Koloběh živin ve vodě a půdě .■'-V Uhlík (C) Přeměny uhlíku ve vodě a půdě Fragmentace a vyplavování Mineralizace Příjem rotlinami/baktériemi Srážení a rozpouštění Respirace Methanogeneze Oxidace metanu Ukládání Těkání Pfemeny uhliku v mokfadnich systemech (Reddy & D'Angelo 1996) Oj+C02 Anaerobic soil Soil-flooded water Interface 1. fragmentace & vyplavovani I 2. mineralizace 0,+co, Inflow Dissolved inorganic C(DIC) Dissolved organic C (DOC) Particulate organic C (POC) V5. /fJ COj + CH4 Particulate C (organic and Inorganic) 1 u 0 POC , Outflow DOC, DIC POC Organic matter accretion Particulate inorganic C Microbial Biomass C Soil-flooded vr a tor Interface Reddy & D'Angelo 1996 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) 1. fragmentace & vyplavování I 2. mineralizace I 3. mikrobiální/rostlinný příjem I 4. Srážení & rozpouštění 5. respirace ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^H Inflow Dissolved inorganic C(DIC) Dissolved organic C (DOC) Particulate organic C (POC) Oj+C02 COj + CH4 DOC, DIC POC Organic matter accretion Particulate inorganic C Soil-flooded vr a tor Interface Reddy & D'Angelo 1996 Fotosyntéza C02 + H2O -> (CH2O) + O2 Rozklad organických látek Aerobní Anaerobní Aerobní rozklad rozpuštěných oranických látek: (CH2O) + O2 -> CO2 + H2O (respirace) Anaerobní respirace: fakultatině nebo striktně anaerobní baktérie - probíhá ve dvou krocích 1. primární koncové produkty fermentace jsou: a plyny 1) Kys. octová: C6H12O6 — 3 CH3COOH + H2 <• 2) Mastné kyseliny: C6H12O6 — 2 CH3CHOHCOOH (k. mléčná) 3) Alkoholy: C6H12O6 — 2 CO2 + CH3CH2OH (etanol)_I 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 Oxidované a redukované formy některých prvků a přibližné hodnoty redoxního potenciálu, při kterých dochází ke změně NO3- — NO2- Eh 220 mV Mn4+ — Mn2+ Eh 200 mV Zatímco předcházející reakce se mohou překrývat, následující reakce nastupují, až když předcházející reakce je ukončena Fe3+ — Fe2+ Eh 120 mV SO42- — S2- Eh -75 to -150 mV (CO2 — CH4 Eh -250 to -350 mV) As5WAs3+ Se4V Se0,2- Fe 3WFe Mn iVMn NO3*N2 Se6+-*-Se4+ Cr6W Cr3+ H2O -100 +100 +200 +300 +400 S2- O2 0 Redox potential (mV) Vztah pH a jednotlivých forem anorganického uhlíku v povrchových vodách Řasové nárosty pokryté uhličitanem vápenatým. Florida Everglades 1. fragmentace & vyplavování I 2. mineralizace I 3. mikrobiální/rostlinný příjem I 4. Srážení & rozpouštění^^^^^^^^e^^Tó. metanogeneze^T7. oxidace metanu^^*. ukládání^P9. „těkání" o,+co, Inflow Dissolved inorganic C(DIC) Dissolved organic C (DOC) Particulate organic C (POC) Organic matter accretion Particulate C (organic and Inorganic) 1 u B POC , Outflow DOC, DIC POC Particulate inorganic C Soil-flooded iv a tor Interface Reddy & D'Angelo 1996 Metanogeneze je posledním stupněm anaerobního rozkladu organických látek CH3COOH + 4 H2 4 H2 + CO2 CH3COOH — 2 CH4 + 2 H2O — CH4 + 2 H2O — CO2 + CH4 i— 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 Polymers (e-gM polysaccharides, proteins) Exo-enzymes Monomers (e.g., monosaccharides, amino acids) -^- z ~7-1- Primary fermentation C02 + H2 Acetogenesis \ Other organic acids and alcohols v 2nd Fermentation acetogenesis CH, Acetate CH4 + C02 Dusík (N) Transformace dusíku v mokřadech Těkaní Amonifikace Nitrifikace Nitrat-amonifikace Denitrifikace Fixace N2 Asimilace Adsorpce ammoných iontů Ukládání oranického dusíku Fragmentace a vyplavování Transformace dusiku v mokfadnich systemech (Reddy & D'Angelo 1996) Inflow Soluble organic (SON), NH4-N and N03-N Particulate N Litter detached _ _ from the SON □ Particulate N □ Organic nitrogen accretion SON i=L °2 T Ftoodwiter T Arrobk Sofl NO. NH3-N NH3-N Algae—P-itSON 01 f /rjv NH4-N ► NH4-N □ Microbial Biomass N N20 Na \ | N03-N N03-N Outflow =SON, NH4-N and N03-N Particulate N N20 NH4-N. norbed NH4-N SON SoU-FVxxhritcr Lntrrf»ce 1. Tekani NH3 Inflow Soluble organic (SON), NH..-N and N03-N Particulate N Litter detached _ _ from the SON □ Particulate N □ Organic nitrogen accretion SON i=L °2 T Floodwiter T Arrobk Sofl Reddy & D'Angelo 1996 NO. NH3-N NII3-N Algae—P-iCSON 01 f /rjv NH4-N ► NH4-N □ Microbial Biomass N N20 Na \ J NO3-N NOrN Outflow =SON, NH4-N and NOj-N Particulate N NjO NH4-N. norbed NH4-N SON SoU-FVxxhritcr Lntrrf»ce Těkání amoniaku I Jde o fyzikálně-chemický proces, při kterém je amoniakální I dusík v rovnováze mezi plynnou a vodní (hydroxylovou) formou ^^jTří pH 7.0 je poměr (NH3):(NH4+) = ca. 1:99,5 J 25oC | Při pH 8.0 je poměr (NH3):(NH4+) = ca. 1:95 J Při pH 9.3 je poměr (NH3):(NH4+) = ca. 1:1 ca. 1:80 Těkání NH3 I Fragmentace a vyplavování I Mineralizace Inflow Soluble organic (SON), NH..-N and N03-N Particulate N Litter detached _ _ from the Particulate N □ Organic nitrogen accretion °2 T Ftoodwiter T Ařrobk Sofl NH3-N NHj-N Algae ,°2 t SO SON NO3-N Microbial Biomass N NH4-N. norbed NH4-N Outflow =SON, NH4-N and NOj-N Particulate N SON SoU-Fkxxhi mtrr Lntrrf»ce 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 I Fragmentace a vyplavování I Mineralizace I Nitrifikace Inflow Soluble organic (SON), NHj-N and N03-N Particulate N Litter detached _ _ from the Particulate N □ Organic nitrogen accretion °2 T rToodwiter T Ařrobk Sofl NH3-N NHj-N Algae ,°2 t SO SON NO3-N Microbial Biomass N NH4-N. norbed NH4-N Outflow =SON, NH4-N and NOrN Particulate N SON SoU-FVxxhriter Interface 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 02 == N02- + 2 H+ + H20 (Nitrosomonas europea, Nitrosolobus, Nitrosococcus, Nitrosospira) Mezistupeň: hydroxylamin: NH3 + 2H+ + 2e- + 02 — NH20H + H20 NH20H + H20 — HN02 + 4H+ + 4e- 2. stupeň: N02" + 0.5 02 => N03" (Nitrobacter, Nitrococcus, Nitrospira) Výsledná rovnice nitrifikace NH4+ + 1.5 02 == N02- +2H+ + H20 N02- + 0.5 02 == N03- NH4+ + 2 02 = N03- + 2 H+ + H20 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 I Fragmentace a vyplavování I Mineralizace I Nitrifikace Anammox Inflow Soluble organic (SON), NH4-N and N03-N Particulate N NO. NH3-N NH3-N Algae NH4-N—)► NO 4=^M so SON N2, N2O NO3-N N03-N =^SON, NH4-N and NO3-N Particulate N N20 °2 T Ftoodwiter T ArroWc Sofl Microbial Biomass N NH4-N. norbed NH4-N Outflow SON SoU-Fkxxhi mtrr Lntrrf»ce Anammox - anaerobní oxidace amoniaku NH4+ + NO2- ->fN2 + 2H2O Verstaete and Philips, 1998; Van de Graaf et al., 1996 Těkání NH3^^Fragmentace a vyplavování Mineralizace I Nitrifikace Anammox Inflow Soluble organic (SON), NH..-N and N03-N Particulate N NO. NH3-N NH3-N Algae NH4-N—)► NO 4=^M so SON N2, N2O NOrN °2 T Floodwiter T ArroWc Sofl Microbial' Biomass N =^SON, NH4-N and NO3-N Particulate N NH4-N. norbed NH4-N Outflow SON SoU-FVxxhritrr Lntrrf»ce Těkání NH3 I Fragmentace a vyplavování I Mineralizace I Nitrifikace Nitrát-amonifikace I Denitrifikace ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^1 Anammox Inflow Soluble organic (SON), NH4-N and N03-N Particulate N N2, N2O 4 N2, N2O Litter detached _ _ from the SON Particulate N □ °2 T Ftoodwiter T Ařrobk Sofl N2, N2O NO. Organic nitrogen accretion NH3-N NH3-N Algae NH4-N—)► NO SON NO3-N Microbial Biomass N t NjO Nd-N ■ fSON, NH4-N and NO3-N Particulate N N, NH4-N. norbed NH4-N Outflow SON SoU-Fkxxhi mtrr Lntrrf»ce Denitrifikace 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). 2NO3- — 2NO2- — 2NO — N2O — N2 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 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 4 NO3+ 4 H2O + 8 H+ 4 NO3- + 5/6 C6H12O6 + 4 H+ ^> 2 N2 + 5 CO2 + 7 H2O 4 NH4+ + 5/6 C6H12O6 + 8 O2 =^> 2 N2 + 5 CO2 + 11 H2O + 4 H+ Množství jednotlivých sloučenin dusíku při denitrifikaci (Cooper a Smith, 1963) □ Ammonification + respiration ■ Nitrification □ Denitrification 1 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 0 3 n 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 % water-filled pore space Relativní rychlost půdní denitrifikace a dalších mikrobiálních procesů jako funkce vyplnění půdních pórů vodou (Linn a Doran, 1984) Těkání NH3 I Fragmentace a vyplavování I Mineralizace I Nitrifikace Nitrát-amonifikace I Denitrifikace I Fixace Anammox Inflow Soluble organic (SON), NHj-N and N03-N Particulate N N2, N2O 4 N2, N2O Litter detached _ _ from the SON Particulate N □ °2 T rToodwiter T Ařrobk Sofl N2, N2O NO. Organic nitrogen accretion NH3-N NHj-N Algae NH4-N—)► NO 4=^M SON NO3-N Microbial Biomass N t NjO Nd-N ■ fSON, NH4-N and NO3-N Particulate N NH4-N. norbed NH4-N Outflow SON SoU-FVxxhriter Lntrrf»ce 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 N=N => HN=NH => H2N-NH2 => NH3 diimid hydrazin Volně žijící baktérie (Bacillus, Klebsiella) Aktinomycety (Frankia) - Alnus glutinosa Cyanobaktérie (Anabaena, Nostoc, Scytonema) Anabaena laponica Nostoc punctiforme Foto Jan Kaštovský Tolypothrix elenkini Foto Tomáš Hauer Těkání NH3 I Fragmentace a vyplavování I Mineralizace I Nitrifikace Nitrá^^moni^kac^^^enitr^lkac^^r Příjem rostlinami Anammox Inflow Soluble organic (SON), NHj-N and N03-N Particulate N N2, N2O 4 N2, N2O Litter detached _ _ from the SON /[ Particulate N □ °2 T FToodwiter T ArroWc Sofl N2, N2O NO. Organic nitrogen accretion NH3-N NH3-N Algae _°2 t /rj\w NH4-N—)► NO SON NO3-N Microbial Biomass N t NjO Nd-N ■ fSON, NH4-N and NO3-N Particulate N N, NH4-N. norbed NH4-N Outflow SON SoU-FVxxhriter Lntrrf»ce 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 Fragmentace a vyplavování Mineralizace | Nitrifikace Anammox Nitrát-amonifikace 1 Denitrifikace Fixace 1 Příjem rostlinami 1 Sorpce a desorpce Ukládání N2, N2O Soluble organic (SON), NHj-N and N03-N Particulate N Litter detached _ _ from the acneu plant *? L_ Particulate N Organic nitrogen accretion °2 T Ftoodwiter T ArroWc Sofl N2, N2O Outflow = ==SON, NH4-N and N03-N Particulate N SoU-Fkxxhi mtrr Lntrrf»ce 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 (g N m-2 d-1 ) Teplota1 (oC) pH1 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 řTi vir r 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 Adsorpce/desorpce; srážení/rozpouštění Fragmentace a vyplavování^^^^TMineralizace Rostlinný/microbiální příjem ^^Tsedimentatace a ukládání Inflow Soluble P Particulate P Litter detached from the planí Soluble P detritus Phosphorus, accretion I 3 j Periphyton !íinicTn/ \ \ -/ Particulate P Ca- [jj\)lubleP (or*"n,c 'nd ,nnr*'nk) ! ±........1-1 Soluble P, Soluble organicP w _J_ Floodwater (Aerobic) T o. Aerobic soil Anaerobic soil I-. Particulate I 3 j L organic P Soluble organicP robiac ioluble p5^7~ Microbial Biomass P Particulate inorganic P [Fe, Al or Ca-bound □ Outflow Soluble P Particulate P Soil-Floodvtater Interface Reddy & D'Angelo 1996 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 v Rasy 1.0 12-25 Makroíyta 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 Ukladaní fosforu v různých částech mokřadů (Verhoeven 1986) Transformace síry v mokřadech Aerobní podmínky Asimilační redukce sulfátů (rostlinný příjem): SO42- — org. S Mineralizace: org. S — SO42- ^^^^^^^^^^^^^^^^^1 Oxidace sirníků: H2S + O2 — S + 2 H2O + energie \ Oxidace elementární S:2 S + 3 O2 + 2 H2O — 2 H2SO4 + energie Thiobacillus Anaerobní podmínky Disimilační redukce sulfátů: SO42- + mléčnan — H2S + acetát + CO2 Desulfovibrio SO42- + acetát — H2S + CO2 Asimilace H2S : CO2 + 2 H2S — 2So +H2O + CH2O Mikrobiální příjem ^^^^^^nnmn^H (Těkání) H2S, (CH3)2S Tvorba Fe sulfidů (FeS, FeS2) I Fotosyntetické baktérie: fialové Chromatium), zelené (Chloribium) Transformace síry v mokřadech s 0 1 L Dimethyl Sulfide i * SO4 AIR WATER d o _*-> OXIDIZED S LAYER rt o > REDUCED LAYER o 4-1 «3 N o > Mineralization Org. S^ZľTS042" ASR Fe2 + 2- Precipitation Runoff 1 H2S SO42 Sulfide oxidation H2S-»-S-*-SÓ42 t S H2S Dimethyl sulfide - FeS, FeS2 Dissimilatory sulfate reduction Organic S t SO42 Runoff Asimilační redukce síranů Disimilačníredukce sulfátů Tvorba Fe sulfidů Mineralizace Oxidace sulfidů ■ Oxidace elementární S Microbiální příjem^^TAsimilace H2S I Těkání S 0 1 L Dimethyl Sulfide H7S SO4 2- f t AIR WATER a o .1-1 4-1 N OXIDIZED 3 LAYER rt i—t o > REDUCED LAYER Mineralization Org. S^^"S042' ASR Fe2 + Precipitation Runoff 1 H2S + SO42 SO4 t S H2S » Dimethyl sulfide ^ Dissimilatory sulfate reduction FeS, FeS2 Organic S Runoff Sulfide c ř xidation 1 A Aerobic respiration 02 reduction Eh > 300 mV Zone I Plant residues Organic wastes Organic matter Easily decomposible Slowly decomposible 1 CO, i Respiration F i Microbial biomass CO, Energy H20 B Faculative anaerobic respiration Zone II NO, Mn4 Eh = 100 to 300 mV Zone III Fe3+ reduction Eh = -100 to 100 mV Plant residues Organic wastes reduction Organic matter Easily |- decomposible^"[Amino acids iCarbohydrates -. Long chain Slowly decomposible fatty acids TL Dissimilatory nitrate reduction n20 nh. Microbial biomass CO, (f^)- & FE3+ Reduction Energy h20 mn4+ Reduction fe 2 + (mn o2j MN 2+ Anaerobic respiration Zone IV Sulfate reduction Eh = -200 to-100 mV Zone V Methane formation Eh = < - -200 mV Plant residues Organic wastes Zone ! Zone II & Zone Organic matter Easily decomposible h Slowly decomposible Amino acids Carbohydrates Long chain fatty acids H2S rCO, Sulfide Methane oxidation oxidation Microbial Acid biomass fermentation Energy co2 Short chain fatty acids C02, H2 Methane formation CH FeS