DSCN4874 Koloběh živin ve vodě a půdě Uhlík (C) Přeměny uhlíku ve vodě a půdě Fragmentace a vyplavování Mineralizace Příjem rotlinami/baktériemi Srážení a rozpouštění Respirace Methanogeneze Oxidace metanu Ukládání Těkání C cycling II Přeměny uhlíku v mokřadních systémech (Reddy & D’Angelo 1996) C cycling II Reddy & D’Angelo 1996 1. fragmentace & vyplavování 2. mineralizace Dekompozice rostlinného materiálu Tři základní procesy, které probíhají současně 1. Fragmentace rostlinného materiálu působením větru, vln, živočichů 2. Vyplavování rozpustných látek (např. Na, K, Ca, Mg, N, P, labilní organické látky jako cukry, mastné kyseliny nebo aminokyseliny) 3. Mikrobiální oxidace organických látek baktériemi a houbami Proces 2) je velmi rychlý, způsobuje většinu redukce biomasy během prvních fází dekompozice, přičemž většina rozpustných organických látek je uvolněna v průběhu 6-12 měsíců. U submerzních rostlin a rostlin s plovoucími listy způsobuje vyplavování až 50%ní úbytek biomasy během 2-3 dnů. Dekompozice je charakterizována 50% a 95% úbytkem biomasy 50%: fytoplankton (44 dní), submerzní a volně plovoucí (87 dní), listy opadavých stromů (109 dní), emerzní (223 dní), jehličí (142 dní) dřevo (5331 dní) C cycling II Reddy & D’Angelo 1996 1. fragmentace & vyplavování 2. mineralizace 3. mikrobiální/rostlinný příjem 4. Srážení & rozpouštění 5. respirace Aerobní rozklad rozpuštěných oranických látek: (CH2O) + O2 ® CO2 + H2O (respirace) Rozklad organických látek Aerobní Anaerobní Fotosyntéza CO2 + H2O ® (CH2O) + O2 Anaerobní respirace: fakultatině nebo striktně anaerobní baktérie – probíhá ve dvou krocích 1. primární koncové produkty fermentace jsou: 1) Kys. octová: C6H12O6 ® 3 CH3COOH + H2 2) Mastné kyseliny: C6H12O6 ® 2 CH3CHOHCOOH (k. mléčná) 3) Alkoholy: C6H12O6 ® 2 CO2 + CH3CH2OH (etanol) a plyny Kyselina octová je nejčastěji vznikajícím produktem z zaplavených půdách a sedimentech 2. Koncové produkty jsou využívány striktně anaerobními sulfát-redukujícími a metan-tvořícími baktériemi: CH3COOH + H2SO4 ® 2 CO2 + 2 H2O + H2S CH3COOH + 4 H2 ® 2 CH4 + 2 H2O 4 H2 + CO2 ® CH4 + 2 H2O NO3- ® NO2- Eh 220 mV Mn4+ ® Mn2+ Eh 200 mV Fe3+ ® Fe2+ Eh 120 mV Zatímco předcházející reakce se mohou překrývat, následující reakce nastupují, až když předcházející reakce je ukončena SO42- ® S2- Eh -75 to -150 mV (CO2 ® CH4 Eh -250 to -350 mV) Oxidované a redukované formy některých prvků a přibližné hodnoty redoxního potenciálu, při kterých dochází ke změně +400 O2 H2O +300 +200 +100 0 -100 -200 SO42- S2- Se4+ Se0,2- Fe 3+ Fe 2+ Mn 4+ Mn 2+ NO3- N2 Se6+ Se4+ Cr6+ Cr3+ Redox potential (mV) As5+ As3+ DSCN9648 DSCN9653 Oxidace železa Monastery Run, Pennsylvánie Graf CO2 Vztah pH a jednotlivých forem anorganického uhlíku v povrchových vodách Fotosyntéza Respirace subtropical fen Řasové nárosty pokryté uhličitanem vápenatým. Florida Everglades C cycling II Reddy & D’Angelo 1996 1. fragmentace & vyplavování 2. mineralizace 3. mikrobiální/rostlinný příjem 4. Srážení & rozpouštění 5. respirace 6. metanogeneze 7. oxidace metanu 8. ukládání 9. „těkání“ Metanogeneze je posledním stupněm anaerobního rozkladu organických látek CH3COOH + 4 H2 ® 2 CH4 + 2 H2O 4 H2 + CO2 ® CH4 + 2 H2O CH3COOH ® CO2 + CH4 73% metanogenních druhů využívá H2 10% (2 druhy, Methanosarcina, Methanosaeta) využívá acetoklastickou metanogenezi Anaerobní oxidace metanu: CH4 + SO42- ® HS- + HCO3- + H2O Aerobní oxidace metanu : CH4 + 2O2 ® CO2 + 2H2O Figure 1 Dusík (N) Transformace dusíku v mokřadech Těkání Amonifikace Nitrifikace Nitrát-amonifikace Denitrifikace Fixace N2 Asimilace Adsorpce ammoných iontů Ukládání oranického dusíku Fragmentace a vyplavování N cycling Transformace dusíku v mokřadních systémech (Reddy & D’Angelo 1996) N cycling 1. Těkání NH3 Reddy & D’Angelo 1996 Těkání amoniaku NH3(aq) + H2O = NH4+ + OH- Jde o fyzikálně-chemický proces, při kterém je amoniakální dusík v rovnováze mezi plynnou a vodní (hydroxylovou) formou Při pH 7.0 je poměr (NH3):(NH4+) = ca. 1:99,5 Při pH 8.0 je poměr (NH3):(NH4+) = ca. 1:95 Při pH 9.3 je poměr (NH3):(NH4+) = ca. 1:1 25oC 0oC ca. 1:80 Těkání NH3 Mineralizace Reddy & D’Angelo 1996 Fragmentace a vyplavování N cycling Mineralizace (amonifikace) Amonifikaceje proces, při kterém je organicky vázaný N přeměněn na amoniak komplexním několikastupňovým biochemickým procesem, při kterém se uvolňuje energie Oxidované zóny: Aminokyseliny ® Iminokyseliny ® Ketokyseliny ® NH3 Redukované zóny: Aminokyseliny ® Saturované kyseliny ® NH3 Kineticky je amonifikace rychlejší než nitrifikace!!! Mineralizační rychlost je největší v oxidovaných zónách a rychlost mineralizace klesá s přechodem na fakultativně anaerobní a striktně anaerobní mikroflóru Těkání NH3 Mineralizace Reddy & D’Angelo 1996 Fragmentace a vyplavování N cycling Nitrifikace Nitrifikace Nitrifikace je většinou definována jako biologická oxidace amoniaku na dusičnany s dusitany jako mezistupněm v reakční sekvenci Nitrifikace je typicky spojována s chemoautotrofními baktériemi, ale v současnosti je známa i heterotrofní nitrifikace, která může být za určitých podmínek velmi důležitá. Nitrifikace je dvoustupňový proces, který byl prokázán již v roce 1878 (Warington). Jednotlivé baktérie byly však izolovány až v roce 1890 (Winogradsky, Franklad a Franklad) 1.stupeň: NH4+ + 1.5 O2 Þ NO2- + 2 H+ + H2O (Nitrosomonas europea, Nitrosolobus, Nitrosococcus, Nitrosospira) Mezistupeň: hydroxylamin: NH3 + 2H+ + 2e- + O2 ® NH2OH + H2O NH2OH + H2O ® HNO2 + 4H+ + 4e- 2. stupeň: NO2- + 0.5 O2 Þ NO3- (Nitrobacter, Nitrococcus, Nitrospira) Výsledná rovnice nitrifikace NH4+ + 1.5 O2 Þ NO2- + 2 H+ + H2O NO2- + 0.5 O2 Þ NO3- ______________________________________________________________________________________ NH4+ + 2 O2 Þ NO3- + 2 H+ + H2O Heterotrofní nitrifikace Baktérie Arthrobacter globiformis Aerobacter aerogenes Mycobacterium phlei Pseudomonas spp. Houby Aspergillus flavus Penicillium spp. Cephalosporium spp. Většina heterotrofních nitrifikačních baktérií je zároveň denitrifikačními baktériemi, takže význam tohoto procesu je v přírodě většinou podhodnocen Těkání NH3 Mineralizace Reddy & D’Angelo 1996 Fragmentace a vyplavování N cycling Nitrifikace Anammox N2, N2O Fig Anammox – anaerobní oxidace amoniaku NH4+ + NO2- ® N2 + 2H2O Verstaete and Philips, 1998; Van de Graaf et al., 1996 Těkání NH3 Mineralizace Reddy & D’Angelo 1996 Fragmentace a vyplavování N cycling Nitrifikace Anammox N2, N2O Nitrát-amonifikace Těkání NH3 Mineralizace Reddy & D’Angelo 1996 Fragmentace a vyplavování N cycling Nitrifikace Anammox N2, N2O Nitrát-amonifikace Denitrifikace N2, N2O N2, N2O Denitrifikace je nejčastěji definována jako proces, při kterém jsou nitráty (NO3-) redukovány na plynný dusík (N2) přes dusitany (NO2), oxid dusnatý (NO) a oxid dusný (N2O) jako meziprodukty. Proces je znám od roku 1868 (Reiset; Schloessing). Denitrifikace Z biochemického hlediska je denitrifikace bakteriální proces, při kterém oxidy dusíku slouží jako konečný příjemce elektronů pro transport elektronů při respiraci 6 (CH2O) + 4 NO3- ® 6 CO2 + 2 N2 + 6 H2O 2NO3- ® 2NO2- ® 2NO ® N2O ® N2 Reakce je nevratná a probíhá pouze za přítomnosti organického substrátu za anoxických nebo anaerobních podmínek. Většina denitrifikačních baktérií je chemoautotrofní organismy. Pokud je dostupný kyslík, oxidují tyto organizmy karbohydráty na CO2 a H2O Nejdůležitější rody: Bacillus, Micrococcus, Pseudomonas, Alcaligenes, Flavobacterium, Vibrio Při pH < 4.5 je uvolňován jen N2O, při pH > 5.0 je hlavním produktem denitrifikace N2 Nitrifikace a denitrifikace probíhají současně ve vodním prostředí a zaplavených sedimentech v případě, že se vyskytují aerobní i anaerobní zóny. Kombinaci nitrifikace a denitrifikace lze vyjádřit jako: (Patrick & Reddy 1976): 4 NH4+ + 8 O2 Þ 4 NO3- + 4 H2O + 8 H+ 4 NO3- + 5/6 C6H12O6 + 4 H+ Þ 2 N2 + 5 CO2 + 7 H2O _____________________________________________________ 4 NH4+ + 5/6 C6H12O6 + 8 O2 Þ 2 N2 + 5 CO2 + 11 H2O + 4 H+ Množství jednotlivých sloučenin dusíku při denitrifikaci (Cooper a Smith, 1963) Relativní rychlost půdní denitrifikace a dalších mikrobiálních procesů jako funkce vyplnění půdních pórů vodou (Linn a Doran, 1984) Těkání NH3 Mineralizace Reddy & D’Angelo 1996 Fragmentace a vyplavování N cycling Nitrifikace Anammox N2, N2O Nitrát-amonifikace Denitrifikace N2, N2O N2, N2O Fixace Fixace N2 Fixace vzdušného dusíku je konverze plynného dusíku na amoniak Schopnost fixovat dusík mají aerobní, fakultativně anaerobní a striktně anaerobní organizmy, ale fixace v anaerobních podmínkách je vyšší NºN Þ HN=NH Þ H2N-NH2 Þ NH3 diimid hydrazin Volně žijící baktérie (Bacillus, Klebsiella) Aktinomycety (Frankia) - Alnus glutinosa Cyanobaktérie (Anabaena, Nostoc, Scytonema) Nostoc punctiforme smacena stena Oulanka Nostoc punctiforme Foto Jan Kaštovský Anabaena laponicaSwamp Anabaena laponica Tolypothrix_elenkini5 Hauer Tolypothrix elenkini Foto Tomáš Hauer Těkání NH3 Mineralizace Reddy & D’Angelo 1996 Fragmentace a vyplavování N cycling Nitrifikace Anammox N2, N2O Nitrát-amonifikace Denitrifikace N2, N2O N2, N2O Fixace Příjem rostlinami Asimilace dusíku je soubor biologických procesů, kterými se transformují anorganické formy dusíku na organické sloučeniny, které slouží jako stavební bloky pro buňky. Většina vyšších i nižších rostlin je schopna asimilovat jak amoniak tak dusitany a dusičnany. Amoniak jako zdroj dusíku je energeticky výhodnější, protože dusičnany je nutné redukovat (nitrát reduktáza). Po odumření rostlinných tkání se dusík dostává zpět do vodního prostředí Těkání NH3 Mineralizace Reddy & D’Angelo 1996 Fragmentace a vyplavování N cycling Nitrifikace Anammox N2, N2O Nitrát-amonifikace Denitrifikace N2, N2O N2, N2O Fixace Příjem rostlinami Sorpce a desorpce Ukládání Fig Hlavní transformace dusíku v aerobních (oxických) a anaerobních a anoxických zónách akvatického systému. 1-fixace N2, 2-těkání amoniaku, 3-vyplavování, 4-ammonifikace (mineralizace), 5-nitrifikace, 6-příjem, 7-difúze nitrátů a následná denitrifikace, 8-nitrát-ammonifikace Rychlost jednotlivých transformačních procesů, optimální teplota a pH _____________________________________________________________________ Proces Rozpětí Teplota1 pH1 (g N m-2 d-1 ) (oC) _____________________________________________________________________ Amonifikace 0.004 - 0.357 40 – 60 6.5 - 8.5 Nitrifikace 0.010 - 0.290 30 - 40 6.6 - 8.0 Denitrifikace 0.003 - 1.020 60 - 75 6.0 - 8.0 Fixace půda 0.00001- 0.120 5.0 – 8.0 voda 0.00096 - 0.127 rostliny2 0 - 0.470 Těkání up to 2.20 > 8.0 Rostl. příjem 0.018 - 0.510 emerzní rostliny 0.032 - 0.163 volně plovoucí 0.018 – 0.510 Ukládání org. N 0.04 - 0.093 _____________________________________________________________________ 1optimální, 2microorganizmy rostoucí na rostlinách Fosfor (P) Transformace fosforu v mokřadech Adsorpce/desorpce Srážení/rozpouštění Asimilace (rostliny/baktérie) Fragmentace a vyplavování Mineralizace Sedimentace (nárůst půdního profilu) Ukládání N cycling Reddy & D’Angelo 1996 Adsorpce/desorpce; srážení/rozpouštění Rostlinný/microbiální příjem Fragmentace a vyplavování Mineralizace Sedimentatace a ukládání Mechanismy kontrolující dlouhodobé (LT) a krátkodobé (ST) ukládání fosforu v akvatických systémech (Richardson 1999) Mechanismus Míra Rychlost Přirůstání půdního profilu (LT) vysoká velmi malá Adsorpce půdy (LT) nízká/střední střední Srážení (LT) střední vysoká Rostlinný příjem (ST) nízká/střední malá Sorpce detritu (ST) nízká vysoká Mikrobiální příjem (ST) velmi nízká velmi vysoká Krátkodobá a dlouhodobá kapacita ukládání fosforu ve vodních ekosystémech (Houghton Lake,Michigan, USA, Richardson, 1999) Rozmezí (g m-2 yr-1) % Baktérie 0.5-1.0 12-13 Řasy 1.0 12-25 Makrofyta 1.0-2.5 25-30 Adsorpce půdy 1.5-3.8 38-46 Krátkodobá kapacita 4.0-8.3 Dlouhodobá kapacity (5ti leté sledování) 0.92 ± 0.15 P-compartments Ukládání fosforu v různých částech mokřadů (Verhoeven 1986) Transformace síry v mokřadech (Těkání) H2S, (CH3)2S Aerobní podmínky Asimilační redukce sulfátů (rostlinný příjem): SO42- ® org. S Mineralizace: org. S ® SO42- Oxidace sirníků: H2S + O2 ® S + 2 H2O + energie Oxidace elementární S: 2 S + 3 O2 + 2 H2O ® 2 H2SO4 + energie Anaerobní podmínky Disimilační redukce sulfátů: SO42- + mléčnan ® H2S + acetát + CO2 SO42- + acetát ® H2S + CO2 Thiobacillus Desulfovibrio Asimilace H2S : CO2 + 2 H2S ® 2 So +H2O + CH2O Mikrobiální příjem světlo Fotosyntetické baktérie: fialové Chromatium), zelené (Chloribium) Tvorba Fe sulfidů (FeS, FeS2) S Transformace síry v mokřadech S Asimilační redukce síranů Mineralizace Oxidace sulfidů Oxidace elementární S Disimilačníredukce sulfátů Microbiální příjem Asimilace H2S Těkání Tvorba Fe sulfidů DSCN1266 DSCN1260 Elementární síra na odtoku z ČOV Mořina Bez%20názvu%201 Bez%20názvu%201 Bez%20názvu%201 DSCN3792