RECETOX, Masaryk University, Brno, CR holoubek@recetox.muni.cz; http://recetox.muni.cz Ivan Holoubek Chemie životního prostředí II – Znečištění složek prostředí Pedosféra (06) Složení a vlastností půd Inovace tohoto předmětu je spolufinancována Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky 2Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz Pedosféra Půda:  rozhraní atmosféry, hydrosféry a litosféry,  třífázový polydisperzní systém,  substrát s genetickými horizonty,  zóna intenzivní interakce mezi biosférou a geosférou,  určuje řadu biologických i nebiologických koloběhů a toků látek a energie,  reguluje biotické procesy,  ovlivňuje chemickou, vlhkostní a teplotní bilanci atmosféry,  reguluje hydrologické toky v krajině a chemické složení vod,  nenahraditelný přírodní zdroj,  základ potravního řetězce člověka,  zajišťuje ochranu litosféry před destrukčními procesy, 3Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz  tlumí nepříznivé vlivy využití i obhospodařování půd a vlivu průmyslu, dopravy a sídelních aglomerací:  filtrační funkce – znečišťující látky jsou půdou mechanicky zadržovány – hlavně částice pod 2 mm – ty mohou být důležité při zasakování vody,  pufrovací funkce – rozpustné látky jsou imobilizovány adsorpcí na půdu nebo tvorbou nerozpustných sraženin; vysokou pufrovací schopnost mají půdy s vysokým obsahem organické hmoty, jílových částic a oxidů Fe, Al,  transformační funkce – určena především aktivitou mikrobiální složky – mineralizace; oxidace, redukce, biomethylace, fotodestrukce na povrchu,  receptor škodlivin – sorpční, retenční a transportní procesy – imobilizace, snížení biodostupnosti, degradace. Pedosféra 4Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz Půda Chemické složení půdy závisí na:  klimatu, který určuje charakter půdotvorných procesů  půdní hornině, ze které půda vznikla  procesech probíhajících v půdě  činnosti člověka  poměr anorganické : organické látky 10 : 1  50 % O, 25 % Si, Al (jíl), Fe, Ca (vápenec, sádrovec), Na, K, Mg, H, Ti, podstatně méně C, Cl, P, S, Mn  zdroj biogenních prvků – nedostatek v půdě – endemický výskyt onemocnění  organický (neživý) podíl – půdní organická hmota, humus 5Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz Půdní pH:  ovlivňuje rozpustnost a dostupnost látek v půdě (využitelnost živými organismy)  pH půdy: - zásadité - < 7,5 - neutrální – 6,4 – 7,4 - slabě kyselé – 4,6 – 5,2 - silně kyselé – 4,1 – 4,5 - velmi silně kyselé - < 4  zvýšená kyselost – snížení rozpustnosti sloučenin Ca, Mg, K, Na – může být až pod nezbytné životní minimum rostlin, ovlivnění využitelnosti fosforečnanů, zhoršení životních podmínek pro půdní mikroorganismy. Půda 6Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz Zrnitost:  ovlivňuje pohyb vody v půdě (písčitá – jílovitá) – průchodnost  velmi zrnitá – větší aktivní povrch, lepší sorpční vlastnosti Vzdušnost (aerace):  důležitá pro průběh samočistících pochodů – obsah a složení vzduchu v půdních pórech  obsah kyslíku – klesá s hloubkou za zvyšování obsahu CO2, 1 m pod zemí – obsah O2 – 18,8 – 20,3 obj. %, 6 m pod zemí – obsah O2 – 14,2 – 14,9 obj. %, 1 m pod zemí – obsah CO2 – 0,9 – 1,1 obj. %, 1 m pod zemí – obsah CO2 – 4,2 – 8,9 obj. %. Půda 7Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz Teplota:  zdroj – sluneční záření, horké zemské jádro, biochemické procesy  mění se s hloubkou  denní kolísání T – 0,5 - 1 m  roční kolísání T – do 10 m  ~ 10 °C – 10 – 30 m  < 30 m - pokles o 1 °C na 32,7 m – geotermický stupeň  jeden ze základních faktorů ovlivňujících biochemické procesy Půda 8Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz  huminifikace  mineralizace  filtrace  sorpce  oxidace  redukce  mikrobiální aerobní a anaerobní procesy Samočistící schopnost půdy 9Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz Mechanismy vazeb chemických látek v půdách Fyzikální:  sorpce (voda, živiny, kovy, karbamáty..)  iontová výměna  změna produktů rozpustnosti Chemické:  kovalentní nebo chelátové (Cu2+, Fe2+..)  iontové (Ca2+, Mg2+, Zn2+..)  organické látky  srážecí reakce Biochemické:  zabudování nízkomolekulárních organických molekul do málo reaktivních makromolekul  mikrobiální rozklad – metabolismus, kometabolismus  biomethylace 10Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz Sorpce – rychlá - dočasná inaktivace – desorpce, biodegradace – pomalá - trvalá. Prvky – mobilita je dána vzájemnými vztahy mezi sorpčními procesy na jílových minerálech, humusu, hydratovaných oxidech (Fe, Mn, Al) a hydrotermickými podmínkami dané lokality včetně aktivní půdní mikroflóry na straně druhé. Mechanismy vazeb chemických látek v půdách 11Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz Základní půdní složky Půdní částice: Minerální a organické Prostory pórů: výskyt vzduchu a vody 12Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz Půdní voda 13Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz Půdní zóny 14Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz  Půdní vlhkost: základní pojmy  Field Capacity: voda, která zůstává v půdě po působení gravitačních sil.  Procento trvale vyschlé půdy: množství vody po amount of water after the permanent wilting point is reached.  Dostupná voda: množství vody v půdě mezi between the field capacity a procentem trvale vyschlé půdy. Půdní voda 15Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz Vztah mezi texturou půdy a dostupností vody Sand Sandy Loam Silt Loam Clay Loam Clay Inches of Water Per ft. of Soil 1 2 3 4 Půdní voda 16Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz Při nasycení Při dostupné vodě: Půda za různých úrovní půdní vlhkosti Prostor pórů Voda na povrchu půdních částic Pórový prostor je zaplněn vodou 17Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz Při trvalém vysýchání Kompaktní V půdních pórech není přítomna žádná voda Prostor půdních pórů se hroutí Půda za různých úrovní půdní vlhkosti 18Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz Kompaktní zóna Nepropustná vrstva H2O H2O Nekompaktní Kompaktní Půdní vrstvy 19Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz Písek nad jílem H2O H2O Půdní vrstvy Nepropustná vrstva 20Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz H2O H2O Perched vodní tabule Půdní vrstvy Jíl nad pískem 21Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz Mokré a suché vrstvy H2OH2O Půdní sendviče Půdní vrstvy 22Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz Patchy Soil Moisture H2OH2O Půdní vrstvy Půdní saláty 23Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz Obsah kyslíku a oxidu uhličitého v půdním vzduchu 24Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz Jílové minerály jako polyfukční výměnný systém 25Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz Vazba chemických látek na půdní bio-organominerální komplex 26Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz Zvětrávání a výměna plynů v půdách 27Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz Schema procesů důležitých pro transport a osud chemických látek v půdách Gas Phase:  Diffusion Water Phase  Dispersion  convection Biological Phase:  plant uptake  microbiological degradation Solid Phase:  diffusion in aggreagates  chemical reactions leaching Evaporation ad/desorption precipitation dissolution volatilization dissolution 28Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz Biodostupnost Bioavailability refers to the extent to which humans and ecological risk receptors are exposed to contaminants in soil or sediments. Bioavailability has recently piqued the interest of the hazardous waste industry as an important consideration for deciding how much waste to clean up. The rationale is is that if contaminants in soil and sediment are not bioavailable, then more contaminant mass can be left in place without creating additional risk. L. J. Ehlers and R. G. Luthy, ES&T, 2003 29Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz Biodostupnost polutantů v půdách 30Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz Biodostupnost polutantů v půdách Bioavailability processes can be defined as the individual physical, chemical and biological interactions that determine the exposure of organisms to chemicals associated with soils and sediments. 31Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz In both soil and sediment, processes that determine exposure to contamination include release of a solid-bound contaminant (A) and subsequent transport (B), transport of bound contaminants (C), uptake across a physiological membrane (D), and incorporation into a living system (E).(A, B, C, D – bioavailability processes) Bound contaminant Released contaminant Association DissociationA D C D Biological membranes Adsorbed contaminants in organism Site of biological responseE Biodostupnost 32Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz Současný vývoj procesů porozumění transportu a osudu polutantů v půdách  Faktory ovlivňující transport chemických látek  Interakce mezi půdní organickou hmotou a xenobiotiky: Koc koncept?  Ko-transport v půdách  Chemická a biologická heterogenita v půdách 33Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz Due to preferential flow, pesticide properties (Kd and degradation constant) are less relevant for pesticide leaching Preferential flow and leaching of xenobiotics 34Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz Effect of nature of organic matter: Koc concept ? Koc values are different for different soil clusters 35Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz Koc is related to a property of the organic matter: aromaticity From: Amad, Kookana, Alston, Skjemstad, 2001. Environmental Science and Technology, 35: 878 -884. Effect of nature of organic matter: Koc concept ? 36Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz Effect of co-transport with mobilized particles: colloids and/or dissolved organic matter (DOM)? Solid phase: organic + inorganic Liquid phase Five ‘species‘ Xenobiotic ‘X’ DOMho: ‘Hydrophobic‘ DOMhy: ‘Hydrophilic‘ 37Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz Inovace tohoto předmětu je spolufinancována Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky