Хімічні та біологічні перетворення

Діоксид вуглецю у водних екосистемах

Атмосферне повітря містить 0,03 % діоксиду вуглецю за об’ємом, або 0,047 % за масою. Основним джерелом зрос­тання концентрації СO2 в атмосфері є гниття рослин, дихання тварин та продукти повного окиснення вуглецю, що надходять у повітря при спалюванні кам’яного вугілля, нафти, газу та інших енергоносіїв.

Діоксид вуглецю є кінцевим продуктом дихального обміну і одночасно вихідним метаболітом гетеротрофних організмів, який використовується автотрофами в процесі фотосинтезу. На відміну від рослин, у яких метаболічні механізми спрямо­вані на перенесення і тканинну утилізацію найбільшої кіль­кості СО2 з навколишнього середовища, у тварин, навпаки, сформувались ефективні фізіологічні механізми його видален­ня з тканин, що дихають, та виведення з організму.

Основними джерелами надходження діоксиду вуглецю у водне середовище є його інвазія з атмосфери, дихання гідро­біонтів, виділення із солей вугільної кислоти внаслідок хіміч­них реакцій та процесів гниття органічних речовин. Коефіці­єнт розчинності С02 у воді вищий, ніж кисню. Він становить при нульовій температурі 1,713 (для кисню цей показник 0,049).

Між атмосферою і водним середовищем відбувається постій­ний обмін діоксидом вуглецю, який пов’язаний з урівнова­женням парціального тиску в системі атмосфера-вода. У зв’язку з цим при зростанні концентрації СO2 в атмосфері збільшується і його вміст у воді. І, навпаки, коли підвищу­ється концентрація діоксиду вуглецю у воді, відбувається його перехід у атмосферу. Коефіцієнт розчинності діоксиду вугле­цю у воді залежить від її температури та концентрації розчине­них солей. Як в прісних, так і в морських водах розчинність СO2 значно перевищує рівень розчинності кисню. При цьому насиченість ним солоної морської води менша, ніж прісної.

Вміст СO2 в континентальних водоймах може коливатись у дуже широких межах. Так, у дніпровських водосховищах після стабілізації гідрохімічного режиму в залежності від сезону року, біологічних і хімічних процесів, що відбуваються у товщі води і донних відкладеннях, його концентрація може колива­тись від 0 до 55-60 мг/дм3. Найбільш високий його вміст – в період льодоставу.

У літні дні внаслідок інтенсифікації процесів фотосинтезу водоростей і вищих водяних рослин, в ході якого засвоюється діоксид вуглецю, його концентрація у поверхневих водах знижується до аналітичного нуля. Одночасно змінюється і активна реакція води в лужний бік (до рН 9-9,7). Влітку вміст СO2 у воді коливається протягом доби, що пов’язано з більшою фотосинтетичною активністю рослинних організмів, зокрема планктонних водоростей, у світловій фазі.

Вміст діоксиду вуглецю в природних водоймах може коливатись внаслідок не тільки біологічних процесів, а й хімічних перетворень його сполук. Розчинений у воді діоксид вуглецю частково вступає в реакцію з водою, внаслідок чого утворюється вугільна кислота:

Н2O + CO2 = Н2СO3

Як двохосновна кислота, Н2СO3 може утворювати два види солей: середні вуглекислі (карбонати) з аніоном СO32- та кислі вуглекислі, або гідрокарбонати НСО3-.

Кількісні співвідношення окремих форм вугільної кислоти (Н2СО3, HCO3-, CO32-) у воді обумовлюють величину рН.

У відповідності із законом діючих мас можна розрахувати кількісні співвідношення окремих форм діоксиду вуглецю та його сполук при різних значеннях рН.

Стабільність рН природних вод обумовлена наявністю НСO3- і СО32-. За відсутності або низьких концентрацій цих іонів рН води при насиченні СО2 зміщується у кислу сторону. Сума різних форм вугільної кислоти (СО2, Н2СО3, НСО3- і СО32-) складає карбонатну систему. Поряд з вуглекислотою та її похідними вона включає іони водню, кальцію, магнію та інші розчинені речовини.

Наявність карбонатів у природних водах обумовлена реак­ціями розчинення карбонатних порід та хімічного вивітрю­вання алюмосилікатів.

Карбонатна система є одним з ефективних регуляторів вмі­сту СО2 і рН природних вод. Так, підвищення концентрації розчиненого СО2 у воді викликає зростання концентрації іонів водню, що, в свою чергу, знижує вміст СО32-. Насичення води карбонатом кальцію при цьому зменшується, а сам СаСО3 розчиняється. І, навпаки, при зниженні вмісту СО2 (коли підвищується рН) зростає концентрація СО32-, внаслідок чого солі (переважно карбонат кальцію) випадають в осад і частково осідають на листя і стебла водяних рослин, утворюючи білий наліт. Карбонатна система відіграє важливу буферну роль, запобігаючи різким змінам рН водного середовища, які негативно позначаються на гідробіонтах.

Концентрація вільного діоксиду вуглецю може перевищувати концентрацію його збалансованих сполук з гідрокарбонатними іонами. Про це свідчить зрушення реакції води в кислу сторону. У такому випадку говорять про вуглекислотну агресивність води.

Оцінюючи роль вуглекислоти як основного джерела вуг­лецю у живій речовині, В. І. Вернадський відзначав, що вона утворюється з вугільної кислоти атмосфери або з вугільної кислоти, розчиненої у воді. Всі інші джерела вуглецю, які жива речовина використовує у земній корі, генетично зв’язані з нею. Головна маса рослинного життя зосереджена у гідро­сфері, але вона повністю залежить від атмосферного СО2, який є для неї головним джерелом живлення.