‹#› Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz RECETOX, Masaryk University, Brno, CR holoubek@recetox.muni.cz; http://recetox.muni.cz Ivan Holoubek Chemie životního prostředí II – Znečištění složek prostředí Pedosféra (02) Základní půdní složky, složení a vlastnosti půd ‹#› Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz Pedosféra Půda: Ärozhraní atmosféry, hydrosféry a litosféry, Ätřífázový polydisperzní systém, Äsubstrát s genetickými horizonty, Äzóna intenzivní interakce mezi biosférou a geosférou, Äurčuje řadu biologických i nebiologických koloběhů a toků látek a energie, Äreguluje biotické procesy, Äovlivňuje chemickou, vlhkostní a teplotní bilanci atmosféry, Äreguluje hydrologické toky v krajině a chemické složení vod, Änenahraditelný přírodní zdroj, Äzáklad potravního řetězce člověka, Äzajišťuje ochranu litosféry před destrukčními procesy, ‹#› Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz Půdní horizonty G:\Přednášky\Přednášky_verze pro přednášení\CHŽP_III_Hydrosféra, pedosféra, biosféra\2016\soil form.jpg ‹#› Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz Ätlumí nepříznivé vlivy využití i obhospodařování půd a vlivu průmyslu, dopravy a sídelních aglomerací: Üfiltrační funkce – znečišťující látky jsou půdou mechanicky zadržovány – hlavně částice pod 2 mm – ty mohou být důležité při zasakování vody, Üpufrovací 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, Ütransformační funkce – určena především aktivitou mikrobiální složky – mineralizace; oxidace, redukce, biomethylace, fotodestrukce na povrchu, Äreceptor škodlivin – sorpční, retenční a transportní procesy – imobilizace, snížení biodostupnosti, degradace. Pedosféra ‹#› Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz Půda Chemické složení půdy závisí na: Äklimatu, který určuje charakter půdotvorných procesů Äpůdní hornině, ze které půda vznikla Äprocesech probíhajících v půdě Äčinnosti člověka Äpoměr anorganické : organické látky @ 10 : 1 Ä50 % O, 25 % Si, Al (jíl), Fe, Ca (vápenec, sádrovec), Na, K, Mg, H, Ti, podstatně méně C, Cl, P, S, Mn Äzdroj biogenních prvků – nedostatek v půdě – endemický výskyt onemocnění Äorganický (neživý) podíl – půdní organická hmota, humus ‹#› Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz Půdní pH: Äovlivňuje rozpustnost a dostupnost látek v půdě (využitelnost živými organismy) ÄpH 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 Äzvýšená 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 ‹#› Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz Teplota: Äzdroj – sluneční záření, horké zemské jádro, biochemické procesy Ämění se s hloubkou Ädenní kolísání T – 0,5 - 1 m Äroční kolísání T – do 10 m Ä~ 10 °C – 10 – 30 m Ä< 30 m - pokles o 1 °C na 32,7 m – geotermický stupeň Äjeden ze základních faktorů ovlivňujících biochemické procesy Půda ‹#› Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz Složky půdního systému Abiotické: Ätuhá 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; Äkapalná fáze (půdní roztok) – transport živin vegetaci, transport polutantů; 15 – 35 % objemu půdy; Äplynná fáze (půdní plyn) – v podstatě stejné složení jako vzduch obohacený o CO2, HCs a další produkty rostlinného a živočišného metabolismu, 15 – 35 % objemu půdy; Ähumus – půdní organická hmota - neživá biomasa v různém stupni rozkladu; 5 – 15 % ‹#› Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz Složky půdního systému ‹#› Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz Biotické: Äedafon – společenstvo všech mikroorganismů, rostlin a živočichů žijících v půdě - fytoedafon – bakterie, plísně, houby, sinice, řasy, - zoodafon – všechny formy živočichů od prvoků až po obratlovce Äkořenový systém rostlin Suma živých organismů - < 0,1 % Bio-organo-minerální komplex Složky půdního systému ‹#› Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 6 základních skupin půdních složek ÄHrubozrnné anorganické látky ÄAnorganické koloidy ÄOrganické látky ÄŽivé organismy ÄPůdní roztoky ÄPůdní vzduch ‹#› Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz Vztahy mezi typy hornin ‹#› Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz Mechanická struktura půdy ‹#› Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz Hrubozrnné anorganické látky Hrubozrnné anorganické látky jsou tvořeny úlomky hornin a minerálů různé velikosti (oblázky – štěrk – písek – prach) souhrnně jsou označovány jako skelet. Skelet: ÄAlotigenní (klastogenní) ÄAutigenní (novětvořený) ‹#› Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz Alotigenní skelet Je zděděný od podložních mateřských hornina představuje jejich nezvětranné součásti (sedentární půdy) nebo v případě pokud je substrát sediment, byly přeneseny na místo jejich výskytu v procesu sedimentace. Množství, velikost, opracování a mineralogicko-litologická povaha skeletu vypovídá podmínkám a stupni vývoje půdy, o původu půdotvorných substrátů, o způsobu jeho sedimentace, přeměnách při zvětrávání či vlivem pedogeneze. Dle obsahu nejrozšířenějších minerálů nebo úlomků hornin je možné odhadnout minerální zásoby půd a přibližně jejich chemické složení. ‹#› Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz Alotigenní skelet Úlomky hornin a minerálů jsou obvykle považovány za inertní složky – může však docházet ke změnám jejich hustoty, pórovitosti, obsahu organických látek, sorpčních vlastností. Skelet vedle toho, že je fyzikálním prostředím, vytváří i specifické chemické prostředí pro rostliny. ‹#› Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz Alotigenní skelet Půdy jsou produkty rozpadu mateřských hornin – budou v nich převládat minerály tvořící nejpodstatnější část zdrojových substrátů. Celkové známé množství minerálů – kolem 3 000, běžných, horninotvorných je asi 20. V půdách se vyskytuje 10 nejběžnějších – 90 %. Ve většině půd převládají křemen, živce, slídy. Méně časté jsou olivín, pyroxény, amfiboly (hlavní komponenty bazických a ultrabazických hornin) – jsou méně odolné vůči chemickému zvětrávání. ‹#› Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz Alotigenní skelet ‹#› Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz Autigenní skelet Vznik přímo v prostředí půd, je odrazem podmínek tvorby půd a jejich vývoje v geochemickém a biohydrologickém koloběhu. Tvoří významnou identifikační skupinu pro interpretaci podmínek pedogeneze. Půdní autigenní složky – karbonáty (kalcit, aragonit, dolomit), sírany (sádrovec), oxidy (Fe, Al, Mn), křemenné složky (opály, křemen), méně často sulfdy. ‹#› Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz Alotigenní skelet Zrnitost půdy – vztahuje se na relativní zastoupení písku, prachu a jílu. Nejdůležitější půdní charakteristika – závisí na ni vodní kapacita, infiltrace, zásobení vodou, aerace, půdní úrodnost, opracovatelnost. Zrnitostní třídy – zrnitostní trojúhelník. ‹#› Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz Alotigenní skelet ‹#› Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz Anorganické koloidy V půdě se nacházejí anorganické a organické koloidní částice. Anorganické: ÄJílové minerály ÄJemně disperzní oxidy (oxihydroxidy, hydroxidy) Jílové minerály – absolutně převládají – většinou patří mezi tzv. fylosilikáty – vodnaté alumosilikáty s vrstevnatou (výjimečně řetězovitou) strukturu. ‹#› Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz Anorganické koloidy Základní stavební komponenty: SiO – tetraedry, jeden ion Si je obklopený 4 atomy O Al(Mg) – oktaedry, atomy Al (Mg) jsou oklopeny 6 ionty OH- ‹#› Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz Anorganické koloidy Jílové minerály se nacházejí v půdách hlavně v jílové frakci < 0,002 mm. Jsou nositeli významných koloidních vlastností půd – sorpční kapacita, vazba a uvolňování vody a živin, objemové změny, dispergace, koagulace. Mají velký měrný povrch v rozmezí 5 – 800 m2 100 g-1 a negativní povrchový elektrický náboj. Tvoří tedy v makroměřítku elektronegativní koloidy s trvalým nábojem a mohou vázat především kationty. ‹#› Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz Anorganické koloidy Dvě velké skupiny: ÄAmorfní ÄKrystalické Amorfní jílové minerály – alofán, imogolit – alumosilikáty s proměnlivým složením (Al, Si, O, H). Krystalické – fylosilikáty – vodnaté alumosilikáty s vrstevnatou strukturou se 4 stupni organizace atomů – roviny, sítě, vrstvičky, krystaly ‹#› Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz Anorganické koloidy Anorganické koloidy v půdě mohou mít různý původ: ÄZděděný - od předcházejícího stádia zvětrávání (pedogeneze) ÄNově vznikající – vznikající při zvětrávání hornin a minerálů, krystalizací z roztoků nebo reakci z amorfních složek ÄProměnné – při pedogenezi a zvětrávání podlehli některým chemickým změnám, ale zachovali si původní typ (vrstevnaté) struktury. ‹#› Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz Koloidní vlastnosti jílových minerálů a doprovodných koloidních složek Povrchové náboje koloidů Řada reakcí probíhajících v půdách spojených s jílovou frakcí probíhá na rozhraní tuhé a kapalné nebo plynné fáze – kationová výměna, adsorpce vody a živin, polutantů. Tyto povrchy mohou být rozděleny do tří kategorií: ÄPovrchy tvořené vazbami Si–O–Si charakteristické pro křemíkovo-kyslikaté tetraedry – siloxanové vazby – jílové minerály skupiny 2:1 ‹#› Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz Koloidní vlastnosti jílových minerálů a doprovodných koloidních složek ÄPovrchy tvořené O–Al–OH vazbami v oktaedrických vrstvách – povrchy exponované OH skupinami, pod kterými se nacházejí koordinované Al, Fe, Mg atomy v centru oktaedrických vrstev – OH skupiny mohou podléhat disociaci a vedou ke vzniku negativních povrchových nábojů ÄPovrchy tvořené Si–OH nebo Al-OH spojené s amorfními složkami – silanolové povrchy (Si-OH), aluminiové povrchy (Al-OH), ferolové povrchy (Fe-OH) – jsou přítomny v půdách, které obsahují amorfní gely nebo alofány. Jiné chování povrchu - mají většinou velký měrný povrch, variabilní náboje, povrch je exponován OH skupinami. ‹#› Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz Povrchové náboj koloidů Povrchové náboje jílových minerálů mohou být výsledkem různých reakcí, z nichž jsou nejdůležitější: ÄIzomorfní záměna – v tetraedrických nebo oktaedrických pozicích – Si bývá nahrazován Al; Al za Mg, Ca za Na – princip přibližně stejných iontových poloměrů ÄProtonace vázaných OH skupin – vede ke vzniku proměnlivě pH závislých nábojů – vznikají na narušených hranách jílových minerálů, v některých humusových polymerech (interakce s –COOH), v sekundárně hydratovaných oxidech. Mohou být kladné nebo záporné v závislosti na pH . ‹#› Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz Povrchové náboj koloidů Hodnota pH, při které jsou koloidy s proměnlivým nábojem neutrální (mají nulový náboj) – nulový bod náboje. Nad touto hodnotou jsou povrchy negativní, pod ní pozitivní. Sekundární Fe-oxidy (ferrihydrit) – nulový bod při pH = 8,5, sekundární oxidy Al při pH = 8,2 – nemají tedy velký vliv na kationtovou výměnnou kapacitu v kyselejších podmínkách. Organické koloidy (huminové polymery) mají nulový bod při pH = 3 – 5 – proto mají vysokou sorpční schopnost v půdách s pH > 5. ‹#› Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz Měrný povrch Měrný povrch půdy – vlastnost půdy nebo její jílové frakce – vyjadřuje celkovou plochu na jednotku hmotnosti nebo objemu. Hodnoty jsou třeba pro interpretaci vlastností povrchu, adsorpční rychlosti, sorpční kapacity, výměny iontů. Plocha měrných povrchů se obecně zvyšuje se zmenšováním jílových částic. Různé typy koloidních složek projevují koloidní vlastnosti při různé velikosti měrných povrchů. ‹#› Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz Měrný povrch ‹#› Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz Flokulace a dispergace Agregovaný stav půdy závisí na charakteru koloidů a na přítomnosti iontů, které jsou na ně vázané. Částečky drží pohromadě a tvoří agregáty – flokulují – v důsledku přitažlivých sil (elektrostatické, van der Waalsovy, vodíkové) obvykle jsou-li na povrchu ionty jako Ca2+, Mg2+, K+, Al3+. Stabilizace flokulovaného stavu nastává působením cementačních látek jako je humus, karbonáty, oxidy Fe, Mn, Al, Si – strukturotvorné látky – bez agregace by do půdy nepronikal vzduch ani voda, je to děj důležitý pro rychlost infiltrace vody, retenční a filtrační schopnost, aeraci, drenáž – flokulace ovlivňuje množství a distribuci pórů. Dispergace – odpuzování jednotlivých částic – za přítomnosti velkých kationtů s malým nábojem – Na+ ‹#› Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz Bobtnání a smršťování Bobtnání – půdy jsou vysušené a znovu ovlhčené – tyto objemové změny jsou funkcí přítomných koloidních složek, zejména jílů. Pokud voda proniká do půd, minerály s nabobtnávací strukturou (smektity) mají schopnost expandovat. Teorie nabobtnávání a smršťování vychází z teorie difuzní dvojvrstvy. ‹#› Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz Difuzní dvojvrstva Kladné ionty jsou přitahovány k povrchu a tvoří vrstvou přitahovanou k povrchu Coulombovými silami a tvoří za velmi suchých podmínek. Když jsou koloidy hydratované, opačně nabité kladné ionty už nejsou silně přitahovány k povrchu a mají tendenci difundovat do kapalné fáze ‹#› Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz Sorpční jevy a výměna iontů Sorpční jevy a výměna iontů probíhají v půdách zejména na rozhraní pevných a kapalných fází. Sorpce iontů a následná výměna jsou procesy probíhající mezi koloidními složkami půd a půdními roztoky. Nejvýznamnější komponenty – jílové minerály, huminové látky, karbonáty, oxidy Fe, Mn, Al, Ti, mikroorganismy. Sorpce iontů závisí na velikosti povrchových nábojů – sorpční kapacita – je definována jako schopnost udržet určité množství látky ve výměnných pozicích koloidů v cmol kg-1 půdy. Sorpci stopových prvků na půdní koloidy ovlivňují – typ a kvalita půdních koloidů, pH, koncentrace kationtů v roztoku, přítomnost konkurenčních iontů, přítomnost anorganických a organických ligandů. ‹#› Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz Největší sorpční kapacitu mají půdy s obsahem jílových minerálů smektické skupiny, nejmenší kapacitu mají půdy s kaolinitem. Sorpční kapacita klesá v řadě: Smektity ~ vermikulity > illit, chlorit > haloyzit > kaolinit Rozlišujeme kationovou a anionovou výměnnou kapacitu. Sorpční jevy a výměna iontů ‹#› Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz Kationová výměnná kapacita je definována jako celkové množství vyměnitelných kationů, která se může adsorbovat při specifickém pH. Reversibilní proces, velmi důležitý z pohledu výživy rostlin. Vztahuje se na výměnu kationů, které vyrovnávají povrchové náboje koloidů a kationů přítomných v roztoku. Závisí na hustotě nábojů půdních koloidů. V přírodních podmínkách jsou najčastějšími vyměnitelnými iony Ca2+, Mg2+, K+, Na+, v kyselých půdách – H+, Al3+, Mn2+, v alkalických půdách bez přítomnosti H+ může převládat Na+. Kationtová výměnná kapacita ‹#› Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz Efektivní kationová kapacita Kationová výměnná kapacita měřená při aktuální hodnotě pH (< 7) se vypočítá jako součet pěti v půdách nejrozšířenějších kationů – Ca2+, Mg2+, K+, Na+, Al3+ V alkalickém prostředí součet těchto kationů odpovídá zhruba sorpční kapacitě. Písčité půdy – nízké – 1 – 5 cmol kg-1 Hlinité půdy – 5 – 30 cmol kg-1 Jílovité půdy – 30 – 300 cmol kg-1 Minerální půdy – až nad 60 cmol kg-1 Organické půdy – až 200 cmol kg-1 ‹#› Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz Stupeň nasycení půdního komplexu Stupeň nasycení půdního komplexu se vyjadřuje v % jako stupeň nasycení bazickými kationy: % nasycení = S (Ca2+, Mg2+, K+, Na+) * 100 / CEC K bazickým kationům patří ještě NH4+, tyto kationy redukují kyselost půd Normální rozsahy obsahu hlavních kationtů v sorpčním komplexu a indikace jejich zvýšeného obsahu: Kation Normální rozsah [%] Poznámky H+ 6 – 12 > 50 % indikuje velmi kyselý charakter půd, nízká hodnota indikuje odolnost vůči acidifikaci Na+ < 5 > 15 % indikuje alkalické, dispergované půdy K+ 5 – 10 Nízký podíl jílu Ca2+ 60 – 70 Obsah Ca2+ by měl být 3 – 6krát vyšší než obsah Mg2+ Mg2+ 15 – 25 Důležitý pro produkci chlorofylu Al3+ < 2 Toxický při vyšších koncentracích ‹#› Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz Aniontová výměnná kapacita Anionová výměnná kapacita je spojena s uplatněním následujících mechanismů: ÄPřítomnost amino skupin v huminových látkách ÄPřítomnost exponovaných kationů na hranách narušené krystalické struktury ÄIonizace OH skupin v koloidech jako Al(OH)3, Fe(OH)3 nebo isomorfní záměnou Ti4+ za Fe3+ v oxidech Fe Jílové minerály jsou nositeli převážně negativních nábojů, proto je sorpční kapacita minerálních půd ve vztahu ke kationům výrazně vyšší než ve vztahu k anionům – aniontová výměna je obvykle maskována větší kationovou výměnnou kapacitou. Aniontová výměna je nepřímo úměrná pH – čím jsou hodnoty pH vyšší, tím je AVK nižší. Nitráty – slabá adsorpce, jsou převážně v roztoku, fosfáty naopak mohou být v kyselém prostředí velmi silně adsorbované až fixované. ‹#› Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz Organické látky V půdách velmi heterogenní skupina – mohou být rostlinného, živočišného i mikrobiálního původu – relativně čerstvé, v různém stupni rozkladu a přeměny nebo úplně rozložené. Organické látky v půdě Živé organismy (edafón) Půdní organická hmota Nezměněná Změněná (transformovaná) Huminové látky Nehuminové látky ‹#› Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz Organické látky Půdní organická hmota (SOM) zahrnuje: ÄMateriály, u kterých je anatomie původních rostlinných těl viditelná ÄÚplně rozložený materiál Rozložené látky: ÄSacharidy ÄAminokyseliny a bílkoviny ÄLipidy ÄTřísloviny a fenoly ÄLignin ÄHumus ‹#› Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz Organické látky Sacharidy (polysacharidy) – mají velký vliv na fyzikální vlastnosti půd, výměnné reakce, na tvorbu organominerálních komplexů a na vznik humusu. V aerobních podmínkách – rozklad na CO2 a vodu, v anerobních na CH4 a CO2, někdy na ethylén. Nejčastěji se vyskytující – celulóza a hemicelulóza ‹#› Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz Organické látky Bílkoviny a aminokyseliny – přítomné karboxylové skupiny jsou nositeli proměnných povrchových nábojů a podílejí se na výměnných reakcích. Lipidy – různé sloučeniny mastných kyselin, vosků, olejů – rozpustné v organických rozpouštědlech, jejich význam spočívá ve vlivu na tvorbu struktury, vznik humusu, vazbu některých živin (P) Třísloviny a fenoly – heterogenní polymerní sloučeniny, kumulující se v opadu po odumření rostlin. Jejich obsah závisí na typu rozkládající se vegetace, mají antibakteriální účinky a proto podporují kumulaci opadu, zejména v podmínkách lesních půd. ‹#› Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz Organické látky Ligniny - vysokomolekulární aromatické polymery – významný zdroj tvorby humusu – velká resistence proti mikrobiálnímu rozkladu, kumulují se v půdách. Podle podmínek jsou základem tvorby rašeliny a uhlí (lignitu). Aerobní rozklad OL – enzymatická oxidace C na CO2 a vodu z rozkladu biomasy: R-(C, 4H) + 2 O2 → CO2 + 2 H2O + E (478 kJ mol-1 C) Ve slabě provzdušněných půdách je rozklad OL pomalý – nízký obsah aerobních mikroorganismů, časem se zvětšuje obsah částečně rozložených látek. Rozklad a mineralizace jsou variabilní a mohou trvat roky – závisí na T, obsahu vody, aeraci a struktuře OL. ‹#› Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz Degradace ligninu – „enzymatické spalování“ – Mn peroxidazou basidiomycet ‹#› Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz Organické látky Konečný produktem chemického a mikrobiálního rozkladu OL jsou huminové látky (humus). Humus a organické látky – nejsou to synonymní pojmy. Humus je směs hnědých až černých OL amorfní koloidní povahy, které jsou výsledkem mikrobiálního rozkladu – jsou definované jako amorfní, koloidní polydisperzní látky s relativně vysokou molekulovou hmotností. Dělí se na frakce podle rozpustnosti v kyselých nebo zásaditých roztocích – huminové kyseliny, fulvokyseliny, hymatomelanové kyseliny, huminy. Vysokomolekulrární látky složité struktury, odolné vůči dalšímu rozkladu, dávají půdám tmavé až černé zbarvení. ‹#› Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz Organické látky Huminové látky – složité, ne příliš dobře definované směsi, tvoří kolem 60 – 80 % OL v půdách. Rozpustné organické látky (ROL) (Dissolved Organic Matter – DOC) – frakce OL pod 0,45 mm přítomných v půdním roztoku (ve vodě) – jednoduché sloučeniny (cukry, aminokyseliny organické nízkomolekulární kyseliny – hrají roli v přenosu kontaminantů vázaných na tuto frakci. ‹#› Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz Význam humusu a huminových látek ÄSpolu s jílovými minerály jsou základem vzniku půdní struktury ÄStimulují růst rostlin ovlivňováním metabolismu a některých fyziologických procesů – translokace látek, mobilizace Fe, Al ÄPodílí se na tvorbě půdních horizontů ÄDíky vysokým povrchovým a proměnným elektrickým nábojům mají velký význam při sorpčních procesech. Obsah humusu kolísá dle půdních typů od 2 do 4 hmotnostních %. Základní typy humusu podle morfologie a složení: ÄMor ÄModer ÄMull ‹#› Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz Typy humusu Mor – nachází se hlavně v půdách pod jehličnatými lesy nebo v rašeliništích – půdy s vysokou biologickou aktivitou. Rozklad OL je pomalý, vytváří se vrstvička se zachovanou strukturou původních rostlin, rozklad probíhá působením hub a drobných živočichů. Poměr C/N je víc než 20, někdy až 30-40, kyselá půdní reakce. Moder – přechodný typ mezi morem a mullem – je charakteristický pro podzolové půdy a horské luční drnové půdy, povrch tvoří mor, který přechází do středně rozloženého humusu, rozklad probíhá vlivem hub a atropod. Poměr C/N – 15-25. Mull – typ s dobře huminifikovanými OL, vznikající za podmínek vysoké biologické aktivity, neutrální reakce, poměr C/N kolem 10, schopnost tvořit minerálně-organické komplexy. ‹#› Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz Význam humusu pro vlastnosti půd ÄFyzikální – cementační a koagulační vliv, tvorba agregátů, zádrž vody, vliv na teplotu, snižuje riziko eroze a smývání díky struktrotvorné funkci, zlepšuje celkový fyzikální stav zejména v jílových půdách, snižuje riziko kompakce půdy. ÄChemický – velká sorpční kapacita, pufrační schopnost, zadrž stopových prvků (živin), zádrž uhlíku před jeho uvolňováním do atmosféry (sekvestrace), redukce negativních dopadů pesticidů a potenciálně toxických prvků. ÄBiologický – zdroj živin pro mikroorganismy (bakterie, houby) a pro rostliny (N, P, S). ‹#› Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz Rovnováha organické hmoty v půdách ‹#› Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz Sekvestrace uhlíku v půdách ‹#› Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz Model molekulárních struktur různých forem C ‹#› Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz Faktory řídící hlavní vstupy a výstupy půdního C ‹#› Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz Živé organismy - význam rostlin a živočichů Rostliny – podílejí se na procesu kumulace prvků, organických látek, mají vliv na rozklad minerálů a na hydrologický režim půd. Poskytují do půd organické látky prostřednictvím opadu a rozkladem kořenů. Kořeny konzumují kyslík, vodu a živiny a uvolňují CO2 a různé exudáty. Rostliny mají důležitou funkci při pedoturbaci, pedokompakci a vytváření struktury půdy a humusu. Živočichové – zooedafon – mají schopnost rozkládat, koncentrovat, segregovat, homogenizovat, produkovat. ‹#› Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 190 npůda = biotický + abiotický komplex Hands holding soil Půdní biota Půda je živá hmota v každém kilogramu půdy se vyskytuje 109 – 1012 mikroorganismů a tisíce bezobratlých è takový kilogram je vlastně celý ekosystém ‹#› Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz Co je půda bez půdní bioty? nPůdní biota - základní předpoklad půdy nJiž v původní definici půdy zakladatele pedologie V. V. Dokučajeva je činnost půdních organismů chápána jako klíčová pro vznik a fungování půdy n nBiota je v půdě nezbytná pro: Äekosystémové funkce půdy Äpůdotvorné procesy Äpůdní úrodnost Ädekompozice a přeměny organické hmoty Äcykly živin Ävodní a vzdušný režim půd ‹#› Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz Redox poměry v půdě nRedoxní potenciál - je daný chemickými pochody v půdě, je přímo ovlivněn koncentrací kyslíku, organických látek, oxidovaných a redukovaných forem látek jako NO3-, SO32-, Fe, Mn, kovů a činností mikroorganismů. n nMá vliv na složení mikrobiálního společenstva a biologické procesy v půdě, které budou probíhat = různé metabolické strategie mají různé požadavky: n nPři nedostatku kyslíku, zvýšené vlhkosti vzniká redukční prostředí, v němž anaerobové redukují látky na H2S, NH3, CH4 apod. Ädýchání (> 0,2 V) Ädenitrifikace (0,15 - 0,2 V) Äredukce síry (-0,1 až -0,2 V) n ‹#› Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz Redox poměry v půdě nRedukční pochody - hnití, rašelinění, methanogeneze, tvorba sulfanu, desulfurikace, denitrifikace, vznik dvoumocného železa a manganu, redukce síranů n nOxidační pochody - mineralizace, respirace, tlení, nitrifikace, oxidace železa, sulfurikace ‹#› Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz Skladba půdního oživení nPůdní organismy chápány jako ty, které žijí během stěžejních životních fází v půdě ÄEDAFON = soubor organismů přítomných v půdě celými těly, migrace a rychlé množení ÄŽIVÉ ORGÁNY VYŠŠÍCH ROSTLIN – různorodý materiál, doplňování humusového materiálu Dle příslušnosti k říši: 1) Fytoedafon - řasy, bakterie, houby, aktinomycety 2) Zooedafon - prvoci, červi, měkkýši, savci, členovci ‹#› Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz Skladba půdního oživení nDle způsobu života: Ägeobionta - celý život v půdě Ägeofila - preferují půdu, alespoň část životního cyklu Ägeoxena - jsou v půdě spíše náhodné n ÄEuedafon – všechna stádia v půdě (žížala) ÄProtoedafon – jen některá stádia (chroust) ÄHemiedafon – může žít i mimo půdu (chvostoskok) ÄPseudedafon – v půdě se jen ukrývají ÄTychedafon – v půdě jen náhodně (záplavy) ‹#› Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz nDle velikosti: n n1) mikroedafon n menší než 0,2 mm - mikroorganismy (bakterie, aktinomycety, houby, plísně, prvoci, řasy, sinice) a živočichové menší než 0,2 mm (některé hlístice, vířníci) n někdy se dělí na mikrofaunu a mikroflóru ("soil microflora") n2) mezoedafon n 0,2 - 2 mm – některé houby, někteří vířníci (rotatoria), většina hlístic (nematoda), někteří červi (annelida), většina chvostoskoků (collembola) a roztočů (acarina) a některý hmyz n3) makroedafon n 2 – 20 mm – roupice, hmyz, mnohonožky, stonožky, stejnonožci (isopoda), pavouci, měkkýši (molusca) n4) megaedafon n > 20 mm - žížaly (lumbricidae) a obratlovci (krtci, myši, hraboši, křečci …) Skladba půdního oživení ‹#› Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz Velikost půdní bioty ‹#› Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz Velikost půdní bioty ‹#› Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz Velikost půdní bioty ‹#› Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz Kolik je v půdě mikroorganismů ? Ä0,05 - 0,5% hmoty půdy jsou mikroorganismy Ä105 až 109 jedinců v 1 g suché půdy Ätoto množství stačí na zabezpečení veškerých procesů mineralizace a imobilizace a dalších procesů ‹#› Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz Kolik je v půdě mikroorganismů ? Up to 90, but generally 20 1-2 !!!! 0-2 2-5 !!!! 0.5 0.2 0.25 0-0.5 Negligible Plant roots Bacteria Actinomycetes Fungi Protozoa Nematodes Earthworms Other soil animals Viruses Biomass (tons ha-1) Components of soil biota ‹#› Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz Kde se v půdě MO vyskytují? Änejvětší biomasa mikroorganismů je v humusovém horizontu, v rizosféře a s hloubkou dochází k poklesu Äfotolitotrofní mikroorganismy jsou samozřejmě vázané pouze na nejvrchnější vrstvičku půdy Äobligátně anaerobní mikroorganismy se nachází spíše ve spodní části horizontů (bez přístupu kyslíku) Ämikroorganismy uzavřené v mikroagregátech jsou dobře chráněné před predací protozoí, ale naopak mohou strádat nedostatkem substrátu A-6 ‹#› Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz Kde se v půdě MO vyskytují? nRhizosféra ÄEkologická vazba mikroorganismů na kořeny rostlin ÄV okolí kořenů je jiné prostředí než jinde v půdě Vodní režim Uvolňuje kořenové exudáty Rostlina Mikroorganismus Produkují např. růstové faktory Uvolňují živiny Energie H2O + CO2 O2 O2 H2O + CO2 CO2 Metabolismus ‹#› Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz nMO se v půdě vyskytují volně, či ve složité a dynamické vazbě na površích a uvnitř agregátů a částic organominerálního komplexu 190 146 Aggrgt Kde se v půdě MO vyskytují? ‹#› Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 189 Gupta4 Kde se v půdě MO vyskytují? ‹#› Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz nNiky pro půdní mikroorganismy (dle K.T.Semple) Minerální zrno Jíl Vodou vyplněné póry Organický materiál Mikrokolonie Vzduchem vyplněné póry Mikroorganismy Kde se v půdě MO vyskytují? ‹#› Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz Půdní voda nPůdní voda (půdní roztok) – kapalná fáze nVýznam: nVoda je potřeba pro fungování většiny metabolických procesů; optimální vlhkost "spouští" fungování mikroorganismů; vytváří mikroprostředí pro mikroorganismy v pórech a na površích částic; ovlivňuje výměnu plynů v půdě; ovlivňuje přístupnost živin; ovlivňuje teplotu půdy. nVýznam pro pedogenezi, usměrňuje fyzikální, chemické a biologické vlastnosti půdy. n nPříjem rostlinami – přes kořenovou zónu půdy. n nZdroj – srážkové, povrchové a podzemní vody. ‹#› Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz ÄZóna aerace - existují prostory vyplněné vzduchem, půdní vláha n ÄZóna saturace - zvodeň, je zcela nasycena vodou, podzemní voda Půdní voda ‹#› Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz Mechanické vlastnosti půd, půdní voda ‹#› Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz Půdní voda ‹#› Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz nVodu v zóně aerace dělíme podle jejího vztahu s pevnou a plynnou fází půdy a dle dostupnosti pro rostliny a mikroorganismy: n n1) Vodní pára jejíž množství u povrchu kolísá a s hloubkou se stabilizuje. n n2) Chemicky vázaná voda, která je poutána do chemických struktur látek tvořících minerální a organominerální složku půdy, je v podstatě nedostupná. Půdní voda ‹#› Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz n3) Voda hygroskopická, která tvoří několik molekul tenký film (4-5 mm) na povrchu částic a je v půdě vždy i při úplném vysušení, pokud není ze vzduchu odstraněna vodní pára. Charakteristiky této vody jsou úplně jiné než vody nevázané. Silně adsorbuje na povrchy vodíkovými vazbami a dipólovými interakcemi a její tenká vrstva na povrchu částic nemrzne ani při nulových teplotách. Je nedostupná pro rostliny n n4) Voda adsorpční, která tvoří vrstvu na povrchu zrn, na rozdíl od vody hygroskopické může zmrznout a pohybovat se alespoň ze zrna na zrno. Je dostupná hlavně rostlinám. Půdní voda ‹#› Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz n5) Kapilární voda zaplňuje póry a pukliny a je poutaná kapilárními silami, které ji buď vytahují nad hladinu podzemní vody - voda podepřená, nebo dočasně způsobují její setrvání ve vrstvě blízko povrchu - voda zavěšená. Je přístupná pro rostliny n n6) Voda prosakující neboli gravitační, která po vsakuje do půdy slouží jako zdroj předchozích a zaplňuje i nekapilární prostory. Volná voda, podléhá působení gravitace a tak se pohybuje do nižších horizontů až po hladinu podzemní vody. Voda, která v půdě zůstane zachycená po průtoku takovéto gravitační vody tvoří maximální kapacitu nasycení. Vymývá živiny z půdy do podzemních vod Půdní voda ‹#› Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz Půdní voda ‹#› Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz Půdní zóny ‹#› Research 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 ‹#› Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz ÄPůdní vlhkost: základní pojmy n üPolní kapacita: voda, která zůstává v půdě po působení gravitačních sil. üProcento trvale vyschlé půdy: množství vody po dosažení bodu trvalého vyschnutí. üDostupná voda: množství vody v půdě mezi polní kapacitou a procentem trvale vyschlé půdy. Půdní voda ‹#› Research 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 ‹#› Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz Při trvalém vysýchání Kompaktní Granite V půdních pórech není přítomna žádná voda Prostor půdních pórů se hroutí Půda za různých úrovní půdní vlhkosti ‹#› Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz Kompaktní zóna Nepropustná vrstva H2O H2O Nekompaktní Kompaktní Půdní vrstvy ‹#› Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz Písek nad jílem H2O H2O Půdní vrstvy Nepropustná vrstva ‹#› Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz H2O H2O Posazená vodní tabule Půdní vrstvy Jíl nad pískem ‹#› Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz nMokré a suché vrstvy H2O H2O Půdní sendviče Půdní vrstvy ‹#› Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz nRoztroušená půdní vlhkost H2O H2O Půdní vrstvy Půdní saláty ‹#› Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz Typy půdní vody ‹#› Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz ÄVe vodě rozpuštěné různé organické i minerální látky (celková koncentrace rozpuštěných látek většinou nepřesahuje 1%), elektrolytický roztok – složením se blíží povrchovým vodám n ÄNejdůležitější minerální látky v půdním roztoku: NH4+ soli, kationty Ca, Mg, K a Na, které jsou progresivně nahrazovány H+ a Al+, dusičnany, sírany, chloridy a fosforečnany n ÄRozpustnost plynů v půdním roztoku závisí na daném plynu, teplotě, koncentraci roztoku a parciálním tlaku plynu v půdní atmosféře; nejvíce rozpustné plyny jsou CO2, NH3 a H2S, zatímco O2 je méně rozpustný a N2 ještě méně n Ämá charakteristický osmotický tlak n Ädůležitou vlastností je jeho pH Půdní roztok ‹#› Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz Objemy vody, vzduchu a látek jako faktor určující půdní typ ‹#› Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz Měření půdní vlhkosti nWHC (water holding capacity) - česky retenční vodní kapacita či maximální vodní kapacita = maximální množství vody, které udrží půda po nadměrném zavlažení n Äudává se jako ml/g suš. n Äpro standardizaci podmínek v půdně - ekotoxikologických testech se užívá ovlhčování na XX % WHC (např. 60%, 80% apod.) n Äčasto je alternativou vyjádření pomocí vlhkostního potenciálu – tlak, pF ‹#› Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz nPůdní vzduch je plynná směs přítomná v těch pórových prostorách, které nejsou zaplněny vodou. n nV půdě se vyskytují: Ämakropóry (d > 0,008 mm) – vyskytují se mezi agregáty nebo intergranulárně – ovlivňují pohyb vody a vzduchu a zakořeňování rostlin, Ämikropóry (d < 0,008 mm) – nacházejí se v agragátech, pohyb vody je v nich pomalý, ovlivňují zádrž vody. Půdní vzduch ‹#› Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz nObsah vzduchu klesá s rostoucím obsahem vody a opačně. n nMnožství vzduchu v půdě je dáno jako doplněk od objemu pórů zaplněných vodou do celkového objemu pórů. n nObsah vody v půdách kolísá od 15 do 30% v písčitých půdách a od 40 do 45% v jílech. n nObsah pórů v půdě je v průměru 50% a póry naplněné vzduchem tedy tvoří v různých půdách různý objem. n nObecně však platí, že 10% pórů naplněných vzduchem je minimální objem nezbytný pro aeraci půdy, vysoká pórovitost (kolem 60 %) je indikátorem dobrých půdních vlastností. Půdní vzduch ‹#› Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz nHlavní plyny půdní atmosféry jsou plyny vyskytující se i v normální atmosféře, zejména N2, O2, CO2. n nJsou přítomny i plyny pocházející z biologických aktivit jako NOX, NH3, CH4, H2S, těkavé organické kyseliny a alkoholy, některé ovšem jenom přechodně, neboť jsou reaktivní s půdními složkami. Půdní vzduch ‹#› Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz nV dobře provzdušněné půdě je obsah O2 18 - 20% a CO2 zřídka dosáhne 1 - 2%. n nNěkdy však, zvláště v jílovitých, vysoce provlhčených půdách, může být obsah CO2 až 10% (toxický pro rostliny!!). n nObsah CO2 v půdní atmosféře je tedy významně vyšší než v atmosféře celkové (kde je 400 ppm CO2). n nDifusním pochody, které jsou podmíněny odlišnými parciálními tlaky vzduchu uvnitř a nad půdou. n nTakto tedy proudí atmosférický O2 do půdy a půdní CO2 z půdy ven - tzv. půdní dýchání. Půdní vzduch ‹#› Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz Zrnitost: Äovlivňuje pohyb vody v půdě (písčitá – jílovitá) – průchodnost Ävelmi zrnitá – větší aktivní povrch, lepší sorpční vlastnosti Vzdušnost (aerace): Ädůležitá pro průběh samočistících pochodů – obsah a složení vzduchu v půdních pórech Äobsah 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 ‹#› Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz Složení půdního vzduchu v různých půdách ‹#› Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz Zvětrávání a výměna plynů v půdách ‹#› Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz Obsah kyslíku a oxidu uhličitého v půdním vzduchu ‹#› Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz nAnaerobní procesy v půdě s nedostatkem O2 mohou vést ke hromadění methanu, vodíku NOX i sulfanu, které mohou brzdit růst rostlin a působit toxicky na organismy. n nZměna od aerobního k anaerobnímu metabolismu probíhá při koncentraci O2 menší než 1%. n nProvzdušnění půdy jako celku není tak důležitá jako aerace jednotlivých shluků a agregátů. Půdní vzduch ‹#› Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz ÄHladina kyslíku s hloubkou klesá důsledku jeho zpomalené difuze z povrchu do půdy ÄPísčité půdy mají nižší celkovou pórovitost, ale velké individuální póry ÄJílovité půdy mají obecně velkou pórpvitost, ale malé individuální póry ÄAerace a drenáž – půdy s velkými póry mají dobrou drenáž a aeraci (písčité půdy), půdy s malými póry mají špatnou drenáž a aeraci (jílovité půdy), snadněji se dostávají do anaerobních podmínek, protože mikroby spotřebují kyslík dříve než se nahradí difuzí, mokré půdy přecházejí snadněji do anaerobních podmínek ÄVodní pára - relativní vlhkost půdního vzduchu kolísá mezi 5 a 100 % Ä Půdní vzduch - shrnutí ‹#› Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz Ähuminifikace Ämineralizace Äfiltrace Äsorpce Äoxidace Äredukce Ämikrobiální aerobní a anaerobní procesy Samočistící schopnost půdy ‹#› Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz Jedna z nejvýznamnějších půdních funkcí – schopnost odolávat působení kyselin nebo zásad při udržování určitého rozmezí pH. Tlumivá schopnost – maximální množství silných kyselin nebo zásad, které je potřebné dodat na 1 g půdy pokud chceme změnit hodnotu pH o jednotku. Rozsah pH hodnot základních půdních tlumivých systémů: ÄCa-karbonátový – pH > 8 – 6,2 ÄKationově výměnný – pH 6,2 – 5,0 ÄSilikátový – pH 5,0 – 4,2 ÄHliníkový – pH 4,2 – 2,8 ÄŽelezitý – 3,8 – 2,4 Tlumivá (pufrační) schopnost půdy ‹#› Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz Tlumivé systémy v půdách ‹#› Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz Tlumivé systémy v půdách ‹#› Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz Schématizovaná pufrační křivka ‹#› Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz Karbonátový tlumivý systém ‹#› Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz Mechanismy vazeb chemických látek v půdách Fyzikální: Äsorpce (voda, živiny, kovy, karbamáty..) Äiontová výměna Äzměna produktů rozpustnosti Chemické: Äkovalentní nebo chelátové (Cu2+, Fe2+..) Äiontové (Ca2+, Mg2+, Zn2+..) Äorganické látky Äsrážecí reakce Biochemické: Äzabudování nízkomolekulárních organických molekul do málo reaktivních makromolekul Ämikrobiální rozklad – metabolismus, kometabolismus Äbiomethylace ‹#› Research 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 ‹#› Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz Sorpce je definovaná jako přitahování rozpuštěných složek ve vodním prostředí k tuhým povrchům koloidů. V půdách a sedimentech je to nejdůležitějším faktorem ovlivňujícím pohyblivost, transport, osud, (bio)dostupnost a účinky anorganických i organických polutantů. Sorpce ‹#› Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz Adsorpční isotermy ‹#› Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz Adsorpce prvků – modelový příklad ‹#› Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz Selektivita sorpce dvojmocných kovů na půdních koloidech ‹#› Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz Vazba chemických látek na půdní bio-organo-minerální komplex ‹#› Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz Změna sorpčních schopností anionů a kationů v závislosti na pH huminových kyselin ‹#› Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz Redox potenciál Oxidačně redukční procesy se charakterizují jako pe-hodnota - záporný dekadický logaritmus elektronegativity nebo častěji jako redox potenciál Eh, tedy míra afinity látky (V) získat elektrony v porovnání s vodíkovou elektrodou (0 V). Každá složka má svůj vlastní potenciál, složky elektronegativnější než vodík mají pozitivní redox potenciál a tendenci k oxidaci, složky s nižší elektronegativitou než vodík mají negativní redox potenciál a tendenci k oxidaci. Redox potenciál odráží elektrický stav půdního systému. Velmi důležitý parametr ovlivňující řadu chemických a biochemických procesů v půdním ekosystému – změna mobility a toxicity anorganických a organických kontaminantů. ‹#› Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz Mikrobiálně zprostředkované oxidačně-redukční změny stopových prvků ‹#› Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz Rozsah mikrobiálních redoxních reakcí ‹#› Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz Posloupnost mikrobiálních zprostředkovaných redox reakcí v přírodních systémech ‹#› Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz Eh-pH diagram – pole stability Fe a Mn oxidů, pyritu a organického uhlíku ‹#› Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz Jílové minerály jako polyfukční výměnný systém ‹#› Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz Schema procesů důležitých pro transport a osud chemických látek v půdách ‹#› Research 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 ‹#› Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz Biodostupnost polutantů v půdách ‹#› Research 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. ‹#› Research 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 Dissociation A D C D Biological membranes Adsorbed contaminants in organism Site of biological response E Biodostupnost ‹#› Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz Současný vývoj procesů porozumění transportu a osudu polutantů v půdách ÄFaktory ovlivňující transport chemických látek ÄInterakce mezi půdní organickou hmotou a xenobiotiky: Koc koncept? ÄKo-transport v půdách ÄChemická a biologická heterogenita v půdách ‹#› Research 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‘