Sự hình thành thành phần hóa học của nước thiên nhiên phụ thuộc vào điều kiện hình thành, quá trình di chuyển của nó, thành phần và các đặc tính hóa học của các chất mà nó tiếp xúc. Bao gồm các q trình chủ yếu sau:
- Q trình hố học (hồ tan, hấp thụ, oxy hóa khử,…). - Q trình sinh hóa (quang hợp, phân giải,…).
- Q trình vật lý (bốc hơi, đóng băng, mưa, tan băng,…).
Sự tác dụng tương hỗ của nước với môi trường xung quanh có thể làm tăng hàm lượng các chất trong nước, có thể làm giảm hàm lượng các chất trong nước và cũng có thể thay đổi thành phần hóa học của nước thiên nhiên.
Thành phần hóa học của nước phụ thuộc vào từng loại đất và vị trí loại đất đó tồn tại. Nước trong đất lưu thơng nhờ những rãnh nhỏ với đường kính trên 10 μm. Khi nước thấm qua các loại đất khác nhau thì sự thay đổi thành phần hóa học của nước cũng khác nhau.
Nước khi tiếp xúc lâu dài với đất, ngồi khả năng hịa tan các chất trong đất cịn có khả năng trao đổi chất với đất và như vậy cũng làm thay đổi thành phần hoá học của nước. Cụ thể:
- Đất hấp phụ các cation của nước: Đất là một hệ keo, các hạt keo đều mang điện
tích âm. Vì vậy keo đất có khả năng hấp phụ các cation của nước rất mạnh. - Đất có khả năng trao đổi các ion với nước: Khi hàm lượng một loại cation nào đó của nước khá cao thì có thể trao đổi với cation khác trong đất.
- Ảnh hưởng của chất hữu cơ:
+ Chất hữu cơ trong nước được hiểu là tàn tích hữu cơ đang phân hủy, tồn tại trong nước ở cả hai dạng hịa tan và lơ lửng, khơng bao gồm sinh vật sống, trừ sinh vật có kích thước rất nhỏ như vi sinh vật và tảo đơn bào, cũng không bao gồm các tàn tích hữu cơ thơ, có kích thước đủ lớn, có thể lấy ra khỏi nước.
+ Các chất hữu cơ sống và các sản vật mà nó sinh ra trong q trình sống có ảnh hưởng rất lớn đến thành phần hóa học của nước tự nhiên.
- Ảnh hưởng của khí hậu: Khí hậu có thể làm thay đổi các q trình phong hóa; thay đổi hoạt động sống của các vi sinh vật; thay đổi q trình oxy hóa khử trong nước…
- Ảnh hưởng của nước ngầm: Nước ngầm tiếp xúc với nham thạch nhiều nhất, nên thành phần hóa học của nước ngầm chủ yếu phụ thuộc vào tầng nham thạch và đất chứa nó.
- Oxy hịa tan: Oxy là yếu tố cần thiết cho nhu cầu hô hấp của cá và được tính bằng mg/l hay ppm. Nhu cầu oxy các lồi cá khác nhau cũng khác nhau. Ví dụ: như nhóm cá đen (cá lóc, cá trê, cá rơ...) nhu cầu oxy thấp hơn nhóm cá
trắng (cà mè, cá chép, cá linh...). Ngồi ra, trong mơi trường oxy cịn cần cho q trình phân hủy vật chất hữu cơ có trong thủy vực.
Trong mơi trường O2 có được nhờ khuếch tán từ khơng khí, quang hợp của thực vật thủy sinh và mất đi qua hô hấp của thủy sinh vật và phân hủy các vật chất hữu cơ có trong nước. Trong ao ni ban ngày thì q trình quang hợp xảy ra nhanh hơn q trình hơ hấp nên hàm lượng O2 tăng, cịn ban đêm thì ngược lại. Oxy từ: 0-0,3 mg/l: cá con có thể sống nếu nhiệt độ thấp
0,3-1 mg/l: tôm cá có thể chết nếu nhiệt độ cao 1-5 mg/l: tơm cá có thể sống nhưng phát triển chậm >5 mg/l: nồng độ lý tưởng đối với tôm cá
- Độ muối: Nồng độ muối có nghĩa là tổng hợp các ion trong nước. Nồng độ muối được tính là mg/l.
Độ muối của nước biển là đại lượng đặc trưng định lượng cho lượng các chất khống rắn hịa tan (các muối) trong nước biển.
Độ muối của nước biển có thể biến đổi trong những giới hạn khá rộng, nhưng tỷ lệ khối lượng giữa các thành phần chính của nó hầu như khơng đổi ở mọi vùng biển trên thế giới, trừ các vùng cửa sơng, đầm phá, vũng vịnh kín và các biển kém trao đổi với đại dương.
Ion Cl- được chọn cho mục đích này vì sự có mặt của nó trong nước biển với nồng độ lớn nhất. Nồng độ trung bình của Cl- trong nước bề mặt đại dương là 19,3534 g/kg.
Tuy nhiên độ mặn của các đại dương cũng có dao động. Sự dao động này phụ thuộc vào quá trình cân bằng của quá trình bốc hơi và ngưng tụ của nước biển. Quá trình này phụ thuộc vào nhiều yếu tố như vị trí địa lý, khí hậu, mùa,… Chẳng hạn ở vùng nhiệt đới có độ mặn S‰ = 35,7 ; ở cực bắc và cực nam S‰ = 34,5.
Độ mặn của nước biển còn thay đổi theo độ sâu. Người ta nhận thấy rằng từ mặt của đại dương tới độ sâu khoảng 5000m độ mặn dao động trong khoảng từ 34,9 - 36,5.
Dựa vào độ mặn có thể phân thành nhiều loại thủy vực khác nhau: Nước ngọt <0,5%o; Nước lợ nhẹ 0,5-3%o; Nước lợ trung bình 3-16,5%o; Nước lợ nhiều 16,5-30%o; Nước biển 30-40%o. Nồng độ muối có ảnh hưởng đến sự phân bố của các giống loài thủy sinh vật, và sự thay đổi đột ngột của nồng độ muối cũng có thể ảnh hưởng đến sự sống của TSV.
+ pH từ 0-4 sinh vật bị chết
+ pH từ 4- 6.5 sinh vật sinh trưởng chậm (từ 4-5 không sinh sản) + pH từ 6.5- 9 sinh trưởng tốt
+ pH từ 9-11 sinh vật sinh trưởng chậm (từ 9.5- 11 không sinh sản) + pH >11 sinh vật chết
- Độ cứng và độ kiềm:
+ Độ cứng: là tổng hàm lượng ion Mg2+ và Ca2+ trong nước.
+ Độ kiềm: là hệ đệm trong mơi trường nước làm cho pH ít dao động. Độ kiềm được đo bằng tổng lượng mg CaCO3/l. Trong nước tự nhiên thì tổng CaCO3 là 5 đến >500 mg/L, nhưng ở nước mặt thì khá cao >116 mg/l. Độ cứng và độ kiềm có thể được cá tơm hấp thu trực tiếp qua mang và giúp cho q trình tạo vỏ, cá tơm sinh trưởng tốt trong phạm vi rộng của 2 yếu tố này từ 12-400 mg/L. Trong ao nuôi tơm nếu hàm lượng 2 yếu tố này thấp có thể gây nên hiện tượng mềm vỏ.
- NH3, NO2, NO3-: Trong mơi trường các yếu tố này có được từ sự phân hủy các vật chất hữu cơ, sản phẩm bài tiết của sinh vật, phân bón, có chứa protein trong thủy vực. Trong mơi trường thì NH3 tồn tại ở dạng khí và dạng ion NH4+ và tỉ lệ của 2 dạng này tùy thuộc vào nhiệt độ và pH của nước. Trong nước vi khuẩn có thể chuyển hóa NH3 độc sang NO2 độc, sang NO3- (không độc). Nồng độ NH3 trong mơi trường nước an tồn cho tơm cá là < 0,03 mg/L.
- H2S: Tường tích tụ ở đáy ao và sinh ra từ q trình phân hủy vật chất hữu cơ có chứa S hay trong q trình sulfate hóa với sự tham gia của vi khuẩn trong điều kiện yếm khí. H2S là loại khí cực độc đối với TSV, tác hại của nó là liên kết với Fe trong Hb trong máu cá, khơng có Fe thì Hb khơng có khả năng vận chuyển oxy cung cấp cho tế bào làm cho tế bào cá thiếu oxy, trao đổi khí và trao đổi chất bị ngừng trệ làm cho cá chết.
- Các nguyên tố vi lượng có trong nước: Các thành phần vi lượng trong nước là những thành phần tồn tại với hàm lượng < 1mg/L, tức là thuộc cỡ hàm lượng phần triệu, phần tỷ (ppm hay mg/L, ppb hay μg/L) hoặc nhỏ hơn nữa. Các thành phần vi lượng được tính hàm lượng ở cả hai dạng: dạng hịa tan (bao gồm cả khí hịa tan) và dạng lơ lửng.
Có thể chia thành phần vi lượng trong nước thành hai nhóm sau:
+ Các thành phần vô cơ vi lượng: Hg, As, Se, Cd, Pb, Cu, Zn,,…, Br, I, F, xianua, sunfua,… tồn tại trong nước ở nhiều dạng như cation, anion, phức vơ cơ, phức hữu cơ, khí (dạng hịa tan); ion hấp phụ vào các chất lơ lửng và chất keo
trong nước, các vi kết tủa của các khống thứ sinh được hình thành trong nước (dạng lơ lửng và dạng keo).
+ Các thành phần hữu cơ vi lượng: phenol và dẫn xuất, thuốc bảo vệ thực vật, chất tẩy rửa, dầu, mỡ,…
Các nguyên tố thuộc nhóm kim loại nặng (Cu, Ni, Co, Pb, Hg, Cd …) có rất ít trong nước thiên nhiên.
Ngun tố phóng xạ có tính cao nhất trong nước thiên nhiên. Hàm lượng của chúng rất nhỏ nhưng lại rất dễ nhận thấy. Các nguyên tố phóng xạ thường có trong nước thiên nhiên là Radon và Radi.
Tùy theo hàm lượng và dạng tồn tại của các thành phần vô cơ, hữu cơ vi lượng trong nước có thể là yếu tố có lợi hoặc gây nguy hiểm cho sự sống của thủy sinh vật và cả con người.
- Chất hữu cơ trong nước thiên nhiên: Trong nước thiên nhiên tồn tại các chất hữu cơ có thể chia làm hai loại:
+ Loại 1: Bao gồm các chất hữu cơ đã cấu tạo nên cơ thể các loại sinh vật
sống trong nước như các loại động vật, thực vật sống trong nước.
+ Loại 2: Bao gồm các chất hữu cơ do sinh vật thải ra trong quá trình
sống của chúng hoặc trong quá trình phân giải các chất hữu cơ từ cơ thể các sinh vật sau khi chết.
Các chất hữu cơ thường có thành phần rất phức tạp. Ngồi các ngun tố chính như cacbon, hyđro, oxy cịn có nhiều loại ngun tố khác như N, P, K, Ca, Fe, Na,…
Hàm lượng và mức độ khống hóa chất hữu cơ trong nước được xác định và đánh giá bởi hàng loạt các thông số sau:
- Các thông số biểu thị gián tiếp: oxy hoà tan (DO) và độ bão hòa oxy; nhu cầu oxy hóa học (COD); nhu cầu oxy sinh hóa (BOD); tỷ số COD/BOD; sự tiêu thụ thuốc tím (độ oxy hóa); hàm lượng các ion nitơ vơ cơ; hàm lượng phophat hồ tan,…
- Các thông số biểu thị trực tiếp: tổng cacbon hữu cơ (TOC-total organic carbon), cacbon hữu cơ hòa tan (DOC-dissolved organic carbon); nitơ hữu cơ; photpho hữu cơ,…