Biogeochemické cykly vybraných chemických prvků Uhlík důležitý biogenní prvek cyklus C jedním z nejdůležitějších látkových toků v biosféře poměr mezi CO 2 a C org - vliv na oxidačně redukční potenciál prostředí řada lidských aktivit narušuje globální cyklus uhlíku cyklus uhlíku provází cyklus síry Obsah C v nejdůležitějších rezervoárech rezervoár Gt C atmosféra 750 terestrická biosféra 610 půdy 1 580 povrch oceánu 1 020 hluboké části oceánu 38 100 fosilní paliva 5 000 uhlí 4 000 ropa 500 zemní plyn 500 Význam uhlíku C a CO 2 klíčová role ve stavu zemské biosféry jeho vliv na klima předmětem řady modelů odhad obsahu CO 2 v preindustriální atmosféře množství vytěžených fosilních paliv izotopové složení růstových zón dřevin složení karbonátů složení uzavřeného vzduchu v antarktickém ledu Formy výskytu CO 2 ve vodách Rozpouštění CO 2 ze vzduchu CO2 ( air) CO2 ( H 2O) Veškerý CO 2 Reakce s vodou CO 2 + H 2O H 2CO3 Volný oxid uhličitý Vázaný CO 2 HCO 3 - CO 3 2- Disociace kyseliny do 1. stupně + 2CO3 H + HCO3 Disociace kyseliny do 2. stupně H HCO H + 2 3 CO 3 Zastoupení jednotlivých forem CO 2 závisí především na hodnotě ph vody + 1
ph 4 5 6 7 8 9 10 11 Procentuální zastoupení forem CO 2 v závislosti na ph CO 2 99.70 97.05 96.69 24.99 3.22 0.32 0.02 0.00 HCO 3-0.30 2.95 23.31 74.58 96.70 95.84 71.43 19.96 CO 3 2-0.00 0.00 0.00 0.03 0.08 3.84 28.53 80.09 Uhličitanová rovnováha Vysoce účinný pufrační systém Velice rozšířený v přírodním prostředí Určuje množství anorg C pro fotosyntézu Vazebná kapacita HCO 3 - a CO 3 2- pro kationty (Srážení CaCO 3 ) Cyklus uhlíku Klíčové procesy: výměna CO 2 mezi atmosférou a hydrosférou výměna CO 2 mezi atmosférou a terestrickou biosférou výměna CO 2 mezi povrchovými a hlubokomořskými částmi oceánů celkově uvolnitelný CO 2 z antropogenních procesů vliv růstu obsahu CO 2 na asimilační procesy Kyslík 99.5 % 0.36 % 0.01 % oxidy v zemské kůře a plášti v atmosféře v biosféře Cyklus kyslíku základní biogenní prvek spolu se železem nejhojnější prvek na Zemi základní stavební prvek v litosféře vazba v silikátech a aluminosilikátech tvoří 2. hlavní složku zemské atmosféry oxidy uhlíku, vodíku, dusíku a síry volný kyslík ozón ve formě sloučenin se účastní většiny cyklů hlavním zdrojem fotosyntéza 2
Klíčové procesy: fotosyntéza fotolýza dýchání Cyklus kyslíku rozkladné procesy zvětrávání spalování fosilních paliv, požáry Dusík biogenní prvek, atmofilní charakter největším rezervoárem dusíku je atmosféra především jako stabilní, málo reaktivní N 2 rovněž ve velmi reaktivních formách, ale v daleko menším množství (NO x, NH 3, NO 3 - ) cyklus dusíku významně ovlivněn člověkem několik částí: fyzikální procesy a transport sloučenin dusíku abiotické transformace v atmosféře biologické procesy Cyklus dusíku Klíčové toky: biologická fixace antropogenní fixace emise z půd spalování fosilních paliv spalování biomasy výboje v atmosféře Cyklus dusíku Fosfor důležitý biogenní prvek nemá důležité plynné sloučeniny - transport atmosférou není tak významný nepodléhá mikrobiálním transformacím oxidačně-redukční reakce - nemají takový význam jako v cyklech ost. biogenních prvků 3
Cyklus fosforu Nejdůležitější toky: do atmosféry spalováním organických materiálů, větrnou erozí, vodním aerosolem z atmosféry suchou/mokrou depozicí zdroj v půdách zvětrávání matečné horniny Cyklus vysoce antropogenně ovlivněn těžba fosfátů hnojiva, detergenty Síra důležitý biogenní prvek mobilní prvek významný antropogenní kontaminant nejvýznamnější zdroje: anaerobní respirace bakterií, redukujících sírany vytváření mořských aerosolů vulkanickáčinnost Klíčové procesy: Cyklus síry ve vodním prostředí - produkce H 2 S a CH 3 SCH 3 (v oceánech) mikrobiálníčinností spalování fosilních paliv v atmosféře oxidace až na SO 2 jako součást srážek zpět do půdy využití anaerobními organismy rozklad organické hmoty zpětné uvolnění do prostředí Draslík významný biogenní prvek patří mezi nejrozšířenější prvky zemské kůry vysoce reaktivní výskyt pouze ve sloučeninách křemičitany, živce, slídy významnou součástí mořské n. minerální vody důsledek hydrolýzy hornin v atmosféře součást terigenního prachu slabě radioaktivní (poločas rozpadu 1,31. 10 9 let) 4
Draslík nezbytný pro správný metabolismus buněk významný pro průběh fotosyntézy značný vliv na látkovou výměnu sacharidů vliv na vodní režim rostlin zvýšený obsah K + v prostředí: pozitivně ovlivňuje příjem aniontů (H 2 PO 4 -, NO 3 -. Cl - ) potlačuje příjem Na +, Mg 2+, Ca 2+, Mn 2+, Zn 2+ Železo důležitou součástí enzymů účastní se metabolismu dusíku a syntézy chlorofylu v oceánech limitující faktor pro růst fytoplanktonu antropogenní ovlivnění relativně nevýznamné těžba železných rud Základní typy sloučenin Fe Ve formě sloučenin v mnoha rudách hematit (Fe 2 O 3 ), limonit (Fe 2 O 3.xH 2 O), magnetit (Fe 3 O 4 ), siderit (FeCO 3 ), pyrit (FeS 2 ) V půdách baz. fosfáty, karbonáty, sulfáty V hydrosféře Fe 2+, komplexy V atmosféře terigenní prach Koloběh železa úzce souvisí s koloběhem fosforu Fe(II) forma mobilnější, vyskytuje se zejména v prostředí bez kyslíku podzemní vody, dno nádrží Fe (III) vázáno fosforečnany na nerozpustnou formu oxidace Fe 2+ na Fe 3+ jako zdroj energie význam při fixaci řady kationtů a aniontů Mangan esenciální, minoritní prvek obdobné chemické i geochemické vlastnosti jako železo manganové konkrece kulovité útvary na mořském dně velikost několik cm až metr základní tuhou fází hydratovaný oxid manganu složeny z celéřady sloučenin přechodných kovů vznik srážením a koprecipitací z přesycených roztoků Základní typy sloučenin Mn Téměř vždy současně s rudami železa pyrolusit (MnO 2 ), manganit (MnO(OH)), dialogit (MnCO 3 ) V půdách Hydratované oxidy, karbonáty, silikáty, fosfáty V hydrosféře Mn(II) kyselé redukční prostředí V atmosféře terigenní prach 5
Vápník významný esenciální prvek v prostředí velice hojný 5.místo co do obsahu v litosféře ČR patří mezi státy s nejbohatším výskytem hornin vápencového typu součástí schránek organismů rozsáhlé antropogenní ovlivnění cyklu Ca Hliník hlavní litofilní prvek 3. nejvíce zastoupeným prvkem zemské kůry prakticky se nevyskytuje v žádné živé tkáni velmi reaktivní výskyt převážně ve sloučeninách ve sloučeninách pouze Al +3 v kyselém prostředí hlinitý kation v alkalickém prostředí hlinitanový anion velmi nízká migrační schopnost Koloběh hliníku antropogenní ovlivnění cyklu relativně nízké ovšem význam změn značný zejména vliv na živé organismy kyselá depozice --- zvýšení obsahu rozpuštěného Al v povrchových vodách a půdním roztoku vyšší koncentrace rozpustných forem pro vegetaci toxické Koloběh hliníku obsah v povrchových vodách především ve formě suspendované tuhé fáze transport v oblastech se zvýšenou erozí obsah v atmosféře součást terigenního aerosolu antropogenní úlety z topenišť litofilní, stopový prvek Berylium soli mimořádně toxické, potenciálně karcinogenní v přírodě pouze ve formě sloučenin pouze v mocenství Be 2+ minerál beryl (aluminosilikát) mnoho odrůd drahé kameny (smaragd, akvamarín) v atmosféře aerosol ze spalování uhlí 6
Berylium vlivem lidskéčinnosti může být druhotně mobilizován především v kyselých horninách kyselá atmosférická depozice urychlení chemického zvětrávání hornin prvky jsou pak vyluhovány do podzemních i povrchových vod nárůst koncentrace rozpuštěných forem Olovo převážně chalkofilní, stopový prvek, toxický ve sloučeninách Pb 2+, Pb 4+ v litosféře galenit (PbS) v půdách bazické karbonáty, fosfáty, sulfáty v hydrosféře Pb 2+, PbCO 3, kompl. s Cl - v atmosféře aerosol značné antropogenní ovlivnění cyklu Antropogenní vliv na koloběh Pb výroba el. akumulátorů dříve konstrukce vodovodních rozvodů vnitřní stěny vysokoobjemových nádob na uchovávání koncentrované kyseliny sírové materiál pro výrobu střeliva vysoká specifická hmotnost vysoká průraznost antidetonační přísada do benzínů zpomaluje rychlost hoření a zvyšuje oktanovéčíslo Kadmium toxický stopový prvek, kumulativní jed výskyt ve sloučeninách Cd 2+ v litosféře izomorfní v ZnS v půdách labilně vázaný v hydrosféře - Cd 2+ +, CdHCO 3 v atmosféře společně se Zn v průmyslových aerosolech antropogenní ovlivnění průmyslové odpadní vody, průmyslová hnojiva mobilizace v povrchových vodách jejich acidifikací Rtuť jedna z nejtoxičtějších látek toxicita sloučenin Hg - závislá na jejich rozpustnosti ve vodě kumulativní typ jedu vysoká tenze par kovové rtuti vysoká reaktivita iontů rtuti se sloučeninami obsahující SH a alkylové skupiny Formy výskytu rtuti Elementární rtuť (Hg 0 ) Kovová rtuť Páry rtuti Anorganické sloučeniny Sloučeniny jednomocné rtuti (Hg + ) Sloučeniny dvojmocné rtuti (Hg 2+ ) Organické sloučeniny Metylrtuť Etylrtuť Fenylrtuť 7
Koloběh rtuti Přírodní zdroje Vulkanickáčinnost Zvětrávání hornin Odpařování z povrchu země a oceánů Antropogenní zdroje Přímé těžba, elektrolytická výroba chlóru, přístroje obsahující rtuť, rtuťové zářivky Nepřímé spalování fosilních paliv či chemického odpadu, výroba cementu Epidemie otrav metylrtutí Zátoka Minamata v Japonsku 50. léta min. stol. Oblast Niigata v Japonsku 60. léta min stol. Irák 60. léta min. stol. Koloběh rtuti 8