KALORIMETRIE V BIOLOGICKÝCH VĚDNV. ková,, Jaroslava Martinková

Transkript

1 VYUŽIT ITÍ SPALNÉ KALORIMETRIE V BIOLOGICKÝCH VĚDNV DNÍCH DISCIPLÍNÁCH CH František Hnilička, Helena Hniličkov ková,, Jaroslava Martinková

2 Spalná kalorimetrie Metoda spalné kalorimetrie patří mezi nejpropra- covanější odvětv tví termodynamiky, neboť její základy byly položeny ve druhé polovině 18.století.. Její pomocí se přímo p stanovuje energetický obsah v palivech či i biomase.

3 Spalná kalorimetrie Využit ití spalné kalorimetrie v biologii: - stanovení rychlosti fotosyntézy, - transport asimilátů v rostlině, - koloběh h energie v ekosystémech, - produkční fyziologie rostlin, - stresová fyziologie rostlin.

4 Stanovení rychlosti fotosyntézy Každému molu přijatého CO 2 odpovídá zisk potenciální energie rovnající se 114 kcal (= 477,204 kj). 1 mol CO 2 odpovídá 1/6 mol glukosy Molekulová hmotnost glukosy 180 1/6 ze 180 = 30 * 15,7 (energetická hodnota glukosy) = 471 kj na 1 mol CO 2 Fototrofní organismy ročně zachytí asi kj energie a její pomocí vyrobí asi t organické hmoty, uvolní t O 2 a fixují t CO 2 ze vzduchu a oceánů.

5 Stanovení rychlosti fotosyntézy PN (µmol CO2.m -2.s -1 ) kontrola 22.DC 29.DC 35.DC 45.DC 49.DC 51.DC 55.DC stres epibrassinolid 61.DC fáze vývoje stres 65.DC 69.DC 71.DC 77.DC 81.DC kontrola epibrasssinolid netto energie (kj.g -1 ) ,DC 29,DC 35,DC 45,DC 49,DC 51,DC 55,DC 61,DC fáze vývoje 65,DC 69,DC 71,DC 77,DC 81,DC 91,DC kontrola stres stres epibrassinolid kontrola epibrasssinolid gazometrické kalorimetrické stanovení rychlosti fotosyntézy

6 Stanovení rychlosti fotosyntézy Hmotnost sušiny (g) a celková fotosynteticky naakumulovaná energie [kj] ve fázi 91.DC v jedné rostlině

7 Základní pojmy transport asimilátů Sink místo (orgán) v rostlině,, kde dochází ke spotřeb ebě nebo akumulaci asimilátů. - Růstový sink s utilizací asimilátů při dělivém m nebo prodlužovac ovacím m růstu. r - Akumulační sink s hromaděním m asimilátů do trvalé nebo dočasn asné zásoby. - Udržovac ovací sink s utilizací asimilátů v udržovac ovacím m metabolismu.

8 Základní pojmy transport asimilátů Source místo (orgán) v rostlině,, kde dochází k tvorbě asimilátů,, tedy zdroj. - Primárn rní zdroj s de novo syntézou asimilátů. - Sekundárn rní zdroj s mobilizací v něm přechodně uložených asimilátů na translokaci do sinku.

9 Transport asimilátů v rámci r rostliny Přesun asimilátů do nově vznikajících ch klasů a obilek

10 Transport asimilátů Změny obsahu energie (kj.g -1 ) vegetativních a generativních orgánech jarního ječmene

11 Obsah energie v sušin ině chmele Tok asimilátů

12 Tok energie v ekosystému Ekologická účinnost = (energie biomasy *100)/ energie zářenz ení

13 Tok energie v ekosystému Modelová složka transformace energie v ekosystému

14 Tok energie v ekosystému Toky energie (upraveno podle Oduma, 1963), Akumulovaná energie, energetické toky v jednotkách kcal.m - 2, kcal.m - 2.rok - 1.

15 Tok energie v ekosystému Qn = Iv + Ii Ie Ex + Im T ± H + F R Qn je energetická bilance ekosystému, čistý příjem p energie do ekosystému, Iv - ozářenost ve viditelné oblasti, Ii - ozářenost ve viditelné oblasti, Ie - energie vyzařovan ovaná ekosystémem (půdou, vodou, organismy) do prostoru, Ex - množstv ství energie vázanv zané v exportované organické hmotě,, Im - množstv ství energie vázanv zané v importované organické hmotě,, T - energie využit itá při i evapotranspiraci, H - výměna teploty s okolím, F - energie fixovaná v hrubé primárn rní produkci (fotosyntéza), R respirace a rozkladné procesy.

16 Tok energie v ekosystému Efektivita využit ití záření (RUE) RUE= přírůstek p biomasy / zachycená FAR - Juvenilní lesní dřeviny 1,0 g.mj -1 - Pro většinu v porostů od 1,2 do 1,7 g.mj -1

17 Tok energie v ekosystému Oslabování dopadajícího slunečního zářenz ení v různých r typech ekosystémů.

18 Tok energie v ekosystému 20 obsah neergie (kj) v 1 g sušiny porost A porost B porost C porost D porost E porost F poškozený kontrolní poškozený kontrolní poškozený kontrolní Moráň Hliníky Stolíky Obsah netto energie (kj.g - 1 ) v sušin ině nadzemní biomasy ostružin iníku maliníku (upraveno podle Kuklová,, Kukla, 2009).

19 Tok energie v agroekosystému Půda Rostlinná výroba Živočišná výroba

20 Tok energie v agroekosystému Energetický zisk je definován n jako rozdíl l mezi získanou a vloženou energií. Energetický koeficient je poměr r získanz skané energie k přímým a nepřímým energetickým vkladům. Energetická účinnost (účinnost slunečního záření a technologickou účinnost) výrobních procesů je podíl l získaných z a vložených energií

21 Produkční fyziologie rostlin 1 g sušiny biomasy rostlin odpovídá průměrn rně: - 0,4 g uhlíku; - 0,6 g karbohydrátů; - 1,5 g CO 2 přijatého z ovzduší ší; - 1,07 g vyprodukovaného O 2 ; ml vytranspirované vody; kj vázanv zané energie (15-35 kj).

22 Produkční fyziologie rostlin Stavební látka Obsah energie (kj.g -1 ) Kyselina šťavelová Glycin Kyselina jablečná Kyselina pyrohroznová Glukóza Sacharóza Škrob Celulóza Proteiny Lipidy Lignin Terpeny 2,9 8,9 10,0 13,2 15,4 16,5 17,4 17,6 23,7 39,6 26,3 46,9 Obsah energie v sušin ině rostlin (Upraveno dle Larchera, 1995)

23 Produkční fyziologie rostlin 18 netto energie (kj.g -1 ) DC 51.DC 55.DC 61.DC 65.DC 69.DC 71.DC 77.DC 81.DC 91.DC fáze vývoje kontrola stres stres epibrassinolid kontrola epibrasssinolid y = - 1,40 2,57 * x * x x + 2,45 * x x y je závisle z proměnn nná (energie), x, x, x, x x jsou nezávisle proměnn nné obsah tuků,, bílkovin b a škrobu.

24 Stresová fyziologie rostlin STRESORY ROSTLIN Biotické Abiotické Fyzikální Chemické

25 Stresová fyziologie rostlin Stabilita ekosystémů

26 Biotické stresory Valtický kontrola Energie v sušině DC 15.DC 25.DC 31.DC 39.DC 61.DC 75.DC 91.DC Jersey kontrola Malz kontrola Valtický stres Jersey stres Malz stres Fáze ontogeneze Vliv padlí travního ( (Blumeria graminis ) múčnatka trávov vová- na obsah energie listů (kj.g -1 ) ječmene jarního

27 Abiotické stresory Vliv vodního deficitu na obsah energie (kj.g -1 ) nadzemní biomasy juvenilních rostlin kukuřice

28 Genotypové rozdíly Vliv genotypu na obsah energie (kj.g -1 ) semen planých a kulturních pícnin.

29 Genotypové rozdíly Vliv genotypu na obsah energie (kj.g -1 ) obilek.

30 Genotypové rozdíly Vliv genotypu a prostředí na obsah energie (kj.g -1 ) nadzemní biomasy juvenilních rostlin kukuřice

31 Shrnutí

32 Změny obsahu energie Vliv procentického zastoupení vody rostl. materiálu na obsah energie (podle Strašila, 2010)

33 Závěr Spalná kalorimetrie jako jedna z mnoha biologických destrukčních metod má široké spektrum použití: - v produkční a ekologické fyziologie rostlin, - ve stresové fyziologie rostlin, - pro detekci odolnosti rostlinných druhůči odrůd, - pro posuzování alternativních rychle obnovitelných biologických zdrojů energie, - pro stanovení výživné hodnoty krmiv a kvality krmiv a píce.

34 Poděkov kování doc. Ing. Vratislavu Novákovi, CSc. zakladateli spalné kalorimetrie na ČZU v Praze a specializované laboratoře spalné kalorimetrie a zpracování rostlin KBFR FAPPZ.

35 DĚKUJI ZA POZORNOST