Mikrobiální ekologie vody 5. Cyklus dusíku a transformace PřFUK Katedra ekologie Josef K. Fuksa, VÚV T.G.M.,v.v.i. josef_fuksa@vuv.cz Cyklus a transformace N Mechanismy transformace N v přírodě. Vztahy mezi atmosférickým N a imobilizovaným N* - voda, půda atd. Podmínky pro odstraňování N v tocích. Nový mýtus (?): Dusíková revoluce + Klimatická změna. JKF 28 Cyklus uhlíku a dusíku - rozdíly Rezervoár: C karbonáty (+ fosilní paliva). N atmosféra. Vstup do cyklu: C abiogenně, pak primární produkce atd. N biogenně, abiotické transformace vzácné. Zpět do rezervoáru: C bez problémů. N - abiotické transformace vzácné. Dvě formy: a N* N N N* Vznik N* z : Abiotický Biologická fixace Abiotická transformace N* Výboje v atmosféře Výroba - proces Haber-Bosch, 94 Fritz Haber vymyslel něco velmi historického. dusíku: v půdě: Rhizobium, Azotobacter, Clostridium pasteurianum. ve vodě: Cyanobaktérie (= sinice). Kontroluje: Nitrogenáza inhibice +, O 2. BILANCE fixace N: 65% terestrické ekosystémy 2 % moře 5 % (??) výroba hnojiv (Haber-Bosch).
Základní schéma Co s fixovaným dusíkem: Asimilace: Do buněčného materiálu >> R-NH 2. : Produkce amonného iontu z bílkovin. Oxidace: : N- >> N- >> N-. Chemolithotrofní: Citlivá na světlo, kyselé ph. ( nitrifikace ) Regulace Asimilace / : Poměr C/N (s rezervou na respiraci): C / N > 2 asimilace C / N < 2 amonifikace. Bakterie a Archea : O fixátoři NH 2 OH ORGANISMY Cyklus dusíku klasické schéma Respirace nitrátu NO Cyklus dusíku nová klasika Cyklus dusíku nová překvapení AN AM OX DNRA DNRA systémy s nadbytkem Corg. DNRA AnAmmOx: + + - + H 2 O
Redukce nitrátu: Asimilativní: Zdroj N imobilizace do biomasy Nezávislá na konc. O 2 Pro bakterie preference -N. Disimilativní: Fakultativně anaerobní bakterie, Mikroaerofilní / anaerobní podmínky Konsorcia neinhibuje!! Začíná to vždy v redukcí >> Redukce nitrátu: Respirace nitrátu: >> >> NO >> O >> DENITRIFIKACE DNRA disimilativní redukce na amoniak >> >> N- TAE: org, látky Regulace /DNRA: Obsah C-org. Voda, půda: denitrifikace (limitace C-org). Bachor: DNRA (nadbytek C-org). Akumulace : při nízké konc. DNRA při nízké konc. C-org. ANAMMOX anaerobic ammonia oxidation Základní proces: + + - + H 2 O Zdroj uhlíku: CO 2 Zdroj energie: oxidace N-NH4 TEA: - zdroj: nitrifikace (+ respirace NO3) Organismy: 3 - Planktomycetales Brocardia, Kuenenia, Scalindula. Specifické membrány, H 4, NH 2 OH. Podmínky: striktně anaerobní, T > 2 dní. Co ve vodě? Přísun: Nebodové zdroje většinou N-. Bodové zdroje N-org, N-,.. N-. in situ u nás nevýznamná (opravdu?). Transformace: : N-org N-. : N- N- N-. : N-. N- O. DNRA : N-. N- N-. Anammox: + + - + H 2 O. Dusíkový paradox v řekách Není znečištění, není substrát C-org. Není diverzita koryta - habitatů. Není tendence k anaerobním podmínkám. Není denitrifikace. Stoupá podíl i koncentrace.. je problém eutrofizace moře. TEDY: Nutnost odstraňovat dusík u zdrojů: Bodové zdroje technologie, peníze. Nebodové zdroje problém. Hladká řeka Snížená diverzita koryta. Snížená diverzita proudění. Snížená komunikace s podzemní vodou.
Dusíková revoluce a Klimatická změna 9 2 Růst počtu obyvatelstva. Růst zemědělské produkce. Růst produkce a spotřeby dusíkatých hnojiv ( N * ). Růst biotické fixace dusíku: sója + Rhizobium, rýže + sinice. Vyšší produkce = vyšší posklizňové zbytky a recyklace v půdě, vyšší stavy hospodářských zvířat, vyšší spotřeba potravin vyšší produkce N-org. vyšší přísun N-NO3 do moře / oceánu. Vyšší produkce O a další ších GreenHouse Gases. CYKLUS: Jak se vrací dusík do atmosféry? Spálením biomasy, dřeva, uhlí, nafty. POZOR: Vznikne ale také NO x z!! Biotickou cestou:. Anammox. POZOR: Vznikne a také podíl O!! V přírodě je biotická produkce z N* zásadní. Biotickou produkci z N* lze řídit v ČOV. Kromě Anammox (snad) vždy vzniká O! Kaskáda dusíku část farma : Průmyslová produkce N* a emise hnojiva NH 3 O Do vody!! Vliv na vodstvo Podstatná část transformací dusíku se koná v půdě. Do toků přichází: z nebodových zdrojů hlavně přebytky přísunu nad sklizní %?? jako N-NO3. z bodových zdrojů všecko. Transformace N v tocích (paradox?) potlačena péčí o toky. Podstatný dopad na mořské ekosystémy. Nárůst toku N globálním cyklem změny cyklu C a změny produkce ( O) a NO x. 6 5 4 3 2 Dusík na odtoku z Čech (roční průměry): 877:,87 mg/l N NH4,,266 mg/l N NO3 Dusík mg/l 2 mg/l N NH4 N NO3 : 8,8 mg/l O 2 Labe - Hřensko 96 97 98 99 2 N NH4 N NO3
Sezónní průběh N podél Labe 25,5 N NH4,5 N NH4 mg/l LABE 25 N NH4 KLA VER LYS HRE Profily downstream,4 mm mm,3,2 Hg 99-25 2 3 4 5 6 7 8 9 2 3, N NO3 6 5 4 N NO3 mg/l LABE 25 N NO3 VAL LYS OBR DEC HRE 3 2 2 3 4 5 6 7 8 9 2 3 Osa x: Pořadí odběru Jakost vody Labe Hg: CHSK 989-25 Poslání: 5 VAL LYS OBR DEC HRE Jakost vody Labe CHSK: Dusík je a bude významnou složkou znečištění. Schopnost toků odstraňovat dusík už není a nebude významná. Kontrola je na straně vypouštění: Velké aglomerace čištění. Malé celky extenzívní způsoby a recyklace. Nebodové zdroje -?? Technologie existují, chybí potřeba, peníze, vůle, enforcement atd. Obecný cyklus produkce/degradace energie, uhlík, akceptory Obecné principy: Fotolýza vody Kyslík zpět v H 2 O Cyklus uhlíku nelze odpojit od cyklu dusíku (a dalších).