RECETOX, Masaryk University, Brno, CR holoubek@recetox.muni.cz; http://recetox.muni.cz Ivan Holoubek Chemie životního prostředí II – Znečištění složek prostředí Pedosféra (04) Půdotvorné procesy - humifikace 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 Složky půdního systému Abiotické:  tuhá fáze – zbytky matečné horniny z větší části chemicky a fyzikálně přeměněné procesem zvětrávání; nejdůležitější anorganickou složkou jsou jílové minerály –výměna iontů, adsorpce; 35 – 45 % objemu půdy;  kapalná fáze (půdní roztok) – transport živin vegetaci, transport polutantů; 15 – 35 % objemu půdy;  plynná fáze (půdní plyn) – v podstatě stejné složení jako vzduch obohacený o CO2, HCs a další produkty rostlinného a živočišného metabolismu, 15 – 35 % objemu půdy;  humus – půdní organická hmota - neživá biomasa v různém stupni rozkladu; 5 – 15 % 3Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz Biotické:  edafon – společenstvo všech mikroorganismů, rostlin a živočichů žijících v půdě - fytoedafon – bakterie, plísně, houby, sinice, řasy, - zoodafon – všechny formy živočichů od prvoků až po obratlovce  kořenový systém rostlin Suma živých organismů - < 0,1 % Bio-organo-minerální komplex Složky půdního systému 4Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz Půdotvorné procesy Humifikace – mikrobiální a chemické procesy, při kterých se mění organické zbytky v humus – probíhá ve větší či menší míře ve všech půdách a je tím nejvlastnějším půdotvorným pochodem, který podmiňuje vznik půdy; 5Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz Vztahy mezi organismy, půdní organickou hmotou a minerály 6Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz Diageneze a humifikace 7Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz Humus  ovlivňuje dynamiku teplotních a vlhkostních poměrů v půdě, dynamiku vodního a vzdušného režimu,  jako teplotní izolátor zmenšuje teplotní výkyvy – denní i sezónní,  zachycuje srážky, rozhoduje o průsaku, výparu, jímavosti, odtoku vody,  ovlivňuje tvorbu půdní struktury,  brání škodlivým účinkům vodní a větrné eroze,  ovlivňuje dynamiku kyselosti půd, koloběh živin (C, N, P), tvorbu CO2,  ovlivňuje biologickou aktivitu půdy – zdroj potravy a energie pro půdní organismy,  komplexace živin a polutantů. 8Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz Význam živých organismů pro produkci půdní organické hmoty 9Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz Půdní organická hmota 10Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz Půda a humus 11Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz Biogeneze huminových látek 12Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz Kroky frakcionace půdních huminových látek 13Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz Huminové kyseliny Všechny skupiny HL jsou si strukturně podobné, liší se MH, obsahem funkčních skupin, kyselostí, komplexačními schopnostmi a rozpustnosti v některých rozpouštědlech. HK  Rozpustné v zásadách  Nerozpustné v kyselinách FK  Rozpustné v zásadách  Rozpustné v kyselinách Huminy  Nerozpustné v kyselinách  Nerozpustné v zásadách Ve vodách díky větší rozpustnosti převažují FK  Růst intenzity zbarvení  Růst stupně polymerizace  Růst MH (2 000 – 300 000 ?)  Růst obsahu C (45 – 62 %)  Pokles obsahu C (48 – 30 %)  Pokles výměnné acidity (1 400 – 500)  Pokles rozpustnosti 14Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz Humifikace 15Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz Humifikace Rašelinění nebo uhelnatění V podmínkách kyselé reakce prostředí, nízké teploty, vysoké vlhkosti, za omezeného přístupu vzduchu, anaerobních podmínek, nedostatečné oxidace. Nedokonalá přeměna organické hmoty - nedokonalý rozklad organický zbytků, enzymatický a biochemický proces způsobený zejména anaerobními bakteriemi Výsledkem jsou huminové a ulminové látky tmavohnědé-černé barvy s vysokým obsahem uhlíku. Tvorba humusu Mineralizace V podmínkách příznivých teplot, vlhkosti, provzdušnění. V půdě je v těchto podmínkách pozorovatelná silná činnost aerobních bakterií, které rozkládají organickou hmotu na jednoduché složky (CO2, H2O, NH3, oxidy) v tomto případě se humus netvoří, nebo je velmi rychle rozkládán. 16Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz Humifikace Humifikace Optimální podmínky jsou periodické ovlhčování a vysýchání, střídání aerobních a anaerobních procesů. Proces humifikace je převážně anaerobní, soubor převážně enzymatických a biochemických pochodů, při nichž se z meziproduktů rozkladu tvoří resyntézou tzv. huminové látky. Mají obsah uhlíku k dusíku 1:10, hnědou až černohnědou barvu a vlastnosti koloidů. Humifikace je provázena mineralizací výchozích látek (nikdy nezhumifikuje všechna organická hmota). Článkem tvorby humusových látek je kondenzace strukturních jednotek, ke které dochází okysličením fenolů přes fermenty typu fenoloxidáz vedoucím k tvorbě chinonů a vzájemným reakcím chinonů s aminokyselinami a peptidy, závěrečnou fází je polymerace (polykondenzace). Ta je reverzibilním procesem a proto je nutné aby byl produkt z prostředí odváděn, jinak může dojít k rozpadu již vytvořených kondenzátů (např. při nadbytku vody v půdě). 17Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz Prekurzory vzniku huminových látek 18Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz Rozklad půdní organické hmoty aerobními a anaerobními procesy 19Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz Potenciální struktura huminových kyselin 20Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz Potenciální struktura huminových kyselin Obsahují cca 50 – 57 % C, 34 – 38 % O, 4 – 6 % H, < 1 % N a S 21Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz Potenciální struktura fulvo kyselin Obsahují cca 46 – 55 % C, 37 – 50 % O, 4 – 5 % H, < 1 % N a S 22Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz Humus Struktura  aromatické a cyklické struktury,  boční řetězce,  funkční skupiny: - COOH, - OH, C=O, -OCH3,  identifikace - po frakcionaci, hydrolýze, oxidaci, redukci – typické produkty – aldehydy, ketony, alkoholy, karboxylové kyseliny, aminokyseliny,  frakce – huminové, fulvo, hymatomelanové kyseliny, humin,  huminové kyseliny – slabě disociované, vícesytné organické kyseliny; K = 10-4 – 10-5,  v roztoku se chovají jako micelární koloidy, koloidní částice mají záporný náboj, isoelektrický bod – v kyselé oblasti,  v silně alkalické oblasti – tvoří pravé roztoky. 23Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz Strukturní podobnost huminových kyselin 24Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz Potenciální struktura huminových kyselin 25Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz Strukturní model huminových kyselin 26Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz Vlastnosti huminových látek Negativně nabité, povrchově aktivní makromolekuly. Záporný náboj HL je dán přítomností karboxylových a hydroxylových skupin. Příčiny kyselosti HL 1) Přítomnost karboxylových a hydroxylových skupin Karboxylové skupiny – silně kyselé (K = 10-2 – 10-5) Hydroxylové skupiny – slabě kyselé (K = 10-9 – 10-11) 1) Rozmístění karboxylových skupin v molekule 2) Polarita (dipólový moment) molekul HL S rostoucí polaritou molekul HL roste i jejich kyselost 27Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz Strukturní model huminových kyselin Tvorba komplexů s vícemocnými kationty je dána: 1) Přítomností karboxylových a fenolových skupin 2) Aromaticitou molekul  Schopnost tvorby komplexů se zvyšuje se vzrůstající hodnotou pH  Rozpustnost komplexů závisí na hmotnostním poměru kationtů a HL – se vzrůstajícím zastoupením kationtů klesá rozpustnost komplexů Huminové vody:  Vysoký obsah HL  Nízký obsah Ca, Mg a HCO3- iontů  Nízká hodnota pH a KNK4,5  Často zvýšený obsah Al  Nevyhovující senzorické vlastnosti vody (barva, chuť, zápach) 28Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz Strukturní interakce huminových látek a jílových minerálů  komplexace živin a polutantů 29Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz Inovace tohoto předmětu je spolufinancována Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky