Растворённый кислород

Содержание растворённого кислорода (РК) в воде характеризует кислородный режим водоёма или водотока и имеет важнейшее значение для оценки его экологического и санитарного состояния. Концентрация РК в воде определяется соотношением двух групп противоположно направленных процессов: одни её увеличивают, другие – уменьшают.

К первой группе процессов, обогащающих воду кислородом, относят процесс абсорбции кислорода из атмосферы, называемый инвазией, и процесс выделения кислорода водной растительностью в результате фотосинтеза. Изменение равновесной с атмосферой концентрации РК зависит от температуры, минерализации (солёности) воды и величины атмосферного давления.

При повышении температуры концентрация кислорода в воде уменьшается. Это одна из причин, почему нельзя сбрасывать в водные объекты слишком тёплую воду. Кроме того, для поглощения кислорода важна скорость течения воды: при малых скоростях в водном объекте может произойти стратификация, когда перемешивание слоёв воды не происходит и скорость поглощения кислорода из атмосферы снижается.

Для характеристики содержания РК в водоёмах обычно определяют соотношение измеренной его концентрации и равновесной при одновременно измеренных температуре и минерализации воды, т.е. относительное содержание кислорода, выражаемое в процентах.

Растворённый кислород выделяется в воду зелёными растениями в процессе фотосинтеза. В ходе фотосинтеза происходит поглощение из атмосферы углекислого газа и образуется органическое вещество 6СО₂ +6Н₂О = С₆Н₁₂О₆ + 6О₂.

В основе реакции фотосинтеза лежит превращение энергии света в химическую энергию, которая даёт возможность превращать диоксид углерода в углеводы и другие органические соединения с выделением кислорода.

Фотосинтез протекает в поверхностном слое водоёма, глубина которого зависит от прозрачности воды (для каждого водоёма и сезона может быть различной, от нескольких сантиметров до нескольких десятков метров). Интенсивность этого процесса зависит от большого числа различных абиотических (физических и химических) и биотических факторов, которые обусловливают периодические сезонные и суточные колебания концентраций РК. В эвтрофных водоёмах при интенсивном развитии фитопланктона (цветении водоёма) вода поверхностных слоёв может оказаться пересыщенной кислородом; это пересыщение может достигать значительных величин (более 150%). Это обычное для периода цветения явление возникает в результате отставания скорости выделения кислорода в атмосферу (эвазии) от скорости насыщения воды кислородом в результате фотосинтеза.

К группе процессов, уменьшающих содержание кислорода в воде, относятся реакции потребления его на окисление органических веществ: биологическое (дыхание организмов), биохимическое (дыхание бактерий, расход кислорода при разложении органических веществ) и химическое (окисление Fe²⁺, Mn²⁺, NO, NH₄⁺, CH₄ , H₂S и т.д.). Скорость потребления кислорода увеличивается с повышением температуры, увеличением количества бактерий и других водных организмов и веществ, подвергающихся химическому и биохимическому окислению. В поверхностных слоях уменьшение концентраций РК может происходить вследствие выделения его в эвазии.

Химическая сущность дыхания состоит в соединении углерода и водорода органических веществ с кислородом. Как у животных, так и у растений оно происходит в химическом смысле одинаково. Однако у растений параллельно протекает процесс питания: под действием солнечных лучей организм растений синтезирует необходимые ему органические вещества из углекислого газа и воды, причём свободный кислород выделяется в воду. Общее его количество, выделяемое растениями в процессе фотосинтеза, примерно в шесть раз больше потребляемого ими при дыхании.

Концентрация кислорода определяет величину окислительно-восстановительного потенциала и в значительной мере – направление и скорость процессов химического и биохимического окисления органических и неорганических соединений.

Соотношение процессов выделения и потребления кислорода постоянно изменяется, что определяет значительные сезонные и суточные колебания концентраций РК. Амплитуда этих колебаний может быть различной в разных водоёмах в зависимости от экологического состояния водоёма и интенсивности биологических и биохимических процессов. Важнейшей чертой пространственной неоднородности в распределении РК в глубоких водоёмах (озёрах и водохранилищах) является ярко выраженная его зимняя и летняя стратификация. В глубоких слоях интенсивное потребление кислорода при отсутствии его источников приводит к резкому уменьшению концентраций РК вплоть до полного его отсутствия, называемого явлением аноксии. Аноксия обычно наблюдается в высокопродуктивных водоёмах, характеризующихся высоким содержанием органического вещества, и в водоёмах, загрязнённых органическими веществами антропогенного происхождения, и наносит огромный вред рыбному хозяйству.

Интенсивность потребления кислорода в глубинных слоях служит хорошим индикатором экологического состояния водоёма. В водоёмах средней полосы России весной и осенью стратификация разрушается; в результате полного перемешивания вся толща воды насыщается кислородом. В реках насыщение поверхностного слоя воды вследствие высоких скоростей течения и интенсивного перемешивания (аэрация) наблюдается постоянно, поэтому дефициты кислорода возникают только в ситуациях сильного загрязнения реки органическими веществами, когда процессы аэрации не успевают компенсировать потери кислорода на окисление загрязнений. Наиболее благоприятный кислородный режим характерен для горных рек, в которых в результате быстрого течения и аэрации содержание кислорода в воде близко к насыщению. Это способствует развитию рыб ценных пород, чувствительных к содержанию кислорода в воде (хариус, таймень и т.п.).

Минимальное содержание растворённого кислорода, обеспечивающее нормальное развитие рыб, составляет около 5 мг/дм³. Понижение его до 2 мг/дм³ вызывает массовую гибель (замор) рыбы. В соответствии с требованиями к составу и свойствам воды водоёмов хозяйственно-питьевого водопользования содержание растворённого кислорода в пробе, отобранной до 12 часов дня, не должно быть ниже 4 мг/дм³ в любой период года; для водоёмов рыбохозяйственного назначения – не ниже 4 мг/дм³ в зимний период (при ледоставе) и 6 мг/дм³ – в летний.

К природным факторам, влияющим на изменение содержания кислорода в водных объектах, относятся:

• сезонные изменения природных условий, как правило, не влияющие на состояние экосистемы;
• экстремальные природные события, например, формирование особо толстого слоя льда. Эти изменения могут нанести серьёзный урон экосистеме. Можно свести эти изменения к минимуму. Например, при большой толщине льда прорубают специальные отверстия, которые благоприятствуют насыщению воды кислородом;
• антропогенное воздействие: сброс в водные объекты веществ, способствующих снижению концентрации кислорода. Наиболее существенны соединения азота и, особенно, фосфора, которые стимулируют цветение воды, т.е. развитие микроводорослей, при отмирании которых происходит потребление кислорода на окисление органики.

Определение кислорода в поверхностных водах включено в полные и сокращённые программы наблюдений общегосударственных и ведомственных систем контроля за состоянием водных ресурсов, а концентрации РК в обязательном порядке учитываются в существующих методиках комплексных оценок качества воды водных объектов.

Определение концентрации РК в воде проводится методом йодометрического титрования – методом Винклера, широко используемым и общепринятым при санитарно-химическом и экологическом контроле.

Большое распространение в практике контроля качества воды получили также инструментальные методы определения РК в воде, позволяющие быстро получать массовые данные о характере его распределения в различных частях водоёма и во времени. К ним относятся различные электрохимические и оптические методы.

Ю.С. Даценко