16.1. Неорганічний та органічний фосфор водних екосистем

Фосфор - один із найважливіших біогенних елементів, які істотно впливають на життєдіяльність водяних організмів. Він має один стабільний ізотоп і шість радіоактивних, з яких найважливішу роль відіграють ³²Р і ³³Р. При взаємодії з киснем, галогенами, сіркою, металами фосфор має ступені окиснення +3, +5 та -3 (фосфорний ангідрид Р₂О₅, фосфороводень РН₃). Основними природними джерелами неорганічного фосфору є апатити та фосфорити. У морських і континентальних водоймах розчинений фосфор знаходиться у складі неорганічних і органічних сполук. Органічний фосфор може бути як у розчиненому, так і в колоїдному стані. Як компонент практично всіх біологічних рідин і тканин він активно поглинається з води водоростями та вищими водяними рослинами. Більша частина фосфатів, які засвоюються рослинами і тваринами, знову повертаються у воду в складі продуктів обміну речовин та при розкладі органічних речовин.

Вміст фосфору в природних водах значною мірою залежить від його надходження іззовні та використання гідробіонтами. З водного середовища гідробіонти засвоюють фосфор у формі ортофосфату, поліфосфатів, фосфорних ефірів. Низькомолекулярні фосфорорганічні речовини можуть утилізуватися автотрофними організмами тільки після їх гідролізу на поверхні клітини за участю ферментів фосфатаз.

У морських водах неорганічний фосфор представлений, в основному, фосфорною кислотою Н₂РО₄ та продуктами її дисоціації (Н₂Р0₄ , НРО₄^- , РО₄^3- ). Останні можуть утворювати комплексні сполуки з іншими компонентами морської води. У ній також знаходяться різні форми органічного фосфору.

У континентальних водоймах найбільш рухливою і легко засвоюваною гідробіонтами формою неорганічного фосфору є ортофосфат-іон (РО₄^3- ). Саме він включається в метаболічні цикли гідробіонтів — від мікроорганізмів до риб. На співвідношення окремих неорганічних сполук фосфору у воді істотно впливає її рН. Так, при рН 7 і вище (лужне середовище) переважає ортофосфорна кислота — Н₃РО₄ її вміст досягає 90 % від усіх форм фосфору у воді, і лише 10 % припадає на Н₂РО₄ . У водному розчині Н₂Р0₄ утворюється внаслідок дисоціації ортофосфорної кислоти (Н₃Р0₄) на іони Н⁺ та Н₂РО₄ за реакцією Н₃РО₄;= Н⁺ + Н₂Р0₄. Саме у вигляді дигідрофосфатних іонів і зустрічаються неорганічні розчинені форми фосфору в кислих водах. Крім фосфорних кислот у природних водах є їх солі, важкорозчинні у воді. Серед сполук фосфору найбільше значення має кальцієва сіль фосфорної кислоти — Са₃(Р0₄)₂, яка в природі часто зустрічається у вигляді мінералу фосфориту. Інший мінерал — апатит — у своєму складі крім Са₃(РО₄)₂ має CaF₂ або СаС1₂. Серед розчинених у воді солей ортофосфорної кислоти заслуговують на увагу так звані нормальні, або третинні, фосфати Na₃HP0₄ і Са₂(НР0₄)₂. До таких солей належать і дигідрофосфати, або первинні фосфати, які мають слабокисну реакцію: Са(Н₂Р0₄)₂ та NaH₂PO₄.

Найбільша кількість фосфору знаходиться в гідросфері у вигляді органічних сполук. Вони можуть входити до складу найдрібніших живих організмів і залишків мертвих тканин. Значна частина органічного фосфору акумулюється в донних відкладеннях та в розчинених у воді сполуках. Фосфор є неодмінною складовою біологічних рідин і тканин планктонтів і бентонтів.

Між неорганічними і органічними сполуками фосфору постійно здійснюється обмін. Загалом фосфор водних екосистем перебуває у постійному кругообігу між водним середовищем і організмами гідробіонтів. Наприклад, через бактеріальні клітини в процесі обміну протягом кількох хвилин проходить досить значна кількість ортофосфату, який перетворюється в його органічні форми. Вміст неорганічного фосфору у воді поповнюється внаслідок переходу органічного фосфору у неорганічні форми, які й засвоюються гідробіонтами. Саме завдяки цьому неорганічний фосфор водних екосистем розглядається як його проміжна форма в кругообігу фосфору в гідросфері. Він простіший, ніж кругообіг азоту і вуглецю, які знаходяться у більш різноманітних формах, у тому числі і в газоподібному стані. Фосфор же не переходить в атмосферу (в газоподібному стані), а повністю циркулює між літосферою, біосферою і гідросферою. У цьому кругообігу певна його частина постійно виноситься з річковим стоком у Світовий океан і відкладається разом із відмерлими морськими організмами в осадових породах.

У річкових і озерних водах на неорганічний фосфор в середньому припадає до 50 % загальної кількості фосфору водного середовища. Але співвідношення між органічним і неорганічним фосфором може варіювати в широких межах. Так, у вісконсинських озерах (США) загальна концентрація фосфору у воді (20,3 мг/дм³) перевищує у 7 разів середній вміст його розчинених неорганічних форм. Відношення ж розчиненого неорганічного до розчиненого органічного фосфору в цих озерах коливається від 1:1 до 1:89. Серед окремих структур, що містять органічний фосфор, в одному з таких озер найбільша кількість фосфору припадала на фосфор сестону (65,4 % від його загальної кількості). Розчинений органічний фосфор становив в середньому 28,7 %, а неорганічний — 5,9 %.

На вміст фосфору у воді впливають різні чинники, зокрема, сезонні зміни температури, освітлення, кількість дощових і снігових опадів. Так, у літні, найбільш: теплі дні, коли посилюється засвоєння фосфору фітопланктоном і водяними твари­нами, його вміст у воді спадає, а взимку, коли відбувається масове відмирання і розпад гідробіонтів - зростає. Під час весняної повені, коли вимиваються фосфати з водозбірної площі, їх концентрація у воді водойм також збільшується.

У малих річках України концентрація неорганічних форм фосфору коливається від слідових до 0,5 мг/дм³, а в середніх і великих річках — від 0,15 до 0,2 мг/дм³. Найменший вміст фосфору (0,02—0,1 мг/дм³) відзначається навесні, а в інші сезони року його концентрація становить від 0,04 до 0,20 мг/дм³. Вміст органічного фосфору коливається в межах 0,02— 0,07 мг/дм³. У дніпровських водосховищах, особливо в перші роки після заповнення їх ложа водою, концентрація фосфатів різко зростала за рахунок мінералізації органічної маси рослин та вимивання із ґрунтів, які опинились під водою. Після стабілізації гідрохімічного режиму водосховищ вміст Р_орг коливається в межах від 0,01 до 0,30 мг/дм³. Головними джерелами його надходження у воду є рухливі компоненти розкладу планктонних організмів, які переходять із залитих ґрунтів у воду, та стічні води великих міст, промислових, сільськогос­подарських і комунально-побутових підприємств. Найбільшу концентрацію розчиненого мінерального фосфору виявлено у внутрішньокаскадних водосховищах (Кременчуцькому, Дніпродзержинському і Запорізькому), а найменшу - у Київському. Тільки в Кременчуцьке водосховище протягом року надходить з річковим стоком близько 1,8 — -2,4 тис. т мінерального і 4,6 — 17,5 тис. т органічного фосфору переважно із стічних вод Києва. Внаслідок відмирання водоростей у товщу води водосховища в середньому надходить до 3 500 т органічного фосфору. З донних відкладень Кременчуцького водосховища щорічно переходить у воду в складі водорозчинних органічних сполук більше 300 т органічного фосфору [8].