Hydrobiologie pro terrestrické biology • Téma 7: Voda jako životní prostředí – rozpuštěné plyny Plyny rozpuštěné v přírodních vodách • Toto téma se zabývá některými z plynů, vyskytujících se v přírodě a rozpouštějících se v přírodních vodách • Jde o dva typy plynů : • plyny elementární – s vodou nereagují, ve vodě se rozpouštějí fyzikálním procesem : O2, N2, ... • plynné anorganické sloučeniny, které s vodou reagují za vzniku kyselin nebo hydroxidů : CO2, H2S, NH3, ... – pak kromě rozpouštění nutno uvažovat disociaci produktů a faktory, které o ní rozhodují Kyslík rozpuštěný ve vodě • Zdroji kyslíku rozpuštěného v přírodních vodách jsou : 1) atmosférický vzduch 2) fotosynthetická činnost vodních fototrofů (řas, sinic, ponořených cévnatých rostlin) – ti ovšem část uvolněného O2 spotřebovávají respirací • Na spotřebě O2 se dále podílejí živočichové a nezelené mikroorganismy a některé chemické pochody • výsledkem je proměnlivé množství rozpuštěného kyslíku ve vodách – jak a proč ? ./... Kyslík rozpuštěný ve vodě • Plynný kyslík z ovzduší se rozpouští ve vodě v závislosti na teplotě vody, na barometrickém tlaku, … • • Množství kyslíku (mg.l-1 O2) rozpuštěného ve vodě o teplotě t a (normál.) atmosférickém tlaku 101 kPa ve vzduchu nad hladinou, při 100 % nasycení : 8,118,849,7610,9212,5714,16mg.l-1 2520151050t, °C Nomogram pro zjištění % nasycení vody kyslíkem Kyslík rozpuštěný ve vodě • Kromě tlaku a teploty ovlivňuje rozpouštění kyslíku z atmosféry do vody: • velikost styčné plochy s ovzduším • pohyb povrchových vrstev, turbulence • salinita • relativní zastoupení kyslíku rozpuštěného ve vodě proti rozpuštěnému dusíku je asi 1 : 2 (ve vzduchu asi 1 : 4, ve vyšší nadm. výškách ještě méně kyslíku) Kyslík rozpuštěný ve vodě • přesto je množství rozpuštěného kyslíku přítomné v objemové jednotce vody mnohem menší, než množství kyslíku ve stejně velké objemové jednotce vzduchu v atmosféře - v běžných teplotách přírodních vod je to cca 15x až 30 x méně ! Kyslík rozpuštěný ve vodě • podstatná je jedna skutečnost : • teplotní závislost spotřeby kyslíku dýchajícími organismy je právě opačná než teplotní závislost množství ve vodě rozpuštěného kyslíku • spotřeba kyslíku respirací stoupá s rostoucí teplotou • rozpustnost kyslíku ve vodě klesá s rostoucí teplotou Kyslík rozpuštěný ve vodě • Druhým zdrojem kyslíku rozpuštěného ve vodě je fotosynthesa fototrofních organismů • uvolněné množství záleží : - na druhu rostlin, řas či sinic, - na délce a intensitě osvětlení, - na dostupnosti živin k rozvoji fototrofů Stratifikace kyslíku ve vodě : • Rozpuštěný plynný kyslík : se tedy do vody se dostává jednak difusí přes hladinu, jednak je dodáván rostlinami při fotosynthese - obojí se děje v horní vrstvě, proto u vod s dostatečným rozvojem autotrofů vždy více kyslíku u hladiny - naopak v hypolimniu rozkladné procesy Ortográdní křivka množství rozpuštěného O2 v málo produktivním jezeře teplota kyslík Klinográdní křivka množství rozpuštěného O2 v produktivní nádrži v produkčním období : množství O2 prudce klesá v metalimniu, v epilimniu je více O2 než v předchozím případě, v hypolimniu je kyslíku málo Heterográdní křivka množství rozpuštěného O2 (pozitivně a negativně) : vysoká aktivita fototrofů nad termoklinou a ... a vysoká spotřeba O2 rozkladem v dolní části metalimnia Zasouvání studené řeky bohaté kyslíkem do hlubin hypolimnia Černé moře : stratifikace teploty, plynů a salinity Respirace Cyclops vicinus a Daphnia galeata • Spotřeba kyslíku v metabolismu poikilothermů roste s rostoucí teplotou • závisí i na dostupnosti potravy : za téže teploty je vyšší při dostupnosti potravy než u jedinců hladovějících • Následující graf : závislost spotřeby O2 na teplotě pro buchanku Cyclops vicinus ( ● krmení jedinci, + hladovějící, ○ neadaptovaní na danouz teplotu), a pro perloočku Daphnia galeata ( krmená populace ∆ ). (Data Blažka, Brandl, Procházková, 1982) Respirace Cyclops vicinus a Daphnia galeata skokan Rana pipiens Teplotní závislost spotřeby O2 karas obecný Carassius carassius Řešení anoxie : dlouhodobá (skutečná) anoxie: • karasi obecní pod ledem, ve vodě jen H2S, 6 měsíců • glykogen → lipidy • vydechují CO2 Řešení hypoxie : • Potápěči: ondatry, bobři, hroši, kachny, želvy, krokodýlové, aligátoři, …. - před ponorem výdech, nosní záklopky, jiný problém : rozpouštění plynů v krvi - nevadí u kyslíku – je spotřebováván - vadí u dusíku - bublinky v krvi Plynný dusík N2 rozpuštěný ve vodě • absorpční koeficient N2 ve vodě při 20 °C je 1/65 - v litru vody 7,6 mg rozpuštěného dusíku • (pro kyslík 1/32, což znamená 8,84 mg.l-1) • s rostoucím tlakem stoupá : platí i pro rozpuštění vdechnutého plynného dusíku v tělních tkáních vzduch dýchajících živočichů (zejména některých savců - kytovců) při jejich potápění do velkých hloubek • při vynoření hrozí uvolnění bublinek dusíku a embolie • proto si neberou do hlubin zásobu vzduchu Fyzikální jednotky: • Tlak: 1 milibar = 102 Pa 1 torr = 133 Pa 1 kp . m-2 = 9,81 Pa 1 kp. cm-2 = 9,81 . 10-2 MPa 1 torr = 1,33 milibaru 1 Pa = 7,52 . 10-3 torrů Tlak ve vodním prostředí • hydrostatický tlak vodního sloupce: • každých 10 m hloubky navíc znamená tlak vyšší o ~ 0,1 MPa : sloupec 1000 cm výšky x 1cm2 podstavy = 1000 cm3 vody ~ 1 kg, tedy 1 atm ~ 0,1 MPa Tlak ve vodním prostředí • v hloubce 10 000 m: ~100 MPa • ale: voda i tkáně vyplněné tekutinami jsou téměř nestlačitelné → eurybatické organismy • problém: dutiny vyplněné plynem (ryby s plynovým měchýřem) → stenobatické organismy Tlak a dýchání ve vodním prostředí • potápějící se savci : • problém s N2 … kesonová nemoc: při rychlém výstupu z velké hloubky (= rychlém poklesu vnějšího tlaku) se v krvi zvířete (i člověka) dýchajícího vzduch uvolní bublinky dusíku – hrozí embolie tuleň Weddellův Leptonychotes weddelli tuleň krabožravý Lobodon carcinophagus vorvaň tuponosý Physeter macrocephalus Tlak a dýchání ve vodním prostředí • vorvaň: - ♂♂ 1 – 2 hod. → 1200 m ♀♀ ½ - 1 hod.→ 700 – 1000 m • řešení: 1) kyslík ukládán v myoglobinu ve svalech, 2) výdech • tuleň Weddelův, t. krabožravý Oxid uhličitý v přírodních vodách • plynný oxid uhličitý je ve vodě snadno rozpustný (cca 200x lépe než kyslík) : • proto je ho ve vodě relativně více než v ovzduší • v atmosféře 0,033 % CO2 • ve vodě za (norm.) tlaku 101 kPa a 0,033 % nad vodou je 100 % nasycení vody oxidem uhličitým v závislosti na teplotě (Henryho zákon) : 0,510,701,005mg.l-1 CO2 20100teplota °C ... CO2 a voda : uhličitanová rovnováha • kromě rozpouštění CO2 z atmosféry dodávají další CO2 do vody dýchající organismy, rozklad organických látek a též srážková voda prošlá půdními horizonty s vyšším obsahem CO2 než je v atmosféře • malá část rozpuštěného CO2 reaguje s vodou na kyselinu uhličitou – jen částečně disociovanou – uhličitanová rovnováha → viz téma 8 • ve vodě jsou nejvíce přítomny rozpustné ionty hydrogenuhličitanové volný oxid uhličitý ve vodách : • plynný oxid uhličitý rozpuštěný ve vodě (podle její teploty) se označuje jako volný čili agresivní oxid uhličitý • vyskytuje se ve vodách s vysokou uhličitanovou tvrdostí, též u dna mělkých a v hypolimniu stratifikovaných vod (z rozkladu organ. látek) • v sopečných oblastech může unikat z hornin pod jezerem a zdola sytit vody jezera • tak vznikají t.zv. „killer lakes“ „killer lakes“ : • jak vznikají „killer lakes“ ? • jde o meromiktická jezera obvykle ležící v sopečném kráteru bývalé nebo „spící“ sopky • v mixolimniu mohou být normálně oživena • v monimolimniu je vysoký obsah CO2 (a někdy i jiných plynů z podloží) • tento stav může přetrvávat velmi dlouho beze změny, jen množství CO2 stále stoupá • náhle může dojít k uvolnění plynného CO2 nad hladinu a „zaplavení“ okolí (údolí) vrstvou CO2 • výsledkem je udušení živočichů (a lidí) schema Lake Nyos, Kamerun jezero Nyos v Kamerunu tragedie v okolí jezera Nyos : • v roce 1986 došlo – pravděpodobně po sesuvu půdy z okolí do jezera Nyos (Kamerun, plocha asi 1,6 km2, max. hloubka 208 m, nadm. výška hladiny 1 091 m n.m.) k uvolnění CO2 nad hladinu a do okolí jezera • přízemní „mrak“ oxidu uhličitého „stekl“ v noci dolů údolím a zadusil živé organismy • zahynulo na 1 700 lidí, kolem 3 500 kusů dobytka a volná zvířata v okolí – beze známek nějakého poškození .... udušením úniky oxidu uhličitého ze sopečných jezer : • podobný jev se udál již dříve na jiném jezeře Monoun, ale jen s několika obětmi na životech • obě jezera jsou nyní jednak trvale monitorována a jednak zbavována nadbytku oxidu uhličitého odčerpáváním vody z monimolimnia • to lze dělat snadno – tlak plynu sám žene vodu nahoru potrubím ponořeným do hlubin jezero Nyos před (vlevo) a po explozi CO2 (vpravo) jezero Nyos po erupci oxidu uhličitého K odstranění oxidu uhličitého z monimolimnia stačí do hloubky ponořit trubici a odčerpat z ní horní vrstvu vody odpovídající mixolimniu - pak už tlak plynů žene vodu potrubím nahoru bez čerpání jezero Nyos - voda tryská z potrubí jezero Nyos : gejzír vody bohaté oxidem uhličitým hnané nahoru tlakem rozpuštěného plynu rizika z jezer v sopečných oblastech : • jezera Monoun a Nyos (Kamerun) nejsou velká • vysoký obsah CO2 (a také metanu) je v obrovském jezeře Kivu (Kongo a Rwanda) – plocha hladiny 2 700 km2, max. hloubka 480 m • leží ve východoafrickém riftovém údolí , asi 150 km severně od jezera Tanganyika, poblíž sopky Nyiragongo (Kongo) • v jeho blízkém okolí žije přes 2 miliony lidí Lake Kivu (satelitní snímek) Lake Kivu Plynný amoniak a amonné ionty • Amoniak NH3 je velmi dobře rozpustný ve vodě a s vodou tvoří amonný iont NH4 + • disociace amoniaku je závislá na pH vody : • při pH < 8 jsou přítomny téměř výlučně amonné ionty NH4 + , které jsou netoxické a jsou významným zdrojem N pro fytoplankton, který je preferuje před dalším zdrojem N, t.j. NO3 • při pH > 10,5 je přítomen téměř výlučně jen vysoce toxický amoniak NH3 rozpuštěný ve vodě Plynný amoniak a amonné ionty • vysoce toxický amoniak NH3 rozpuštěný ve vodě působí otravy vodních živočichů – náhlé úhyny ryb v rybnících v letním období : • ve vodách s nízkou pufrační kapacitou (= nízkou alkalitou – téma 8) a vysokým obsahem živin (= dobře hnojené rybníky) dochází k silnému rozvoji fytoplanktonu (řas a cyanobakterií) • jeho intensivní fotosynthesou se odčerpává CO2 z vody během světelné části dne : - to vede k růstu pH (viz téma 8), který vrcholí v odpoledních hodinách → způsobí uvolnění toxického NH3 a následné otravy a hynutí ryb