izotopy vody Izotopy kyslíku a vodíku v systému půda - rostlina/živočich - atmosféra

Transkript

1 izotopy vody Izotopy kyslíku a vodíku v systému půda - rostlina/živočich - atmosféra

2 izotopy vody OBSAH Ochutnávka: k čemu je dobré studovat izotopy vody? Začínáme izotopovou polévkou: oceán, výpar a déšť Příjem vody rostlinou: první doušek přes kořeny Proč mají listy víc těžké vody než půdní a stonková voda? Příjem vody rostlinou: druhý doušek jde z atmosféry Izotopový otisk v organické hmotě (celulóze)

3 1. Skrytá polovina rostlin - v čem mohou pomoci izotopy? (Příjem vody a její vedení kořeny) izotopy vody Obr. z Gibbens & Lenz 2001, Dawson 1993, Čermák 2003

4 2. Jak se mění aktivita terestrické vegetace? Umírají lesy na kontinentech? 70 % veškeré evaporace z Evropy prochází průduchovými póry. Voda vypařená z listů má jiné izotopové složení než voda vypařená z půdy. Ch Körner

5 izotopy vody 3. Výdej vody - krajinná hydrologie Kolik se vypařuje vody z rostlin a kolik z půdy? Princip zjištění složek evapotranspirace Atmosféra - izo topová směs T a E Transpirace - izo topově stejná s podzem ní vodou T Evaporace - izo topově och uzená E

6 izotopy vody 4. Co řeknou izotopy v letokruzích o minulém klimatu? Strom je úžasná bytost! Ukotven po staletí na jednom místě přijímá uhlík z atmosféry a kombinuje jej s kyslíkem a vodíkem z vody, vytváří z nich organickou hmotu, kterou ukládá rok po roce v sekvenčních vrstvách, kterými zesiluje svůj kmen. Občas kmen padne do bažiny nebo jezera, kde za příznivých podmínek přetrvá po tisíce až staticíce let. Pak už jen stačí, abychom si uvědomili, že máme k dispozici archiv obsahující detailní údaje o jistém výseku z paleoklimatu, stačí aby přišli žabí muž s motorovou pilou a operátoři hmotového spektrometru a archiv otevřeli. Současné nejstarší záznamy: borovice 7000 let, dub 8000 let nazpět. Výhody proti jiným archivům (např. sedimenty): přesná, rozlišitelná roční chronologie. Výhoda izotopů proti šířce letokruhů: relativně jednoduchá a poznaná závislost na klimatu. (rev.mccarroll, Loader 2004).

7 izotopy vody 4. Paleoklima: Jak teplé bylo moře před 20 milióny lety?

8 5. Geografický původ, autenticita, forenzní vědy Poznáte, kde jsem strávil dětství? A kde jsem naposledy bydlel? izotopy vody Fry: Stable Isotope Ecology (2006)

10 Water isotopes Ocean = 18 O and D spicy soup 1 H 16 O 1 H 1 H 18 O 1 H 0.2 % 99.8 % 2 H SIBAE Springschool `07 16 O 1 H %

11 Water isotopes 1 H 16 1 O 1 18 H % H O % 2 H 16 H O % δ= (D H ) ( H) D ( H) vapour oceanwater D oceanwater 1000 Fractionation H

12 Water isotopes Equilibrium fractionation of water Saturation vapour pressure of heavy water is less than saturation pressure of light water In H 2 O with little spice of DHO vapour H 2 O vapour DHO e s H 2 O > e s DHO ε * D = [ D/ H] [ D/ H] liquid vapour liquid H 2 O liquid DHO Equilibrium fractionation factor The vapour (product) is depleted in D by 84 as compared to liquid (substrate) In 18 O, the vapour is depleted by 9.8.

13 Water isotopes Kinetic fractionation of water diffusion is sensitive to molecular mass, so, the light water diffuses faster than the heavy one H 2 O D H2O H 2 O Kinetic fractionation factor DHO D D2O DHO ε k = D D H O 2 1 = DHO 0.028x1000 Where D is diffusion coefficient of water in the green stuff 13 < ε D k < < ε 18O k < 30 laminar streaming Diffusion in still air ε k = g s 30 + g + s g g a a 15

14 Water isotopes H 2 16 O 18 O 16 O 18 O O 16 O H 2 18 O 18 O 16 O 16 O O 16 O Fry 2006

15 Water isotopes Ocean and atmosphere

16 Water isotopes Why is the rain in Wien lighter than in Paris? Primary rain Secondary rain vapour para pára evaporation rain rain pára Oceán C Kontinent but so far, it is only a physics

17 Water isotopes Heaviest rain is at the equator, lightest at the poles (temperature driven fractionation) Gourcy et al. 2005

18 Fig Isotope map of North America for precipitation δd values. Plant and animal δd values reflect this continentallevel map. The map is reprinted from Taylor, Jr., H.P., 1974, Economic Geology 69(6), p. 850, Fig. 6. Efekty: Kontinentální Teplotní (zeměp. šířky) Nadmořské výšky Vydatnosti a délky srážek Fry 2006

19 Fry 2006

20 Water isotopes 18 O isotopic composition of precipitation (precipitation-weighted) See also GNIP web sites

21 Water isotopes A trip across atmosphere (temperature and photochemistry driven fractionation of DHO) Rozansky 2005

22 Water isotopes (Global) meteoric water line soil branch air Global Met. W. Line 0 δd δd = 8 δ O δ 18 O

23 izotopy vody SOUHRN 1 Izotopy kyslíku a vodíku ve srážkové vodě jsou specifické podle: - zeměpisné šířky (těžších ubývá směrem k pólům) - teploty vzduchu - vzdálenosti od oceánu - nadmořské výšky

24 Water isotopes Iso-Puzzle 1 Does an ice block of heavy water flow on the surface of tap water? Yes D 2 O H 2 O No D 2 O H 2 O 3 3 ρh 2O = kg m ρ D 2O = 1019 kg m

25 Water in soil Water isotopes

26 Water isotopes Why is water in the soil upper layer enriched? δ 2 H turbulent atmosphere -100 (RH=50%) T air =20 o C δ a? lam. b. layer 20 o C wet bare soil δ E -70 ground (source) water δ L δ E = δ L α eq α k (1-h) + δ a α eq h Craig, Gordon 1961, 1965 Due to evaporation (low humidity h) and water transport in soil

27 Water isotopes Applications We can find where the plant takes water from. hydraulic lift (redistribution) water regime in riparian communities Partitioning of evapotranspiration (separation of evaporation form soil from transpiration)

29 Water isotopes Water uptake Grifith et al. (1998) Physiol.Plant Ecology

30 izotopy vody Při příjmu nedochází k frakcionaci (diskriminaci), jen k míchání zdrojů. Řekni mi, kolik obsahuješ deuteria, a já ti povím odkud bereš vodu. Xylémová voda z běle kmene Pinus strobus (prázdné kroužky) při dvou izotopově odlišných deštích. Voda v jádru kmene (plné kroužky) má izotopově stálé složení a slouží jako zdroj pro transpirační proud v případě sucha. (White et al. 1985)

31 izotopy vody Deuterium v xylému jako funkce velikosti stromu rostoucích v bezprostřední blízkosti řeky (prázdné symboly) nebo vzdáleně od řeky (plné symboly). Izotopový signál zdrojové vody je uveden vpravo. Vzorky z Red Butte Canyon, Utah. Ehleringer a Dawson, Jsou údolní společenstva stromů závislá na vodě v řece? Pokud ano, do jaké míry?

32 izotopy vody Kde berou vodu (do jakých kořenů investují uhlík) rostliny suchých stanovišť? D v xylémové vodě různých funkčních skupin pouštních rostlin po letním dešti (Ehleringer et al. 1992) a co pobřežní společenstva rostlin?

33 Co je to hydraulický výtah? izotopy vody

34 izotopy vody SOUHRN 2 Izotopy kyslíku a vodíku nemění své zastoupení při příjmu vody rostlinou. Proto voda ve stonku informuje o: - zdroji vody pokud má specifické izotopové složení - hloubce (architektuře kořenů)

36 Water isotopes Leaf = volumetrically small compartment with high throughput of water δ ss [ 2 H, 18 O] in δ a [ 2 H, 18 O ] out δ s water entering and evaporating from the leaf has the same δ. ; leaf water is in the isotopic steady state δ ( δ ε ) SS = δ S + ε + ε k + h a k δ S e = ε + ε k + e e a i ( ε ) a k Craig&Gordon s model adapted for leaf (Dongmann et al. 1974, Farquhar 1989

37 Water isotopes e Leaf What does ea the formula tell us? = ε + ε k + e i ( ε ) a k leaf temperature T l 1/ stomatal conductance g s Stomata closure cause water enrichment and vice versa

38 Water isotopes Leaf water enrichment is spatially heterogeneous Desert river model: x e l ) = 1 1 h ( ' l l m j Santrucek et al. (2007) Plant Phys.

39 MIBA (Moisture isotopes in biosphere and atmosphere) - projekt IAEA (izotopové složení vody v půdě, xylému, v listech a v atmosféře; dominantní typ vegetace, globální měřítko, asi 150 odběrových míst) deuterium in soil, branch and leaf water beach (Fagus sylvatica) CZR003 (Ceske Budejovice, Brloh), season: 2004,2005, izotopy vody 0 soil_sun branch_sun leaf_sun soil_shade branch_shade leaf_shade δd, %o date

40 Navíc: izotopové obohacení vody v listu není homogenní izotopy vody D E L T A D Desert river model: relative distance from the base, l/lm e l ) = 1 1 h x ( ' l l m j Santrucek et al. (2007) Plant Phys.

41 izotopy vody SOUHRN 3 Voda v litech je izotopově obohacená proti vodě zdrojové (půdní): - je závislé na teplotě listu - je závislé na vlhkosti vzduchu - obohacení se zvyšuje od báze ke špičce

43 izotopy vody Where does the oxygen in cellulose come from? Experiment δ w 18 O=+13 δ 18 cel 18 O=+27 DeNiro, Epstein, Science 1979 δ 18 cel O=iso- Puzzle CO 2 δ 18 O=+6 δ 18 w O=-1 δ 18 O=+985 CO 2 Theory: + PO PO O Oxygen in Photosynthates Originates from CO 2 RUBP Endiol RUBP 2-carboxy-3-ketoarabinitol BP PGA + PO PO O

44 izotopy vody Proč si odporuje teorie a experiment?

45 izotopy vody 1/ Autotrofní výměna kyslíku Chloroplast je křižovatkou pro CO 2 a vodu C=O = carbonylový kyslík CO 2 H 2 O Carbonic anhydrasa k 1 Chloroplastové stroma CO 18 O + 18 O 2 Doleův jev CO 2 + H 2 18 O [HCO 2 18 O] - +H + H 2 O + CO 18 O 2H 2 18 O 4H O 2 thylakoidy obohacení list Cukry, škrob, celulosa H 2 O

46 izotopy vody 2/ Heterotrofní (postfotosyntetická) výměna carbonylového kyslíku Aceton (s jedním výměnným kyslíkem) byl obohacen o 28 promile oproti vodě s kterou byl smíchán. Sternberg, DeNiro 1983 Sacharóza exportovaná z listu je o 27 promile bohatší než voda v listu. Cernusak 2003 Poločas výměny se zvětšuje s velikostí molekuly. Výměna je urychlována enzymy (aldolasami). Poločasy: aceton 10 min, fruktosa-1,6-bisfosfát 29 min, fruktosa-6-fosfát 166 min. Barbour 2007

47 izotopy vody 3/ Heterotrofní (post-fotosyntetická) výměna carbonylového kyslíku (během syntézy celulózy) 20% O atomů vyměněno Hexoso-fosfáty celulóza 6 z 10 O atomů vyměněno Trioso-fosfáty

48 izotopy vody SOUHRN 4 Izotopy kyslíku a vodíku v organické hmotě téměř kopírují izotopové složení vody v listu.

49 Overview Water isotopes 18 O and 2 H (D) in water, rain, vapour, moisture Primary rain Secondary rain vapour para pára evaporation rain rain pára Oceán C Kontinent

50 Tato přednáška byla podpořena projektem EU: