RECETOX, Masaryk University, Brno, CR holoubek@recetox.muni.cz; http://recetox.muni.cz Ivan Holoubek CHEMIE ŽIVOTNÍHO PROSTŘEDÍ I Environmentální procesy (05) Složky prostředí – základní charakteristiky Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 2 (05) Složky prostředí – základní charakteristika Složky prostředí, základní charakteristiky. Ekosystémy – definice, vztahy. Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 3 Osud chemických látek v prostředí Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 4  Systém je jakákoliv část Vesmíru („Všehomíru“), kterou pozorovatel vymezí (velký, malý, jednoduchý, složitý – od atomů po celý Vesmír): jezero, vzorek horniny, oceán, sopka, horský hřbet, kontinent, celá planeta; list je součástí stromu, strom je součástí lesa.  Začínáme od malých podsystémů, pochopení jejich funkce je však možné jen v kontextu celého systému. Koncepce systémů Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 5 Zemský systém  atmosféra  hydrosféra  biosféra  litosféra Zemský systém se skládá z menších podsystémů, které spolu intenzivně „komunikují“ Ty mohou být rozděleny na další podsystémy – hydrosféra = oceány, ledovce, vodní toky, podzemní voda. Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 6 Složky prostředí Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 7 Systémy  Otevřený  Izolovaný  Uzavřený  Otevřený Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 8 „Box“ modely  rychlost toků hmoty a energie z a do systémů  celkové množství hmoty a energie v systému Systémy se obvykle zobrazují jako „box“ modely (snad „krabičkové“). Výhodou je jednoduchost a pohodlí. Ukazují: Rezervoáry, doba zdržení, vstupy, výstupy, stacionární stav. Velikost rezervoáru je dána celkovou bilancí (vstupy – výstupy) r = k × m Čím provázanější jsou podsystémy a čím jich je víc, tím vyšší stabilita (mnoho cest, jak reagovat na vnější vychylování). Mnoho cyklů a cest se vzájemně překrývá. Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 9  množství hmoty je stálé a konečné (omezené zdroje, omezené možnosti zbavit se nepohodlných látek)  změny v jedné části systému se projeví v ostatních částech (podsystémy jsou otevřené) – stavy jemně vybalancovaných a provázaných stacionárních stavů (řetězové přizpůsobení: vulkanická erupce v Indonésii může uvolnit tolik popela do atmosféry, že může dojít ke změně klimatu a záplavám v Jižní Americe a suchům v Kalifornii a tím ovlivnit cenu obilí v západní Africe). Život v uzavřeném systému Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 10 Dynamické interakce mezi systémy Cyklování a recyklování Neustálý tok hmoty mezi rezervoáry. Jak to, že…  Je složení atmosféry konstantní ??  Se nezvyšuje ani nesnižuje salinita oceánů ??  Je složení hornin 2 miliardy a 2 miliony starých stejné ?? Přirozený tok hmoty na Zemi – cykly. Hmota přechází mezi rezervoáry, různé části toků se vzájemně vyrovnávají (jsou obsaženy zpětné vazby): Množství hmoty, které „přiteče“ je rovno množství hmoty, které „odteče“. Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 11 Energetický cyklus Zahrnuje externí a interní zdroje energie – pohání globální systém a všechny jeho podcykly. Celkový „rozpočet“ (příjmy a výdaje) energie je vyrovnaný. Pokud by nebyl, Země by se buď přehřívala nebo chladla až do dosažení rovnováhy. Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 12 Energetické vstupy Celkový příjem: 174 000 teraW (174 000×1012 J/s) (člověk užívá 10 teraW za rok) Sluneční záření: 99,986 % z celkového množství – pohání vítr, déšť, oceánské proudy, vlny; fotosyntézu. Geotermální energie: 23 teraW (0,013 % z celkového příjmu) – vulkanická činnost, horninový cyklus Energie přílivu: 3 teraW (0,002 % z celkového příjmu) – rotace Země a gravitační přitažlivost Měsíce; pohyb vodní hmoty vůči horninám působí jako „brzda“ zemské rotace Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 13 Energetické výstupy Odraz kolem 40 % slunečního záření je nezměněno odraženo zpět (albedo) Degradace a znovuvyzáření 60 % slunečního záření absorbováno, přechází nevratně z jednoho rezervoáru do druhého až skončí jako teplo, které je opět vyzářeno v dlouhovlnné (infračervené) oblasti. Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 14 Energetický cyklus Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 15 Hydrologický cyklus Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 16 Globální antropogenní cyklus Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 17 Geochemický cyklus Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 18 Biochemický cyklus Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 19 Důležité fyzikální vlastnosti současné planety Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 20 Cyklus látek v prostředí Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 21 Ovzduší Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 22 Ovzduší Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 23 Hydrologický cyklus Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 24 Hydrologický cyklus Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 25 Hydrologický cyklus Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 26 Otevřený oceán Atmosférická směsná vrstva (e.g., 200-1000 m) Směsná vrstva na povrchu oceánu (e.g., 50-100 m) Hluboký oceán Koncetrace plynná fáze Výměna plynů Suchá a mokrá depozice Atmosférická hmota a srážky Plankton C re-cycling Potravní řetězce Mořský sprey Toky do hlubin spojené s C Rozpuštěná fáze K. C. Jones Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 27 Geosféry a horninový cyklus  Geosféry  Zvětrávání a půdy  Ztráta půdy Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 28 Geosféry a horninový cyklus Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 29 Geosféry a horninový cyklus Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 30 Chemická a fyzikální degradace hornin na relativně jemné částice (půdy a sedimenty) a rozpuštěné látky, klíčový prvek exogenního geochemického cyklu  salinita oceánů  výživa pro biotu  rudy  transformace povrchu  spotřeba H+  spotřeba CO2 Zvětrávání Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 31 CaAl2Si2O8 + H2CO3  CaCO3 + Al2Si2O5(OH)4 2 NaAlSi3O8 + 11 H2O  2 Na+ + 2 OH– + Al2Si2O5(OH)4 + H4SiO4 3 NaAlSi3O8 + H2CO3 + 7 H2O  3 Na+ + 3 H4SiO4 + Al(OH)3 + HCO3 – 3 NaAlSi3O8 + Mg2+ + 4 H2O  2 Na0,5Al1,5Mg0,5Si4O10(OH)2 + 2 Na+ + H4SiO4 Mg2SiO4 + 4 H2O  2 Mg2+ + 4 OH– + H4SiO4 Mg2SiO4 + 4 H2CO3  2 Mg2+ + 4 HCO3 – + H4SiO4 Mg2SiO4 + 4 H +  2 Mg2+ + H4SiO4 mnohotvárnost reakcí proti vysokoteplotním procesům Zvětrávání Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 32  směs produktů zvětrávání, organických látek a zbytků původních hornin a vody  typická půda 5 % organických látek, 95 % anorganických  posloupnost vrstev (půdní profil); složení je závislé na klimatu (T, srážky atd.), vegetaci, času, podložní hornině Půda Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 33 Půdní povrchová vrstva Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 34 Nasycená zóna Povrchová půda Nenasycená Kapilární třáseň Blízko nasycení Vodní tabule Vadozní zóna Rozsahmezi10až100’smetrů Každá zóna obsahuje: 1. Minerální frakce 2. Organická frakce 3. Kapalná fáze 4. Plynná fáze Interakce Lito-ekosféra Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 35 Geochemie půdy  Acidobazické a výměnné reakce v půdách  Makroživiny  Mikroživiny  Pesticidy a chemické odpady v půdách  Ztráta půdy - dezertifikace Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 36  eroze  dezertifikace Ztráty půdy Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 37 Kumulace chemických látek v půdách a jejich osud Výměna vzduch - povrch Přímé aplikace Fyzikální mísení – ‘zředění’ s hloubkou Biodegradace ‘Occlusion’ K. C. Jones Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 38 Terestrický (suchozemský) - louky, lesy, pole Akvatický (vodní) - mořský - sladkovodní - řeky, rybníky, podzemní vody, močály Ekosystém Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 39 Neživé složky ekosystémů - Podloží - Půda - Voda - Sedimenty - Ovzduší - Klima, krajina Organismy - Viry - Bakterie - Houby - Rostliny - Živočichové + Člověk Ekosystém Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 40 Složky prostředí Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 41 Ucelený soubor organismů a jejich prostředí – prostředí je zpravidla primární a určující. Fyzikální parametry – sluneční záření (zdroj E), T a její kolísání, vlastnosti okolního prostředí (A, W, S). Chemické parametry – složení prostředí. Ekosystém Biocenóza – společenstvo druhů organismů Ekotop – územní jednotka se stejnými půdními, klimatickými, tvarovými znaky Ekosystém Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 42 Biom Soubor ekosystémů podobných typů Ekosystém – společenstva rostlin, živočichů a protistů – tvořená populacemi příslušníků jednotlivých druhů Ekologická nika – určitá funkce, kterou má ten či onen druh v daném ekosystému Úrovně biologické organizace: molekula – část buňky – buňka – tkáň – orgán – organismus – populace – společenstva organismů – ekosystém - biom Ekosystém Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 43 Základní rysy metabolismu jednotlivých živých organismů Živé organismy Rostliny Protisti Živočichové Nižší protisti (eukaryota) Vyšší protisti (prokaryota) Bakterie Sinice Řasy Houby Prvoci Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 44 Základní rysy metabolismu jednotlivých živých organismů Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 45 Základní typy metabolismu Organismy Foto- litotrofní Fotoorga- notrofní Chemo- litotrofní Chemoor- ganotrofní Zdroj E Světlo Světlo Oxidace Oxidace Zdroj H+, e H2O (H2S) Organické látky H2O (H2S) Organické látky Zdroj C CO2 CO2 CO2 Organické látky Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 46 První skupina: typicky autotrofní organismy (pouze světlo a anorganické živiny) Základní proces látkové výměny: fotosyntéza (asimilace CO2) 6 CO2 + 6 H2O + 2,82 . 106 J  C6H12O6 + 6 O2 Sluneční záření Zelené rostliny E CO2 O2 Živočichové Sacharidy a jiné Základní metabolismus Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 47 Druhá skupina – fotoorganotrofní – pouze bakterie jedné čeledi Třetí skupina – chemolitotrofní – opět jen některé bakterie:  nitrifikační – oxidace NH3  NO2 -  NO3  sirné – oxidace S0 a jejich sloučenin  železité – oxidace Fe2+ na Fe3+ Čtvrtá skupina – organismy heterotrofní – všichni živočichové a většina protistů Většina organismů potřebuje vzdušný kyslík. Mezi bakteriemi existují i další metabolické typy (konečným akceptor e – oxidace jiné látky:  SO4 2- - redukce na H2S  NO3 - - denitrifikace na N2, N2O  CO2 – redukce na CH4 Základní metabolismus Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 48 Společný znak metabolismu heterotrofů – látkovým i energetickým zdrojem jsou organické látky z vnějšího prostředí Konzumenti – konzumují živou biomasu (býložravci, masožravci) Reducenti (destruenti, rozkladači) – konzumují biomasu mrtvou – heterotrofové z říše protistů – bakterie a houby Zvláštní metabolické typy: Bakterie a sinice vážící N: pomoci enzymu nitrogenázy dokáží rozbít neobyčejně pevnou vazbu molekulárního dusíku a vázat jej do organických nebo anorganických molekul Bakterie schopné rozložit pevné, stabilní organické látky: CH4, nasycené uhlovodíky, benzen.. Organismy žijící v extrémních podmínkách: horké prameny, Sahara, nasycený roztok NaCl, nízké pH.. Základní metabolismus Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 49 Ekosystém = producenti + konzumenti + destruenti Zdroj E – sluneční záření 1-5 % dopadajícího slunečního záření využívají k asimilaci Polovina asimilované energie se ztrácí při dýchání a polovina (0,5 – 3 % dopadající E) je využito ke tvorbě biomasy Zbytek sluneční E - odraz (10-25 %) - absorpce rostlinami – přeměna na tepelnou E – spotřeba jako výparné teplo vody – přebytek (80 %) vyzářen ve formě tepelného záření Živí se těly producentů: - primární (býložravci) - sekundární - terciární Žijí z těl a odpadů jiných organismů (zbytky, odumřelé organismy) Výsledek činnosti destruentů – nic se neakumuluje, vše je znovu využito a znovu zapojeno do koloběhu látek Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 50 Pyramida (a) množství a trofických úrovní v ekosystému (b) energie a individuální velikosti potravního řetězce Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 51 Průtok energie/potravní řetězec v ekosystému