и в третьей фазе регенерации под воздействием бактерий в присутствии кислорода окисляются в нитратные ионы:
2NO2- + O2=2NO3-.
Ионы NO3- являются конечным продуктом минерализации орга­нического азота и в морской воде находятся в большом количестве (до 400—500 мкг N/л). В верхней зоне океана в результате интен­сивного фотосинтеза, при котором NO~ потребляется водорослями, содержание его наименьшее (рис. 15). С глубиной содержание нитратов повышается вследствие умень­шения их потребления и увеличения процесса регенерации (непря­мой). Вертикальный ход NOT подобен ходу фосфорных соединений.
Сезонные изменения нитратов наблюдаются только в верхних слоях океана и связаны с интенсивностью процесса фотосинтеза. В осенне-зимний период наблюдаются максимальные значения N03-, а в весенне-летний сезон – минимальные, до полного исчезновения. Суточный ход нитратов в зоне фотосинтеза подобен суточному ходу фосфора.
Запасы нитратов в океане огромные, но основная доля их концентрации падает на глубинные и придонные слои океана. Поэтому, важнейшим фактором обогащения нитратами поверхностных слоев шляется динамика водных масс, т. е. перемешивание и поднятие дубинных вод на поверхность.
Таким образом, приход азотных соединений осуществляется в процессе нитрификации органического вещества при распаде остатков организмов. Кроме нитрификации, ионы азотных соединений поступают в Мировой океан с водами речного стока и с атмо­сферными осадками.
Расходуются соединения азота при усвоении их водорослями ю время фотосинтеза, а также при выпадении с органическими остатками в осадок дна.

Кремний.В морской воде кремний находится в виде слабой кремневой кислоты H2Si03 в истинно-растворенном высокодисперсном и коллоидном состоянии. Формы кремневой кислоты многообразны и изучены еще недостаточно, поэтому концентрация выражается в виде кремния (мкr Si/л).
Содержание кремния в морской воде довольно высокое — от 200 до 1200 мкг Si/л, но может достигать и 4000 мкг Si/л (в Японском море).
Высокое содержание кремния в поверхностных слоях океана обусловлено стоком речных вод, богатых кремнием. Поэтому кремний является хорошим показателем распространения речных струй.
С глубиной концентрация кремния в результате распада организмов, имеющих кремневые скелеты и панцири, увеличивается и достигает максимума у дна. Увеличению концентрации кремния у дна способствует и процесс растворения пород, слагающих дно. В поверхностном слое вследствие потребления кремния диатомовыми водорослями, радиоляриями и другими организмами его концентрация в течение года колеблется в широких пределах – от 200 до 2000 мкг Si/л, но никогда не падает до нуля. Кроме того, распределение кремния зависит от динамики вод, а в приустьевых районах от речного стока.

Органическое вещество.Океан по всей своей толще населен живыми организмами. Между водными организмами и химическим составом морской воды существует тесная связь. Деятельность живых организмов является основной причиной происходящих вморской воде изменений химического состава и круговорота веществ и определяет наличие в морской воде растворенного органического вещества, которое и отличает природную воду от химического раствора.
Органическое вещество подразделяется на две группы:
1) вещества, входящие в состав водных организмов (животных и растительных);
2) растворенное органическое вещество в виде коллоидных и молекулярных соединений, которые являются продуктами жизнедеятельности организмов и их неполного распада при отмирании.
Химический состав растворенного органического вещества весьма сложен и полностью не изучен. Основными его компонентами являются углерод, кислород, водород и в меньших количествах фосфор, сера, калий, азот, кальций и др.
Поступлениеорганического вещества в океан происходит двумя путями. Во-первых, это продукты биохимического распада остатков организмов и продуктов их жизнедеятельности. Во-вторых, это органические вещества, выносимые в Мировой океан реками. Кроме того, часть органического вещества попадает в океан из атмосферы.
Расходуется органическое вещество как продукт питания морских организмов, но основная часть его (свыше 80%) минерализуется. Органическое вещество довольно стойкое, и процесс минерализации его до простейших соединений (СО2, Н2О, СН4 и др.) протекает крайне медленно – более 60 суток.
Концентрация органического вещества в морской воде незначительная – примерно в пределах 1,98 – 5,42 мг/л, что в среднем составляет 3,0 мг/л, но его общее количество в океане огромно – 4- 1012 т.
С глубиной наблюдается постепенное убывание органического вещества.

Микроэлементы. В водах океанов и морей, кроме основных элементов (рассмотренных ранее), содержится большое количество микроэлементов. Микроэлементами принято называть растворенные вещества, содержание которых в морской воде менее 1 мг/л.
По количеству элементов эта группа самая многочисленная, а по концентрации характеризуется наименьшими величинами. Предполагается, что в морской воде содержатся все элементы, известные на Земле, но несовершенство методов химического анализа не позволяет пока их обнаружить.
Суммарное содержание всех микроэлементов составляет ничтожную долю – менее 0,002% общего состава растворенных в океане веществ, но общее количество их в океане очень велико.
Являясь катализаторами, микроэлементы имеют большое значение в физиологических процессах морских организмов. Они входят в состав дыхательного пигмента беспозвоночных животных (гемоцианина), являются составной частью крови, ферментов, гормонов и пр.
Морские животные и растения обладают избирательной спо­собностью к усвоению этих элементов. Моллюски, например, поглощают медь, асцидии и голотурии – ванадий, ниобий, радиолярии концентрируют стронций, медузы – цинк, олово, свинец, губки – иод, омары и лангусты – кобальт, планктон—золото, а' водоросли концентрируют иод, алюминий и т. д.
С присутствием микроэлементов в океанической воде связано и образование железомарганцевых, фосфористых и никелевых конкреций: в процессе жизнедеятельности бактерии концентрируют эти металлы.
Микроэлементы в морской воде присутствуют в ионной, молекулярной, коллоидной форме и во взвесях. Большинство форм микроэлементов неустойчиво, взвеси и коллоиды с течением времени выпадают в осадок.
Режим микроэлементов, их изменения во времени и пространстве изучены слабо вследствие трудности их аналитического определения и многообразия форм.
с недостаточным водообменом и вентиляцией, т. е. в придонных слоях и во впадинах. С подъемом глубинных вод (зоны конвер­генции) происходит увеличение количества СО2 и в поверхностных слоях.
Сезонный ход. Ввиду того, что интенсивность фотосинтеза, периодически меняющегося в течение года в зависимости от по­ступления солнечной радиации и температуры воды, оказывает значительное влияние на изменение СО2, содержание двуокиси углерода в поверхностных водах испытывает сезонные и суточные изменения.
Осенью и зимой содержание СО2 увеличивается, так как ох­лаждение морских вод способствует поглощению двуокиси угле­рода из атмосферы, а весной и летом при нагревании вод и бур­ном развитии фитопланктона содержание СО2 падает.
В дневное время, когда растительные организмы интенсивно усваивают двуокись углерода, его содержание в воде уменьша­ется, а ночью возрастает.
Ионы водорода. Водородный показатель (рН). Концентрация "ионов водорода в морской воде определяет многие ее практически важные свойства (способность растворять горные породы, дейст­вие воды на бетон, корродирующие свойства и др.) и относится к числу гидрохимических характеристик, имеющих большое и раз­ностороннее значение.
Рассмотрим способы количественного выражения концентрации ионов водорода.
Молекула воды диссоциирует на ионы водорода и гидроксила:
[Н2О]^[Н+] + [ОН-1. Применяя закон действующих масс, получим:
/, = /г, [Н2О], У2=Л2[Н+1 [ОН"];
при
Vi=V2 ft1[H2O]=fc[H-i-] [ОН"],-
откуда
kx __ [Н+] [ОН-] h ~ [Н2о]
Отсюда константа равновесия воды (константа диссоциации)
_ »i _ [Н+] [ОН-] дн2о — k2 ~ [Н2О]
По величине электропроводности было установлено, что при 22°С концентрация ионов водорода, а следовательно, и гидрок-сильных в чистой воде равна 10"7 г-ион/л. Количество молей воды в 1 л составит
1000 сг. г. ,
—^5—=5о,5 моль/л. .
.58
Заменим буквенные выражения Кно числовыми:
„ IP"? . Ю-7
К™ =-----5W-----= 1'8 ' 10 •
Так как вода чрезвычайно слабо диссоциирована, а величина к очень мала, принято пользоваться ионным произведением
ВОДЫ Кв'-
[Н+][ОН-]=Л-Нзо[Н2О]=Л'в.
Ионное произведение Кв для данной температуры строго по­стоянно и при 22° С равно
Кв=10~7 ■ КГ7=1(Г14 г-ион/л.
С изменением температуры оно будет равно n-10~14, где п — коэффициент, зависящий от температуры. Так, например, Кв при 50° С равно 5,6- 1(Н4, а при 100° С 74 • 10~14 г-ион/л.
Ионное произведение воды — очень важная величина. Она по­зволяет для любого водного раствора найти концентрацию ионов Н+ при известной концентрации ОН~ и наоборот. Чтобы опреде­лить реакцию раствора, достаточно знать концентрацию одних каких-либо ионов. Принято реакцию раствора характеризовать концентрацией ионов водорода.
Поскольку для чистой нейтральной воды [Н+]=[ОН~], то при 22° С .
[Н+]2=/Гв=10-14 г-ион/л,
откуда [Н+]= ]/10-14=10-7.
Если в водном растворе [Н+] больше 10~7 г-ион/л, то такой ра-:твор имеет кислую реакцию. Кислая реакция тем больше, чем Зольше концентрация ионов водорода. Раствор, в котором [Н+] меньше 10~7 г-ион/л, имеет щелочную реакцию. Щелочная реак­ция увеличивается с уменьшением концентрации ионов водорода.. При [Н+], равном 1(Н г-ион/л, реакция нейтральная.
Практически удобнее пользоваться не абсолютным выраже­нием концентрации ионов водорода, а ее отрицательным логариф-иом. Сервисен предложил назвать эту величину водородным по­казателем и обозначить рН:
-lg[H+]=pH, -lg[10-7j=7.
Соответственно водородному показателю реакция воды будет:
кислая — при рН= 1 н-3,
слабокислая — при рН = 4ч-6,
нейтральная — при рН = 7,
слабощелочная — при рН = 8-т-10,
Щелочная — при рН= 11 -f-14.
В морской воде рН зависит главным образом от соотношения-:°нцентрации угольной кислоты и ее ионов. Она определяет рав-[овесие между угольной кислотой (кислая реакция), карбонатами