Chemie životního prostředí III Pedosféra (06) Složení a vlastností půd

Transkript

1 Centre of Excellence Chemie životního prostředí III Pedosféra (06) Složení a vlastností půd Ivan Holoubek RECETOX, Masaryk University, Brno, CR holoubek@recetox. recetox.muni.cz; muni.cz

2 Pedosféra Půda: rozhraní atmosféry, hydrosféry a litosféry, třífázový polydisperzní systém, substrát s genetickými horizonty, zóna intenzivní interakce mezi biosférou a geosférou, určuje řadu biologických i nebiologických koloběhů a toků látek a energie, reguluje biotické procesy, ovlivňuje chemickou, vlhkostní a teplotní bilanci atmosféry, reguluje hydrologické toky v krajině a chemické složení vod, nenahraditelný přírodní zdroj, základ potravního řetězce člověka, zajišťuje ochranu litosféry před destrukčními procesy, 2

3 Pedosféra tlumí nepříznivé vlivy využití i obhospodařování půd a vlivu průmyslu, dopravy a sídelních aglomerací: filtrační funkce znečišťující látky jsou půdou mechanicky zadržovány hlavně částice pod 2 μm ty mohou být důležité při zasakování vody, pufrovací funkce rozpustné látky jsou imobilizovány adsorpcí na půdu nebo tvorbou nerozpustných sraženin; vysokou pufrovací schopnost mají půdy s vysokým obsahem organické hmoty, jílových částic a oxidů Fe, Al, transformační funkce určena především aktivitou mikrobiální složky mineralizace; oxidace, redukce, biomethylace, fotodestrukce na povrchu, receptor škodlivin sorpční, retenční a transportní procesy imobilizace, snížení biodostupnosti, degradace. 3

4 Půda Chemické složení půdy závisí na: klimatu, který určuje charakter půdotvorných procesů půdní hornině, ze které půda vznikla procesech probíhajících v půdě činnosti člověka poměr anorganické : organické látky 10 : 1 50 % O, 25 % Si, Al (jíl), Fe, Ca (vápenec, sádrovec), Na, K, Mg, H, Ti, podstatně méně C, Cl, P, S, Mn zdroj biogenních prvků nedostatek vpůdě endemický výskyt onemocnění organický (neživý) podíl půdní organická hmota, humus 4

5 Půdní ph: ovlivňuje rozpustnost a dostupnost látek v půdě (využitelnost živými organismy) ph půdy: - zásadité - < 7,5 -neutrální 6,4 7,4 -slabě kyselé 4,6 5,2 - silně kyselé 4,1 4,5 -velmi silně kyselé - < 4 Půda zvýšená kyselost snížení rozpustnosti sloučenin Ca, Mg, K, Na může být až pod nezbytné životní minimum rostlin, ovlivnění využitelnosti fosforečnanů, zhoršení životních podmínek pro půdní mikroorganismy. 5

6 Půda Zrnitost: ovlivňuje pohyb vody v půdě (písčitá jílovitá) průchodnost velmi zrnitá větší aktivní povrch, lepší sorpční vlastnosti Vzdušnost (aerace): důležitá pro průběh samočistících pochodů obsah a složení vzduchu v půdních pórech obsah kyslíku klesá s hloubkou za zvyšování obsahu CO 2, 1 m pod zemí obsah O 2 18,8 20,3 obj. %, 6 m pod zemí obsah O 2 14,2 14,9 obj. %, 1 m pod zemí obsah CO 2 0,9 1,1 obj. %, 1 m pod zemí obsah CO 2 4,2 8,9 obj. %. 6

7 Půda Teplota: zdroj sluneční záření, horké zemské jádro, biochemické procesy mění se s hloubkou denní kolísání T 0,5-1 m roční kolísání T do 10 m ~ 10 C m < 30 m - pokles o 1 C na 32,7 m geotermický stupeň jeden ze základních faktorů ovlivňujících biochemické procesy 7

8 Samočist istící schopnost půdyp huminifikace mineralizace filtrace sorpce oxidace redukce mikrobiální aerobní a anaerobní procesy 8

9 Mechanismy vazeb chemických látek l v půdáchp Fyzikální: sorpce (voda, živiny, kovy, karbamáty..) iontová výměna změna produktů rozpustnosti Chemické: kovalentní nebo chelátové (Cu 2+, Fe 2+..) iontové (Ca 2+, Mg 2+, Zn 2+..) organické látky srážecí reakce Biochemické: zabudování nízkomolekulárních organických molekul do málo reaktivních makromolekul mikrobiální rozklad metabolismus, kometabolismus biomethylace 9

10 Mechanismy vazeb chemických látek l v půdáchp Sorpce rychlá - dočasná inaktivace desorpce, biodegradace pomalá - trvalá. Prvky mobilita je dána vzájemnými vztahy mezi sorpčními procesy na jílových minerálech, humusu, hydratovaných oxidech (Fe, Mn, Al) a hydrotermickými podmínkami dané lokality včetně aktivní půdní mikroflóry na straně druhé. 10

11 Základní půdní složky Půdní částice: Minerální a organické Prostory pórů: výskyt vzduchu a vody 11

12 Půdní voda 12

13 Půdní voda Půdní vlhkost: základní pojmy Field Capacity: voda, která zůstává v půdě po působení gravitačních sil. Procento trvale vyschlé půdy: množství vody po amount of water after the permanent wilting point is reached. Dostupná voda: množství vody v půdě mezi between the field capacity a procentem trvale vyschlé půdy. 13

14 Půdní voda Vztah mezi texturou půdy a dostupností vody Inches of Water Per ft. of Soil Sand Sandy Loam Silt Loam Clay Loam Clay 14

15 Půda za různých r úrovní půdní vlhkosti Při nasycení Pórový prostor je zaplněn vodou Při i dostupné vodě: Prostor pórů Voda na povrchu půdních částic 15

16 Půda za různých r úrovní půdní vlhkosti Při trvalém vysýchání V půdních pórech není přítomna žádná voda Kompaktní Prostor půdních pórů se hroutí 16

17 Kompaktní zóna H 2 O Půdní vrstvy Nepropustná vrstva H 2 O Nekompaktní Kompaktní 17

18 Písek nad jílemj H 2 O Půdní vrstvy Nepropustná vrstva H 2 O 18

19 Půdní vrstvy Jíl l nad pískemp H 2 O Perched vodní tabule H 2 O 19

20 Půdní vrstvy Půdní sendviče H 2 O Mokré a suché vrstvy H 2 O 20

21 Půdní saláty H 2 O Půdní vrstvy Patchy Soil Moisture H 2 O 21

22 Obsah kyslíku ku a oxidu uhličit itého v půdnp dním m vzduchu 22

23 Jílové minerály jako polyfukční výměnný systém 23

24 Vazba chemických látek l na půdnp dní bio-organo organo-minerální komplex 24

25 Zvětr trávání a výměna plynů v půdáchp 25

26 Schema procesů důležitých pro transport a osud chemických látek l v půdáchp Evaporation volatilization dissolution Gas Phase: Diffusion Biological Phase: plant uptake microbiological degradation Water Phase Dispersion convection leaching ad/desorption precipitation dissolution Solid Phase: diffusion in aggreagates chemical reactions 26

27 Biodostupnost Bioavailability refers to the extent to which humans and ecological risk receptors are exposed to contaminants in soil or sediments. Bioavailability has recently piqued the interest of the hazardous waste industry as an important consideration for deciding how much waste to clean up. The rationale is is that if contaminants in soil and sediment are not bioavailable, then more contaminant mass can be left in place without creating additional risk. L. J. Ehlers and R. G. Luthy, ES&T,

28 Biodostupnost polutantů v půdáchp 28

29 Biodostupnost polutantů v půdáchp Bioavailability processes can be defined as the individual physical, chemical and biological interactions that determine the exposure of organisms to chemicals associated with soils and sediments. 29

30 Biodostupnost In both soil and sediment, processes that determine exposure to contamination include release of a solid-bound contaminant (A) and subsequent transport (B), transport of bound contaminants (C), uptake across a physiological membrane (D), and incorporation into a living system (E).(A, B, C, D bioavailability processes) Biological membranes Bound contaminant C Association A Dissociation D Adsorbed contaminants in organism E Site of biological response Released contaminant D 30

31 Současný vývoj procesů porozumění transportu a osudu polutantů v půdách Faktory ovlivňující transport chemických látek Interakce mezi půdní organickou hmotou a xenobiotiky: Koc koncept? Ko-transport v půdách Chemická a biologická heterogenita v půdách 31

32 Přehled modelových přístupů pro tok a transport v půdách Observations in homogeneously packed porous media: - Macroscopically homogeneous flow - Microscopic fluctuations of advection velocity lead to dispersion of concentration gradients in the same way as a diffusive process. Concept: Chromatographic flow and transport advection velocity = flux/porosity Hydrodynamic dispersion is a Fickian or gradient driven process θ(x;t) C(x;t) t = J w C(x;t) + [θ(x;t) D C(x;t)] Concentration profile after 12.5 days Steady water flux of 2.8 cm/day C Depth (m)

33 Observation: arrival time of surface applied tracers at a certain depth in the soil profile is variable Bromide concentration (mg/l) Measured bromide concentrations in soil water extracts at 40 cm depth at differrent locations in the field days since start of tracer application Concept: -Soil is a set of vertical stream tubes (STs) -Probability density function characterizes the variability of advection velocities (pdf(v)) in the different ST Concentration profile after 12.5 days Steady water flux of 2.8 cm/day C C^ (z,t) = C(z,t;v) pdf(v) dv Depth (m)

34 Dual porosity model Observations: rapid leaching through a fraction of the total soil volume ( macropores ) C/C tracer and water application 0.8 C/C time after start of leaching experiment (d) Concept: two pore regions with different advection velocities and mass exchange between the two regions θ m C m t = v m θ m C m θ m D m C m α (C m C im ) θ im C im t = α (C m C im ) Depth (m) Macropores Matrix 0.1 day 12.5 days

35 Stochastic continuum model Observations: Irregular concentration patterns Soil properties that determine fate and transport vary in space Concept: Explicit modeling of 3-D flow and transport Concentration profile after 12.5 days Steady water flux of 2.8 cm/day C 0.18 θ (x) C t = θ (x) v(x) C θ (x) D(x) C Depth (m) Horizontal distance (m) 35

36 Preferential flow and leaching of xenobiotics Leaching of strongly sorbing compounds may be much faster than expected from K d and assuming chromatographic flow and transport: example of fluorescent dye breakthrough in undisturbed soil cores effect of soil structure on preferential flow 36

37 Lines are predictions of breakthrough using a chromatographic transport model (CDE) and K d values from batch experiments Breakthrough m m Dye distribution in soil core X-ray CT scan 37

38 Preferential flow and leaching of xenobiotics Occurrence of preferential flow and transport strongly depends on boundary conditions activation of macropores Transient Steady-state Observed (herbicide) CDE-fitted (herbicide) Observed (bromide) 38

39 Preferential flow and leaching of xenobiotics Due to preferential flow, pesticide properties (K d and degradation constant) are less relevant for pesticide leaching 39

40 Effect of nature of organic matter: K oc concept? K oc values are different for different soil clusters 40

41 Effect of nature of organic matter: K oc concept? K oc is related to a property of the organic matter: aromaticity From: Amad, Kookana, Alston, Skjemstad, Environmental Science and Technology, 35:

42 Effect of co-transport with mobilized particles: colloids and/or dissolved organic matter (DOM)? Solid phase: organic + inorganic Liquid phase Five species Xenobiotic X DOM ho : Hydrophobic DOM hy : Hydrophilic 42

43 Biological soil heterogeneity and pesticide degradation From: Bundt, Widmer, Pesaro, Zeyer and Blaser, Soil biology and biochemistry, 33: Extrapolation of degradation rates in homogenized material in laboratory conditions to field conditions? Effect of biological heterogeneity on pesticide fate? 43