Voda jako životní prostředí rozpuštěné látky : sloučeniny dusíku

Transkript

1 Hydrobiologie pro terrestrické biology Téma 9: Voda jako životní prostředí rozpuštěné látky : sloučeniny dusíku

2 Koloběh dusíku Dusík je jedním z hlavních biogenních prvků Hlavní zásobník : atmosféra, plynný N 2 s trojnou vazbou V suchozemských biotopech v organismech a jejich nekromase (v ní 90 %), 6,5 % minerální, jen 3,5% v biomase (převážně v rostlinách) Ve vodách většina jako rozpuštěný N 2 (95 %), zbytek asi z poloviny v organických látkách, ale téměř vše jako nekromasa, jen asi 0,1 % těchto organických látek v biomase rostlin a živočichů

3 Biologická fixace dusíku Pro pevnost trojné vazby je N 2 možným zdrojem N jen pro velmi málo organismů : vazači N v půdě symbiotické kořenové bakterie (jako Rhizobium) a volně žijící bakterie (Azotobacter) ve vodách cyanobakterie (sinice Anabaena, Aphanizomenon, v moři Trichodesmium) i bakterie biologická fixace N 2 je energeticky velmi náročná bakterie k tomu potřebují přísun energetických zdrojů, sinice si energetické zdroje vyrábějí samy fotosynthesou

4 Formy sloučenin N ve vodách elementární dusík N 2 anorganický : NH 4+ (nebo NH 3 ), NO 2-, NO 3-, vzácněji NH 2 OH, N 2 O, organický N : aminokyseliny, močovina, kyselina močová, nukleové kyseliny mezi jednotlivými formami rovnováha, ve které působí biologické procesy několika typů bakterií, příjem a uvolňování z organismů, výměna mezi sedimenty dna a vodním sloupcem - různě v různých typech vod

5 Jednotlivé formy sloučenin N Amoniak : pochází převážně z rozkladu organických látek ve vodě tvoří hydrát NH 3.H 2 O, který snadno disociuje za vzniku NH 4+ v závislosti na ph a teplotě za nižších ph < 8 jen NH 4+, při ph = 9,4 a teplotě 20 C poměr asi 1:1, při ph nad 10 je většina jako nedisociovaný toxický hydrát NH 3 používaný zápis pro údaj o hmotnosti N obsaženého v dané formě sloučeniny : na př. NH 4 -N znamená dusík obsažený v NH 4+, NH 3 (aq)-n dusík v hydrátu NH 3

6 Jednotlivé formy sloučenin N Výskyt amoniaku ve vodách v přírodě : čisté povrchové vody, podzemní vody: do 0,1 mg.l -1 NH 4 -N návesní rybníčky s močůvkou: stovky mg.l -1 splaškové odpadní vody: desítky mg.l -1 dešťové vody: mg až desítky mg.l -1 indikuje znečištění podzemních vod zdroj N pro fytoplankton, ale toxický nad 1 mg.l -1, pro ryby toxický už v setinách mg.l -1 pitná voda maximálně do 0,5 mg.l -1 NH 4+ 0,01 mg.l -1 NH 3 a

7 Jednotlivé formy sloučenin N Dusitany : ve vodách jako meziprodukt biologických procesů nitrifikace a denitrifikace, něco i ze srážek z atmosféry v čistých vodách setiny mg.l -1 už takové koncentrace mohou být toxické pro ryby v kyselém prostředí zažívacího traktu mohou dát vznik karcinogenním N-nitrosaminům v málo kyselém zažívacím traktu kojenců : methemoglobinemie (viz u dusičnanů)

8 Jednotlivé formy sloučenin N Dusičnany : přísun především ze zdrojů v povodí odnos z půdy v povodí, zejména obdělávané a hnojené minerálními hnojivy, další zdroj : nitrifikace ve vodách, srážky oxidace N 2 až na NO 3- atmosférickými výboji (tento přísun několik kg/ha/rok, výjimečně až desítky kg) v povrchových vodách jednotky až desítky mg.l -1 ve srážkách desetiny až desítky mg.l -1 výrazné sezónní změny s maximem obvykle na jaře splach z rozložené rostlinné nekromasy

9 Jednotlivé formy sloučenin N Vztah mezi charakterem lidské činnosti v povodí a mírou odnosu dusičnanového dusíku a jeho přísunu do povrchových, zejména tekoucích vod: již v šedesátých letech Likens et al. (1970): srovnávali dvě povodí (Hubbard Brook Exp. Area, New Hampshire, USA), jedno lesní a druhé právě zcela vykácené lesní dramatický vzestup dusičnanů ve vodě odtékající z odlesněného povodí - (viz následující graf)

10

11 Jednotlivé formy sloučenin N U nás se v šedesátých letech začaly rozsáhle používat vysoké dávky minerálních hnojiv jejich aplikace stoupla cca desetkrát (s efektem jen asi dvojnásobné produkce obilovin a zcela náhodně kolísající produkce okopanin) výsledkem byl dlouhodobý vzestup koncentrace dusičnanů ve vodě odtékající ze zemědělské půdy pro bilanci jihočeského regionu lze použít údajů z nádrže Slapy, kterou prochází voda z jižních Čech :

12

13

14 Jednotlivé formy sloučenin N : dusičnany Dopad na zdroje pitné vody : dnes se odebírá především z povrchových zdrojů (vodárenských údolních nádrží) norma pro pitnou vodu 50 mg.l -1 NO 3-, což je 11,3 mg.l -1 NO 3 -N pro dospělé (maximálně denně v potravě celkem 350 mg) pro kojence ve vodě 15 mg.l -1 (3,4 mg.l -1 NO3-N) riziko methemoglobinemie kojenců (vratné zablokování funkce hemoglobinu dusitany, následné promodrání až vnitřní dušení kojence) jak vzniká a kdy?

15 Jednotlivé formy sloučenin N : dusičnany Jak dojde k methemoglobinemii kojence? v sušeném mléce pro kojence nejsou usmrceny spory (jinak neškodných) bakterií z mléka schopných redukovat dusičnany na dusitany k tomu je třeba poněkud vyšší ph než má lidský zažívací trakt dospělce ale kojenci mají v zažívacím traktu vyšší ph když se sušené kojenecké mléko rozpustí ve vodě s vysokým obsahem dusičnanů, dojde v zažívacím traktu kojence k redukci na dusitan kojenec zmodrá a dusí se

16 Jednotlivé formy sloučenin N : dusičnany Proto je důležité : buď pro kojence (a raději i dospělce) používat balenou vodu obvykle se zaručeným nízkým obsahem dusičnanů a dalších iontů nebo dobře znát složení a kvalitu místní vody, zejména z venkovských studní častý průnik dusičnanů ze zemědělských ploch do podzemní vody vesnic, zejména jejich okrajů nebo níže ležících částí povodí pozor na sezónní výkyvy nejvíce dusičnanů po jaru

17 Biologické změny sloučenin dusíku: Procesy nitrifikace a denitrifikacečinností bakterií Nitrifikace : dvoustupňová oxidace NH 4 -N na dusitany (bakterie Nitromonas, Nitrococcus) a dusitanů dále na dusičnany (Nitrococcus, Nitrocystis), hlavně lithotrofní autotrofové (zdroj C je oxid uhličitý) Denitrifikace : redukce dusičnanů a dusitanů hlavně na N 2 (též N 2 O, NO) aerobními (striktně či fakultativně) organotrofními bakteriemi (mnoho druhů), zdroj C je organický substrát