Е.А. Зилов
Гидробиология и водная экология
Учебное пособие. – Иркутск: Иркут. ун-т, 2007.
Раздел 4. Загрязнение водных экосистем
21. Проблема повышения кислотности вод
21.2. Действие кислотных осадков на окружающую среду
Чувствительность водоемов к
повышению кислотности
Внутренние водоемы, особенно чувствительные к повышению
кислотности, характеризуются высокой прозрачностью, низкой минерализацией
(проводимость ниже 50 мS см–1), относительно низким
содержанием гидрокарбонат–ионов, ANC<50 мкэкв л–1. В Восточной
Канаде примерно 350 000 таких озер, из них уже 14 000 закислены
(pH < 4,7, ANC < 0 мкэкв л–1). В
Швеции примерно 85 000 озер площадью более 1 га, из которых закислены
около 20 000 и 90 000 км закисленных водотоков. В Норвегии водоемы и
водотоки закислены на площади около 33 000 км2.
При использовании видового состава водорослей в осадках как
индикатора кислотности было показано, что большинство озер Адирондэйкских гор
(США) в 1900 г. имели pH около 6,0. Сейчас pH снизился на величину от 1,0
(в 10 раз) до 2,0 (в 100 раз) в большинстве озер, при наибольшем росте
кислотности между 1920 и 1950 г. (Cumming et al., 1994).
Чувствительность к закислению определяется (Kalff, 2002):
- способностью почв и пород бассейна
нейтрализовать поступающие кислоты;
- морфометрией озера и особенностями
бассейна;
- содержанием органических кислот в
смывах с бассейна;
- нейтрализующими агентами и процессами
в водной системе.
Способность почв и пород водосборного бассейна нейтрализовать
поступающие кислоты – определяющий фактор закисления озер в регионах с низким
pH осадков. Чем больше доля карбонатных пород в водосборном бассейне, тем выше
устойчивость озер к закислению. В богатых карбонатами бассейнах поступающие
ионы нейтрализуются, освобождая ионы кальция или магния, углекислота поступает
в атмосферу. Наоборот, озера, расположенные в бассейнах, образованных
изверженными породами (гранитами, базальтами, гнейсами) очень чувствительны к
закислению.
Озера, расположенные в изголовье бассейна, также очень
чувствительны, поскольку площадь бассейна мала, слой почвы тонок, практически
все осадки напрямую попадают в озеро.
3/4 из 1 180 озер, исследованных в чувствительных к
закислению частях США, были закислены органическими кислотами, поступающими с
водосбора (Baker et al., 1991). В Финляндии большое число озер закислено по той
же причине (Finnish lake…, 1991).
В бассейнах, сложенных изверженными породами, HCO3–
высвобождается в процессах выветривания. Некоторое количество водород–ионов
связывается при растворении гидроксидов и оксидов алюминия, двуокиси кремния.
Часть заменяет катионы в частичках почвы. Буферные свойства почв определяются:
Долей силикатов и глинистых веществ, способных к
выветриванию;
Долей отрицательно заряженных частиц почвы, связанных с Ca2+,
Mg2+, NH4+, Al3+, которые могут
заменяться на H+;
Временем контакта воды с почвой, зависящим от толщины и
структуры почвенного покрова.
Буферная емкость озер, рек и
болот
Нейтрализационная емкость вод (процессы, воздействующие на
нее, приведены в таблице 42) определяется, в упрощенной форме, как
ANC = [HCO3–] + [CO32–]
+ [OH–] ± [Al–] – [H+] – У [Al+],
где
У [Al+] = 3 [Al3+]
+ 2 [AlOH2+] + [Al (OH)2+].
Кроме того, обменная
ANC = [Ca2+] + [Mg2+] +
[Na+] + [K+] + [NH4+] – [SO42–]
– [Cl–] – [NO3–].
Таблица 42
Процессы, воздействующие на ANC,
выраженную в молях потребленного CH2O
(∆ ANC, органическая) и на моль восстановленного неорганического
субстрата (∆ ANC, неорганическая) (Kalff, 2002)
Процессы
|
Реакция
|
∆ ANC, орг.
|
∆ ANC, неорг.
|
Выветривание
|
CaCO3+2H+↔Ca2++CO2+H2O
|
–
|
+2
|
|
CaAl2Si2O8+2H+↔Ca2++H2O+Al2Si2O8(OH)4
|
–
|
+2
|
|
Al2O3+3H2O+6H+↔2Al3++6H2O
|
–
|
+6
|
Ионообмен
|
2ROH+SO42–↔R2SO4+2OH–
|
–
|
+2
|
|
NaR+H+↔HR+Na+
|
–
|
+1
|
Денитрификация
|
2CH2O+NO3–+2H+↔2CO2+NH4++H2O
|
+1
|
+2
|
|
5CH2O+4NO3–+4H+↔5CO2+2N2+7H2O
|
+0,8
|
+1
|
Восстановление марганца
|
CH2O+2MnO2+4H+↔CO2+2Mn2++3H2O
|
+4
|
+2
|
Восстановление железа
|
CH2O+4FeO(OH)+8H+↔CO2+4Fe2++7H2O
|
+8
|
+2
|
Восстановление сульфата
|
2CH2O+SO42–+2H+↔CO2+H2S+2H2O
|
+1
|
+2
|
Нитрификация
|
NH4++2O2↔NO3–+2H++H2O
|
–1
|
–2
|
Окисление марганца
|
2Mn2++O2+3H2O↔2MnO2+4H++H2O
|
–4
|
–2
|
Окисление железа
|
4Fe2++O2+6H2O↔4FeO(OH)+8H+
|
–8
|
–2
|
Окисление сульфидов
|
H2S+2O2↔SO42–+2H+
|
–1
|
–2
|
Окисление пирита
|
FeS2+3ѕO2+3ЅH2O↔Fe(OH)3+2SO42–+4H+
|
–1,1
|
–4
|
Действие закисления на водную биоту
Закисление практически не сказывается на обилии гетеротрофных
бактерий в планктоне. Не отмечено и изменения минерализационной активности
бактерий.
Отмечается замена некоторых макрофитов, например, Lobelia и
Isoetes на мхи рода Sphagnum. Наблюдается массовое развитие нитчатых зеленых
водорослей. Число видов фитопланктона уменьшается, но ни биомасса
фитопланктона, ни продукция не снижаются. Золотистые, другие мелкие жгутиковые
и диатомовые вытесняются динофитовыми водорослями. Биомасса зоопланктона
меняется мало, но чувствительные виды замещаются устойчивыми к загрязнению.
Происходит замена крупных форм мелкими.
В зообентосе снижается доля гаммарид, моллюсков, тогда как
водяные ослики сохраняются, не меняется биомасса хирономид, водяных жуков,
клопов. Чувствительны к закислению личинки целого ряда насекомых (ручейников,
поденок, верблюдок). Чувствительна к закислению ихтиофауна, особенно форель.
При pH < 5,0 рыбы, как правило, отсутствуют (Comparison..., 1991;
Experimental acidification…, 1993).
|