Hydrochemie přírodní organické látky (huminové látky, AOM)

Transkript

1 Hydrochemie přírodní organické látky (huminové látky, AM) 1 Přírodní organické látky NM (Natural rganic Matter) - významná součást povrchových vod dělení podle velikosti částic: rozpuštěné - DM (Dissolved rganic Matter) < 0,45 µm nerozpuštěné - PM/SM (Particulate/Suspended rganic Matter) > 0,45 µm DM - Dissolved rganic Matter - různorodá směs aromatických a alifatických uhlovodíkových struktur - funkčních skupiny, např. amidové, karboxylové, hydroxylové, ketonické - různorodé fyzikální a chemické vlastnosti

2 Hydrochemie přírodní organické látky (huminové látky, AM) 2 DM - Dissolved rganic Matter původ: allochtonní (látky, které se do vody dostávají z okolního prostředí) - výluhy z půdy a sedimentů (půdní a rašelinný humus, výluhy z listí a tlejícího dřeva) autochtonní (látky, které ve vodě přímo vznikají) - produkty metabolických pochodů organismů - látky vzniklé biologickými a chemickými přeměnami odumřelých buněk DM huminové l. (huminové kyseliny a fulvokyseliny) cca 60 75% všech DM nehuminové l. (především proteiny a polysacharidy) - vyšší konc. při rozvoji fytoplanktonu tzv. AM (Algal rg. Matter)

3 Hydrochemie přírodní organické látky (huminové látky, AM) 3 Huminové látky - HL = vysokomolekulární polycyklické sloučeniny - relativní MH - stovky až desítky tisíc Výskyt: 1) jednotlivé molekuly 2) supramolekulární struktury (spojené pomocí vdw sil) 3) micelární koloidy (hydrofobní část uvnitř a hydrofilní vně koloidu) výskyt HL ve vodě ovlivněn především ph, koncentrací HL a iontovou silou Teorie vzniku huminových látek 1) degradační (ligninová) 2) syntetická (polyfenolová) Copyright Forschungszentrum Dresden

4 Hydrochemie přírodní organické látky (huminové látky, AM) 4 Huminové látky - HL Degradační (ligninová) teorie vzniku mikrobiální rozklad odumřelého rostlinného materiálu transformace těžko rozložitelných látek (lignin, kutin, melanin) na vysokomolekulární huminy pozvolná oxidace na huminové kyseliny a fulvokyseliny pozvolný rozklad huminových látek na C 2 a H 2

5 Hydrochemie přírodní organické látky (huminové látky, AM) 5 Huminové látky - HL Syntetická (polyfenolová) teorie vzniku degradace rostlinných tkání na karboxylové kyseliny, fenoly atd. syntéza fulvokyselin syntéza huminových kyselin syntéza huminů ba mechanizmy vzniku HL pravděpodobně probíhají společně. Předpokládá se, že ve vodních ekosystémech dominuje degradace, zatímco v terestrických ekosystémech převažuje syntéza.

6 Hydrochemie přírodní organické látky (huminové látky, AM) 6 Huminové látky - HL Složení HL - aromatická jádra spojená alifatickými často cyklickými řetězci - funkční skupiny - karboxylové a hydroxylové, methoxylové a karbonylové - vázány na aromatických jádrech i postraních řetězcích - dále přítomnost chinoidních a alkenových struktur - HL řadíme do skupiny polyfenolů a polykarboxylových kyselin HL 1) humusové kyseliny (rozpustné ve vodě) a) huminové kyseliny b) fulvokyseliny c) hymatomelanové kyseliny 2) huminy (nerozpustné ve vodě) 3) humusové uhlí (nerozpustné ve vodě)

7 Hydrochemie přírodní organické látky (huminové látky, AM) 7 Huminové látky - HL Fulvokyseliny obsahují cca 46-55% C, 37-50% 4-5% H, < 1% N a S HC HC HC Ve srovnání s HL mají nižší MH, obsahují méně aromatických struktur, více alifatických postranních řetězců a mají více homogenní strukturu. H CH H CH 2 H CH 3 H CH CH Huminové kyseliny obsahují cca 50-57% C, 34-38% 4-6% H, < 1% N a S H H CH H H HC R H HN NH HC C (sacharid) ( HC H) 4 R N H H H CH CH CH (peptid)

8 Hydrochemie přírodní organické látky (huminové látky, AM) 8 Huminové látky - HL Všechny skupiny HL jsou si strukturně podobné, liší se MH, obsahem funkčních skupin, kyselostí, komplexačními schopnostmi a rozpustností v některých rozpouštědlech. HK - rozpustné v zásadách - nerozpustné v kyselinách FK - rozpustné v zásadách - rozpustné v kyselinách Huminy - nerozpustné v kyselinách - nerozpustné v zásadách ve vodách díky větší rozpustnosti převažují FK

9 Hydrochemie přírodní organické látky (huminové látky, AM) 9 Huminové látky - HL Vlastnosti HL negativně nabité, povrchově aktivní makromolekuly záporný náboj HL dán přítomností karboxylových a hydroxylových skupin Příčiny kyselosti HL 1) přítomnost karboxylových a hydroxylových skupin karboxylové skupiny silně kyselé (K = ) hydroxylové skupiny - slabě kyselé (K = ) 2) rozmístění karboxylových skupin v molekule 3) polarita (dipólový moment) molekul HL - s rostoucí polaritou molekul HL roste i jejich kyselost

10 Hydrochemie přírodní organické látky (huminové látky, AM) 10 Huminové látky - HL Vlastnosti HL tvorba komplexů s vícemocnými kationy dána: 1) přítomností karboxylových a hydroxylových skupin 2) aromaticitou molekul - schopnost tvorby komplexů se zvyšuje se vzrůstající hodnotou ph - rozpustnost komplexů závisí na hmotnostním poměru kationtů a HL - - se vzrůstajícím zastoupením kationtů klesá rozpustnost komplexů Huminové vody - vysoký obsah HL - nízký obsah vápníku, hořčíku a hydrogenuhličitanových iontů - nízká hodnota ph a KNK 4,5 - často zvýšený obsah hliníku - nevyhovující senzorické vlastnosti vody (barva, chuť a zápach)

11 Hydrochemie přírodní organické látky (huminové látky, AM) 11 Algal rganic Matter - AM Vznik: 1) metabolická činnost sinic a řas extracelulární organické látky (Extracellular rganic Matter - EM) 2) odumírání buněk sinic a řas (buněčné lyze) celulární (buněčné) organické látky (Cellular rganic Matter - CM) Složení, množství a rychlost uvolňování AM závisí na: 1) druhu organismu 2) růstové fázi kultury mikroorganismů (lagová, logaritmická, stacionární fáze a fáze odumírání) 3) fyziologických podmínkách 4) fyzikálně-chemických podmínkách prostředí ph teplota intenzita a doba slunečního svitu obsah nutrientů a organických látek množství rozpuštěného 2 a C 2

12 Hydrochemie přírodní organické látky (huminové látky, AM) 12 Algal rganic Matter - AM Složení AM 1) polysacharidy a heteropolysacharidy - součást EM i CM - tvořené převážně glukosou, galaktosou, mannosou, rhamnosou, fukosou, arabinosou, xylosou a uronovými kyselinami 2) jednoduché sacharidy a vícesytné alkoholy (glycerol a mannitol) - vyskytují se pouze v malých množstvích a převážně jako součást EM 3) dusíkaté látky, tj. aminokys., peptidy a proteiny - součást EM i CM - aminokyseliny a peptidy - EM zelených řas (malé množství) - polypeptidy tvořené převážně glycinem, kys. glutamovou a asparagovou, alaninem a serinem součást EM produkovaných převážně sinicemi - součást EM také glykoproteiny, glukosamin, nukleové kyseliny, enzymy, vitamíny (kyselina nikotinová, thiamin, biotin) atd. - polypeptidy a proteiny se do vodního prostředí uvolňují především při odumírání planktonních sinic i řas jako součást CM

13 Hydrochemie přírodní organické látky (huminové látky, AM) 13 Algal rganic Matter - AM Složení AM 4) organické kyseliny, především kyselina glykolová součást EM i CM - uvolňování glykolátu (sůl kyseliny glykolové) při nízkých koncentrací C 2 - anaerobní řasy uvolňují produkty fermentace - kyselina mravenčí, octová a mléčná, pyrohroznová, α-ketojantarová, α-ketomáselná, α-ketoisovalerová a acetoctová atd. 5) tuky a mastné kyseliny - součást spíše CM, jako EM se vyskytují pouze u některých druhů - např. rody Chlamydomonas a Chlorela produkují nenasycené mastné kyseliny nebo jejich peroxidy 6) fenolové sloučeniny součást CM mořských druhů hnědých řas 7) látky obsahující fosfor (organické fosfáty) součást CM 8) těkavé látky, především aldehydy a ketony - součást EM i CM - produkovány některými běžnými druhy řas způsobujícími zápach, Chlamydomonas globosa, Synura petersenii, Crypromonas ovata

14 Hydrochemie přírodní organické látky (huminové látky, AM) 14 Algal rganic Matter - AM Složení AM 9) toxiny - charakteristické především pro sinice cyanotoxiny - biologicky aktivní a toxické látky - produkty sekundárního metabolismu, nejsou vylučovány aktivně - z buňky se uvolňují až po její lyzi patří spíše mezi CM dělení cyanotoxinů: 1) podle chemické struktury - cyklické a lineární peptidy, alkaloidy a lipopolysacharidy 2) podle cílového působení - hepatotoxiny, neurotoxiny, imunotoxiny, genotoxiny, mutageny, embryotoxiny, dermatotoxiny a cytotoxiny

15 Hydrochemie přírodní organické látky (huminové látky, AM) 15 Algal rganic Matter - AM Cyanotoxiny Skupina toxinů blast toxicity Sinice Cyklické peptidy Microcystiny játra Nodularin játra Nodularia Microcystis,Anabaena, Planktothrix, Noctoc, Anabaenopsis Alkaloidy Anatoxiny nervové synapse Anabaena, Planktothrix, Aphanizomenon Aplysiatoxiny kůže Lyngbya, Schizothrix, Planktothrix Cylindrospermopsiny játra Cylinrospermopsis, Aphanizomenon, Umezakia Lyngbyatoxin kůže, trávicí trakt Lyngbya, Schizothrix, Planktothrix Saxitoxiny nervové výběžky Anabaena, Aphanizomenon, Cylindrospermopsis Lipopolysacharidy dráždivé všechny

16 Hydrochemie přírodní organické látky (huminové látky, AM) 16 Algal rganic Matter - AM Cyklické NRP (NonRibozomal Peptides) Microcystis sp. Nodularia spumigena

17 Hydrochemie přírodní organické látky (huminové látky, AM) 17 Algal rganic Matter - AM Cyanotoxiny toxin organismus skupina LD 50 µg/kg botulin Clostridium botulinum bakterie 0,00003 tetan Clostridium tetani bakterie 0,0001 aphanotoxin anatoxin -A microcystin LR nodularin Aphanizomenon flos-aquae Anabaena flos-aquae Microcystis aeruginosa Nodularia spumigena sinice 10 sinice 20 sinice 43 sinice 50 kurare Chondrodendron tomentosum rostlina 500 strychnin Strychnos nux-vomica rostlina 2 000