A vízi anyagforgalom elemei Fehér Gizella ADUVIZIG, Baja
Szerveződési szintek sejt molekuláris szövet szerv INFRAINDIVIDUÁLIS szervezet INDIVIDUÁLIS bioszféra életközösség populáció SZUPRAINDIVIDUÁLIS Fennmaradásuk az életjelenségek zavartalan végbemenetelén alapul Környezettel való állandó anyagcsere kapcsolat
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
A szén körforgalma Szerves C vegyületek az élet hordozói A legtöbb raktározott C biológiai eredetű A C dinamizmusát túlnyomó részt az élővilág okozza
A C elterjedése és változásai a Földön
A C körforgalma (Felföldy, 1981)
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
A CO 2 rendszer összetevőinek mennyiségi változása a ph változásával (Felföldy, 1981)
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)
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: 120-140 mg CaO/l =12-14 nk Ásványvizek: átlagosan 20 nk (200 mg/l CaO)
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)
A vizek oxigénforgalma
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
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.
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.
Az oxigénrétegzettség példái (A: oligotrófikus típus, B: eutrófikus típus (Ruttner, 1962)
Erősen változó (múló) oxigénrétegzettség a Balaton eutrofizálódott területén, 1977. aug. 4. (FELFÖLDY, 1981)
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
Duna, Baja: oldott ox: 7,5-15 mg/l, K/J: >8, J/M: 7-8mg/l tel.: 80-130% K/J: 80-110, J/M: 70-80-110-120% KOI k : 6,0-29 mg/l K/J: <10, J/M: 10-15 BOI: 1-7 mg/l K/J: <2, J/M: 2-3
Oscillatoria limosa Oscillatorietum
vízvirágzások
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
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)
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).
A biológiai N-ciklus vázlata (Felföldy, 1981)
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
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
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
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
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)
A kén Oxidáltsági fokozatai: -II: H 2 S o: S +II: SCN, SO 3 2- +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.
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
Rendkívüli esetek Szennyezés?
A S biológiai körforgalma
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)
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
A vizi P-forgalom vázlata
A vizi P-forgalom vázlata (Felföldy, 1981)
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
Kimutatásuk: reaktív P csak ortofoszfát nem reaktív: előbb PO 4 3- -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: 20-150 μg/l K/J: <50, J/M: 50-80 Összes-P: K/J: <100, J/M: 100-150 Kémiai, biológiai paramétereket összefüggéseiben vizsgálni ökológiai minősítés (pl.)
A P-átalakulás kicserélődési idői a különféle P-formák között (Felföldy, 1981)
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: 42-160 μg/l,
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 60-80 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).
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.
Határértékek: ivó felsz. felsz. µg/l maxeu jav Mo Réz: 2 6 Arzén: 10 30 (100-200) Higany: 1 0,07 0,12 Kadmium: 5 0,4-0,6 0,36 Króm: 50 30 Nikkel: 20 20 24 Ólom: 10 7,2 Zn: 87 Fe: 200 Mn: 50
Köszönöm a figyelmet