Подкисление пресной воды - Freshwater acidification

Диаграмма, изображающая источники и циклы выпадения кислотных дождевых осадков.

Пресная вода становится кислой, когда поступление кислоты превышает количество оснований, образующихся в резервуаре в результате выветривания горных пород или восстановления кислотных анионов, таких как сульфат и нитрат, в озере. Основная причина подкисления пресной воды - атмосферные выпадения и выщелачивание почв SO x и NO x. В чувствительной к кислоте экосистеме, которая включает медленно выветриваемые коренные породы и истощенные бассейны катионов оснований, SO x и NO x из стока будут сопровождаться подкислением ионов водорода и неорганического алюминия, которые могут быть токсичными для морских организмов. Кислотный дождь также способствует подкислению пресной воды, однако кислотный дождь образуется, когда SO x и NO x вступают в реакцию с водой, кислородом и окислителями в облаках. Помимо SO x и NO x, буферная способность почв и коренных пород пресноводной экосистемы может способствовать повышению кислотности воды. Каждый резервуар с пресной водой может накапливать кислоты. Однако при избыточном поступлении кислот в резервуар буферная емкость по существу «иссякнет», и вода в конечном итоге станет более кислой. Повышение содержания CO 2 в атмосфере влияет на кислотность пресной воды аналогично тому, как повышение CO 2 влияет на экосистемы океана. Однако из-за различных потоков углерода в пресноводных экосистемах трудно количественно оценить влияние антропогенного CO 2 . Наконец, усиление подкисления пресной воды вредно для различных водных организмов.

Пресная вода против подкисления океана

Краткое изложение взаимосвязи между антропогенным CO 2 и закислением океана.

Океан и атмосфера постоянно обмениваются огромным количеством CO 2 . За последние 800 000 лет концентрация CO 2 в атмосфере оставалась около 172-300 частей на миллион по объему (ppmv). Однако с недавними антропогенными выбросами CO 2 это число увеличилось до 387 ppmv в 2009 году. С 2000 по 2008 год 26% антропогенного CO 2 было поглощено океаном. Хотя закисление океана также вызывается другими химическими добавками и удалениями, CO 2 является основным фактором, влияющим на pH. Как только CO 2 растворяется в морской воде, он становится слабой кислотой, которая в первую очередь влияет на химический состав карбонатов. Растворенный CO 2 увеличивает концентрацию ионов бикарбоната (HCO 3 - ), растворенного неорганического углерода (C T ) и снижает pH. Пресная вода также поглощает атмосферный CO 2 , что также может снизить pH. Помимо CO 2 , значения pH в пресноводных водохранилищах изменяются кислотными дождями, стоком биогенных веществ и другими антропогенными загрязнителями. Пресная вода поглощает CO 2 по тому же механизму, что и морская вода, однако щелочность пресной воды намного ниже, чем в морской, из-за отсутствия солевого буфера. Из-за отсутствия солевого буфера изменения pH в пресной воде, как правило, намного больше, чем в океанской воде, из-за того, что недавно выпущенные ионы H + не забуфериваются таким количеством ионов бикарбоната (HCO 3 - ), как океанская вода. Следовательно, пресноводная биота имеет тенденцию иметь более высокую эволюционную устойчивость к pH, чем биота морской воды.

Причины

SO x и NO x

Ускоренное сжигание ископаемого топлива в прошлом веке в значительной степени способствовало подкислению пресноводных экосистем. В 1970-х годах уровни выбросов сульфатов достигли пика, а через 10 лет за ними последовал азот. Основными участниками подкисления пресной воды являются SO x и NO x. Повышение концентрации сульфатов в стоке из-за повышенного поступления кислотности сочетается с увеличением стока катионов оснований и уменьшением бикарбонатов, создавая подкисляющий эффект, наблюдаемый в пресноводных экосистемах. В естественном состоянии большая часть азота, поступающего в пресноводные экосистемы, будет использоваться растительностью. Однако в избыточных количествах весь азот не может быть использован растительностью, а избыток азота обнаруживается в виде нитратов в стоке воды. Нитрат будет способствовать подкислению так же, как сульфат.

Буферная емкость

Карта с изображением Атлантической Канады.

Помимо SO x и NO x , низкая буферная способность экосистем может также привести к кислотности пресной воды. Например, в атлантической Канаде самые низкие показатели кислотных отложений в восточной части Северной Америки с самыми кислыми водами на континенте. Это связано с низкой буферностью коренных пород региона и добавлением природных органических кислот, производимых рядом с водно-болотными угодьями. В частности, на юго-западе и востоке Новой Шотландии наблюдается сочетание высокой органической кислотности, плохой буферности и сильного кислотного осаждения, что приводит к очень низким значениям pH поверхностной воды и способности нейтрализации кислоты (ANC). В большей части Атлантического региона встречаются гранитные и сланцевые породы, которые содержат очень мало буферного материала. Таким образом, почва, образованная из материалов с низкой буферной способностью, и стекающие из нее воды подвержены подкислению даже при слабом кислотном осаждении.

CO 2

В океанах CO 2 в атмосфере может растворяться на поверхности воды и образовывать углекислоту. Общий неорганический углерод в пресной воде включает свободный CO 2 (или H 2 CO 3 ), HCO 3 - и карбонаты (CO 3 2- ). Процентное содержание всех этих компонентов также зависит от pH воды. Когда вода кислая, она в основном будет содержать CO 2 . Часто бывает трудно количественно оценить влияние уровней pCO 2 в пресной воде из-за различных источников углекислого газа, получаемого пресноводными экосистемами. Такие факторы, как близлежащая экосистема, сельское хозяйство, землепользование, водосбор, размер озера, осадки, тип почвы и горные породы - все это определяет количество поглощенного CO 2 . Однако в прошлом веке в пресноводных экосистемах произошло явное увеличение pCO 2 из-за антропогенного воздействия. По мере того, как растительность вблизи пресноводных экосистем растет и размножается, из-за избытка pCO 2, питающего эти растения, количество углерода, доступного при гибели и во время разложения, увеличивается. Затем осадки, выветривание и сток смоют эту почву в близлежащую воду. Когда pCO 2 из разлагающейся растительности вступает в реакцию с водой, он образует угольную кислоту, которая способствует более низкому уровню pH.

Вредное воздействие на водные экосистемы

Этот пруд показывает переизбыток сфагнума.

С усилением подкисления пресноводных экосистем будет уменьшаться биоразнообразие с увеличением потерь чувствительных к кислоте видов. Снижение pH до 6 резко повлияет на обитающие в пресной воде виды улиток и ракообразных. Например, в норвежских озерах эти виды составляют 45% источника питания форели, что приводит к сокращению ее численности на 10-30% из-за подкисления пресной воды. Кроме того, на видовое разнообразие зоопланктона влияет подкисление пресной воды.

В большинстве кислых пресноводных водоемов будет усилено развитие мхов и водорослей. В частности, часто наблюдается увеличение численности мха сфагнума. Сфагнум обладает высокой способностью обменивать H + на основные катионы в пресной воде. Толстый слой сфагнума ограничивает обмен между поверхностными водами и отложениями, что еще больше способствует сокращению круговорота питательных веществ в экосистеме.

использованная литература