Szén vizes környezetben

Az előadások a következő témára: "Szén vizes környezetben"— Előadás másolata:

1 Szén vizes környezetben
Dr. Fórizs István

2 Szénizotópok gyakorisága
12C = 98,9% 13C = 1,1%

3 A 13C eloszlása

4 Fotoszintézis C3 növények (85%): Calvin ciklus
Pl. fák, gabona, hüvelyesek, répa. C3 növények d13C értéke -24 és -30 [‰]VPDB közötti , átlagban -27‰.

5 Fotoszintézis C4 növények (5%): Hatch-Slack ciklus
Pl. cukornád, kukorica, cirok. C4 növények d13C értéke -10 és -16 [‰]VPDB közötti, átlagban -12,5‰.

6 Fotoszintézis CAM növények (10%): „Crassulacean acid metabolism”, varjúhájfélék savas metabolizmusa. Sivatagi környezetben élnek (pl. kaktuszok), nappal C3, éjjel pedig C4 ciklus szerint fotoszintetizálnak.

7 C3, C4 és CAM növények

8 Szerves anyag bomlása talajban
A keletkezett CO2 és a szerves anyag között nincs frakcionáció. A talajgáz CO2-tartalma 10-szer, 100-szor akkora, mint a légköré. A talajgázból diffundáló CO2 frakcionációt okoz, a maradék kb. 4‰-kel dúsul. Talajgázban a CO2 d13C értéke: C3 növények esetében ≈ -23 [‰]VPDB C4 növények esetében ≈ -9 [‰]VPDB

9 } Széndioxid vízben DIC
Forrás: légköri CO2 (d13C ≈ -7 [‰]VPDB), vagy talajgáz CO2 ( -9‰ — -23‰) Vízben oldott formák CO2(aq) (oldott vagy „szabad” széndioxid) H2CO3 (szénsav vagy hidratált szén-dioxid) HCO3- (hidrogénkarbonát vagy bikar-bonát, „kötött” széndioxid) CO32- (karbonát, „kötött” széndioxid) } DIC

10 Az oldott formák pH függése

11 } } } } Frakcionáció εCO2(aq)-CO2(g) = -1,1‰ εHCO3(-)-CO2(aq) = 9,0‰
Talaj CO2 CO2(aq) H2CO3 HCO3- CO32- } εCO2(aq)-CO2(g) = -1,1‰ } CO2(aq) ≡ H2CO3- } εHCO3(-)-CO2(aq) = 9,0‰ } εCO3(2-)-HCO3(-) = -0,4‰

12 Frakcionáció 103 lnα13CCO2(aq)-CO2(g) = -0,373(103T-1) + 0,19
103 lnα13CHCO3(-)-CO2(g) = 9,552(103T-1) + 24,10 103 lnα13CCO3(2-)-CO2(g)= 0,87(103T-1) + 3,4

13 Frakcionáció: 25 °C, DIC-CO2(atm)

14 Frakcionáció: DIC-CO2(atm)

15 Vízben oldott metán (CH4)
Robbanásveszélyes, ha az ivóvízhálózat-ban fölgyülemlik! Eredet (keletkezés) szerint Biogén Termokatalitikus (termikus) Abiogén, köpeny

16 Biogén metán Telített környezet (nincs légköri O2)
Nincs NO3- és SO42-. Van szerves anyag. E föltételek fönnállnak: mocsaras területeken, sarki tundrán (és szarvasmarha emésztőrendszerében).

17 Biogén metán: frakcionáció
2CH2O → CO2 + CH4 ε13CCO2-CH4 = 75 ±15‰. A metánnal koegzisztens CO2 d13C értéke 50-80‰-kel pozitívabb (bakteriális tevékenység, metanogén baktériumok!!). dDCH4 = -150 — -400‰. Globális fölmelegedés: metán katasztrófa? A tengeri üledékekben (klatrátok) és a premafrosztban gyengén kötött metán kiszabadulása!

18 Biogén metán: dD-d13C diagram

19 Biogén metán: frakcionáció
Kétféle biogén metán létezik. 1) Acetát fermentáció 2) CO2 redukció. Elkülönítés CO2-CH4 közti frakcionáció alapján. a < 0,935: redukció a > 0,95: fementáció

20

21 Termikus metán Hőbomlás nagy hőmérsékleten. Szénhidrogéntelepek.
C1/(C2+C3) < 10. Míg a biogén metán mellett nincs vagy csak nyomokban van etán és propán. d13C > -50‰ (rendszerint).

22 Geogén (abiogén) és köpeny metán
Nagyon kicsi redox potenciál. Szerves anyag nincs. CO2 redukciója mafikus ásványok mállása során. d13C > -40‰ (rendszerint). Köpeny eredetű: d13C > -20‰ — -15‰.

23 Víz - növény:állat - klíma kapcsolat stabilizotópos szempontból

24 d18O fa évgyűrűben A fa anyagából legjobban a cellulóz marad meg hosszú távon, ezért ezt szokás vizsgálni. A cellulóz d18O értékét a fatestben lévő víz d18O értéke határozza meg. Nagyon érzékeny a változásokra.

25 d18O fa évgyűrűben Homokos talajon gyors a beszivárgás.
Kötött talajon lassú. Más-más hónapok d18Ocsapadék értékével és relatív páratartalmával mutat a d18Ocellulóz korrelációt.

26 Fatestben lévő víz d18O értéke függ
A talajnedvesség d18O értékétől. A levegő relatív páratartalmától: minél kisebb a páratartalom, annál pozitívabb a fatestben lévő víz d18O értéke. A párolgás időtartamától. A testrésztől: levél (párologtat), törzs és gyökér (nem párologtat). A gyökérzet térbeli eloszlásától.

27 d18Ocell. = (1-fo)[d18Ovíz + (e + k)(1-h) + o] +
d18O fa évgyűrűben d18Ocell. = (1-fo)[d18Ovíz + (e + k)(1-h) + o] + fo(d18Ovíz + o), Ahol e, k, o egyensúlyi, kinetikus és biológiai frakcionációs tényezők, h relatív páratartalom, fo az O atomok azon hányada, ami részt vesz a xylem vízzel való izotópcseréjében. d18Ovíz = 0,4*d18Otalajvíz + 0,6*d18Ocsapadékvíz A csapadékvíz pl. május-júliusi.

28 dDcell. = (1-fH)[dDvíz + (e + k)(1-h) + a] +
dD fa évgyűrűben dDcell. = (1-fH)[dDvíz + (e + k)(1-h) + a] + fH(dDvíz + h), Ahol e, k, a , h egyensúlyi, kinetikus és biológiai frakcionációs tényezők, h relatív páratartalom, fH a H atomok azon hányada, ami részt vesz a xylem vízzel való izotópcseréjében. dDvíz = 0,4*dDtalajvíz + 0,6*dDcsapadékvíz A csapadékvíz pl. május-júliusi.

29 d18O fitolitban, növényi kovában
A vízzel fölszívott kovasav SiO2 alakban kicsapódik. d18O értékét a testnedv d18O értéke határozza meg. Melyik testrészben keletkezik: levél (párologtat), törzs és gyökér (nem párologtat).

30 d18O fitolitban, növényi kovában
t(°C) = 5,8 – 2,8*( d18Okova – d18Otestnedv – 40) A vegetációs időszakban d18Otestnedv ≈ d18Otalajnedv ≈ d18Ocsapadék

31 d18O fa évgyűrűben

32 d18O fa évgyűrűben

33 Víz-foszfát-klíma kapcsolat oxigénizotópok alapján Emlősök

34 Alapösszefüggések Az emlősök testhőmérséklete független a környezettől. Testük nagy része (65%) víz. A testvíz O-izotópos összetételét a felvett víz (ivóvíz, étel) határozza meg. Azonos faj egyedeiben azonos módon válik ki a foszfát. A helyi csapadékvíz d18O értéke és a klíma között összefüggés van.

35 A foszfát d18O-hőmérséklet összefüggés alkalmazhatósága
Az emlős több éves legyen. Ne legyen állandó betegsége. Lehetőleg olyan fajt kell kiválasztani, amely étkezési szokása jól meghatározott. Az emberek étkezési szokásai rendkívül eltérőek lehetnek!!

36 Egérfélék (Olaszor., Svájc, Németo.)
d18O(foszfát)=1,07• d18O(csapadékvíz) + 22,72 Rénszarvas (Szibéria, Lappföld, Spitzbergák) d18O(foszfát)=0,44• d18O(csapadékvíz) + 16,82 Itt nagy a szórás!

37 Az emberi fogzománc kb. 12 éves korig alakul ki, megőrzi az eredeti d18O értéket.
Az emberi csont folyamatosan lebomlik, újra képződik, így oxigén-izotópos összetétele igazodik az körülményekhez. Ha valaki máshol nő fel, mint ahol később él, látszik a fogzománc és a csontok δ18O érték különbségében.

38 A "boscombe-i íjászok" Boscombe Down hegységnél
7 ember földi maradványai találták (4 felnőtt, 2 gyermek) Kr. e 2300 Fogazatuk oxigén-izotópos vizsgálata Wales-ből származtak

39 Stonehenge-t walesiek építették?
Geológiai vizsgálatok: Stonehenge kövei szintén Wales-ből származnak Wales  Salisbury őskori vándorlás Boscombe-i íjászok részt vettek a munkálatokban?

40

41 Az amesbury-i íjász 2002-ben találták a Stonehenge-től 5 km-re
Korvizsgálat: Kr e 2300

42 Páratlan gazdagságú bronzkori sír Több, mint 100 tárgy
Arany fülbevaló, vörösréz tárgyak, nyílhegyek Tárgyak: Alpokban virágzó Serleg-kultúra jegyeit viselte Beutazta az Alpok területét???? Arany fülbevalók nyílhegyek

43 Fogzománc O-izotóp vizsgálat
δ18O értéke alapján olyan helyen nőtt fel, ahol a csapadék átlagos δ18O értéke -10‰ volt. Hűvösebb területen, mint Anglia Alpok (vagy É-Skandinávia) A csont δ18O értéke alapján élete további részét Angliában élte le.

44 Közös csontelváltozás  rokoni kapcsolat
Nem egyedül temették el, fiatalabb férfi maradványait találták mellette Közös csontelváltozás  rokoni kapcsolat Szintén gazdag ékszerek  apa-fia ? Fogzománc, csont O-izotóp vizsgálat A fiatalabb férfi már Angliában született és ott is nőtt fel Ahogy elképzelik…

45 Ötzi 1991-ben találták 3100 m magasan az Alpokban, az Osztrák-Olasz határon. 25-40 év közötti 3000 évvel ezelőtt élt

46 Fogzománc O-izotóp vizsgálat
Gyermekkorát kisebb tengerszint feletti magasságban, a gerinctől délre töltötte Sr- és Ar-izotóppal szűkült a régió  Eisack-völgy Feldthurns (rézkori telep) Csont O-izotóp vizsgálat Férfikorában szülőhelyéről az Alpok magasabb régiójába települt át, az Etsch-völgybe