Особливість вивчення водних екосистем

Саме завдяки такій структурі нирок відбувається фільтрація плазми у просвіт боуменовської капсули, з якого при проходженні по системі канальців реабсорбуються Na, K, Cl, амінокислоти та деякі інші низькомолекулярні сполуки. Внаслідок цього виділяється гіпотонічна сеча, а осмотично активні речовини залишаються в організмі. Крім того, деякі іони можуть абсорбуватись безпосередньо з води зябровим апаратом.

На відміну від прісноводних у морських риб цей процес має зворотний характер, тобто виводяться солі і утримується вода. По відношенню до водного середовища прісноводні види риб - гіперосмотичні, а морські - гіпоосмотичні. Вода, яка надходить в організм риб через зовнішні покриви тіла та слизову оболонку травного шляху гіпоосмотична по відношенню до внутрішнього середовища риб. Прісноводні риби не п'ють активно воду, але вона в значній кількості надходить в організм через зябровий апарат та слизові оболонки ротової порожнини та інших частин тіла. Певна частина води потрапляє під час заковтування поживи. Усе це створює постійну загрозу гіпергідратації їх організму (рис. 125).

У морських костистих риб вода через шкіру і зябра не надходить, а навпаки, втрачається і, щоб попередити обезвожування організму, риби заковтують морську воду. Кількість спожитої води може досягати у окремих видів риб досить значної величини. У більшості морських риб вона становить 10-20 см3/кг ваги, а у тиляпії досягає 200-234 см3/кг.

Морські риби виділяють набагато менше сечі, ніж прісноводні. Так, у опсануса (Opsanus) і морського чорта (Lophіus) виділяється протягом доби біля 2,5 см3/кг, але така сеча досить концентрована. У морських риб дуже низька швидкість гломерулярної фільтрації, яка становить за добу: у вугра - 1,5, камбали - 1,4, у фундулюса (Fundulus heteroclіtus) - 1,0, а у тихоокеанського морського в'юна (Xіphіster) - тільки 0,34 % маси тіла. Морські риби змушені весь час зберігати воду і виділяти солі. Цим пояснюється, що морські риби заковтують воду, яка, проходячи по кишковому тракту, всмоктується разом з Na+, Cl, Mg2+, SO42 та іншими речовинами. Більшість же неорганічних речовин виводиться із організму різними шляхами. Так, Са2+, Mg2+ та SO42 виводяться з фекальними масами та екскретуються з сечею, а більша частина Na, Cl та невелика частка калію залишають організм через залозистий апарат зябер, які у риб відіграють надзвичайно велику роль в сольовому обміні. Їх поверхня значно більша, ніж навіть поверхня шкіряного покриву. Так, у опсануса (Opsanus tan) вона перевищує поверхню тіла у 10 разів, а у макрелі (Scomber scombrus) - у 60 разів.

Висока інтенсивність обміну натрію як найбільш важливого іона, з яким пов'язаний перенос молекул води через біологічні мембрани та який відіграє значну роль у осмотичній концентрації рідин, забезпечує рибам адаптацію до прісних і солоних вод. Інтенсивність обміну натрію в організмі водяних тварин залежить від його концентрації у воді. При цьому сольовий склад прісних і солоних вод відображається і на плазменій концентрації натрію у риб. Так, якщо при перебуванні вугрів у прісних водах концентрація Na+ у плазмі крові становила в середньому 108 мекв/дм3, а його екскреція не перевищувала 8,3 мекв на 100 г маси тіла за годину, то під час морського періоду життя плазмена концентрація підвищувалась до 153 мекв/дм3, а його виведення з організму зростало до 700 мекв на 100 г маси тіла за годину.

На відміну від натрію, вміст у крові якого знаходиться у прямій залежності від концентрації у воді, концентрація калію, кальцію і магнію у біологічних рідинах риб більше залежить від їх надходження з кормом, а не з водою.

3. Іонні компоненти та їх екологічна роль

У водах Світового океану розчинені практично всі відомі хімічні елементи та їхні ізотопи. 99,9 % маси розчинених речовин припадає на 11 основних компонентів: Na+, K+, Mg2+, Ca2+, Sr2+, Cl, SO42, HCO3, Br, F, Н3ВО3. У кожному кубічному кілометрі морської води міститься близько 35 млн. т твердих речовин, в тому числі 19,8 млн. т хлориду натрію, 9,5 млн. т магнію, 6,33 млн. т сірки, 31 тис. т брому, 3,9 тис. т алюмінію, 79,3 т марганцю, 79,3 т міді, 11,1 т урану, 3,8 т молібдену та інших.

На відміну від океанічних і морських вод, прісні води річок, озер, водосховищ та інших водних об'єктів менш насичені розчиненими солями. Їх сольовий склад зовсім інший: в океанічних водах переважають хлориди натрію і магнію, а в прісних - карбонати (табл. 9).

Таблиця 9 Склад розчинених солей в океанічних і річкових водах (в %)

У морських і прісних водах присутні хімічні елементи, які відіграють виключно важливу роль у метаболічних процесах рослин і тварин.

Деякі з них постійно входять до складу біологічних рідин і тканин. Найважливіші з них кисень (70 % маси організмів), вуглець (18 %), водень (10 %), азот, кальцій, калій, фосфор, магній, сірка, хлор, натрій. Такі елементи, як водень, вуглець, азот, кисень, фосфор, сірка, утворюють органічну речовину гідробіонтів.

Так, вуглеводи і ліпіди містять у своїй структурі водень, вуглець і кисень, а білки, крім того, ще й азот і сірку. До структури нуклеїнових кислот входять азот і фосфор. Ці елементи часто називають головними елементами органічних молекул (табл. 10).

Таблиця Основні хімічні елементи, що входять до складу організмів гідробіонтів

Неорганічні елементи виконують роль каталізаторів у метаболічних реакціях і є складовими частинами буферних систем, важливими компонентами мембранних структур. З киснем і воднем пов'язано протікання окиснювано-відновних реакцій у живих системах.

3.1 Натрій, калій і цезій в водних екосистемах

Натрій, калій і цезій належать до групи лужних металів, які легко віддають один електрон, перетворюючись у позитивно заряджені іони. Саме завдяки цій властивості вони зустрічаються в природі виключно у вигляді сполук.

Важливою фізико-хімічною характеристикою натрію і калію, яка визначає їх участь у біологічних процесах, є взаємодія з молекулами води, причому Na+ закріплює молекулу води в гідратній оболонці міцніше, ніж К+. Менша електролітична рухливість натрію пов'язана саме з його більш масивною гідратною оболонкою. Завдяки цим властивостям іонам натрію належить особливо важлива роль у транспорті молекул води через мембрани та підтриманні водно-натрієвого балансу в рослинах та в тканинах тварин. На відміну від Na+, більші за розміром іони калію не змінюють структуру води в гідратній оболонці.

Калій і натрій постійно присутні в біологічних рідинах та в структурних компонентах протоплазми рослин і тварин. Більша частина натрію сконцентрована в мембранах, ядрі і міофібрилах, тоді як у цитоплазмі та матриксі мітохондрій його вміст невисокий. Взаємодія значної частини лужних металів з поліелектролітами цитоплазми має електростатичний характер. Внаслідок цього К+ і Na+ не втрачають свої індивідуальні заряди, а існують в цитоплазмі та внутрішньоклітинних органелах у вигляді іонів, що компенсують негативні заряди поліелектролітів. На відміну від Na+, концентрація якого вища в позаклітинних біологічних рідинах, у клітинах міститься в 2-10 разів більше К+. Цитоплазматична активність калію залежить від його взаємодії з внутрішньоклітинною водою.

Підтримання концентраційних градієнтів між внутрішньо- і зовнішньоклітинним рівнем натрію і калію є важливою умовою функціонування організму гідробіонтів.

Роль калію в метаболічних реакціях водяних рослин

Для водяних рослин характерним є досить високий вміст калію і значно менший - натрію в їхніх тканинних структурах. Калій у більшості рослин становить 0,9-1,2 % їх біомаси. Найбільша його кількість (80 %) знаходиться у вакуолях. Як осмотично активний елемент калій впливає на транспорт води, гідратацію протоплазми, знижує її в'язкість, підвищує обводненість. Нагадаємо, що кількість води в клітинах рослин становить щонайменше (70-80 %) їх маси. Не більше 1 % такої гомеостатичної води приймає участь у біохімічних процесах. Решта ж складає те внутрішнє середовище, де відбуваються біологічні та фізико-хімічні процеси. За рахунок води підтримується гідростатичний тиск (тургор), який визначає зовнішню форму рослин. Постійно циркулюючи в рослинах, вода переносить розчинені в ній речовини і одночасно звільняє організм від метаболітів і токсичних речовин, тобто виконує роль схожу з функцією гемолімфи або крові.

У мембранах рослинних клітин іони калію сприяють підтриманню тургору. Калій відіграє надзвичайно важливу роль у функціонуванні продихового апарату вищих водяних рослин, за допомогою якого забезпечується газообмін та обмін вологи між зовнішнім середовищем і клітинним простором. У вищих водяних рослин розміщення продихів залежить від особливостей розташування у воді (плаваючі, занурені, повітряно-водяні).

На площі листка в 1 см2 може бути від 1000 до 100000 продихів. Довжина продихових щілин становить 20-30 мкм, ширина 4-6 мкм. Загальна їх площа по відношенню до площі листка досягає 1 %. У відкриванні продихового апарату виключна роль належить транспорту іонів калію через клітинну мембрану та накопичення їх у замикаючих клітинах. Це призводить до підвищення осмотичного тиску, всмоктування води та відкривання продихів. Функціонування продихового апарату, як і транспорт калію, пов'язані з енергозабезпеченням цього процесу за рахунок АТФ. Іони калію створюють іонну асиметрію, а відповідно і мембранні потенціали між клітиною і середовищем. Функціонування продихового апарату є одним з важливих елементів у процесах фотосинтезу рослин. З надходженням калію в організм пов'язана активація понад 60 ферментів, зокрема і тих, що забезпечують включення фосфатів в органічні сполуки і синтез рибофлавіну, як компонента всіх флавінових дегідрогеназ.

У водоростей калій виступає як активатор багатьох ферментів. Він відіграє важливу роль в осморегуляції і в підтриманні електрохімічного градієнту по різні сторони клітинних мембран.

На відміну від калію, натрій не відіграє такої важливої ролі в життєдіяльності рослин. Вони можуть розвиватись деякий час навіть у безнатрієвому середовищі, але при наявності калію.

Особливості обміну натрію і калію в організмі водяних безхребетних

Біологічна роль Na+ і K+ в життєдіяльності водяних тварин еволюційно визначилася ще в період становлення біосфери. За своїм іонним складом позаклітинна рідина водяних тварин має дуже високу схожість з океанічною водою, яку тварини зберегли з часів кембрію. Вважається, що в цьому відобразився вплив того морського середовища, в якому в процесі еволюції формувались перші живі істоти. При співставлені концентрації неорганічних іонів, особливо Na+, K+ і Cl, у крові морських безхребетних і в морській воді, виявляється дуже високий ступінь схожості, що підтверджує океанічне походження мінерального складу позаклітинної рідини, яка закріпилась у процесі еволюції не тільки у сучасних водяних, але й наземних хребетних тварин.

Роль неорганічних іонів у життєдіяльності організмів визначається не поширенням того чи іншого елементу в природі, а його властивостями і здатністю до участі в хімічних реакціях, активації ферментів та можливістю впливати на збудливість клітинних мембран. У водяних тварин з усіх іонів внутріклітинного середовища найбільш ефективно регулюється калій. Вміст натрію в позаклітинних рідинах більш мінливий, а в клітинах він знаходиться в незначних кількостях. Підтримання певного концентраційного градієнту іонів у клітинах і позаклітинних рідинах в умовах перебування гідробіонтів в прісних або морських водах є однією з найбільш складних функцій організму.

Внутрішньоклітинний вміст Na+ і K+ регулюється в першу чергу самою клітиною і лише потім - цілісним організмом. Це має особливе значення для адаптації найпростіших, які не мають чітко диференційованих ниркових та позаниркових механізмів регуляції обміну води та неорганічних іонів. Так, при перебуванні інфузорій Tetrahymena в середовищі з високим вмістом натрію (220 ммоль/дм3) протягом короткого часу вміст натрію в їх організмі зростав до 105 мекв/дм3. При перенесенні їх у менш солону воду вміст натрію вже протягом 14 днів знижувався до 43 мекв/дм3, у наступні два місяці - до 21 мекв/дм3. Ці дані свідчать, з одного боку, про істотний вплив водного середовища на концентрацію натрію в організмі найпростіших, а з другого, - про існування у них механізмів, які протистоять вирівнюванню осмотичного (іонного) градієнту між організмом і навколишнім водним середовищем.

У морських організмів осмотична та іонна концентрація внутрішнього середовища наближається до сольового складу морської води. Так, при середній концентрації натрію в морській воді 457 ммоль/дм3 у звичайної устриці (Ostrea edulіs) його вміст у гемолімфі становить відповідно 554 ммоль/дм3, а у слимака морський заєць (Aplysіa depіlana) - 499 ммоль/дм3. Аналогічні концентраційні співвідношення спостерігаються і у морських ракоподібних. Наприклад, при тій же концентрації натрію у морській воді в гемолімфі лангустів Palіnurus vulgarіs його вміст не перевищував 545 ммоль/дм3, а у крабів Maja squіnada - 500 ммоль/дм3.

У морських кільчастих червів (Aphrodіte, arenіcola) концентрація натрію наближається до вмісту у морській воді.

У прісноводних ракоподібних вміст натрію у гемолімфі значно перевищує його концентрацію у водному середовищі. Так, у прісноводного віслюка (Asellus aquatіcus), який перебував у воді з концентрацією натрію 0,65 ммоль/дм3, його вміст у гемолімфі досягав 137 ммоль/дм3 і перевищував вміст у середовищі більше, ніж у 200 разів. Значно більш висока концентрація натрію і в організмі кільчастих червів (78,6-85,7 ммоль/дм3).

Існують особливості в розподілі іонів калію між клітинними і позаклітинними біологічними рідинами. У багатоклітинних організмів на міжклітинний простір припадає в різних органах від 16 до 30 % об'єму тканин. При цьому внутрішньоклітинна концентрація калію характеризується більшою стабільністю, ніж у позаклітинній рідині, тобто клітинні механізми оберігають їх внутрішнє середовище від значних зовнішніх впливів і змін. Висока стабільність внутрішньоклітинної концентрації калію, яка мало залежить від коливань гідрохімічного режиму середовища, є еволюційно закріпленою функцією організмів різних трофічних рівнів.

Співставлення концентрації калію в прісних водах і в організмі безхребетних свідчить про його більш високий рівень у біологічних рідинах і тканинах. Але в порівнянні з натрієм ця різниця менш виражена, що пояснюється більшою участю іонів натрію в осморегулюючих процесах водяних тварин. Так, якщо у прісних водах вміст калію коливається в межах 0,08-0,20 ммоль/дм3, то в гемолімфі жабурниці він становить 0,28-0,48 ммоль/дм3, у прісноводної живородки лужанки - 1,2 ммоль/дм3. У морських молюсків величини його концентрації у воді і гемолімфі були близькими. У середземноморсько-чорноморської мідії його вміст становив 12,5 ммоль/дм3 (морська вода 10,1), у серцевидки Ламарка - 10,9 і у морського зайця - 9,7 ммоль/дм3. У гемолімфі морських ракоподібних (Palіnurus, Squіkka, Maja) концентрація калію коливається в межах 10,3-15,0 ммоль/дм3, а у кільчастих червів - 10,1-12,3 ммоль/дм3. Для порівняння відзначимо, що у прісноводних ракоподібних (Asellus, Cambarus) концентрація калію в гемолімфі дещо менша (3,9-7,4 ммоль/дм3), а у кільчастих червів вона не перевищує 4,0-6,8 ммоль/дм3.

Як свідчать наведені дані, в організмі морських молюсків і прісноводних безхребетних існує певний рівень вмісту іонів натрію і калію. Є організми, які можуть підтримувати в крові відносну стабільність концентрацій Na+, K+ та інших елементів при перебуванні в різко пересолених водоймах, де розчин солей досягає концентрації ропи. Прикладом може служити артемія соляна з ракоподібних, яка може жити у пересолених водах з мінералізацією до 220 .

Натрій і калій у морських і прісноводних рибах

Основна кількість калію у прісноводних риб надходить в організм з кормом. У морських риб більша його кількість теж надходить з кормом, хоча при заковтуванні морської води з нею в організм також вводиться певна його кількість. Однак, вирішальну роль відіграє все ж надходження за рахунок спожитого корму. У риб, які перебували в морській воді з досить високим вмістом калію, але не живилися, протягом кількох днів різко спадало виділення калію з сечею, а потім зменшувалась і концентрація його в крові. І, навпаки, при перебуванні риб у середовищі з низьким вмістом калію у воді, але при нормальному живленні, всі показники калієвого обміну у них залишались нормальними. При голодуванні карасів одночасно зі збільшенням у гепатопанкреасі вмісту води і натрію, спостерігалось падіння вмісту у ній калію. При зменшенні вмісту калію в тканинах золотих рибок до 1,0 мг/дм3 поряд з обводненням тканин підвищувався на 1-2 мг/дм3 і вміст натрію.

Основою виділення нирками калію із організму костистих, хрящових риб (скат) та хрящових ганоїдів (осетр, севрюга) є три основних процеси: клубочкова фільтрація при утворенні первинної сечі, реабсорбція і секреція калію в просвіт нефрону. У плазмі крові калій знаходиться у вільному стані і тому переходить шляхом фільтрації у первинну сечу, з якої майже повністю реабсорбується. Виводиться ж з організму лише та кількість калію, яка шляхом секреції клітинами дистального сегменту нефрону потрапляє в збірні трубочки і по них переходить у сечопроводи. Завдяки такому механізму риби досить чутливо реагують на позитивний або негативний баланс калію в організмі.

Із збільшенням концентрації калію у воді може дещо підвищуватись і його концентрація в плазмі крові. Так, після підвищення його вмісту у воді до 20 мг/дм3 у прісноводного гольця Salvelіnus malma його вміст у плазмі зростав із 3-3,5 до 4,5 мг/дм3, а у морської скорпени Scorpaena porcus - до 6 мг/дм3.

Природний цезій в організмі гідробіонтів

Цезій належить до калієвої групи лужно-земельних металів. Він має один стабільний ізотоп і 21 радіоактивний. Після випробувань ядерної зброї та аварій на атомних електростанціях у гідросфері збільшилась кількість ізотопів 137Cs і 134Cs.

В океанічних водах середня концентрація цезію становить 4104 мг/дм3, а в прісних водах річок Європейського континенту вона коливається від 0,003 до 0,099 мкг/дм3. Значні коливання вмісту цезію в річкових водах можуть бути пов'язані як з геологічними особливостями водозбірної площі, так і з антропогенними джерелами його надходження в навколишнє середовище. В атмосферу цезій потрапляє при спалюванні нафти та кам'яного вугілля, в якому його вміст досягає 3,0 мкг/кг. Цим пояснюється той факт, що в донних відкладах водних об'єктів, розташованих поблизу теплових електростанцій, вміст цезію значно підвищений. Але основним джерелом надходження цезію у біосферу є не антропогенні, а природні процеси.

Схожістю деяких фізико-хімічних властивостей цезію і калію пояснюється зв'язок між співвідношенням Cs/К у воді і його вмістом в органах і тканинах гідробіонтів. Висловлюється думка про те, що калій виступає як макроносій цезію, і тому їх міграцію в прісноводних екосистемах слід розглядати як споріднену.

Високим вмістом цезію характеризуються вищі водяні і прибережні рослини (0,11-0,37 мг/кг сухої маси). У прісноводних молюсків родини Unіonіdae він становить 0,005-0,065 мг/кг сухої маси, а у Dreіssena polymorpha - 0,008-0,087 мг/кг, у п'явок Haemopіs sanguіsuga - 0,005-0,029, а у гіллястовусого рачка Daphnіa magna - 0,008-0,053 мг/кг сухої маси.

У морських гідробіонтів вміст цезію становить: у планктонних водоростей 0,01-0,1 мкг/г сухої маси, у членистоногих - 0,067-0,503 мкг/г. Приблизно в цих межах коливається вміст цезію і в м'яких тканинах інших безхребетних. Є дані про те, що у водоймах з більш високою загальною мінералізацією води в гідробіонтах накопичується цезію менше, ніж у тих випадках, коли вони перебувають у слабо мінералізованих водах.

3.2 Кальцій у водних екосистемах

Кальцій - один з найголовніших іонів водних екосистем. Він переважає серед катіонів слабомінералізованих вод, а при зростанні загальної мінералізації його співвідношення з іншими хімічними елементами зменшується. В природних водах Са2+ утворює важкорозчинні сполуки з карбонатами та сульфатами, які в значній кількості випадають в осад. Внаслідок цього його концентрація як в морській, так і в прісній воді звичайно не перевищує 1. Кальцій в хімічних реакціях виступає як активний відновник; легко взаємодіє з киснем, утворюючи у воді гідроксид кальцію Са(ОН)2.

Основним джерелом надходження кальцію в поверхневі води є вимивання з вапняків, доломітів, вапнякового цементу, гіпсу. Певна частина його надходить у водойми внаслідок вивітрювання з кальціймістких сполук. В підземні води він переходить в процесі фільтрації через поверхневі шари грунту. Значна кількість кальцію надходить у водойми із стічними водами та за рахунок змиву з сільськогосподарських угідь, де застосовуються мінеральні добрива, що містять його фосфорні сполуки.

Вміст кальцію в морських і океанічних водах

Океанічні (морські) води є водами хлоридного класу, групи натрію. Тому вміст Са2+ в них менший в порівнянні з поверхневими водами суші. Основна кількість кальцію надходить в Світовий океан з річковим стоком. Щорічно з річковими водами в моря і океани поступає до 961 млн. т карбонату кальцію і 558 млн. т розчиненого кальцію. Його концентрація неоднакова на різних глибинах. Так, в поверхневому шарі Чорного моря вона досягає 0,250 г/дм3, а на глибині 200 м - 0,287 г/дм3. Відповідні концентраційні співвідношення для Азовського моря становлять 0,155-0,186 г/дм3 для поверхневих і 0,215 г/дм3 - для придонних шарів води. Менша концентрація в поверхневих шарах води пов'язана з використанням кальцію планктонними організмами в процесі фотосинтезу. Більш висока концентрація кальцію в центральних ділянках морських акваторій.

Істотну роль відіграє фактор розбавлення морської води атмосферними опадами. На відміну від океанічних вод, іонний склад яких схожий повсюдно, в морях відзначається значна різниця як у загальній мінералізації, так і в співвідношенні окремих іонів. Це можна проілюструвати на прикладі Азовського, Чорного, Каспійського і Аральського морів. Останні два моря ізольовані від Світового океану, і їх можна розглядати як великі солоні озера. Характерною особливістю їх вод є більш висока концентрація іонів кальцію, магнію і сульфатних аніонів на фоні відносно зниженого вмісту натрію. За співвідношенням головних іонів води цих морів можна розглядати як проміжні між річковими і морськими. Каспійське море перенасичене карбонатами кальцію, що пов'язано із значним вмістом у воді іонів СО32 та постійним надходженням їх з річковим стоком Волги. Аральське море насичене кальцієм (до 2,55-3,00 г/дм3), оскільки його води формуються за рахунок материкового стоку. В морях Північного Полярного басейну концентрація кальцію значно менша.

Висока мінералізація океанічних і морських вод супроводжується осадженням великої кількості солей. Майже весь кальцій і НСО3, що надходять у Світовий океан з річковим стоком, випадають в осад. Це становить щорічно 494 млн. т розчиненого кальцію, 1361 млн. т СаСО3 і MgСО3, а 1,4109 г кальцію потрапляє в донні відклади в процесі відмирання рослинних і тваринних організмів.

Кальцій континентальних вод

Вміст кальцію в поверхневих водах суші дуже мінливий і може істотно відрізнятися в залежності від геологічних умов водозбірної площі та кліматичних умов. Води більшості озер, річок, водосховищ належать до гідрокарбонатного класу, групи кальцію. При цьому в межах мінералізації річкових вод до 1000 мг/дм3 домінуюче положення серед інших катіонів займає кальцій. Із збільшенням мінералізації вище 1000 мг/дм3 можуть переважати іони натрію, а інколи магнію. Ця закономірність простежується майже на всій території України.

За вмістом Са2+ у воді малі річки поділяють на п'ять зон. До першої належать річки з вмістом Са2+ у воді від 17 до 25 мг/дм3, це, зокрема, річки басейну Прип'яті та гірських районів Карпат (верхні притоки Дністра). У другу зону включені річки з вмістом кальцію у воді від 30 до 50 мг/дм3. Це переважно річки Закарпаття та правобережні притоки Дніпра. Вміст кальцію в річках третьої зони коливається в межах 50-100 мг/дм3. До даної зони належать в основному малі річки Лісостепу, зокрема, річки Правобережжя і північної частини Лівобережжя - притоки Десни, Сули і Псла. Притоки середнього басейну Дніпра також віднесені до цієї зони. До четвертої зони належать малі річки, розташовані в південній частині Лівобережжя. Вміст кальцію в їх водах коливається від 100 до 200 мг/дм3 (річки південної частини Південного Бугу і нижнього Дніпра). До п'ятої зони віднесені малі річки з вмістом кальцію у воді вище 200 мг/дм3. Такі води характерні для річок Приазов'я та Донбасу (Самара, Вовча). В їхніх водах на фоні високої загальної мінералізації вміст Са2+ досягає 380 мг/дм3.

У порівнянні з малими річками, води середніх і великих річок відповідних геохімічних зон характеризуються більш високими величинами концентрації кальцію. Так, у воді Прип'яті у різні сезони року вона коливається від 27 до 100 мг/дм3, Десни - від 37 до 80 мг/дм3. Хімічний склад дніпровської води формується на глинистих, суглинистих і дерново-підзолистих грунтах Смоленсько-Московської височини. Це і визначає гідрокарбонатний характер води та відносно невелику концентрацію Са2+ у воді верхнього Дніпра (20-65 мг/дм3). За ходом течії вміст Са2+ збільшується, і уже в середній частині Дніпра становить 70-75 мг/дм3, а в нижній - 80 мг/дм3. Після зарегулювання Дніпра і створення великих водосховищ концентрація кальцію в них в різні сезони роки коливається в межах 20-75 мг/дм3.

Для порівняння відзначимо, що вміст кальцію у воді річок, які впадають у Балтійське, Біле і Баренцове моря , менший, ніж у річках Азовсько-Чорноморського басейну. Його вміст коливається від 4 мг/дм3 (р. Тулома) до 40-60 мг/дм3 у рр. Печора, Луга, Західна Двина, Неман. У волзьких водосховищах (Рибінське, Углицьке, Горьківське) його концентрація становить в середньому 36 мг/дм3, а в пониззі Волги зростає до 120 мг/дм3.

Незалежно від типу водойм, на вміст у них кальцію істотний вплив справляють атмосферні опади і сезон року. В період весняної повені при надходженні значних об'ємів бідних на кальцій снігових і дощових вод його концентрація значно спадає, а у меженний період, навпаки, зростає.

Серед різних форм кальцію найбільше значення для екосистем мають його карбонатні солі. Вміст карбонатів у природних водах залежить від розчинення карбонатних порід та хімічного вивітрювання алюмосилікатів під впливом розчиненого у воді СО2.

При високій інтенсивності процесів фотосинтезу в літній період, коли утилізуються не тільки розчинений у воді СО2, але і вуглекислота, зв'язана іншими сполуками, карбонатна рівновага зміщується в напрямі розпаду гідрокарбонатів з утворенням карбонатів і вільного СО2, що утилізується водяними рослинами в процесі фотосинтезу. Карбонати вступають в реакцію з кальцієм і магнієм, утворюючи важкорозчинні СаСО3 і MgCO3, які випадають в осад. Взимку, при послабленні фотосинтезу, відбувається зворотний процес розчинення карбонату кальцію.

У більшості внутрішніх водойм іон НСО3 є основною складовою частиною сольового складу вод. Вміст його в річкових водах може коливатись від 50 до 500 мг/дм3. Основним джерелом НСО3 у воді є карбонатні породи - вапняки і доломіти, які поширені серед осадових порід. Розчиняючись у воді, яка містить СО2, вони збагачують воду іонами Са2+ і НСО3. Гідрокарбонатні води утворюються також внаслідок вивітрювання алюмосилікатів - найбільш поширених сполук земної поверхні (польові шпати, цеоліти, нефеліни та інші).

Вирішальним фактором формування карбонатного режиму водойм, зокрема, неглибоких рибоводних ставків, є концентрація в їхній воді двоокису вуглецю. Добре прогрівання таких ставків у літні, найбільш теплі, дні, невисока протічність, та добре розвинутий фітопланктон, а по берегах - вища водяна рослинність створюють необхідні умови для інтенсивного протікання фотосинтезу.

Метаболічна роль кальцію та шляхи його надходження в організми гідробіонтів

Кальцій відіграє важливу роль у формуванні кісткового скелету, регуляції проникності клітинних мембран. Йому належить важлива роль у функціонуванні нервової, м'язової і залозистих тканин, синаптичній передачі, молекулярному механізмі м'язевих скорочень, у ферментативних реакціях, пов'язаних з процесами тканинного дихання і гліколізу.

Близько 1,5 млрд. т його солей, що надходять в моря і океани з річковим стоком, засвоюються у процесі життєдіяльності гідробіонтами. При цьому більшість морських і прісноводних організмів можуть накопичувати і концентрувати кальцій в окремих органах і тканинах.

Основним джерелом кальцію для безхребетних є кальцій води, оскільки ці організми можуть його утилізувати безпосередньо з водного середовища. Встановлено, що протягом 74 днів звичайний ставковик (Lіmnaea stagnalіs) може утилізувати з води до 80 % кальцію. Інтенсивність використання кальцію залежить як від його вмісту у воді, так і від її загальної мінералізації. У м'якій воді ці молюски отримують з води лише 30 %, а з кормом - 70 % кальцію, що надходить в організм. У збагаченій кальцієм воді ці джерела відіграють однакову роль.

Карбонати кальцію практично не засвоюються водяними рослинами і тваринами. Деякі водяні рослини в процесі фотосинтезу можуть істотно впливати на карбонатно-кальцієву рівновагу, обумовлюючи тим самим випадіння карбонату кальцію в осад. В період інтенсивного фотосинтезу, в сонячні літні дні можна спостерігати, що на листках елодеї, рдесника блискучого та інших водяних рослин осідає у вигляді інкрустації карбонат кальцію. Найбільше вищі водяні рослини утилізують з води кальцію в період їх вегетації. Так, при повітряно-сухій фітомасі 40 т/га очерет звичайний утилізує до 200 кг/га кальцію. В заростях елодеї протягом 10 годин світлої частини доби випадає в осад до 2 кг сполук кальцію на 100 кг сухої маси. Наведені дані свідчать про важливу роль вищих водяних рослин не тільки в процесах утилізації, а й у кругообігу кальцію в гідросфері. Слід, однак, зазначити, що при всій важливості кальцію для нормального розвитку рослин, його надмірне надходження у водойми може спричинити збіднення флори. Так, у водоймах, розташованих поблизу виробництв з переробки мармуру, поряд із значним підвищенням вмісту кальцію у воді спостерігається деградація фітоценозів.

Особливо важливу роль відіграє кальцій в метаболічних процесах безхребетних, які можуть утилізувати Са2+ безпосередньо з води. Так, у креветок поглинається зябрами до 90 % кальцію, що надходить в їх організм. Прісноводні молюски засвоюють більшу частину кальцію, яка іде на побудову черепашок, безпосередньо з води за допомогою спеціальних клітин мантії. Цим шляхом молюски можуть утилізувати до 80-90 % кальцію, і лише 10-20 % вони отримують за рахунок надходження з кормом. У молюсків, які живуть у воді з низьким вмістом кальцію, це співвідношення різко змінюється на користь кормових надходжень. Важливе значення для життєдіяльності безхребетних має не тільки вміст кальцію у воді, але і його співвідношення з іншими катіонами, зокрема, натрієм і калієм.

На відміну від хребетних тварин, у яких обмін кальцію в опірних тканинах більш тісно пов'язаний з обміном фосфору, для безхребетних характерним є утворення карбонатних сполук кальцію, які використовуються для побудови черепашок. В той же час фосфор відіграє важливу роль в засвоєнні кальцію організмом. Висока інтенсивність обміну кальцію у безхребетних визначає і їхні вимоги до екологічних умов середовища. Встановлено, що молюски уникають водойм, в яких вміст кальцію у воді менший 2 мг/дм3, а ракоподібні можуть нормально розвиватись при дещо меншій його концентрації - 1,7 мг/дм3. В умовах антропогенного впливу на водні екосистеми, яке супроводжується значним зменшенням концентрації кальцію (на фоні зростання питомої ваги інших елементів), видове різноманіття і чисельність безхребетних різко знижується. В той же час збагачення води солями кальцію до оптимальних значень позитивно впливає на їх розвиток, зокрема у молюсків, збільшується не тільки черепашка, а й питома вага м'яких тканин.

Прісноводні молюски можуть витримувати вищі концентрації кальцію у воді, ніж морські. Так, Anodonta cygnea може протягом тривалого часу жити у воді з концентрацією кальцію 400-500 мг/дм3. Основою високих адаптивних можливостей молюсків щодо значного зростання концентрації кальцію у воді є фізіолого-біохімічні механізми, які забезпечують швидкий перехід від тканинного дихання до гліколізу. Важливу роль відіграє і можливість генерації нервових імпульсів у безнатрієвому середовищі, яке містить лише іони кальцію. Завдяки такому механізму забезпечується висока ефективність нервової регуляції мембранних процесів в їх організмі.

Риби, як і безхребетні, можуть утилізувати кальцій не тільки з корму, але й безпосередньо з води. У молоді коропа 68-88% кальцію проникає в організм через зябра і лише 12-36 % - через шкіру. У дзеркальних коропів, тіло яких не вкрите лускою, через шкіру проникає 31 % кальцію, а через зябра - 69 %, тоді як у риб, які мають луску, через шкіру утилізується близько 12 %, а через зябра - 88 %. У форелі через залозистий апарат зябер і шкірні покриви надходить в організм 75 % кальцію з води і 25 % з кормом.

Відмічені особливості надходження кальцію в організм риб відіграють важливу роль в регуляції фізіолого-біохімічних процесів. На відміну від наземних тварин у риб абсорбований залозистими клітинами зябер кальцій з током крові відразу розноситься по всьому організму. При такому шляху надходження кальцію в організм гепатопанкреас, як внутрішній фільтр організму не відіграє такої важливої гомеостатичної ролі, як це має місце у теплокровних тварин. У зв'язку з цим, у риб більш розвинутий механізм тканинного депонування кальцію. При підвищенні концентрації розчиненого у воді кальцію від 100 до 200 мг/дм3 в мітохондріях залозистих клітин зябер уже протягом 24 годин його вміст зростає від 9,0 до 13,3 мкг/г білка. Із збільшенням накопичення кальцію в мітохондріях різко підвищується вміст як загального, так і неорганічного фосфору.

3.3 Магній морських і континентальних вод

Серед елементів другої групи періодичної системи магній за своїми хімічними властивостями найближчий до кальцію. Він входить до складу більш ніж 100 мінералів, у тому числі бруситу Mg(OH)2 з вмістом Mg2+ близько 41,7 %, магнезиту - MgCO3 (28,8%), доломіту - MgCO3, CaCO3 (18,2%) та інш. У водні об'єкти магній надходить в основному при розчиненні доломітів, мергелей або при вивітрюванні основних (габбро), ультраосновних (дуніт) та інших порід.

Вміст магнію у поверхневих водах суші залежить від характеру грунтів водозбірної площі. Нижче (табл. 11) наведено дані про особливості розподілу магнію в річках різних фізико-географічних зон України.

Таблиця Середній багаторічний вміст магнію у річкових водах України, мг/дм3

Висока розчинність сполук магнію сприяє його постійному надходженню з річковим стоком у моря і океани. Загальна маса магнію у Світовому океані становить 20771012 т,. До складу морської води входить в середньому 1,317 г магнію на 1 л води.

Форми міграції магнію у природних водах

У природних водах магній утворює сполуку з карбонатом - магнезит (MgCO3). Як і карбонат кальцію, він легко розчиняється у воді, яка містить розчинену вуглекислоту, внаслідок перетворення у розчинну кислу сіль. Між твердою фазою карбонату магнію (MgCO3), вугільною кислотою, розчиненою у воді (Н2О + СО2), і гідрокарбонатними іонами (НСО3) існує постійна взаємодія, що відбувається за такою реакцією:

MgCO3 + H2O + CO2 Mg(HCO3)2 Mg2+ + 2HCO3 2H+ + 2CO32.

Магній, як і кальцій, взаємодіє не тільки з карбонатом. Він може утворювати комплекси з сульфатами (MgSO4) та розчиненими у воді органічними речовинами. В іонно-розчиненому стані він знаходиться в основному у водах з невисокою загальною мінералізацією. З підвищенням мінералізації природних вод зростає електростатична взаємодія між різнозарядними іонами, що призводить до утворення іонних пар, або асоціацій: [CaHCO3]+, [MgHCO3] +, [MgCO3], [CaSO4], [MgSO4].

У природних водах магній утворює комплексні сполуки з органічними речовинами. У деяких озерах Німеччини комплексні сполуки магнію становлять більше 65 % від валового вмісту розчинених форм. У низькомінералізованих водах зони вічної мерзлоти (тундра) майже 90--100% іонів Mg утворюють комплекси з гуміновими і фульвокислотами. Такі комплекси відіграють стабілізуючу роль у водних розчинах. Так, при наявності у воді до 10 мг/дм3 гумінових кислот вони запобігають випадінню в осад до 75% карбонату магнію.

Випадіння магнію в осад гальмують фосфорорганічні сполуки, альбуміни, стеаринові кислоти, поліфеноли. Магній взаємодіє з розчиненими органічними речовинами з молекулярною масою менше 500. Хоча магній і кальцій за своїми хімічними властивостями близькі, але вони мають і певні відмінності. Зокрема, MgSO4 і Mg(HCO3)2 розчиняються краще, ніж CaSO4 і Ca(HCO3)2. Це й визначає більш високий вміст магнію у водах, які формуються на водозбірних площах з покладами доломітів, мергелів та інших магніймістких мінералів.

Природна вода, в якій розчинена значна кількість кальцію у вигляді гідрокарбонату і сульфату, а також відповідні солі магнію, відзначається підвищеною твердістю. Її виражають сумою міліграм-еквівалентів іонів кальцію і магнію, які знаходяться в 1 л води. Один міліграм-еквівалент твердості відповідає вмісту 20,04 мг/дм3 Са2+ або 12,16 мг/дм3 Mg2+.

На відміну від прісних, морські та океанічні води відрізняються високим вмістом не тільки натрію, а й магнію. В океанічній воді на хлорид натрію разом з хлоридом магнію припадає 88,7 % усіх розчинених солей. Саме завдяки великій концентрації магнію морська вода має гіркуватий присмак. Всього у океанічній воді на сполуки магнію припадає близько 11 % від вмісту всіх солей. У морях його вміст дещо менший. Так, у воді Чорного моря на магній припадає близько 3,34 % загальної маси солей.

У місцях впадіння річкового стоку формуються мішані прісні і морські води, хімічний склад яких має певні відмінності. Показовим у цьому відношенні є Дністровський лиман, що має сполучення з Чорним морем. В його водах переважають карбонатні сполуки кальцію (41 %), а наступні місця займають хлорид натрію (28 %) і сульфат магнію (25 %).

Магній в організмі гідробіонтів

Вміст магнію в організмі гідробіонтів залежить від того, в якій воді - морській чи прісній вони мешкають. Так, у гемолімфі морських молюсків мідій (Mytіlus), устриць (Ostrea), морських слимаків (Strombus) його вміст становить 55-58 ммоль/дм3, а прісноводної беззубки (Anodonta) і живородки (Vіvіparus) - тільки 0,19 і 0,31-0,37 ммоль/дм3. У морських ракоподібних, до яких належать лангусти (Palіnurus) і креветки (Palaemon), концентрація магнію в гемолімфі становить відповідно 16,6 і 12,6 ммоль/дм3. Значно більша вона у краба (Carcіnus) - 23,6 ммоль/дм3. В прісноводних ракоподібних, які мешкають у водоймах з концентрацією магнію 0,21 ммоль/дм3, вміст магнію досягає у гемолімфі американського річкового рака (Cambarus ) - 4,3 ммоль/дм3, у щитнів роду Trіops - 0,9 ммоль/дм3.

Співставлення концентрацій магнію у гемолімфі морських і прісноводних молюсків і ракоподібних свідчить, що у морських організмів вона не тільки вища, але й коливається значно менше, ніж у прісноводних форм. Це відображає більш стабільний іонний склад морської (океанічної) води в порівнянні з прісними водами.

У морських костистих риб концентрація магнію в плазмі крові значно менша, ніж у біологічних рідинах безхребетних. Так, в крові вудильщика (Lophіus piscatorius) вона не перевищує 6 ммоль/дм3, а у напівлусковика (Hemіlepіdotus gilberti) - 2,5 ммоль/дм3. У міксин (Myxіne) вміст магнію у крові значно вищий і коливається в межах 28-29 ммоль/дм3. Концентрація магнію в крові личинок прісноводних міног (Petromyzon) не перевищує 1,6, а у дорослих досягає 1,9, у костистих риб коливається в межах 0,6-2,1 ммоль/дм3.

Обмін магнію у морських риб має багато спільних рис з обміном кальцію. Заковтуючи солону морську воду, риби повинні виводити надлишок солей, тому в їхньому кишковому тракті інтенсивно всмоктуються натрій і хлор, які виводяться з організму нирками при формуванні концентрованої сечі. Значна кількість Mg2+, як і Са2+ та SO42, які надійшли у кишечник з морською водою, всмоктуються дуже повільно, в зв'язку з чим більша кількість цих іонів залишає організм з екскрементами. Та ж частина, яка всмокталася, виводиться через нирки. Завдяки секреторному процесові концентрація Mg2+ і SO42 в сечі морських риб може в десятки разів перевищувати їх концентрацію в крові. У міног, які мігрують в розбавлену морську воду біля витоку річок, магній і сульфати виводяться з організму як через нирки, так і через кишечник. У нирках морських риб перехід двовалентних іонів з крові в сечу відбувається шляхом секреції. Завдяки такому механізму при підвищенні їх плазменої концентрації екскреція магнію, тіосульфату та сульфату з сечею досягає максимального значення.

У прісноводних риб магній виводиться з організму також шляхом секреції нирками. На відміну від морських риб, у яких сеча гіпертонічна, у прісноводних вона різко гіпотонічна. На підставі аналізу особливостей регуляції концентрації неорганічних іонів в організмі водяних тварин різних систематичних груп можна зробити висновок, що рівень магнію в крові у водяних хребетних невисокий, а співвідношення (Na+ + K+)/(Ca2+ + Mg2+) більш високе, ніж у біологічних рідинах тіла безхребетних. Морські хребетні можуть регулювати вміст кожного іона у своєму організмі. При цьому вміст Mg2+ у тілі морських костистих риб значно більший, ніж у прісноводних.

Метаболічна роль магнію у гідробіонтів

При підвищенні концентрації Mg2+ у стромі хлорофілу активується рибульозо-бісфосфат-карбоксилаза та зростає споріднення її до СО2. Про значення магнію для нормального протікання фотосинтезу свідчить блідість та пожовтіння листя у водяних рослин при дефіциті магнію у воді. У водяних тварин магній відіграє ключову роль в біоенергетичному забезпеченні мембранного транспорту іонів та внутрішньоклітинному обміні амінокислот.

3.4 Сірка природних вод та процеси сульфатредукції

Сірка зустрічається в природі як в самородному вигляді, так і в різних сполуках та газоподібному стані, у вигляді сірководню та оксиду сірки. Легкорозчинні сульфати сірки знаходяться у великій кількості в морській воді.

Сірка один з незамінних компонентів при синтезі білків в організмі тварин та утворенні сірковмістних органічних речовин у рослин. Сіркобактерії можуть окиснювати сірководень (H2S) до сірки, внаслідок чого утворювана енергія служить для них джерелом енергозабезпечення метаболічних процесів (як сонячна енергія при фотосинтезі).

Поверхневі води, у складі яких сульфатні іони становлять більше 25 %, належать до сульфатних вод. Їх хімічний склад визначається надходженням сульфатів з водозбірної площі та вимиванням з донних грунтів. Сульфати можуть надходити у водойми при хімічному вивітрюванні та вимиванні з таких мінеральних покладів, як гіпс (CaSO42H2O), ангідрит (CaSO4) та барит (BaSO4). При вилужуванні солончаків, води також збагачуються на сульфатні іони.

Причиною зростання вмісту сірки у воді може бути окиснення сульфідів, які надходять з стічними водами промислових, сільськогосподарських та комунально-побутових підприємств. Значним джерелом утворення сірководню у водних об'єктах є розклад органічних речовин у донних грунтах в анаеробних умовах.

Хоча сульфати добре розчинні у воді, але їх концентрація у водоймах обмежується утворенням малорозчинних сполук з кальцієм (CaSO4), які осідають на дно. В Україні сульфатні води зустрічаються переважно в річках степової зони, яка охоплює Український кристалічний щит, Причорноморську впадину, Донецьку складчасту область та схили Воронізького кристалічного масиву. У водах більшості річок цього регіону провідне місце належить сульфатам, а води належать до сульфатно-хлоридного та натрій-кальцієвого або натрій-магнієвого класу. Переважають сульфатно-хлоридні води мішаного катіонного складу у річках Приазов'я та у лівих притоках Дніпра степової зони (рр. Орель, Самара, Конка та інші).

У водних екосистемах сульфатні іони знаходяться у біологічному кругообігу. Його основними ланцюгами виступають практично всі гідробіонти, які засвоюють сульфати на побудову свого тіла. Після їх відмирання під впливом сіркобактерій Н2S окиснюється спочатку до S, а потім до SO42, який знову включається у кругообіг. В водних екосистемах має місце також процес сульфатредукції.

Сульфатредукція - це процес відновлення сульфатних іонів до сірководню під впливом сульфатредукуючих бактерій у відсутності кисню і в присутності органічних речовин. Схематично хід реакції зображено нижче:

2 SO42 + 4 С + 3 Н2О = Н2S + НS + СО2 + 3 НСО3 .

В анаеробних умовах сульфатредукуючі бактерії використовують енергію сульфатів для дихання, а сірководень виділяється у воду. Подібні реакції протікають практично в усіх водоймах, де є значні поклади донних грунтів та понижений водообмін. Характерними ознаками таких водойм є наявність у воді сірководню, сульфідів, тіосульфатів та сульфатредукуючих бактерій. Такі процеси проходять з найбільшою активністю у мероміктичних водоймах, до яких належить Чорне море.

Мероміктичні - це водойми, які мають двошарову стратифікацію товщі води, при чому вода нижнього шару істотно більш мінералізована і щільна, ніж у верхньому. У таких водоймах циркуляція охоплює тільки поверхневий шар води меншої щільності. Чорне море входить до числа найбільших у світі мероміктичних водойм. В ньому на глибині 150-250 м проходить хемоклин, який розділяє розпріснений і збагачений киснем міксолімніон (верхній шар) і у 10 разів більший монімолімніон, або нижній шар води, який не перемішується.

У водоймах з добрим кисневим режимом сульфатредукція відбувається тільки в товщі мулових відкладів. При цьому чорний колір донних відкладів свідчить про характер сульфатредукуючих процесів, що проходять на дні водойм. Подібні процеси характерні для водних об'єктів, у які скидаються висококонцентровані стічні води, збагачені органічними речовинами, що містять у своєму складі сульфати. Сульфатредукція часто виникає в евтрофних водоймах, коли в них розвивається літня або зимова стагнація.

Підвищений вміст сірководню у водному середовищі негативно впливає на життєдіяльність гідробіонтів і тому вони проявляють високу чутливість до його наявності у воді. Так, поліхети Nereіs zonata, Phyllodoce tuberculata, гіллястовусі рачки Daphnіa longіspіna та багато інших не витримують навіть слідових концентрацій сірководню у воді. Більш стійкі до сірководню донні поліхети Nereіs dіversіcolor, черви Capіtella capіtata та деякі інші бентонти, які живуть у товщі донних відкладів, де відбувається гниття органічних речовин. Винятково стійкий до сірководню рачок Artemіa salіna. Токсичною концентрацією для її молоді є 76,8 мг/дм3, а для дорослих - 109 мг/дм3. Риби, особливо молодь, проявляють підвищену чутливість до сірководню. водний екосистема гідробіонт метаболічний

4. Мікроелементи водних екосистем та їх біологічна роль

Хімічні елементи, вміст яких в організмі рослин і тварин знаходиться у дуже низьких концентраціях (тисячні долі відсотка), належать до мікроелементів. Незважаючи на мікрокількості їх в організмі гідробіонтів, вони відіграють дуже важливу метаболічну роль. До мікроелементів зараховують більше 30 найважливіших елементів, серед них метали алюміній, залізо, мідь, марганець, цинк, молібден, кобальт, нікель, стронцій та інші, і неметали - йод, селен, бром, фтор, миш'як, бор. В організм бактерій, водяних рослин і тварин вони надходять безпосередньо з води і донних відкладів.