ůda ■ ■ * -m ■ " v základní definici půdy je určeno, že. půdou je, pokud je oživená - živé organismy jsou jedním z pěti půdotvorných činitelů - osídlena mikrobiálními společenstvy, rostlinami i živočichy -požitý a heterogenní komplex - pop.satelný fyzikálními, chemickými, biologickými a pedologickými parametry - je to dynamický nikoliv statický systém - význam půdy pro lidstvo je nesmírný - půda a její stav jsou propojeny s celým terestrickým ekosystémem - viz. PEDOLOGIE m O Horizon An organic horizon composed primarily of recognizable organic material in various stages ol de-composion. --------------- A Horizon The surface horizon: Composed of various proportions of mineral materials and organic components decomposed beyond recognition. -------------- E Horizon Zone of eluviation: Mineral horizon resulting from intense leaching and characterized by a gray or grayish brown color.- B Horizon Zone of illuviation: Horizon enriched with minerals, e.g.. clay, organic materials, or carbonates, leached from the A or E horizons.-------- C Horizon Horizon chracterized by unweathered minerals that are the parent material from which the soil was formed. -------------------- R Horizon Bedrock.------ Location: High-aUitude plaleau in Arizona. Vegetation: Pine forest. Uses: Timber. Horizon Notes O Pine needles in various stages of decomposition. A Shallow horizon enriched with humic materials- E Leached horizon with less organic matter and clay than the horizons above and below it, B Horizon marked by accumulated clays: some limestone parent material present in the lower part. Location: Montana. Vegetation: Grassland-Uses; Wheat farming. Horizon Notes O Native grass residues. A Moderately deep zone of built-up humic materials. B Horizon of heavy clay accumulation. C Calcareous glacial till parent material. Location: South-eastern desert of Arizona. Vegetation: Creosote. Uses: Limited grazing. Horizon Notes A Shallow A horizon with a amount oť organic A_ C1 C2 C31 sma materia Alluvial deposits. The numbered horizons, C1-C5, here denote successive deposition events that vary signifi- C4 cantly in mineral composition and texture. — C5 'jam >'i: i|| V- %: Otázky, na které lze odpovědět: Je další expozice již kontaminované půdy (lokality) únosná pro její biologický potenciál? ■ ..= ■ . . ' ■ . ' ■ . ' ■ ■ Je půda (antropogenní, kontaminovaná, rekultivovaná) schopna „uživit" vegetační kryt určitého typu? -Je půda (antropogenní, kontaminovaná, rekultivovaná) schopna mineralizovat určitý typ organického substrátu? \ Ví •Jaký je optimální přídavek živin pro zajištění funkcí? •Jsou „in situ" přítomné mikroorganismy schopné biodegradace přítomných kontaminan ■ ■ .. ■ - ■ ■ ■ . ■ . •Je mikroflóra v testované půdě (lokalitě) stresována (ve srovnání s kontrolní nebo jinak srovnávanou lokalitou)? Estimation pf availableif^icolö^pidi|^föri 2 000 High ěroductw - i&s*-:; Van Der Zandt and Van Leeuwen, 1992, Directorate General for Environ. Protection, Hague ____Leeuwen and Hermens, 1995 Acute toxicity - 90 %; Subacute toxicity - 30 %; Carcinogenicity -10 %; Mutagenicity - 50 %; Retrospective toxicity -10 %; Teratogenicity - 30 %; Acute ecotoxicity (fish) - 50 %; Short-term toxicity (algae) - 5 % microorganisms < 5% i fVMHV I Jl J Multiple stress factors POPs fluctuations in moisture, _|_ inorganic _j_ temperature, nutrient suppi pollutants ejc Vegetation > K™, Bioaccumulation q « Sorption / desorption wOll t> Accumulation | Volatization % Bioavailability Microbial biomass Energy requirements Growing strategy Toxicity \7 Functionality Functionality ^^L^^& Decomposition of organic matter Mineralization potential Genetic or structural shifts Säial CO r»MÍ\ Mikrobiální společenstvo půdy - bakterie (řetízky či kolonie) - aktinomycéty (pseudomycelia) - houby (hyíy) - rasy - prvoci - kvasinky ■■ *•' Microcolony »*vT> •>h. ..v* # « Quartz "MS Air f*ÖMV v rcc v. • «S* ^\ Organic matter & 'l' \ m >i*«j f* • *s * řU Clay .N ^ \yfa kul» m^j^M^ Plant root hair Bacterial colonies Mycorrhizal hyphae Actinomycete hyphae and spores I Decomposing plant cells ^2^g Clay-organic matter complex Fungal hyphae and spores FIGURE 5.2 Diagrammatic representation of a plant root and associated biota approximately 1 cm2 of a surface grassland horizon associated with a plant root. (Adapted from S. Rose and T. Elliott, personal communication.) Význam mikroorganismů v pů - stěžejní v cyklech živin a energií ■ - stojí na počátku potravních řetězců - rozklad organické hmoty (mineralizace) - sysntéza nových sloučenin (immobilizace) ř t' ŕ' ■'.-ľ . - tvorba humusu ■ 3 - udržování půdní struktury - prospěšný vliv na půdní úrodnost a pro růst rostlin - vliv na vodní a vzdušný režim půdy Indikátory nudní kvalitv O Fyzikální O Chemické ACTIVITY 2500- T pí PULM0NAT4 IQ.l %1 NEMATOOA (0.6%) fPULMQNATA. 10.05%) N£WATO0A (1.34%) ANN£LlOA (2.2%) .ARTHROPOQA (5.5%) BIOMASS B Heats Saufen <1 1-5 s-ia 10-25 >2S HO* 10-20* 2CK»% 30-W* 40-% Diagram of a food web established for me fields of *de Lovinkhoeve', an experimental farm in the Netherlands' Northeast polder, A. Qualitative description of functional groups and their trophic interactions. B. Energy fluxes of the food web, in which the thickness of the arrows reflects their relative contribution to the energy cycle (in kg C ha'1 year"1). C Effect of change (0 < factor < 2) in the strength of an interaction on the stability of the system, expressed as the chance (%) of the system becoming unstable. 0,05 - 0,5% hmoty půdy jsou mikroorganismy • 105 až 109 jedinců v 1 g suché půdy • toto množství stačí na zabezpečení veškerých procesů mineralizace a immobilizace a dalších procesů .ť '■ . .ŕ "■ • v půdě se vyskytují volně, či ve složité a dynamické vazbě na površích a uvnitř agregátů a částic organominerálnflio komplexu ■.- "IVeživ^Arhlík" «•■ atií rý pudm "živý uhlík" (1-5%) = Mikrobiální biomasa V^BIo) zsireni nH5gffiB% - determinováno půdou jako prostředím - obecně se abundance snižuje směrem do hloubky houby Mucor, Penicillium, Aspergillus ..'.) 7 ' 1t.-' v '1 -. ZyniOgenni = jen v optimálních podmínkách, rychle rostoucí a silně aktivní {Bacillus, bičíkovci, sinice) - patogenní - i pro člověka {Clostridium tetani, C botulinum, C perfringens, Bacillus anthŕacis. apod.) Total number of live and dead bacteria (a), dead bacteria in percent of total bacteria (b), number of bacteria on starch agar (c), and, metabolically active bacteria as a percent of live bacteria (d); numerator - means of 12 to 15 estimates in samples taken in spring, summer and autumn 1981 and 1982, denominal or — range of respective data ^Sař Eř'^ Material io'V1 b'> c d % .10'. g"1 % Green plants 0.650 8.6 - 0.262-1.126 1.2-12.6 Standing dead matter 1.047 22.6 0.0146 1.80 0.423-1.469 14.2-31.8 0.0035-0.0249 0.98-2.50 Aboveground plant litter 38.730 21.8 3.33 10.99 8.576-90.640 16.3-28.2 0.590-9.500 7.99-8.23 Roots2' 11.754 5.7 2.4-7.9 2.889 25.90 1.876-24.120 0.282-8.555 16.10-39.50 Rhizosphere soil 7.810 12.8 6.2-23.8 0.880 13.69 1.232-14.933 0.111-2.539 9.38-20.10 Root free soil2' 1.470 21.6 0.035 2.96 0.536-2.198 15.1-29.8 0.007-0.077 1.47-4.36 '^fl^^H Amount (A) and distribution (B) of bacterial biomass in the grassland ecosystem A Experimental variant: N NF0 NFI NF2 RF0 RF1 RF2 g C per m2: 14.2 23.5 47.6 36.5 48.7 78.3 57.4 B1 Bacterial biomass C in the ecosystem g C per m2 % g C per m2 % Green plants o.o n 0.02 0.15 1.34 Standing dead matter 0.031 0.02 0.06 0.54 Aboveground plant litter 0.324 0.73 0.08 0.72 Root free soil Rhizosphere soil 12.877 29.09 28.996 65.50 9.22 82.91 Roots Z049 4.63 1.61 14.48 Ecosystem total 44.288 100.00 11M2 100.00 ) mean of all experimental variants 15 m.^u Presence of diíTcrent physiological groups of micro -organisms in llic grassland ecosystem. Means for all variants Spore-forming N fixators > Ofigotrophs OUgonitrophils Cellulolylic io7.g-' io\g-' io7.g-1 io\g-' io6.g-' Green plants X 0.21 0.47 0.39 2.21 0.136 s* 0.12 0.41 0.29 0.97 0.129 V% 55.2 87.2 73.4 43.7 95.2 Standing dead matter X 0.34 11.01 1.20 5.03 0.365 H 0.45 6.55 1.22 5.00 0,371 V% 133.5 59.5 101.6 99.5 101.6 Litter X 12.67 43.04 192.47 181.02 221.6 Si 7.87 37.24 147.23 124.19 97.1 V% 62.1 86.5 76.5 68.6 43.8 Roots X 17.64 23.13 159.07 168.43 0.63 h 16.98 15.52 106.6 123.02 0.29 V% 96.3 67.1 67.00 73.0 46.5 Rhizosphcrc soil X 12.25 14.63 85.46 87.29 3.99 sí 19.00 12.11 97.00 84.91 2.53 V% 155.15 82.8 113.50 97.30 63.4 Root-free soil X 0.91 8.73 11.88 6.57 0.10 si 1.04 8.42 13.38 5,22 0.05 V% 106.1 96.4 112.7 79.50 50.0 rizosféře a s hloubkou dochází k pjoklesu • fotolitotrofní mikroorganismy jsou samozřejmě vázané pouze na nejvrchnější vrstvičku půdy • obligátně anaerobní mikroorganismy se nachází spíše ve spodní části horizontů (bez přístupu kyslíku) ^mikroorganismy uzavřené v mikroagregátech jsou dobře chráněné před předací protozoí, ale naopak mohou strádat nedostatkem substrátu \-+* . anismy jsou v interakci s vlastnostmi půdy - nutriční vlastnosti půdy (zdroj živin pro mikroorganismy) - fyzikálně-chemické vlastnosti: teplota, pH, vlhkost, redoxní potenciál, obsah jílu, složení půdního vzduchu, půdního roztoku, kontaminanty atd. -^struktura půdy, sorpční komplex, půdní typ, půdní druh, využití půdy atd. - půdní roztok - půdní vzduch (N: 78-80%; 02: 0,1-20%; C02: 0,1-15%, - sorpce/desorpce; půdní komplex; biodostupnost substrátů a kontaminantů - mikroorganismy samy sorbují (G+ více než G-); jíl zvyšuje sorpci - na površích částic se sorbují substráty i extracelulární enzymy (urychlení reakcí a zvýšení stability extracelulárních enzymů) - vlastnosti působí buď přímo, či nepřímo - vliv sezón ;:*#*' __,________ TOPOGRAPHY structure soil animals acid/base conditions soil gasea organic matter temperature Physical characters Chemical characters texture nutrients cultivation system soil microorganiama —Y~ GEOLOGY Biological characters water chemicals and heavy metals of natural and anthropogenic origin ANTHROPOGENIC ACTIVITIES (intended and unintended) The complex structure of soil as created by influence of geology, topography, and climate, as well as anthropogenic activities. půdních parametru při hodnocení rizik pro půdní mik hv konta pudy na m parametru pn noanoce likroflóru ie v úzkém vztal hu k biologicky dostupným formám těchto látek. ',Klíčovou otázkou je, která forma toxických látek je dostupná pro mikroflóru, především při srovnávání různých úrovní kontaminace u různých půd. '-.-■.' ■ . f% ■ . ■*.'•■'''' * ■+•'■''' ■+■''' I v nekontaminované půdě mohou být mikroorganismy vystaveny vlivu "přirozených stresových faktorů" apř. v důsledku změn teploty, půdní vlhkostí, přísunu organické hmoty atd. - klíčem k poznání jejich vlivu je znalost půdních parametrů. V stresujících přírodních podmínkách jsou mikroorganismy relativně citlivější na jakýkoli dodatečný podnět. ' Vstup a setrvání cizorodých látek v půdě mohou ovlivnit i fyzikálně chemické parametry půdního prostředí. třeba rozlišovat chování silně hydrofilních látek, které jsou z půdní matrice rychle vymývány a látek hydrofobních, které se '• ,-■■■■ ■ .-. - ■■■ . ■ . ■ . ■ . ■ * mohou akumulovat již ve svrchním horizontu půd. Obecně je třeba současně s mikrobiálními parametry hodnotit: •Filtrační schopnosti půdy a její sorpční kapacitu •Pufrační schopnost půdy •Charakter a rozsah chemických transformací toxických látek v půdě Tli společenstev a ovlivňují tak jejich citlivost na stresové faktory fr. . i^** lip' lip' lip' **P" ÚP' Charakteristika fyzikálně-chemickýcli parametrů půdy je tedy nezbytnou součástí každé ucelené studie hodnotící rizika pro půdní prostředí. stejně důležitá je znalost pedologických charakteristik (pudní typ) a také využití lokality, potažmo vegetačního krytu (OP x TTPxLP). _______^__ Tli 1500 3000 4500 Pt)Clř concenlration [\xq Pb.g-1) —-----+. eooo -• ■ peat-soll Trio' (00) day-so+l "Node* (30) ^ sarxíy-soil 'Eng* {5] sandy-sol f Es" (10) 7500 FIGURE 3. The influence of Pb on microbial soil respiration. ■* ■ PTdG Č -\711 rganicka hmota - hlavní faktor určující chování mikroorganismů v půdě s je zároveň produktem mikrobiálních aktivit - mikrobiální biomasa = velmi malá, ale dynamická část celkové org. hmoty - většina ekosystémů je limitoána v přísunu organické hmoty - množství lehce dostupné org. hmoty - základní příčina (i sezónních) fluktuací aktivit - organická hmota může tlumit toxický účinek polutantů - charakter organické hmoty určuje i mobilitu polutantů v půdní matrici HHiB Tli v- ar*, »v Organická hmota v půdě - je stěžejní pro mikrobiální aktivity jako zdroj živin (makronutrientů) a zdroj energie - lze parametrizovat pomocí: Corg, EX-C, HA:FA, Q4/6 apod. - vytváří organominerální komplex - největší frakce organického uhlíku vstupujícího do půdy jsou zbytky rostlin - cukry (amylosa, amylopektin, cel u losa), lignin, tuky a voskové látky, proteiny a jiné látky obsahující N, buněčné stěny organismů, látky vylučované kořeny «■ . ■ "" . ■ ^ . • - humusové látky (huminové kyseliny, fulvokyseliny a humíny) COOH COOH COOH # Proposed typical structure for humic acid. (Source: Stevenson 1976. Bound and Conjugated Pesticide Residues. Reprinted by permission, copyright American Chemical Society.) COOH COOH iiiib:«ii Vlhkost - voda je potřeba pro fungování většiny metabolických proces - optimální vlhkost „spouští" fungování mikroorganismů - vlhkost ovlivňuje výměnu plynů v půdě - ovlivňuje přístupnost nutrientů - ovlivňuje teplotu půdy - vytváří mikroprostředí pro mikroorganismy vpórech a na površích částic Měření půdní vlhkosti: ■ WHC (water holding capacity) plus stanovení sušiny Tli . - chemické vlastnosti: určují vlastnosti aktivního povrchu - vazba s organickou hmotou :roorganisi - sorpce a ciesorpce suDStratu, enzy±±±L*, mnviuuiguiuoinu u. l/v7±uxu.±±i,l*- ■ - sekundární minerály (chemicky zvětralé); vodnaté silikáty = jílové minerály ■ - prvořadým činitelem, na němž závisí spektrum jílových minerálů v půdě je matečná hornina ■ - fyzikálním jílem nazýváme minerální podíl s velikostí zrn menší než 2 um - vysoký obsah jílů podporuje rychlejší nárůst biomasy při dodání substrátu *^fc^ i ú " Jŕ^ T č' V~m J - absorpce živin a snížení úrovně dekompozice, stabilizace pH a ochrany mikroorganismů proti jejich predátorům - C z mikrobiální biomasy často koreluje s obsahem půdních jílů ■ - snižuje inhibiční účinek polutantů na mikroflóru - ovlivňuje půdní strukturu - chrání mikroorganismy před predatory Tli greg 4* mikroagregáty < 50 jnm a makroagreg 50 jimi - strukturní elementy jsou do agregátu poutány silami molekulárními, či pomocí tme (minerální sol v gel; koagulace a peptizace - vzniká organominerální komplex půdy, základ agregátové formace - předchozí úrovně se pak spojují hlavně kořeny a hyfami hub do mikroagregátu spolu se zrny prachu, písku a v nich jsou také uzavřeny mikroorganismy - vznikají tzv. imobilizované biologické systémy - agregace je jeden z nejvýznamnějších faktorů kontrolujících mikrobiální aktivitu a obrat organického materiálu v půdě - většina mikroorganismů žije mimo agregáty a v malých pórech mezi nimi, relativně malé množství uvnitř - pudní agregáty ovlivňují interakci enzymu s jejich substráty - adsorbované enzymy jsou chráněné proti hydrolýze způsobené jinými enzymy lamsnnti 4dus dusíku cyklus síry cyklus fos • imobilizace/mineralizace = zvyšování/snižování biochemické složitosti systému* r H ;^ jTFíj m >■ - pesticidy (některé jsou mikroorganismy rozkládány, jiné je však hubí) */■ - těžké kovy - PAHs Fyzikální: '^ľ*~ * ' li - změna vzdušného, Mechanické: 838 plotního r mTBTiME - orba Způsob využití: roslinná kultura (TTP x.QP x LP) ^íf kli ik Užití půdních mikrobiálních parametrů v ekotoxikolo - parametry mikrobiálního společenstva půdy získané těmito metodami můžeme určovat pro mikrobiální biomasu jako celek i pro její jednotlivé složky, např. významné fyziologické skupiny .-Y V- ■■■ ■■ - při sledování parametrů mikrobiální biomasy je vždy zapotřebí zjistit její aktuální stav (velikost, enzymatické vybavení, respirační rychlost) a teprve potom zkoumat její změny pod vlivem uměle vyvolaných stresových faktorů a jiných podnětů (zjištění funkceschopnosti a adaptability) ■ - v polních studiích je třeba parametry mikrobiální biomasy sledovat po delší časové údobí a pro komplexní studii mikrobiální ekotoxikologie je třeba řada testů zahrnujících metody . molekulární, mikrobiologické i chemické \-+* -„sledováním stavu půdních mikroorganismů můžeme nepřímo posuzovat stav celého terestrického ekosystému - na stresové faktory můžeme upozornit velmi brzy - vynikající indikátor biologického potenciálu půd i v přítomnosti stresových faktorů v půdním prostředí ■ - dávají odpověď na přítomnost stresujících faktorů v jejich životním prostředí zejména změnou velikosti společenstva nebo aktivity - změny v parametrech mikrobiálního společenstva mohou časně varovat před hrozícím snížením produktivity systému vlivem jakýchkoli stresujících faktorů lip' ■ ' *ÍŠ^:í^äái'í:feí:::::::::::íS - ■ ■ --r.-sr r* ' " qku - ' *."*:■■'s llllf llliiii if»! Bohužel: V absolutních hodnotách jsou tyto parametry odděleně obtížně interpretovatelné. Vzhledem k proměnlivosti půd nelze vymezit univerzální limity; např. pro obsah mikrobiální biomasy. Naštěstí: Již ze základních analýz lze v kombinaci metod odvodit řadu smysluplně interpretovatelných údajů: PR /c /Mílo (q C02) PR /br Ch: bio/ Specifická potenciální respirace [/ig C02-C . den"1 . mg Chiol] Specifická bazálni respirace [p.$ C02-C . den"1 , mg Cbí0'1] Bezrozměrný poměr potenciální a bazálni respirační aktivity Relativiu podíl mikrobiální biomasy v půdní organické hmotě t Syntéza nové biomasy Rozvoj společenstva + Pokles obsahu biomasy Dlouhodobě velmi negativní jev Nárůst aktivity na jednotku biomasy a) zvýšené nároky na udržovací energii -dlouhodobě negativní b) krátkodobá reakce na dostupný substrát i Pokles aktivity na jednotku biomasy a) syntéza nové biomasy - dlouhodobě pozitivní b) prudká inhibice respirační aktivity >okles reakce na lehce dostupný substrát a) zvýšená "nabídka" substrátu v půdě b) inhibice respirační aktivity Intenzivní reakce na lehce dostupný substrát a) nedostatek dostupného substrátu v půdě; nedostatek energie b) velký mineralizační potenciál vzorek půdy UUUUU 0 org. substrát +voda (60%WHC) V I org. substrát +voda (60%WHC) 10 20 odběry +voda (60% WHC) V ^ ^ ^ --------------------------► ^ v> Cbio> Respirace C02 odběry ^ \|/ ^ ----v---- Cbio> Respirace C02 \X^ 30. !:;;;?; .•'. '.!::::•:.' ::UÍ:" i , ■.•■•■■.■.•.•;■.- . ..... :::::::::: ŕ--:::: \ÍVč.'.' ■:«:?:■: ;i & ä ->> Cbio, Respirace C02 z r>' qD |(Relativní pokles Cbio) Kinetika a rovnováha nitrifikace - návaznost na produkci NH4+ v půdě Kinetika procesů Potencální amonifikace (arginin, pepton) Krátkodobé kinetické analýzy nitrifikace Základní sada metod Dusík Denitrifikace Fixace N2 Rozšírená sada metod Dusík Potenciálně mineralizovatelný N Dlouhodobé inkubační testy (produkce NH4+, N03) Mineralizace N Dlouhodobá produkce NH4+, N03" bez/s přídavkem substrátu [org. materiál, (NH4)2S04] Rozšířená sada analýz > Akumulace dusitanů (o.tjdaca dusitanů na dusičnany blokována dilorcinmem) 6 - 3 hodin Spotreba dusitanů (oxidace amonných iontů bio kována aitttpyrinem) Krátkodobé nitrifikační testy v suspenzích půda + voda (kapitola 3.2.4.4) 6 - S bodin Fixace atmosterického N Denitrifikace (kapitola 3.2.4J. 3.2.4.6) Produkce dusičnanových iontu Dlouhodobé inkubacs (7 - 60 dní) Bez nebo s přídavkem substrata Dlouhodobé nitrifikační testy (kapitola 3,2.4.3) 7 - 60 dni Analýzy in situ Nitrifikace a denitrifikace in situ .-■■7 Atmosférický vstup minerálního N Lvsimetrie (kapitola 3.2.4.8) '"-i Stanovení aktuálního obsahu minerálních forem N v čerstvě odebraných vzorcích (kapitola 3.2.3.7) Cas 3 hodiny y^Produkca amonných — a „ ientů Cas 0 ^ Test potenciální S amonifikace Kapitola 3.2.5.6) ^^ Argtmn Sada *** ákJadních analýz V Čas 7 - 30 dní Potenciálně / Produkce amonnvch *s mineralizovatelný dusík (kapitola 5.2.5.5) . * a dusičnanových iontů CasO S Měře -. -vÄ^;y ■■■?" iíiIbTikiiE iležit( Iwsfefl mšm gBÉ suli i ^ dano T3GTÍG1KE - dříve pouze izolační a kultivační techniky *málo známo o vztahu mezi mikrobiální diverzitou a fungováním půdy, rostlinami, stabilitou ekosystému, stresory - obecně platí, že vyšší diverzita stabilizuje funkční vlastnos ekosystémů -změny v diverzitě půdních mikrobiálních společenstev jsou tedy bioindikátorem změn půdní kvality Měře ■i i jv in-; analýzy fösfolipidick mastných kyselin (PLFA) strukturální analýzy metabolické diverzity v systému BIOLOG® - funkční taxonomická diverzita t (fenotypická či genetická diverzita - DGGE, RFLP) Půdní mikrobiální ekotoxikologie - současný stav výzkumu a koncepční o Současná mikrobiální ekotoxikologie a ekologie představuje rozvíjející se vědní obor s uceleným systémem verifikovaných základních metod. Při určitém zjednodušení lze v současném stavu oboru vymezit dvě, základní myšlenkové i metodické linie: «■■ ■ výzkum zaměřený na mikrobiální procesy v reálných ekosystémech nebo v celistvýcj vzorcích prostředí (2) studie pracující s mikroorganismy izolovanými z prostředí, a následně zkoumanými z hlediska genetické, taxonomické nebo fyziologické diversity. ;^H Půdní mikrobiální ekotoxikologie - současný stav výzkumu a koncepční o Oba přístupy implikují nejrůznější typy řízených pokusů, či ekologických pozorování, avšak interpretační úroveň dosažených výsledků je značně rozdílná. Systémové sjednocení těchto ■ postupů je hlavní prioritou současného vývoje a lze od něj očekávat přinejmenším částečné vysvětlení následujících koncepčních otázek: > Do jaké míry jsou funkční změny v mikrobiálním společenstvu pod vlivem stresu vyvolány fyziologickou reakcí populací nebo strukturními změnami? > Je studium rysů energetického metabolismu a růstové strategie na úrovni celkového společenstva -efektivním markerern vlivu stresových faktorů? Jak tyto obecné informace souvisí se studiem ■ ■ ■ i. . ■ ' ■ ■ ■ • .h . specializovaných struktur nebo funkcí? >Do jaké míry ukazatelé strukturní, genetické a funkční diversiy vzájemně korespondují? >Jaký je vztah strukturních a funkčních parametrů společenstva k parametrům prostředí? Lze z parametrů prostředí usuzovat na reakci mikroflóry při specifikovaném typu kontaminace? >Jsou analýzy diversity na úrovni DNA interpretovatelné ve srovnání s klasickými charakteristikami společenstva ? Je koncept tzyv "genomu společenstva - community genome'V schopen efektivně diskriminovat společenstva ve stresovaných půdách? ■ >Lze nalézt ekologicky relevantní kombinaci substrátů, které smysluplně postihnou změny funkční diversity společenstva za daných podmínek? Do jaké míry je reakce společenstva na environmentálni podnět determinována předchozí "zkušeností"? Mikrobiální ekotoxikologie vodních ekosystémů Opět specifika daná akvatickým prostředím - hlavní rozdíl je, že v akvatických ekosystémech zastávají mikroorganismy také roli producentů (i tzv. heterotrofní producenti - microbial loop) Phytoplankton Grazing CD -*: TO Q. Z) n Dissolved organic compounds CO, t Mineralization g N TO i_ Grazing Bactivorous zooplankton FIGURE 6.1 The microbial loop in the planktonic food web. The microbial loop represents a pathway in which the dissolved organic products are efficiently utilized. The role of bacterioplankton is to mineralize important nutrients contained within organic compounds and to convert a portion of the dissolved carbon into biomass. Grazing by bactivorous protozoans provides a link to higher trophic levels. (Modifed from Fuhrman, 1992.) 65 Mikrobiální ekotoxikologie vodních ekosystémů Opět specifika daná akvatickým prostředím Diagram of the relative locations of four distinct bacterial populations In aquatic] environments. 66 Mikrobiální ekotoxikologie vodních ekosystémů Opět specifika daná akvatickým prostředím A B Cyanobacteria « 10 XJ > 9 20 Chlorobacteria Heterotrophic bacteria Neuston Epilimnion Thermocline 0 c Cyanobacteria Chlorobacteria O, mm Wf i- i- ;r H2S ■ * ■ Colorless sulfur bacteria and sulfate reducing organisrns. 1 «I»- 3 4 5 6 Log CFU/I Hypolimnion ■c 4 a Q "O O) > i2 8 f- Neuston Epilimnion Thermocline Hetelbtrophic bacteria H,S Benthos Colorless sulfur bacteria anctx sulfate reducing organisms ^V 3 4 5 6 7 8 Log CFU/I Hypolimnion Benthos FIGURE 6.14 (A) Schematic representation of bacterial distribution in a typical oligotrophy lake Notice especially the distribution and concentrations of the photosynthetic populations. Also note the lower concentration of heterotrophs in the upper zone, where cyanobacteria predominate. The large increase in the heterotrophic population between the epilimnion and the hypolimnion is related to the presence of a zone where organic matter accumulates. This area is known as a thermocline and is a zone where the sunlight-warmed surface water (less dense) and the deeper colder water (more dense) meet, forming a density gradient where organic matter accumulates. (B) Schematic representation of a typical eutrophic lake. The figure shows the same groups of organisms as m (A) indicating the localization and relative concentrations throughout the water column. Notice that both the photosynthetic and the heterotrophic populations are considerably higher in a eutrophic lake. (Adapted from Rheinheimcr, 1985.) 67 Mikrobiální ekotoxikologie vodních ekosystémů Opět specifika daná akvatickým prostředím Dissociation Figure 9.19 Carbon cycle of a typical freshwater lake. DOC = dissolved organic carbon; FOC = paniculate organic carbon; PS = photosynthesis; R = respiration. The figure illustrates the key rale of microorganisms in carbon cycling of a lake habitat. (Source: Wetzel 1975. Based on Kuznetsov 1953. Reprinted by permission, copyright W. B. Saunders Co., Philadelphia.) Oulllow DOC.POC 68 Mikrobiální ekotoxikologie vodních ekosystémů Význam mikrobiálního biofilm u BIOFILM = vrstva organického materiálu a mikroorganismů vzniklá na povrchu objektu ■ - využití při degradacích, čištění odpadních vod, v laboratorních studiích WSmeS ^yy Organic molecule Microorganism Clean surface Conditioning film of dissolved organic matter Phase I primary microbial colonization Phase II irreversible microbial attachment Mature biofilm FIGURE 6.5 Representation of biofilm formation. Dissolved organic molecules of a hydrophobic nature accumulate at the solid surface-water interface and form a conditioning film. Bacteria approach the solid surface because of water flow and/or active motility. The initial adhesion (phase I) is controlled by various attractive or repulsive physicochemical forces leading to passive, reversible attachment to the surface. An irreversible attachment is a biological, time-dependent process related to the proliferation of bacterial ex-opolymers forming a chemical bridge to the solid surface (phase II). By a combination of colonization and bacterial growth, the mature biofilm is formed. It is characterized by cell clusters surrounded by water-filled voids. (Adapted from Marshall, 1992, and Marshall, 1997.) 69