Активная реакция среды (pH)

В природных водоемах часть молекул воды (а также и других веществ) находится в состоянии диссоциации, т. е. в виде положительно (катионы) и отрицательно (анионы) заряженных ионов. Так, молекула воды диссоциирует на ион водорода (Н⁺) и ион гидроксила (ОН'):

Скорости диссоциации и образования молекул воды равны, поэтому концентрация ионов водорода и гидроксила в воде является постоянной величиной — константой равновесия воды, которая равна 10'¹⁴ моль²/кг². В чистой воде концентрации Н*и ОН^- равны, поэтому концентрация каждого иона равна 10'⁷ моль/кг. Если в растворе количество ионов водорода больше, чем ионов гидроксила, то раствор кислый; при избытке ионов гидроксила раствор становится щелочным. Таким образом, концентрация каждого из ионов — водорода и гидроксила — является мерой кислотности или щелочности раствора. Концентрация водородных ионов или активная реакция среды, выражается показателем pH. Он используется для характеристики кислотности и щелочности раствора. Концентрацию этих ионов в связи с малой величиной принято обозначать в виде их логарифмов, взятых с обратным знаком. Если раствор нейтральный, то концентрация ионов водорода равна 10'⁷ моль/кг и pH — (-lgl0~⁷ моль/кг) 7. В щелочной среде pH > 7, в кислой pH < 7.

В природных водоемах активная реакция среды редко бывает нейтральной и подвержена значительным колебаниям. Это связано с тем, что в среде находятся и другие вещества, способные распадаться на ионы, нарушающие равновесие между ионами Н* и ОН'. Таким образом, активная реакция характеризует состояние веществ в растворе.

Все пресноводные бассейны можно объединить в две основные группы: воды нейтрально-щелочные с pH > 6 и воды торфяные с pH < 5 (С. А. Зернов, 1949). В природе встречаются и отклонения от этих двух групп. В период массового развития фитопланктона и в зарослях высшей водной растительности активная реакция среды смещается в щелочную сторону с pH 7,8 —8,8 и даже 9,5 — 10,5. В сфагновых озерах и болотах, богатых гуминовыми веществами, pH 4,0 —4,5 или 3,4—3,8.

В природных водоемах величина pH зависит от многих физикохимических и биологических факторов, из которых наибольшее значение имеет наличие в среде углекислоты и углекислых солей — карбонатов и бикарбонатов. Эти вещества в основном регулируют pH среды как в морских, так и в пресных водоемах. При растворении С0₂ в воде образуется угольная кислота, которая диссоциирует с образованием ионов Н⁺ и HCOJ и способствует, таким образом, подкислению воды. Углекислые соли находятся в водоемах в виде карбонатов и бикарбонатов. В растворах эти соли диссоциируют с образованием гидроксильных ионов, в результате чего происходит подщелачивание воды.

На изменение величины pH большое влияние оказывают происходящие в водоемах биологические процессы. Дыхание гидробионтов, разложение органического вещества, сопровождающиеся выделением С0₂, повышают кислотность воды. Потребление С0₂ растениями при фотосинтезе, наоборот, подщелачивает среду. Летом при интенсивном развитии фитопланктона и прибрежных водных растений в поверхностных слоях воды значения pH повышаются до 9 —10.

Сильное подщелачивание воды во время развития растений связано не только с тем, что они потребляют свободную углекислоту, но и с тем, что в этот период в воде накапливаются карбонаты: растения отщепляют углекислоту от бикарбонатов, переводя их тем самым в карбонаты.

В морских водоемах активная реакция среды слабощелочная. Она практически постоянна и колеблется лишь в пределах от 8,0 до 8,3. Это связано с сильной забуференностью среды и относительно слабым развитием фитопланктона.

В пресных водоемах активная реакция среды испытывает сезонные колебания. Зимой в результате замедления жизнедеятельности организмов pH составляет 7,0 —7,5, летом она возрастает, а в периоды цветения водорослей и активной вегетации водных растений достигает 9—10. Наблюдаются и суточные изменения величины pH, в основном летом, что связано с высокой активностью биологических процессов в дневное время. Изменяется значение pH и с глубиной: в придонных слоях, где отсутствует фотосинтез, кислотность воды повышается (Н. А. Березина, 1973).

В водоемах кислого типа pH среды более постоянен и меньше зависит от жизнедеятельности организмов, так как их население очень бедно. Подкисление болотных вод связано также с деятельностью мха сфагнума, способного избирательно адсорбировать различные катионы солей, замещая их водородными ионами. За счет этого pH понижается до 4; когда наступает ионное равновесие, процесс обмена приостанавливается (К. А. Кокин, 1982).

Активная реакция среды оказывает влияние на жизнедеятельность водных организмов. Это влияние может быть как прямым, так и косвенным. Косвенное влияние проявляется через изменение содержания в воде различных соединений макрои микроэлементов, растворимость которых (а соответственно и доступность для водных организмов) во многом зависит от величины pH. Так, ряд водорослей не может существовать при слишком высоких значениях pH из-за низкой растворимости многих микроэлементов.

Непосредственное влияние pH среды на организм сводится к воздействию водородных и гидроксильных ионов на проницаемость клеточных мембран, а соответственно и на их метаболизм.

Активная реакция среды определяет наличие в среде биогенных элементов и степень их доступности для прибрежно-водной растительности и фитопланктона. Это связано с тем, что многие элементы в щелочной среде переходят в нерастворимую форму, тогда как в кислой среде растворимость их и, следовательно, доступность для растений повышается.

Активная реакция среды имеет большое экологическое значение. Изменение pH среды влияет на выживаемость организмов, интенсивность питания, рост, уровень газообмена и другие жизненные процессы. Величина pH оказывает влияние и на водную растительность, в первую очередь погруженную. Наиболее благоприятные условия для развития прибрежно-водных растений — это слабощелочные воды; в кислых водоемах они растут значительно хуже. Погруженная водная растительность в большей степени, чем растения с плавающими и надводными листьями, зависит от величины pH, состава и концентрации газов, химического состава илов.