Перемещение твердых веществ в воде: осадочные частицы
Если осадок в воде – это просто твердые частицы разного размера, то чем больше эти частицы, тем большей харизмой они обладают. Белоснежный песок на карибском пляже и массивные булыжники в горном ручье Колорадо – настоящий подарок для фотографа, но они создают искаженное представление о взаимодействиях воды и осадочных частиц. На самом деле это не две разные несмешивающиеся фазы веществ, а инь и ян водной среды, которые, дополняя друг друга, составляют единое целое. Вода перемещает осадочные частицы, и чем больше ее напор, тем более крупные частицы передвигаются. Они, в свою очередь, также взаимодействуют с водой, обмениваясь молекулами с раствором.
Самые крупные осадочные частицы называются булыжниками – это куски камня более 25 см в поперечнике. Обломки поменьше (по мере убывания размера) – это галька, гравий, песок, пыль и глина. Самые мельчайшие частицы – коллоиды, которые остаются во взвешенном состоянии даже в полностью спокойной воде. Коллоидные частицы ведут себя не совсем как истинные частицы (не выпадают в осадок), но и не как истинно водорастворимое вещество. Они занимают некое промежуточное положение. Подобно белкам плазмы крови, коллоидные частицы могут влиять на концентрацию веществ в воде, связываясь с ними, удаляя их из растворимой фазы и таким образом снижая токсичность.
Но если коллоиды остаются во взвешенном состоянии, то почему океаны и реки не наполнены коллоидным материалом? По двум причинам: во-первых, неорганические и органические коллоидные частицы в определенных условиях среды объединяются, образуя хлопьевидные структуры, и оседают на дно, прихватывая с собой различные связавшиеся с ними вещества. Во-вторых, органические коллоиды – это пища для детритофагов и прожорливых микроорганизмов. Голодные бактерии, питающиеся органическими коллоидами, могут изменять структуру молекул некоторых токсичных веществ или разрушать их полностью. В некоторых природных системах коллоиды и токсичные вещества могут находиться в состоянии постоянного потока и перемешивания. Там, где коллоидный материал доминирует, токсичность переносимых водой веществ может быть снижена, а в других водоемах, где коллоидов практически нет, токсины остаются в растворенном состоянии и наносят максимальный вред.
По мере увеличения осадочных частиц в размере, от коллоида до глины и далее, на их транспорт по воде требуется все больше энергии (то есть вода должна течь быстрее), в противном случае они оседают на дно. Однако, даже оказавшись в донных отложениях, осадочные частицы продолжают влиять на подвижность токсичных молекул. Отчасти это объясняется тем, что мелкие осадочные частицы, например глина, могут как притягивать, так и отталкивать различные химические вещества. Поверхность частицы обычно имеет отрицательный заряд, поэтому она будет отталкивать другие отрицательно заряженные частицы в воде, а положительно заряженные – притягивать.
Говоря в общем, чем меньше осадочная частица, тем важнее ее роль в передвижении веществ в водной среде. На это есть две основные причины. Первая – отношение площади поверхности к объему частицы. Представьте себе, что вы сняли оболочку с баскетбольного мяча и разложили ее на плоской поверхности. Она покроет определенную площадь, приблизительно равную площади небольшого полотенца для рук. Но если вы набьете баскетбольный мяч бусинами, а потом разложите поверхность всех этих бусин на плоскости, то она покроет площадь примерно с простыню, то есть приблизительно в 10 раз большую, чем площадь оболочки мяча. Общая площадь поверхности всех частиц в определенном объеме называется удельной поверхностью. Этот показатель очень важен, так как помогает объяснить, почему в горсти мелких камушков во много раз больше мест для связывания молекул, чем у одного большого камня. В случае с мелкими частицами это труднее представить наглядно, однако общая закономерность остается той же: в ложке глины или пыли во много раз больше мест для связывания органического материала, чем в ложке песка.
Удельная поверхность частиц различного размера во многом объясняет взаимодействие различных молекул с осадочными частицами, но это еще не вся история. По мере уменьшения размера частиц также уменьшается и свободное пространство между ними (представьте себе пустые места между сложенными в кучу баскетбольными мячами и пустые места между сложенными бусинами). В водных системах это пространство заполнено водой, которая называется внутрип?ровой, так как находится в пустых местах, или порах, между осадочными частицами.
В горных потоках вода движется очень быстро и вымывает ил и глину вместе со всем органическим материалом – например, кусочками разлагающихся листьев, – оставляя таким образом чистую воду, крупные отложения и минимум органики. Токсичные вещества и органика, находящиеся в воде внутри пор, по большей части не успевают взаимодействовать с имеющимися осадочными частицами, а уносятся вниз по течению. Вода в равнинных реках – например, текущая через кукурузные поля Иллинойса, – наоборот, движется достаточно медленно, и мелкие частицы (песок, пыль и глина) оседают на дне. Любая органика, движущаяся вниз по течению, также может задерживаться в поровом пространстве между мелкими неорганическими осадочными частицами. Этот органический материал обладает большей липофильностью, чем окружающие его неорганические частицы, поэтому липофильные молекулы притягиваются к ним. В отличие от горных потоков, где липофильные вещества, прилипающие к осадочным частицам, в основном уносятся течением, в медленно текущей воде они главным образом формируют органические донные отложения.
Мы все интуитивно понимаем эту зависимость между размером частиц и бактериальной активностью, что видно даже по терминологии. Наименования более крупных осадочных частиц (от гравия до песка) не меняются, в каком бы состоянии они ни находились. Мокрый песок остается песком, мокрый гравий – гравием. Однако названия пыли и глины меняются, когда эти частицы намокают и смешиваются с органическим материалом. Мокрая глина и мокрая пыль, особенно смешанные с большим количеством органики, становятся илом или просто грязью.
У большинства людей термины «ил» и «грязь» вызывают негативные ассоциации, и на это есть причина. Грубо говоря, они воняют. Илы и грязи – это место разложения органических веществ (биотрансформации на высокомолекулярном уровне), при котором выделяются газы и пары, которые действительно могут иметь не слишком приятный запах. Бактерии в таких сообществах совершают грязную, но необходимую для экосистемы работу.
Вполне понятно, колонии бактерий, растущие в иле и грязи, гораздо более многочисленны, разнообразны и активны, чем те, что живут среди частиц песка. Все эти бактерии находятся в постоянном поиске съедобных молекул и, когда находят их, производят биотрансформацию, изменяя структуру прилипшего к осадочным частицам органического материала и в некоторых случаях освобождая их в воду. Нередко бывает, что вещество, попавшее в верхний слой донных отложений, преобразуется и снова переходит в толщу воды уже в виде метаболитов.
Современные исследования позволяют предположить, что вещества, выделяющиеся из богатых донных отложений, могут оказывать токсическое воздействие. Недавно в штате Небраска ученые провели следующий эксперимент. В разных водоемах были взяты образцы воды и донных отложений. В лаборатории их смешивали и помещали туда рыбок-толстоголовов, обычных для данной местности. Вода с осадком была набрана из мест, где присутствовало загрязнение продуктами агрохимической промышленности, в частности, весной после применения пестицидов. У самок толстоголова, помещенных в лабораторную смесь речной воды и донных отложений, наблюдались те же самые негативные эффекты (дефеминизация), что и у рыб, пойманных в самой реке. Однако, к удивлению ученых, те же самые изменения возникали и у рыб, помещенных в смесь чистой лабораторной воды и речных отложений. Таким образом, становится очевидно, что загрязняющие вещества не просто оседают на дне, а могут выделяться из отложений обратно в воду.
