Anyagforgalom a vizekben Anyagforgalom: azon folyamatok összessége, amely egy bizonyos anyagféleség vízben található mennyiségét áramlási útjait, annak tér- és időbeli változásait jellemzik. biogén anyagforgalom: az anyagáramok irányát, intenzitását az élőszervezetek határozzák meg Vízi anyagforgalom A vízi anyagforgalmat alapvetően három tényező határozza meg: 1) maga a víz, mint oldószer és transzport médium; 2) a vízben oldottan ill. partikuláltan található anyagféleségek és 3) a vízi élőlények.

Keveredési típus alapvetően meghatározza az anyagforgalmat: Csapadék által bejuttatott anyagok víz-légkör közti anyagcsere befolyás kifolyás víz-üledék határ kicserélődési folyamatai (biogén) adszorpciós és deszorpciós folyamatok Biogén anyag- áramlás Keveredési típus alapvetően meghatározza az anyagforgalmat: rétegzett állapotban, az autotróf és heterotróf folyamatok térben szétválnak, kevert állapotban nem. Sekély tavakban, folyókban nincs térbeli elkülönülés

Az oldott anyagok eloszlása a vízben nem egyenletes. A homogenizálódást a molekuláris diszperzió segíti, sebessége (Ficke függvény): s: oldott anyag Ka-Ki: koncentrációgradiens A: diffúziós felület d: megtett út D: diffúziós állandó

Vízben oldott gázok Oldhatóság függ: Abszolút telítettség: Hőmérséklettől Nyomástól (légköri nyomás + vízoszlop nyomása) Abszolút telítettség: az a gázmennyiség amelyet a víztömeg az adott mélységben az adott nyomáson és hőmérsékleten tartalmaz. Túltelítettség: Nagyobb nyomáson több gáz oldódik, mint normál nyomáson pz: a gáz nyomása az z mélységben (atm) p0: a gáz nyomása a felszínen (atm) z: mélység (m)

Vízben oldott gázok Henry-törvény: valamely gáz telített oldatának töménysége arányos a gáznak a víztér feletti gázelegyben mérhető parciális nyomásával: Cs: gáz telítési koncentrációja Ks: oldhatósági koefficiens (hőmérséklet függő) p: a gáz nyomása Gázkeverék esetén a gázok a parciális nyomás szerint oldódnak, egymás oldhatóságát nem befolyásolják.

Vízben oldott gázok A vízben oldott sók koncentrációjának növekedésével a gázok oldódása csökken. A tengervíz 35 ‰-es szalinitása az oldhatóságot mintegy 20%-kal csökkenti. A limnológiában a sókoncentráció gázoldhatóságot csökkentő hatását rendszerint figyelmen kívül hagyják, holott ez bizonyos esetekben igen nagy hiba forrása lehet. Az arid régiók sós vizeinek szalinitása akár 5-6-szor magasabb lehet a tengervízénél. Emiatt pl. egy 20 oC-os édesvízben az egyensúlyi oxigénkoncentráció 9 mg l-1 körüli, de egy hipersós vízben ugyanezen a hőmérsékleten ez már csak 2 mg l-1; a száraz gáz oldódása gyorsabb, mintha az vízgőzt is tartalmaz; az oldódás gyorsasága függ az oldat telítettségétől: a telítettség felé közelítve az oldódás lassul; a gázok oldódását gyorsítják a felületi vízmozgások ill. a neuszton és a pleuszton biológiai aktivitása; az oldhatóságot alapvetően befolyásolja, ha az adott gáz a vízzel kémiai reakcióba lép.

Vízben oldott gázok: Oxigén A víztestben az oxigénnel való ellátottság korlátozott A salinitás növekedése csökkenti az oxigén oldhatóságát. A tengervízben az oldott oxigén oldhatósága kb 20 %-al alacsonyabb, mint édesvízben Oxigén eredete: Atmoszféra (diffúzió, keveredés) Oxigéntermelő organizmusok (fotoszintézis) 6CO2 + 6H2O ⇌ C6H12O6 + 6O2 Oxigén fogyasztás: Organizmusok légzése Lebomlási folyamatok (dekompozició)

Vízben oldott gázok: Oxigén Oxigén koncentráció mérése: elektróda colorimetrikus titrálás (Winkler módszer) Mn2+ --> Mn4+ (oxidálás), majd Mn2+ fixálás KI -- redukció --> I2 mennyisége ≈ O2 Redox potenciál H2O ↔ ½O2 + 2H+ + 2e- Az egyensúly azonban független az O2 koncentrációjától, vagy telítettségétől pH nagyban befolyásolja a redoxpotencált

Vízben oldott gázok: Oxigén Az oldott oxigén napi változása egy produktív (eutróf) és egy kisebb produktivitású (oligo- mezotróf) vízben.

Oxigén koncentráció vertikális eloszlása Trofogén zóna – eufotikus zóna Kompenzációs pont Trofolitikus zóna – afotikus zóna

Oxigén eloszlás görbéi Ortográd Klinográd heterográd

Az oxigénkoncentráció (folyamatos vonal) ideális szezonális változása agy alacsony produktivitású (oligotróf) és egy nagy produktivitású (eutróf) dimiktikus tóban. A szaggatott vonal a hőmérséklet vertikális profilját mutatja. Az ortográd ezen az ábrán a nyári, rétegzett időszakban nevével (orto = egyenes) ellentétben azért nem egyenes, mert az x tengelyen az oxigén mennyiséget abszolút koncentráció egységben (mg L-1) és nem %-ban fejeztük ki. Ha az x tengelyen %-os telítettség lenne, a görbe egyebes jellege is nyilvánvaló lenne.

Oxigén koncentráció horizontális eloszlása litorális növényzet komplex meder morfometria befolyók (szervesanyagok horizontális eloszlása) jégborítás

A folyóvizek oxigénháztartása Az alacsony produktivitású folyóvizekben az oxigénmennyiség alapvetően a hőmérséklettől függ, napi ingadozása nincs, vagy alig van. A forrásközeli részekben alacsony lehet a víz oxigéntartalma, ha a forrásvízé elenyésző, ez azonban hamar megváltozik. 2) Mérsékelt és nagyobb produktivitású vizekben a napi oxigéngörbe a tavakban is jellemző napszakos ingadozást mutatja: nappal mérsékelt túltelítődés, éjjel enyhe deficit jelentkezik. 3) Mérsékelt és nagyobb produktivitású vizekben, melyeket mérsékelt szervesanyag terhelés ér éjjel jelentős oxigéndeficit keletkezik, amelyet a nappali akár erős produkciós folyamatok sem kompenzálnak teljesen; túltelítődés nem tapasztalható. 4) Szerves anyagokkal jelentősen terhelt vizekben az erős heterotróf aktivitás (lebontó és fogyasztó szervezetek túlsúlya) miatt állandó az oxigéndeficit.

Az oxigéntelítettség változása kismértékű, közepes és súlyos szervesanyag terhelést követően folyásirány mentén

Széndioxid, szervetlen szén formák Nem követi a Henry-törvényt. Kémiailag kötött formában is megtalálható Oldódás közben kis mennyiségben szénsav keletkezik:

c(CO2)T=c(H2CO3*)+c(HCO3-)+c(CO32-) „szabad széndioxid“ CO2 oldódása vízben: H2CO3* reakció a víz molekulával „oldott széndioxid” szénsav dissziciáció disszociációs állandó 1. további disszociáció disszociációs állandó 2.

zárt rendszer

nyílt rendszer ismételt disszociáció és hidrolizáció

Biogén mészkiválás Ca(HCO3)2 → CaCO3 + H2CO3 A szénsavat/széndioxidot a fotoszintézis folyamatosan eltávolítja akkor egyre több mész keletkezik. A fotoszintézis sötét reakciójában mindenképpen CO2 szükséges. Ha nincs szabad CO2 akkor a növény kénytelen HCO3- -ot felvenni akkor: Karbon anhidráz enzim végzi az átalakítást 2HCO3- ⇌ CO2 + CO32- +H2O CO2 belép a Calvin-ciklusba, a karbonát kiválsztódik: CO32- + Ca2+ ⇌ CaCO3↓

Biológiai következmények ADAPTÁCIÓ Leveleik kiemelkednek a vízből (emerz makrofiton), pl. nád (Phragmites australis), gyékény (Typha spp.); Az üledék intersticiális vizében található CO2 felvétele (Lobelia, Littorella); A fotoszintézis fény- és sötétreakciójának időleges szétkapcsolása, amikor az éjjel bővebben rendelkezésre álló szénforrást képesek a fényreakció hiányában is asszimilálni (Hydrilla, Lobelia); A CO2 felvétel küszöbkoncentrációjának csökkentése (azok a növények, melyek csak CO2-ot képesek hasznosítani 2-12 µmol l-1–es küszöbkoncentrációval rendelkeznek szemben az egyéb forrást is hasznosítani tudó szervezetek 60-110 µmol l-1-es értékével (Sand-Jensen, 1987). A HCO3- hasznosítása (Myriophyllum, Potamogeton, Elodea). BALLASZTEVÉS Balatoni Daphnia cucullata béltartalma (baloldali kép), majd ugyanez sósavas kezelés után (a béltartalom sokkal kevésbé rajzolódik ki, mert a sósav hatására a mészszemcsék feloldódtak).

kalciumkarbonát (mész) — hidrokarbonát egyensúly egyensúly CO2 – H2CO3* van v egyensúly s Ca2+ a HCO3- alacsony CO2 – magas CaCO3 - fotoszintézis, pH>8,3 magas CO2 – alacsony CaCO3 - OM lebomlás pH változás és lugosság - CO2 a üledékből, savasság növekszik, a pH csökken DIC hiány - alacsony pH, alacsony lugosság - NO3-, SO42- redukció Agresszív szénsav: Az egyensúlyi viszonyokat meghaladó, a pH-t is csökkentő széndioxid. (karsztosodás)

Alkalinitás vs. vízkeménység Alkalinitás (lugosság): A víz savakra vonatkoztatott pufferkapacitása Ca gazdag víz pH-ja: 7,5-8,5 pH napszakos változása kisebb mértékű Ca szegény víz pH-ja: gyengén savas pH napszakos változása nagy lehet (erőteljes fotoszintézis alatt) keménység: A víz Ca és Mg sói (nagyrészt karbonátok, kisebb mértékben szulfát, klorid, nitrát) karbonát / változó keménység: Ca, Mg karbonátsói állandó keménység: Ca, Mg, mint klorid, szulfát, nitrát

Alkalinitás vs. vízkeménység Alkalinitás (lugosság): A víz savakra vonatkoztatott pufferkapacitása Ca gazdag víz pH-ja: 7,5-8,5 pH napszakos változása kisebb mértékű Ca szegény víz pH-ja: gyengén savas pH napszakos változása nagy lehet (erőteljes fotoszintézis alatt) keménység: A víz Ca és Mg sói (nagyrészt karbonátok, kisebb mértékben szulfát, klorid, nitrát) karbonát / változó keménység: Ca, Mg karbonátsói állandó keménység: Ca, Mg, mint klorid, szulfát, nitrát

Oxidáció – redukciós potenciál a folyamatokat lehetelen pontosan megkülönböztetni pH függő

Dinitrogén A nitrogén nem vízoldékony. Henry-törvénynek megfelelően viselkedik N2 csak néhány szervezet számára hozzáférhető (N- kötő baktériumok, kékalgák)

Metán, hidrogén, kénhidrogén

Redukált gázok keletkeznek Hidrogén: Metán: Obligát és fakultatív anaerob baktériumok fermentációval fedezik energia szükségletüket Redukált gázok keletkeznek Hidrogén: Rövid ideig él gyorsan átalakul Metán: Metán termelő baktériumok termelik Egy része mint szénforrás átalakul Más része a légkörbe távozik Lidércfény, biogáz Kénhidrogén Szulfátredukáló baktériumok szulfátredukálása során keletkezik