Экологическая химия натуральной морской воды
Алиева Рафига Алирза кызы,
доктор химических наук, профессор, член-корр. НАНА, зав. лабораторией «Экологическая химия и охрана окружающей среды»,
Гаджиева Севиндж Рафиг кызы,
доктор химических наук, профессор, зав. кафедрой «Экологическая химия»,
Алиев Самир Гадир оглы,
д.ф.п.х., докторант,
Алиева Тарана Ибрагим кызы,
кандидат химических наук,
Велиева Зарифа Талыб кызы,
кандидат химических наук, зав. лабораторией кафедры «Аналитическая химия».
Бакинский государственный университет.
Натуральную морскую воду нельзя считать раствором различных солей, то есть чем-то неживым. Если мы возьмем небольшое количество воды с поверхности моря и рассмотрим его под микроскопом, то увидим множество различных микроорганизмов. Эти микроорганизмы в процессе жизнедеятельности выделяют в воду органические вещества, часть из которых потребляется другими организмами, а остальные накапливаются в воде.
Еще в 1873-1876 годах гидробиолог английской морской экспедиции на корабле «Челленджер» Диттмар открыл, что соотношение различных солей в водах Мирового океана постоянно при существенных различиях в общей солености. Постоянство химического состава морской воды обусловлено громадной ее массой и единством Мирового океана. Около 70 % поверхности Земли покрыто морской водой. Эта водная масса под воздействием горизонтальных и вертикальных течений постоянно находится в движении. Если в какой-то области по каким-либо причинам возникают отклонения в химическом составе воды, то они быстро устраняются в результате перемешивания, тем самым сохраняется постоянство состава. Однако, в таких изолированных областях, как устья рек и внутренние моря, возможны значительные отклонения химического состава воды.
В морской воде найдены почти все элементы периодической таблицы Д. И. Менделеева. В более малых количествах растворены берилий, кадмий, хром, титан, висмут и вольфрам. Основными компонентами морской воды являются: хлор (55,04 % от всех элементов), натрий (30,61 %), кислород, сера (7,68 %), магний (3,69 %), кальций (1,16 %) и калий (1,10 %).
Каждый элемент морской воды играет свою роль в жизни гидробионтов, однако значение некоторых элементов остается до настоящего времени неизученным. Некоторые элементы уходят из раствора за счет осаждения, адсорбции и потребления животными и водорослями. Образуется дефицит этих элементов. Другие, наоборот, накапливаются в значительных количествах. Нехватка одних элементов и избыток других отражается на жизненных функциях гидробионтов и может привести к их гибели. Имея некоторый опыт содержания морского аквариума, можно по внешним признакам (поведение, окраска, замедление развития, реакция и т. п.) установить «ответственный» в этом ухудшении элемент и своевременно принять восстановительные меры.
Углерод, водород, кислород, азот, сера и фосфор входят в состав жиров, белков, углеводов и других веществ, снабжающих организмы энергией и образующих их ткани. Натрий, калий, магний, кальций, хлор, фосфор и сера определяют ионный баланс во внутренних жидкостях. Основными материалами костеобразования являются фосфат и карбонат кальция. Для нормального фотосинтеза водорослей необходимы азот, фосфор, калий, магний и железо. Все организмы содержат большое количество воды, а следовательно кислород и водород. Перечисленные выше элементы составляют 99,99 % от массы организмов и поэтому называются макроэлементами. Остальные же, так называемые микроэлементы, присутствуют в следовых количествах и оказывают биокаталитическое действие на организм. Они определяют направленность и ход многих биохимических и физиологических процессов в организмах животных. Микроэлементы прямо или косвенно действуют на образование и активность энзимов. Энзимы способствуют протеканию законченных биохимических реакций внутри мягкого тела. Например, углеводы, такие как целлюлоза древесины, могут реагировать с кислородом при горении и выделять тепло. В организме животных взаимодействие углеводов и кислорода приводит к выделению энергии. Без действия энзимов из пищи не высвобождалась бы энергия и не образовывалась бы ткань. Микроэлементы подразделяют на три группы. К первой группе относят жизненно необходимые микроэлементы: железо, медь, цинк, кобальт, марганец, литий, йод, молибден и некоторые другие. Они либо непосредственно входят в состав белковых молекул, ферментов, витаминов, либо участвуют в процессе их образования. За перенос кислорода кровью внутри организма ответственен гемоглобин. У животных в состав гемоглобина входит железо. Резервное железо накапливается в печени и селезенке животных и при необходимости расходуется на образование пигмента крови, причем этот процесс нормально протекает только при наличии адекватного соотношения железа, меди и кобальта. Железо также необходимо для фотосинтеза растений. Медь играет важную роль в фотосинтезе растений, она также участвует в синтезе гемоглобина у животных. В крови различных беспозвоночных содержится около 0,15-0,25 % меди. Медь влияет на рост и развитие гидробионтов, повышает невосприимчивость организмов к некоторым инфекциям. Она также принимает участие в процессах пигментации рыб. В процессе развития кровеносной системы рыб участвует никель. Цинк является компонентом энзима, высвобождающего двуокись углерода из бикарбоната в крови. Цинк, также, влияет на активность половых и гонадотропных гормонов гипофиза рыб, входит в состав многих других ферментов. При недостатке цинка снижается интенсивность фотосинтеза у растений, возникает кислородное голодание гидробионтов, нарушается обмен веществ. Кобальт является необходимым компонентом витамина В12. Он участвует в фиксации растениями молекулярного азота. Влияние кобальта на организм животных многосторонне. Его недостаток снижает продолжительность жизни животных, вызывает анемию. Кобальт стимулирует образование гемоглобина и эритроцитов, ускоряет рост и развитие гидробионтов. Ванадий принимает участие в окислительно-восстановительных процессах, а также способствует увеличению биомассы бурых водорослей. Биохимическая роль марганца связана с ферментами, гормонами и витаминами. Марганец выполняет роль окислителя и в анаэробных условиях выступает как акцептор водорода, участвует в углеводном обмене, активизирует дыхание растений. Биологическая роль лития проявляется в его воздействии на процессы развития и метаморфоза, а также на процесс тканевого дыхания. Йод входит в состав скелета кораллов и губок, является непременной составной частью гормона щитовидной железы-тироксина. При его недостатке в условиях аквариума рыбы плавают с приоткрытым ртом, а актинии и другие кишечнополостные продолжительное время не выпускают щупальца. Молибден принимает участие в синтезе белков растений путем активизации усвоения аммиачного и нитратного азота.
Ко второй группе относятся те микроэлементы, биологическая активность которых невелика: цезий, рубидий, стронций, алюминий, кадмий, хром и некоторые другие. Содержание цезия у беспозвоночных животных выше, чем у позвоночных. Он оказывает незначительное влияние на кровообращение. Рубидий по своему биологическому действию очень близок к калию, который содержится в морской воде в значительных количествах. Кремний и алюминий принимают участие в построении эпителиальной и соединительной ткани. Хром необходим для процессов кроветворения. Кадмий влияет на ряд ферментативных процессов.
Третью группу составляют элементы, не участвующие в биохимических процессах в организме: уран, цирконий, ниобий, лантан, серебро и другие.
Микроэлементы присутствуют в морской воде во взвешенной форме, в виде ионов, металлорганических комплексов, неорганических комплексов ионов и молекул, коллоидов. Металлорганические комплексы представляют собой хелатные соединения, наиболее устойчивые в щелочной морской воде. Растворенных металлорганических комплексов содержится в природной морской воде до 10 %. Железо наиболее активно вступает во взаимодействие с растворенным органическим веществом, затем следует цинк, медь и никель. Основное состояние металлов в природной морской воде – неорганический ионно-молекулярный раствор. Во взвешенной форме находится до 1-20 % микроэлементов.
Концентрация микроэлементов в морской воде может быть недостаточной, нормальной и избыточной. Так, при содержании ионов марганца в воде 2-5 мг/л происходит стимуляция энергетического обмена моллюсков, при повышении концентрации до 17-20 мг/л сильно возрастает потребление кислорода, дальнейшее повышение содержания марганца приводит к летальному исходу многих животных. Основными параметрами, характеризующими химический состав морской воды, являются соленость, хлорность, удельный вес и плотность.
Рассмотрев основные параметры естественной среды обитания морских организмов, можно сделать следующие выводы:
1. Морская вода имеет постоянный химический состав.
2. Она содержит все жизненно важные элементы.
3. В морской воде постоянно высокое содержание кислорода.
4. Содержание углекислого газа невелико и регулируется карбонатной системой.
5. Содержание органических веществ в воде несущественно, их концентрация не вызывает угнетения организмов.
6. Содержание азота и фосфора низкое.
7. Содержание бактерий в воде незначительно.
8. Значение рН находится в пределах 8,0 - 8,3, резкого его изменения не происходит.
9. Вода находится в постоянном движении.
10. Интенсивность освещения высокая и спектральный состав падающего на поверхность воды света достаточно широк.
Поступила в редакцию 29.12.2011 г.