Anyagforgalom a vizekben

Az előadások a következő témára: "Anyagforgalom a vizekben"— Előadás másolata:

1 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

2 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

3 Az anyagforgalmat meghatározó tényezők:
A víz, mint oldószer és transzport médium Oldott és partikulált anyagok Organizmusok

4 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 𝑑𝑠 𝑑𝑡 =−𝐷 𝐾 𝑎 − 𝐾 𝑖 )𝐴 𝑑

5 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: mélyég (m) 𝑝 𝑧 = 𝑝 𝑜 +0,0967𝑧

6 𝐶 𝑠 = 𝐾 𝑠 𝑝 Henry-törvény: 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.

7 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)

8 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

9

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

11 Oxigén eloszlás görbéi
Ortográd Klinográd heterográd

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

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

14 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.

15 zárt rendszer

16 nyílt rendszer ismételt disszociáció és hidrolizáció

17 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

18 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 sedimentből, savasság növekszik, a pH csökken DIC hiány - alacsony pH, alacsony lugosság - redukce NO3-, SO42- Agresszív szénsav: Az egyensúlyi viszonyokat meghaladó, a pH-t is csökkentő széndioxid. (karsztosodás)

19 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

20 Oxidáció – redukciósí potenciál
a folyamatokat lehetelen pontosan megkülönböztetni pH függő

21

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

23 Metán, hidrogén, kénhidrogén

24 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

25 Ionösszetétel szalinitás
Vízben oldott szilárd anyagok Ionösszetétel szalinitás Szalinitás: Össziontartalom ezrelékben kifejezve. Becslése: Összes oldott anyag Elektromos vezetőképesség Forrás: Kőzettipus Gránit, bazalt dominanciájú vízgyűjtő: lágyvíz Mészkő dominanciájú vízgyűjtő: keményvíz Atmoszférikus precipitáció Savasodás (skandinávia, UK,Benelux államok, Csehország, Németo.) Párolgás-csapadék kapcsolat Nyílt tavak (exorheic): Zárt tavak (endorheic): szalinitásuk magas.

26 Vízben oldott szilárd anyagok
vízgyűjtő geológiája – kemény kőzetről alacsony ion tartalmú víz folyik le

27 Legfontosabb anionok és kationok
Konzervatív ionok: Koncentrációjuk csak kissé változik az élővilág hatására Na, K, Mg, Cl Dinamikus ionok Az élőlények metabolizmusa nagymértékben hat a koncentrációjuk változására Ca, C, SO4, Legfontosabb ionok: Katnionok: Ca2+ > Mg2+ >Na+ > K+ Anionok: CO2- / HCO3+ > SO42+ > Cl-

28 Sós tavak Nincs kifolyás Párolgás meghaladja a hozzáfolyást
A hozzáfolyás nem biztosítja a stabil vízszintet Csoportosításuk hiposzalin : mg/L ≈ 3-20 ‰ ≈ S/cm mezoszalin : mg/L ≈ ‰ ≈ S/cm hiperszalin : > mg/L ≈ >50 ‰ ≈ > S/cm Na dominancia, de szikes, sziksós tavak (Ca, Mg dominancia) Cl dominancia Nyomelemek magas koncentrációja Osmotikus stessz Speciális élővilág: Artemia sp. (sórák), Halobacteria, Dunaliella, Spirulina Halak 140 ‰-ig élnek meg (fogaspontyok (Cyprinodon fajok) algák-, zooplankton fogyasztók főként a madarak (flamingók)

29

30

31 változás a víz ion-összetételében
Emberi hatás,savasodás Rajna ionösszetétele

32 Vas, mangán és néhány kis mennyiségben előforduló fém
Fe: A foszfor hozzáférhetőségét befolyásolja Fe2+ - vízben oldódik (FeS nem), míg az Fe3+ nem. Oxidatív, pH 7,5-7,7 környezetben Fe3+ - (Fe(OH)3) kicsapódik, a foszfor adszorbeálódik a vashidroxid felületén és kiülepszik (koprecipitáció). A toxikus nehézfémek is kicsapódnak a vas precipitátumokkal.

33 Mn: hasonlóan viselkedik, mint a vas, de a mangánvegyületek oldhatósága jobb.

34 Ólom erősen toxikus. Ólomterhelés maximuma 1970-es évek, de már az ókori kultúrákban is kimutatható. Az üledékek ólomtartalma csökkenő tendenciát mutat. Higany Akut idegrendszeri problémát okoz (Minamoto-kór) Alumínium <4,5 pH oldékony. A magas alumínium koncentráció összefüggésbe hozható a Parkinson, Alzheimer kórral.

35 Szilícium A Föld második leggyakoribb eleme
A kovaalgák számára nélkülözhetelen. Eloszlásuk vízoszlopban a kovaalgák produkciójától függ. Partikulált szilícium Szilikát tartalmú ásványok kovaalgák

36 Kén- és nitrogénforgalom
Élő és élettelen formában felvehető Esszenciális aminosavak összetevője (cisztein, metionin) A fehérjeszerkezetben a szulfhidril (-SH) csoportok közötti diszulfid hidak stabilizálják a szerkezetet S-tartalmú szerves anyag lebomlása, az anaerob körülmények között szulfátredukció következtében megváltozhat a vízi környezet amely meghatározza: Más elemek körforgalmát (pl. Fe) A vízi ökoszisztémák produkcióját alapvetően az élőközösség jellegét De nincs kén limitáció a vizekben

37 A kén eredete: Kőzet Szulfátok: szulfid vagy elemi kén tartalmú kőzetekből, talajokból víz jelenlétében kénsav formájában oldódnak ki Csökkenti pH-t így más ásvány oldódását befolyásolja Légköri ülepedés Vulkanikus gázok Biogén folyamatok Emberi tevékenység H2S kibocsátás  SO3  SO3  H2SO4 Kén tartalmú fosszilis tüzelőanyagok SO2  H2SO4

38 Baktériumoknak alapvető szerepe:
Szulfát redukció: Fehérjebontó baktériumok (heterotróf) fehérjék (-SH csoport)  HS- és H2S Pseudomonas, Chromobacter Bacterium Szulfátredukáló baktériumok SO42-, SO32- és S  HS- és H2S Heterotróf vagy autotróf SO4 oxigénjét használják a szervesanyag oxidációjához (szulfát légzés) Desulfovibrio, Desulfotomaculum (anaerobikus) Szulfát oxidáció: H2S és S  SO42- Színtelen kénbaktériumok Aerobok, oxigént használnak az oxidációhoz Kemolitoautotrófok Thiothrix, Beggiatoa, Thiobacillus Fotoszintetikus (színes) kénbaktériumok anaerobok Zöld kénbaktériumok (Chlorobacteriaceae): Chlorobium, Pelodyction bíbor baktériumok (Thiorhodaceae): Chromatium, Rhodothece Fotolitoautotrof Energiaforrás: fény (fototróf) Elektrondonor: szervetlen (litotróf) H2S Szénforrás: szervetlen (autotróf)

39 Nitrogénforgalom Központi szerep a vizek anyagforgalmában
Nagy mennyiségben igénylik a szervezetek Primerprodukciót meghatározza N-limitáció N-formák: Elemi N2 Szerves-N Ammonia (NH3), ammoniumion (NH4+) Nitrit (NO2-) Nitrát (NO3-)

40 N-forrás Csapadék Nitrogén fixáció Befolyó vizek (felszíni- és talajvizek) N-veszteség Elfolyás Denitrifikáció kiülepedés az üledékbe

41 Nitrogén fixáció: Cianobaktériumok (Kékalgák) Baktériumok
N2  NH4+  NO2-, NO3- Cianobaktériumok (Kékalgák) Heterociszta Fény és ATP igényes (energia) Aphanizomenon, Anabaena, Nostoc Baktériumok Heterotróf N2-kötők Azotobakter, Clostridium pasteurianum Fotoszintetizálók Közel az összes fotoszintetizáló baktérium képes N2-kötésre Mikorrhiza wetland-eken Actinomyceta mycorrhiza gombák Alnus, Myrica (mírtusz) gyökerében

42 N-formák és N-transzorfációk
Ammonia (NH4+/NH4OH) Forrás: heterotróf baktérium általi lebontó folyamatok végterméke Vízi szervezetek excrétuma NH4+/NH4OH pH függő NH3 + H2O = OH- + NH4+ NH4+ + H2O = H3O + NH3 Autotrófok felveszik Heterotrófok termelik Eloszlása: Oligtróf tóban alacsony konc. kis fokú dekompozíció miatt Trofogén zónában konc. szintén alacsony az algák asszimilációja miatt Ha a hipolimnium szerves anyagban gazdag, akkor az NH4+-N accumulálódik, anaerob környezetben fokozódik bakteriális nitrifikáció miatt 3000:1 300:1 30:1 1:1 pH 6 pH 7 pH 8 pH 9,5 NH4+/NH4OH

43 Oldott (DON)és partikulált szerves nitrogén (PON)
Nitrifikáció NH4+  NO2-  NO3- O2 igényes Energiatermelő folyamat -> C-asszimiláció Nitrosomonas: NH4+  NO2- pH közel neutrális, tág hómérsékleti tartomány Néhány metán-oxidáló baktérium is képes. Nitrobacter: NO2-  NO3- Nem toleráns alacsony hőm.-el és magas pH-val szemben Oldott (DON)és partikulált szerves nitrogén (PON) DON: akár 50 %-a az összesN-nek Aminosavak, polipeptidek PON: Plankton, szeszton A PON 5-10 x nagyobb mennyiségben található, de az eutrofizációval az arány közelít az 1:1 a trofolitikus zónában. A vízi növények, algák és cianobaktériumok választanak ki N-gazdag szerves anyagokat, amik a bakteriális hurok tápanyagforrása. Bakteriális hurok: Heterotróf baktériumok -> heterotróf flagellata/ciliata Gazdag litorális zónájú tavak DON forrása a makrofita vegetáció. DON forrás: edényes növények lebomlása

44 Denitrifikáció NO3-  NO2-  NH4+  N2 Nitrátredukcó: Nitrát-asszimiláció Algák, magasabb rendű növények Bakteriális denitrifikáció Pseudomonas, Escherichia, Bacillus, Micrococcus Achromobacter Nitrátlégzés: a nitrát, nitrit az elektronacceptor

45

46 Foszforforgalom és eutrofizálódás
Biológiai makroelem -> organizmusok nagy mennyiségben veszik fel Mennyisége a környezetben lényegesen alacsonyabb -> a vizek produktivitását a hozzáférhető P limitálja

47 P - formák Ortofoszfát (PO43-) Szerves foszfát Összes foszfor (TP)
Legfontosabb inorganikus forma Közvetlenül hozzáférhető Mennyisége nagyon alacsony lehet -> gyor asszimiláció miatt Szerves foszfát Édesvizekben a legnagyobb mennyiségben megtalálható P forma Összes foszfor (TP) A P terhelés mérőszáma Szűretlen vízből: oldott P és partikulált P

48 Partikulált foszfor Élőlényekben található foszfor DNS, RNS, foszfortartalmú fehérjék, alacsony molekulatömegű észterek vitaminok Nukleotid foszfátok (ADP, ATP) Légzésben, fotoszintézisben C-forgalmi utakban energia transzfer Talajásványokból Hidroxiapatit P abszorbens ásványok Agyagásványok, vashidroxidok, karbonátok Elhalt szervesanyagban, vagy azon abszorbeálva

49 Oldott P Ortofoszfát (PO43-)
Polifoszfátok (szintetikus detergensekből) Szerves kolloidok Alacsony molekulatömegű foszfátészterek >100 Hipertróf 30-100 Eutróf 10-30 Meso-eutróf 5-10 Oligo-mesotróf <5 Ultra-oligotróf TP (g/l) Produktivitás

50 P forrás Ülepedés Talajvíz Felszíni lefolyás folyóvizek
Kevésbé jelentős, mint N esetében Elsősorban emberi tevékenységből ered Lakatlan régiókban a P ülepedés : < 3 g P / l Városi-ipari régiókban : >100 g P / l Talajvíz P-tartalma alacsony, átlagos konc. ~ 20 g P / l Kőzetekből való kioldódás csekély Felszíni lefolyás folyóvizek Talaj A felszíni vizek kémiai összetétele függ a talajtipusoktól. Felszíni lefolyás a legfőbb P forrás Emberi tevékenység Detergensek (mosószerek) Urbanizáció (szennyvizek) Mezőgazdaság (műtrágyák) Ipar (élelmiszeripar)

51 Belső terhelés Külső terhelés Alacsony redoxpotenciál Befolyók légkör
P felszabadulás Külső terhelés Befolyók légkör

52 Vertikális profil Vertikális eloszlása a trofitástól függ
Eutróf tavak hipolimnionjában élő és holt szervesanyag (plankton eső) kalcit koprecipitáció, bakteriális produkció

53 Eutrofizáció Eutrofizálódás: vizek növényi (N, P) tápanyagokban való gazdagodása Eredetileg (Neumann XX. Sz eleje: oligotróf: kevés fitoplankton; eutróf: sok fitoplankton) trofitás limitálás: súly arány: 1 P : 7 N : 40 C szárazsúly gramm Redfield arány (atom): 1 P : 16 N : 106 C típusai Planktonikus eutrofizáció Bentonikus eutrofizáció

54 Oligotrofizáció eszközei:
Szennyvíztisztítók P-leválasztása A fő terhelést jelentő folyóviz wetlandeken át való vezetése Művelt területek szegélyezése dús vegetációval Talaj erózió, bemosódás csökkentése Üledék foszfortartalmának immobilizálása Al2(SO3) és FeCl3 bevitelével Meszezés Kotrás Balatonnál nem vált be Biomanipuláció Hipolimnium levegőztetése Fény meghatározta szint P meghatározta szint