VYUŽIT ITÍ SPALNÉ KALORIMETRIE V BIOLOGICKÝCH VĚDNV DNÍCH DISCIPLÍNÁCH CH František Hnilička, Helena Hniličkov ková,, Jaroslava Martinková
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.
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.
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 10 71 kj energie a její pomocí vyrobí asi 14 10 10 11 t organické hmoty, uvolní 15 10 10 11 t O 2 a fixují 20 10 11 t CO 2 ze vzduchu a oceánů.
Stanovení rychlosti fotosyntézy 14 16 12 PN (µmol CO2.m -2.s -1 ) 10 8 6 4 2 0 kontrola 22.DC 29.DC 35.DC 45.DC 49.DC 51.DC 55.DC stres + 24 - epibrassinolid 61.DC fáze vývoje stres 65.DC 69.DC 71.DC 77.DC 81.DC kontrola + 24 - epibrasssinolid netto energie (kj.g -1 ) 14 12 10 8 22,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 + 24 - epibrassinolid kontrola + 24 - epibrasssinolid gazometrické kalorimetrické stanovení rychlosti fotosyntézy
Stanovení rychlosti fotosyntézy Hmotnost sušiny (g) a celková fotosynteticky naakumulovaná energie [kj] ve fázi 91.DC v jedné rostlině
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.
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.
Transport asimilátů v rámci r rostliny Přesun asimilátů do nově vznikajících ch klasů a obilek
Transport asimilátů Změny obsahu energie (kj.g -1 ) vegetativních a generativních orgánech jarního ječmene
Obsah energie v sušin ině chmele Tok asimilátů
Tok energie v ekosystému Ekologická účinnost = (energie biomasy *100)/ energie zářenz ení
Tok energie v ekosystému Modelová složka transformace energie v ekosystému
Tok energie v ekosystému Toky energie (upraveno podle Oduma, 1963), Akumulovaná energie, energetické toky v jednotkách kcal.m - 2, kcal.m - 2.rok - 1.
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.
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
Tok energie v ekosystému Oslabování dopadajícího slunečního zářenz ení v různých r typech ekosystémů.
Tok energie v ekosystému 20 obsah neergie (kj) v 1 g sušiny 19.5 19 18.5 18 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).
Tok energie v agroekosystému Půda Rostlinná výroba Živočišná výroba
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
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 ; - 150 800 ml vytranspirované vody; - 17.6 kj vázanv zané energie (15-35 kj).
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)
Produkční fyziologie rostlin 18 netto energie (kj.g -1 ) 16 14 12 10 49.DC 51.DC 55.DC 61.DC 65.DC 69.DC 71.DC 77.DC 81.DC 91.DC fáze vývoje kontrola stres stres + 24 - epibrassinolid kontrola + 24 - epibrasssinolid y = - 1,40 2,57 * x + 1.00 * 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.
Stresová fyziologie rostlin STRESORY ROSTLIN Biotické Abiotické Fyzikální Chemické
Stresová fyziologie rostlin Stabilita ekosystémů
Biotické stresory 16 14 12 Valtický kontrola Energie v sušině 10 8 6 4 2 0 13.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
Abiotické stresory Vliv vodního deficitu na obsah energie (kj.g -1 ) nadzemní biomasy juvenilních rostlin kukuřice
Genotypové rozdíly Vliv genotypu na obsah energie (kj.g -1 ) semen planých a kulturních pícnin.
Genotypové rozdíly Vliv genotypu na obsah energie (kj.g -1 ) obilek.
Genotypové rozdíly Vliv genotypu a prostředí na obsah energie (kj.g -1 ) nadzemní biomasy juvenilních rostlin kukuřice
Shrnutí
Změny obsahu energie Vliv procentického zastoupení vody rostl. materiálu na obsah energie (podle Strašila, 2010)
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.
Poděkov kování doc. Ing. Vratislavu Novákovi, CSc. zakladateli spalné kalorimetrie na ČZU v Praze a specializované laboratoře spalné kalorimetrie a zpracování rostlin KBFR FAPPZ.
DĚKUJI ZA POZORNOST