Биогенные вещества. 
Химический состав и гидрохимический режим рек Европейской части

Биогенное вещество — это органогенные осадочные породы, состоящие из продуктов жизнедеятельности живых организмов или представляющие собой их разложившиеся остатки (известняки, ракушечные породы, горючие сланцы, ископаемые угли, нефть и др.). Они являются источником чрезвычайно мощной потенциальной энергии. В. И. Вернадский отмечал, что вещество биосферы состоит из 7 разнородных частей, геологически не случайных: живое вещество, биогенное, косное, биокосное и др.

К группе биогенных веществ, находящихся в воде, принадлежат прежде всего ионы нитратный N0 и нитритный N0, ионы аммония и фосфорной кислоты и Н2РО". Биогенные вещества образуются в природных водах по преимуществу в результате распада органических веществ, претерпевающих химические изменения под влиянием биологических процессов. Вещества эти в природных водах содержатся в весьма малых количествах (в пределах от тысячных до десятых долей миллиграмма в кубическом метре), но имеют важное значение для развития жизненных процессов. Кроме соединения фосфора и азота, к биогенным веществам относятся соединения железа и кремния К биогенным элементам в природных водах относятся азот, фосфор и кремний в различных соединениях. Они имеют особое значение в развитии жизни в водоемах. Азот и фосфор являются обязательными составными частями тканей каждого живого организма. Их роль в природных водах аналогична роли азотных и фосфорных удобрений для сельскохозяйственных культур, без них не могли бы развиваться и водные растения, а, следовательно, и животные. В свою очередь концентрации биогенных элементов и их режим целиком зависят от интенсивности биохимических и биологических процессов, происходящих в водоемах. Выделение этой группы до некоторой степени условно, так как в жизненных процессах, происходящих в природных водах, участвует и ряд других элементов (Са, Мg, К и др.).

Азот содержится в природных водах в виде ряда неорганических и большого числа разнообразных органических соединений.

Из неорганических соединений в воде содержатся аммонийные NH4+, нитритные NO2-и нитратные NО3-ионы.

В органических соединениях азот находится главным образом в составе белка тканей организмов и продуктов его распада, образующихся как при отмирании самих организмов, так и при распаде продуктов их жизнедеятельности. Органические соединения, содержащие азот, присутствуют в воде в самых различных формах взвесей (остатки организмов), коллоидов и растворенных молекул, образовавшихся при биологических процессах и биохимическом распаде остатков организмов.

Неорганические соединения азота (нитраты, нитриты, аммоний) совершенно необходимы для жизни растений как питательные вещества. Они усваиваются растениями в процессе фотосинтеза и входят в состав тканей их организмов, а если этими растениями питаются животные, то и в состав животных организмов. При интенсивном развитии водных растений неорганический азот может быть полностью извлечён из воды. В этом случае дальнейший рост растений приостанавливается.

Из источников связанного азота в природных водах прежде всего, следует отметить поступление нитратов с дождевой водой, в которую последние попадают, с одной стороны, в результате окисления различных азотосодержащих соединений в почве и атмосфере, с другой — при окислении азота электрическими разрядами в атмосфере, затем — менее широко распространенный процесс связывания азота азотфиксирующими бактериями, имеющими значение для жизни в природных водах.

Кроме указанных естественных источников для неорганических соединений азота, в природных водах существует еще источник, приобретающий все большее значение, — поступление соединений азота с промышленными и особенно бытовыми сточными водами. Эти соединения являются одним из показателей ухудшающегося санитарного состояния водоемов.

Концентрация NH4+в незагрязненных поверхностных водах обычно составляет сотые доли мгN/л и редко повышается до 0.5мгN/л.

Повышение количества аммония могут быть в анаэробных условиях, где невозможен процесс нитрификации. Очень большие его количества встречаются в подземных водах закрытых структур, связанных с нефтеносными слоями и в застойных участках морей. Например, в глубинной зоне Черного моря концентрация NH4+доходит у дна до 1,2 мг/л.

Кроме ионного состояния, аммониевая группа находится в природных водах в сложных органических соединениях, получающихся при неполном распаде белковых веществ.

Концентрация нитритов в естественных условиях из-за их нестойкости очень незначительна. Большую часть года в поверхностных водах нитриты аналитически не обнаруживаются или присутствуют, в тысячных долях мг/л. Несколько увеличивается их содержание к концу лета, когда усиливается распад органического вещества. В грунтовых водах их содержание несколько выше. Будучи промежуточным нестойким продуктом нитриты при появлении, их в повышенном количестве указывают на усиленное разложение органических остатков и задержку окисления NO2-до NО3-, что показывает на загрязнение водоема, т. е. является важным санитарным показателем.

Нитратные ионы среди других неорганических соединений связанного азота наиболее устойчивы, их главным потребителем являются растения. Поэтому в поверхностных слоях водоемов (рек, озер и морей) для режима NО3-характерно уменьшение и часто полное их исчезновение в вегетационный период. Недостаток нитратов нередко приостанавливает развитие определенных видоводных растений. В осенний период с отмиранием растений в процессе минерализации органических веществ нитраты накапливаются и достигают максимума зимой. Концентрация NО3-обычно в пресных поверхностных водах составляет сотые и десятые доли мг/л. В грунтовых водах содержание их может быть значительно повышенным, особенно в населенных пунктах.

В природных водах растворённый фосфор присутствует в виде неорганических и органических соединений, причём последние находятся как в растворенном, так и коллоидном состоянии. Кроме того, фосфор находится в воде в виде взвесей также неорганического и органического происхождения.

Так же, как и для азота, обмен фосфора между его неорганическими и органическими формами, с одной стороны, и живыми организмами, с другой, является основным фактором, определяющим его концентрации. Он осуществляется при двух противоположно направленных процессах — фотосинтезе и разложении органического вещества. Круговорот фосфора несколько проще, чем азота.

Присутствие фосфатов в ещё большей степени необходимо для развития растений: при полном их исчезновении, наблюдаемом при интенсивном фотосинтезе, развитие растений прекращается. Большая часть фосфатов, использованных водными растениями и животными, возвращается обратно в воду в процессе жизнедеятельности организмов или при минерализации их остатков, и лишь некоторая часть попадает на дно водоемов с остатками организмов. Регенерация фосфора протекает значительно быстрее, чем азота, потому что азот более прочно входит в состав белка как одна из основных его структурных единиц, в то время как фосфор в виде остатков фосфорной кислоты легко отщепляется от органических соединений при их распаде.

Присутствие кремния в воде является серьезной помехой в технике, так как при продолжительном кипячении воды кремний образует в котлах очень твердую силикатную накипь.