M-34 Water als milieufactor
B. Kooldioxide en calcium
De kooldioxide van het water komt deels direct uit de atmosfeer, deels via regenwater dat bij het doorsijpelen in de grond het gas opneemt. Bovendien zijn de
dissimilatieprocessen en de oxi- en anoxibiontische mineralisatieprocessen een belangrijke kooldioxidebron.
In het water vinden onderstaande evenwichtsreacties plaats, waaruit het ingewikkelde 'gedrag' van kooldioxide mag blijken.
CO2 + H2O H2CO3 H+ + HCO3- 2 H+ + CO32-
Zoals uit figuur 45 blijkt, hangt het in sterke mate van de pH af in welke concentra-tieverhoudingen CO2, H2CO3, HCO3- en CO3 2- voorkomen.
Indien echter het slecht oplosbare calciumcarbonaat in water voorkomt dan vindt tevens de volgende reactie plaats.
CaCO3 + H2O + CO2 Ca(HCO3)2
onoplosbaar oplosbaar
Water met onopgelost calciumcarbonaat neemt dus een veel grotere hoeveelheid kooldioxide op dan alleen door oplossing van dit gas in water. Dit gebonden kooldioxide is een belangrijke reserve voor de fotosynthese. Calciumwaterstofcarbonaat blijft echter alleen in oplossing bij een overvloed aan kooldioxide in water. Het vrije kooldioxide kan bepaald worden door titratie met NaOH of Na2CO3 tot pH 8,4 (fig. 45). In de praktijk is dit echter een moeilijke titratie omdat lucht moet worden buitengesloten en kooldioxide niet gelijktijdig mag ontsnappen. Uit de titratie met sterk zoutzuur tot pH 4,2 blijkt de hoeveelheid CO32-, HCO3- en OH-, die de totale alkaliniteit van het water wordt genoemd. Titreert men echter tot pH 8,4 dan worden alleen CO32- en OH- geneutraliseerd en
spreekt men van de fenolftaleïne-alkaliniteit. Fenolftaleïne geeft een kleuromslag bij pH 8,4.
Indien men calciumwaterstofcarbonaathoudend water kookt vindt de volgende reactie plaats.
Ca(HCO3)2 → CaCO3 ↓ + H2O + CO2 ↑
De ontwijkende kooldioxide wordt wel de zwak gebonden kooldioxide-fractie genoemd. De kooldioxide van het calciumcarbonaat de sterk gebonden fractie.
VI. HARDHEID
Onder de totale hardheid van water verstaat men de totale hoeveelheid aan magnesium en calcium die in het water zit opgelost. De tijdelijke hardheid wordt alleen veroorzaakt door Calciumwaterstofcarbonaat en verdwijnt bij het koken. De permanente hardheid wordt veroorzaakt door calcium- en magnesiumchloriden en sulfaten.
De hardheid van water wordt uitgedrukt in duitse hardheidsgraden: tabel 29 1 dH° 10 mg CaO/l 18 mg CaCO3/l 24,3 mg CaSO4/l 7,1 mg MgO/l 15 mg MgCO3/l
water van < 10 dH° is zacht water van > 20 dH° is hard
water van > 30 dH° is als drinkwater onbruikbaar Tabel 29
VII. ZOUTGEHALTE
Naast veel zoet water komt in Nederland nog vrij veel brak water voor.
De schommelingen in de Nederlandse wateren hangen sterk af van de verhouding tussen neerslag en verdamping en de toevoer van zeewater dan wel zoutwater en zout
industriewater. De salaniteit van een watermonster kan vrij snel bepaald worden 104
door de bepaling van de soortelijke massa. Deze is immers afhankelijk van zoutgehalte en temperatuur (zie tabel 30).
zoutgehalte in ‰ soortelijke massa kg/l (4º C) 0 1,0000 1 1,00085 2 1,00169 3 1.00251 10 1,00818 35 (zeewater) 1,02822 Tabel 30
De bepaling van het chloride-ion gehalte geschiedt door titratie met een zilvernitraatoplossing van bekende concentratie.
AgNO3 + Cl- → AgCl + NO3-
Als indicator wordt gebruik gemaakt van een kaliumchromaatoplossing, waarvan zoveel moet worden toegevoegd, dat de waarde van het oplosbaarheidproduct juist wordt overschreden: dan geldt Ag+ = Cl-.
Als alle chloorionen gebonden zijn reageert het zilverion met het gele kaliumchromaat en wordt het roodbruine zilverchromaat (Ag2CrO4) gevormd.
Men kan ook met behulp van 'Quantab Chloride Titrators' de saliniteit bepalen.
Dit zijn dunne plastic staafjes voorzien van een capillair kolommetje, dat geïmpregneerd is met zilverchromaat. Wanneer de staafjes in water worden geplaatst zal dit door de capillaire werking opstijgen en zullen eventueel aanwezige chloorionen met het zilverdichromaat reageren.
Ag2Cr2O7 + 2 NaCl → Na2Cr2O7 + AgCl ↓ wit
Het staafje verkleurt van bruin naar wit. Bovenin het staafje bevindt zich een geelbruin vochtgevoelig stripje dat donkerblauw verkleurt. De lengte van het gedeelte van het capillaire kolommetje dat dan wit is geworden is een maat voor de chloride concentratie. In tabel 31 zijn ten aanzien van de saliniteit enkele watertypen onderscheiden.
watertype chloride gehalte zoutgehalte
voor het gehalte aan zout (NaCl) vermenigvuldigen met 1,65 < 100 -mg/liter 100-500 mg/liter 500-1.000 mg/liter 1.000-5.000 mg/liter 5.000-10.000 mg/liter 10.000-17.000 mg/liter > 17.000 mg/liter
voor het gehalte aan alle zouten vermenigvuldigen
met 1,80 Tabel 31
VIII. WATER EN LICHT
Het licht dat het wateroppervlak treft, wordt gedeeltelijk door dat oppervlak gereflecteerd en gedeeltelijk in het water selectief verstrooid en geabsorbeerd. De reflectie is
afhankelijk van de zonnestand (formule Fresnel) en is dus afhankelijk van het jaargetijde en het tijdstip van de dag.
Een gedeelte van het licht blijft dus in een waterlaag achter: extinctie en een gedeelte gaat er door heen: transmissie. De grootte van de verstrooiing is afhankelijk van in het water gesuspendeerde deeltjes. Omdat de verstrooiing in het golflengtegebied van 390-640 nm omgekeerd evenredig is met de vierde macht van de golflengte, worden
kortgolvige stralen het sterkst verstrooid. Dit verklaart waarom helder water 105
in een dikke laag blauw lijkt. Een gedeelte van het verstrooide licht verlaat het water weer en wordt dus altijd met het gereflecteerde licht samen gemeten. Een gedeelte van het verstrooide licht wordt door foto-autotrofe organismen energetisch vastgelegd. De kleur van het water wordt onder meer beïnvloed door selectieve transmissie, troebelheid veroorzakende stoffen en gereflecteerd licht van de omgeving.
Zo veroorzaken plankton en andere zwevende organische stoffen een geel-groene kleur van het water. Blauw wordt wel de woestijnkleur van water genoemd omdat dit wijst op weinig productie en dus op oligotroof water.
Wanneer de troebelheid van het water niet veroorzaakt wordt door fijne klei- of
zanddeeltjes, dan is de helderheidsgraad een goede aanwijzing voor de productiviteit van dat water.
De lichtintensiteit neemt in water snel af. Zo is de lichtintensiteit op een diepte van één meter al met 65% afgenomen en bedraagt deze op een diepte van ongeveer veertig meter, in zeer onproductief water, bijvoorbeeld een kratermeer, soms nog 5%. Hoewel fotosynthese ook nog plaats kan vinden onder de 5%-grens, het compensatievlak, wordt de 5%-grenslaag toch wel aangemerkt als de laagste grens van de fotosynthetische zone.
Daar het gele licht (600-580 nm) en het rode licht (780-620 nm) minder diep doordringen dan groen licht (560-550 nm) en blauw licht (480-420 nm), heeft dit consequenties voor de verspreiding van fotosynthetische organismen omdat ze rood en blauw licht benutten. Het groene licht kan echter benut worden door rood- en
blauwwieren doordat ze in het bezit zijn van accessorische pigmenten. Door
bovenvermelde oorzaken komt dan een sublittorale wierzonering tot stand. De helderheid van water of zichtdiepte kan men bepalen met behulp van een Secchi-schijf (fig. 60), door deze langzaam te laten zakken en de zichtdiepte af te lezen op het meetlint. Zodra de schijf niet meer wordt waargenomen heffen verstrooiing en reflexie elkaar op. Men kan de lichtintensiteit op verschillende diepten ook bepalen door bijvoorbeeld gebruik te maken van een cadmiumsulfide fotocel gevoelig voor geelgroen of van een silicium fototransistor of van een silicium- of selenium zonnecel dan wel van een infrarood detector.
IX. WATER EN ORGANISMEN
Op grond van flora en fauna onderscheidt men bij een meer de volgende zone-indeling: 1. de open waterzone of pelagiaal - epipelagiaal
- bathypelagiaal
2. de bodemzone of benthaal - diepwaterzone of profundaal - de oeverzone of litoraal
De grens tussen litoraal en profundaal is het compensatievlak waarbeneden geen sprake meer is van een positieve fotosynthesebalans.
Evenzo wordt de openwaterzone op grond van de aanwezigheid van het compensatievlak onderverdeeld in epipelagiaal en bathypelagiaal.
De zone boven het compensatievlak wordt in zijn geheel aangeduid met de trophogene zone en die beneden het compensatievlak met de tropholytische zone (fig. 46).
X. INDELING VAN WATER OP GROND VAN VOEDSELRIJKDOM
Op grond van de voedselrijkdom deelt men het zoete water wel als volgt in: 1. eutrofe wateren = voedselrijke wateren
2. olgigotrofe wateren = voedselarme wateren De grens tussenbeide typen zou dan moeten liggen bij 25 mg CaO/l + 1 mg N2/l + 0,5 mg P2O5/l.
Figuur 46. Blokdiagram van een sloot of meer met de diverse zones. 1 = pelagiaal, 2 = litoraal, 3 = benthaal, 4 = compensatievlak, 5 = trophogene zone en 6 tropholytische zone.
Verder onderscheidt men dan nog wel dystrofe wateren die veel humuszuren bevatten en die gezien de oorsprong van deze stoffen, doorgaans hoogvenen, vaak oligotroof zullen zijn.
In feite is de indeling oligotroof-eutroof gebaseerd op de mate van opbouw van organische stof. Noch de momentopname van de aanwezige zouten, noch die van de biomassa, noch het voorkomen van soorten of soortencombinaties blijken goede graadmeters te zijn voor de onderscheiding oligotroof-eutroof, omdat ze statisch van aard zijn en niet de beste criteria zijn voor het verloop van de primaire productie in de tijd.
Met behulp van de bepaling van het zuurbindend vermogen (ZBV) van water kan men natuurlijk wel enige indruk krijgen omtrent de anorganische voedselrijkdom van het water (M-50, pag. 142).
XI. VERVUILINGSGRAAD VAN HET WATER
Op grond van de situatie van de vervuiling van het binnenwater onderscheidt men onderstaande waterkwaliteiten in tabel 32:
a. polysaproob b. α - mesasaproob c. β - mesasaproob d. oligosaproob e. xenosaproob of kathasaproob
zeer sterk vervuild sterk vervuild matig vervuild zwak vervuild niet vervuild > 20 mg org. stof/l 12-20 mg org. stof/l 5-12 mg org. stof/l 2-5 mg org. stof/l < 2 mg org. stof/l Tabel 32
Aangezien deze indeling onder meer gebaseerd is op de vervuiling met organische stof en haar afbraak, ligt het voor de hand de concentratie aan organische stof te bepalen
teneinde een uitspraak te kunnen doen over de waterkwaliteit.
In dit verband kan men de B.O.D.-bepaling (Biochemical Oxygen Demand) verrichten, waarbij van een watermonster het zuurstofverbruik gedurende drie (B.O.D.3) of vijf (B.O.D.5) dagen bij een temperatuur van 20° C en in het donker wordt gemeten. Het zuurstofverbruik vertoont een correlatie met de hoeveelheid organische stof in het watermonster omdat het zuurstofverbruik van de bacteriën bij het mineralisatieproces afhankelijk is van de af te breken organische materie. Het bezwaar van deze methode is echter dat het een momentopname is (zie M-52, pag. 144).
Met de C.O.D.-bepaling (Chemical Oxygen Demand) meet men de hoeveelheid zuurstof die chemisch gebonden kan worden door een watermonster, zonder dat hiervoor
biologische activiteiten noodzakelijk zijn. Bij deze bepaling wordt + 68% van de totale hoeveelheid organisch materiaal geoxideerd (zie M-51, pag. 143).
XII. BIOLOGISCHE WATERBEOORDELING
Tal van organismen komen slechts onder zeer bepaalde milieuomstandigheden voor en kunnen derhalve dienst doen als indicator-organismen of bioindicatoren voor bijvoorbeeld de bepaling van de vervuilingsgraad van het water. De moeilijkheid die zich hierbij echter voordoet is, dat het determineren tot op de soort vaak zeer lastig is voor niet-specialisten en dat bovendien nog niet altijd de indicatorische waarde van alle soorten vast staat. A. Trofie-bepaling
Verreweg de eenvoudigste methode is de quotiëntmethode, die het mogelijk maakt om de structuur van de levensgemeenschap te kwantificeren. Het principe van deze methode is, dat bepaalde taxonomische algengroepen hun optimum binnen bepaalde grenzen van voedselrijkdom hebben, wat dan blijkt uit hun soortenaantallen. Men onderscheidt onderstaande trofie-indicerende groepen, tabel 33:
aanduiding groep indicatief voor
M Cyanophyceae eutroof water
E Euglenophyceae eutroof water
C Centrische Diatomeeën eutroof water Ch Chlorococcales eutroof water
D Desmidiales oligotroof water
Tabel 33
Gebruikmakend van onderstaande formule en tabel 34 kan men nu de voedselrijkdom van het water vaststellen. Voor M, Ch, C, E en D het aantal soorten van de groep invullen. Q = M + Ch + C + E D Q-waarde milieu-toestand <0,3 0,3-3 3-7 >7 oligotroof mesotroof matig eutroof eutroof Tabel 34
Deze methode is niet geschikt voor open water met veel plantengroei omdat de Desmidiales daarin te sterk vertegenwoordigd kunnen voorkomen vanwege hun voorliefde voor plantaardig substraat.