szervezet INDIVIDUÁLIS

Átírás

1 A vízi anyagforgalom elemei Fehér Gizella ADUVIZIG, Baja

2

3 Szerveződési szintek sejt molekuláris szövet szerv INFRAINDIVIDUÁLIS szervezet INDIVIDUÁLIS bioszféra életközösség populáció SZUPRAINDIVIDUÁLIS Fennmaradásuk az életjelenségek zavartalan végbemenetelén alapul Környezettel való állandó anyagcsere kapcsolat

4 Vízi ökoszisztéma kémiai elemei élőlények teste környezet Vízminőség: a benne lejátszódó élő és élettelen történések eredménye végső fokon az anyagok vándorlásától, átalakulásától függ A vízminőség megítélésében alapvető feltétel a biológiai anyagforgalom szabályszerűségeinek általános, és a kérdéses víztömegre jellemző, sajátos jelenségeinek ismerete

5 A szén körforgalma Szerves C vegyületek az élet hordozói A legtöbb raktározott C biológiai eredetű A C dinamizmusát túlnyomó részt az élővilág okozza

6 A C elterjedése és változásai a Földön

7 A C körforgalma (Felföldy, 1981)

8 A vízben: CO 2 részben szénsavvá (H 2 CO 3 ) hidrolizálódik, H + és HCO 3- ionokra disszociál HCO 3 H + és CO 3 2- ionokra disszociál A szervetlen C formák arányának jelenléte a vizekben ph függő: ph <4: csak szabad CO 2 ph 7-10: HCO 3 dominál ph 8,4-nél: mindhárom forma egyidejűleg ph >11-nél CO 3 2- túlsúly

9 A CO 2 rendszer összetevőinek mennyiségi változása a ph változásával (Felföldy, 1981)

10 Biogén mészkiválás CaCO 3 Ca(HCO 3 ) 2 CaCO 3 + CO 2 CO 2 tartalmú vízben az oldhatatlan CaCO 3 oldódik Csak addig marad oldatban, míg CO2 fölösleg van (egyensúlyi CO 2 ) CO 2 elvonás ( fotoszintézis ph növekedés) kicsapódik Szervetlen úton: vizek felmelegedése, CO 2 -vel túltelített forrásvíz felszínre jutása. Ha a Ca(HCO 3 ) 2 CO 2 egyensúlynál több CO 2 -t tartalmaz a víz, újabb CaCO 3 oldására képes (agresszív szénsav csapadékvíz mészkőhegyekben a karsztosodás alapja)

11

12

13 Víz keménysége Ca(HCO 3 ) 2 tartalom okozza, nk formájában fejezzük ki. 1 nk literenként 10 mg CaO-nak felel meg. kemény víz nk > 20 lágy víz nk < 10 Dunavíz: mg CaO/l =12-14 nk Ásványvizek: átlagosan 20 nk (200 mg/l CaO)

14 A fotoszintézissel a növények állandóan szenet kötnek le. Ha csak lekötés játszódna le, az atmoszféra C tartalma 35 év alatt elfogyna. Visszajuttatás: légzés lebontás Körfolyamat lelassulása, vagy gátlása: tőzegképződés (kőszén, olaj, földgáz elégetésével kerül vissza), mészkőkiválás (felszínre kerüléssel esővíz, növények kerül vissza)

15

16 A vizek oxigénforgalma

17 Oxidáció az élők szervezetében: energia felszabadítás életjelenségek biztosítása vizi élőlények többsége: vízben oldott oxigént igényel. A biológiai oxigénforgalom legfontosabb irányai: fotoszintézis, elemi oxigén keletkezése: H 2 O O 2 (fény) légzés, oxigénfelhasználás: O 2 H 2 O (sötét, fény) bioszintézis, oxigénasszimiláció: O 2 szerves kötésű oxigén lebontás: szerves kötésű oxigén H 2 O

18

19 Oxigénforrás a vízben: 1. oxigéntartalmú befolyóvíz 2. diffúzió az atmoszférából 3. fotoszintézis Oxigén elhasználódása: 1. légzés 2. szerves anyagok bomlása 3. kiszellőződés 4. veszteség a kifolyó vízzel Folyóvizek oxigénviszonyai kedvezőbbek, mint az állóvizeké. Külső szerves anyagok vízbe jutása rontja az oxigénellátottságot.

20

21 Mély tavakban: O 2 diffúzió felülről lefelé O 2 termelés a fölső rétegben Kompenzálás mélysége: a fotoszintézis O 2 termelését a légzés éppen ellensúlyozza. Mélyben: nincs növényi élet, bomlási folyamatok (O 2 csökkenés). Hőrétegzett tavak O 2 -viszonyai oligotrófikus, eutrófikus típusoknál eltérőek. Sekély tavak O 2 viszonyai egész éven át kedvezőek a felszíntől a fenékig (termelés és fogyasztás a víz egész tömegében folyik) Balaton.

22 Az oxigénrétegzettség példái (A: oligotrófikus típus, B: eutrófikus típus (Ruttner, 1962)

23 Erősen változó (múló) oxigénrétegzettség a Balaton eutrofizálódott területén, aug. 4. (FELFÖLDY, 1981)

24 Az O 2 -ellátottság napszakos változása: oligotrófikus tavakban kismértékű eutrófikus tavakban nagymértékű Eutróf tó: hajnali oxigénhiányos állapot halpusztulások Vizi élőlények O 2 szükségletének fedezése: - vízben oldott O 2 - légköri levegő - test tartalékanyagai, vagy más H-akceptorok (diffúzió, bőrlégzés, kopoltyú, trachea, tracheakopoltyú, tüdő) Oxigénforgalom mutatói: szerves terhelés foka lebontás intenzitása szaprobitás

25 Duna, Baja: oldott ox: 7,5-15 mg/l, K/J: >8, J/M: 7-8mg/l tel.: % K/J: , J/M: % KOI k : 6,0-29 mg/l K/J: <10, J/M: BOI: 1-7 mg/l K/J: <2, J/M: 2-3

26

27 Oscillatoria limosa Oscillatorietum

28 vízvirágzások

29 A nitrogén A felszíni vizekben található N formák: 1. Molekuláris (elemi N, N 2 ) 2. Szerves N-vegyületek (fehérjék bomlástermékei is) oldott, vagy alakos állapotban 3. Ammónia, szabad ammónia (NH 3 ) és ammóniumion (NH 4+ ) formájában 4. Nitrit, mint nitrit ion (NO 2- ) 5. Nitrát, kizárólag NO - 3 -ion formában

30 A nitrogén a természetben elemi alakban, vagy különböző oxidációfokkal, vegyületeiben fordul elő, ezek az oxidációfok növekvő sorrendjében a következők: szerves N-vegyületek ezek bomlásával keletkező ammónia - szabad ammónia (NH 3 ) és ammónium ion (NH 4 +) elemi N (N 2 ) nitrition (NO 2- ) nitrátion (NO 3- ). A szervetlen N-formák biokémiai redoxreakciói (Wagner, 1970)

31 Szerves N vegyületek (fehérjék,peptidek, amminósavak,karbamid): élőlények anyagcsere-,és bomlástermékei. Bakteriális bontással szervetlen N vegyületekké, első lépésben ammóniává alakul. Ammónia: aerob körülmények között szervesanyagok bakteriális bontásával, anaerob körülmények között nitrátredukcióval keletkezik (nitrátredukció a nitrifikáció ellentétes folyamata). Nitrit: az ammónia oxidációjával, a nitrifikáció folyamatában képződik, nitritképző baktériumok tevékenysége során. Kimutatható mennyiségű nitrit jelenléte a szervesanyag-bomlás előrehaladott, köztes állapotát jelzi. Nitrát: természetes körülmények között a nitrifikáció folyamatának végterméke, de nagy mennyiségben kerülhet a vizekbe civilizációs hatásra (műtrágya).

32 A biológiai N-ciklus vázlata (Felföldy, 1981)

33 1. A nitrogénciklus első lépése az elemi N bejutása a nitrogénkötő élőlények testébe. - N 2 kémiai reakcióknak ellenáll - kizárólag nitrogénkötő szervezetek révén jut a Föld nitrogénforgalmába: baktériumok (Azotobacter, Clostridium, Chromatium, stb.)- heterotrófok kékalgák (heterocisztások: Cylindrospermopsis, Aphanizomenon, stb) autotrófok 2. További N-vegyületek: NH 4+, NO 2-, NO 3-. Ezek nagyon reakcióképesek (l. biokémiai N-oxidáció és redukció) Az ammóniának két formája (ph-tól függően): ammónium-ion (NH 4+ ) aktív felvétel szabad ammónia (NH 3 ) sejtmembránon áthatol, mérgező

34 Az ammónia nitrit - nitrát átalakítást végző baktériumok hőigénye különböző. Hidegben a folyókat ért szervesanyag szennyezésből csak az ammóniáig fut a bomlás. 10 C alatt a folyamat az ammóniaképzésnél megáll, v. erősen lassul (téli magasabb ammóniaeredmény nem feltétlenül újabb szennyezés következménye) Nitrogénspektrum: a mérési eredményeket a N-formák arányát bemutató kördiagrammal ábrázolják. -sok összes N: külső szennyezés, élénk N-kötés -sok NO 3 : műtrágya bemosódás, előrehaladott bomlás - sok szerves N: tisztítatlan szennyvíz -sok ammónia: friss szennyezés - nitrit: szennyezés után több, köztes állapot a bomlás során

35 Nitrogén-spektrum, Izsák, Észak Nitrogén-spektrum, Kisizsák NH4-N% Szerves Szerves NO2-N% NO3-N% NH4-N% NO2-N% NO3-N% Szerves NO3-N% NO2-N% NH4-N% NH4-N% NO2-N% NO3-N% Szerves

36

37 N vegyületek vízbe kerülése: 1. Élőlények elemi N-kötése légkörből 2. Csapadékkal bemosódó NO 3, NH 3 3. Befolyó vízzel érkező N-formák N vegyületek eltávozása: 1. Elfolyás az elfolyó vizekkel 2. Élőlények okozta denitrifikálódás 3. Elemi N 2 gáz kiszellőzése (gázbuborékok, hőmérs. emelkedés) 4. Élőlények kirepülése, halászat, szárazra kerülés (hullámzás) 5. Állandó N-tartalmú üledékek keletkezése Eutrofizálódás: tápanyag dúsulás, a N-nagy részét az élőlények visszatartják a tó anyagforgalmában

38 Mennyisége felszíni vizekben, mérése, határértékei: Duna, Baja:min.-max. NH 4+ -N: 0,01 0,33 mg/l K/J:< 0,1, J/M: 0,2 NO 2- -N: 0,01-0,05 mg/l K/J:< 0,01 J/M: 0,01-0,02 NO 3 - N: 0,8-3,5 mg/l K/J:< 1, J/M: 1-2 Az egyes N formák koncentrációját N-re átszámított formában szokásos megadni: szerves N, ammónia-n, nitrit-n és nitrát-n. Az utóbbi 3 mennyiségének összege az ásványi-n. A 4 nitrogén forma N-ben kifejezett együttes mennyisége az összes N (hat.ért.: K/J: 1,5 mg/l, J/M: 1,5-3 mg/l)

39 A kén Oxidáltsági fokozatai: -II: H 2 S o: S +II: SCN, SO IV: SO 4 2- SO 4 2- források: csapadék, meder kőzetei (gipsz, pirit) 1. oldott SO 4 -et az autotróf növények, gombák hasznosítják fehérjék felépítése 2. fehérjék bontása: heterotróf baktériumok H 2 S tovább ox. 3. SO 4 bontása anaerob úton: szulfátredukáló baktériumok H 2 S H 2 S: főleg biológiai eredtű rothadó szervesanyag, anaerob körülmények, jól oldódik, erős méreg.

40 4. szulfidoxidálók (szulfurikálók): H 2 S oxidálása elemi S-né (aerob). fotoszintetizáló zöld-, bíborbaktériumok: H 2 S oxidálása energia CO 2 beépítés fotoszintetikusan 5. S oxidáló baktériumok: elemi S-t oxidálják tovább SO 4 - gyé Thiobacillus denitrificans: nitráteltávolítás

41 Rendkívüli esetek Szennyezés?

42 A S biológiai körforgalma

43 A foszfor - Aránya sokkal nagyobb az élő szervezetekben, mint a környezetben - Limitáló tényező lehet - Bioszférában leginkább oxidált formában van jelen - Vizi környezetben az ortofoszfát ion mellett (PO 4 3- ), szerves foszforvegyületek, polifoszfátok vannak jelen - oldott állapotban - kolloidális részecskék, vagy azokhoz adszorbeálódva - szeszton, v. szesztonikus P szervetlen P elhalt szervesanyag élő szerves - Helyileg: vízben oldva, lebegve, fenéküledékben oldott állapotban, v. szilárd részekhez kötve, élőlények testébe (szerves vegy pirofoszfát)

44 Foszforciklus élővilág környzete víz üledék között lejátszódó kicserélődési folyamatok 1. Kiinduló anyag: vízben oldott ortofoszfát-ion (PO 4 3- (reaktív foszfor) - kőzetbomlásból oldva, alakosan (adszorbealtan), üledékbe csapdázódva, Ca-foszfátok formájában - Szennyvizekből - Műtrágyákból - Szervetlen triptonfoszfát oldódása - Biológiai foszforanyagcsere során szerves foszfor, polifoszfátok, ortofoszfát

45 A vizi P-forgalom vázlata

46 A vizi P-forgalom vázlata (Felföldy, 1981)

47 Kikapcsolódása az anyagforgalomból: Lefolyás Üledékbe temetődés Vízből kikerülő élő anyagok Oldatban lévő formák: oldott, nem reaktív foszfor: oldott szerves vegyületek polifoszfátok Baktériumok (algák) bontják, kismértékű hidrolízis is Oldott, reaktív P hirtelen felhasználódik (algák) Lebegőanyag formájában lévő P: élő, elhalt szerves, oldhatatlan szervetlen

48 Kimutatásuk: reaktív P csak ortofoszfát nem reaktív: előbb PO vá alkítja a többi formát roncsolással, v. oxidációval ( az egyes formák mennyiségi arányai szűrés a helyszínen (szeszton oldott átalakulások) Duna, Baja: hat.ért. PO 4 -P: μg/l K/J: <50, J/M: Összes-P: K/J: <100, J/M: Kémiai, biológiai paramétereket összefüggéseiben vizsgálni ökológiai minősítés (pl.)

49 A P-átalakulás kicserélődési idői a különféle P-formák között (Felföldy, 1981)

50 Nyomelemek Élőlények testét felépítő Nyomelemek: Fe, Mn, Zn, Cu, Mo, Co -szerepük - makroelemek - mikroelemek -felszíni vízben μg/l szinten, de az élő szervezet akkumulálhatja (nehézfémek) -oldhatóságuk kicsi (általában jellemző felszíni vizes ph-n) -felszabadulásuk az elhalt fitoplanktonból lassú -mennyiségük felszíni vizekben: Cu: 3-125, Zn: 8-180, Mn: μg/l,

51 A szilícium Forrása a vizekben:a szilícium-dioxid (kvarc, kova, amorf SiO 2 ). Vízbe jutva a szilícium vegyületek bonyolult egyensúlyi állapota alakul ki, pl. SiO 2 + 2H 2 O Si(OH) 4. Az Si(OH) 4 oldhatósága független a ph-tól (telítettség értéke mg/l, 0 C-on). A természetes vízekben azonban mindig jóval alatta van ezeknek az értékeknek, csak néhány milligramm. A kovaalgák héjában 5-60 % hidratált szilícium-dioxid van. (kovaföld, növekedésük, szaporodásuk).

52 A vas Felszíni vizekben kis mennyiségben van jelen. III-értékű vegyületei oldhatatlanok vízben, oldott állapotban csak redukáló környezetben, mint Fe(II) vegyület (rendszerint karbonát Fe(HCO 3 ) 2 található. Ha a Fe(HCO 3 ) 2 oxigénnel érintkezik, Fe(III)-hidroxid formájában kicsapódik (CO2-ben gazdag, anaerob talajvíz felszínre kerülése). Vashiány: a növények fotoszintézisét és szaporodását gátolja.

53

54

55 Határértékek: ivó felsz. felsz. µg/l maxeu jav Mo Réz: 2 6 Arzén: ( ) Higany: 1 0,07 0,12 Kadmium: 5 0,4-0,6 0,36 Króm: Nikkel: Ólom: 10 7,2 Zn: 87 Fe: 200 Mn: 50

56 Köszönöm a figyelmet