Struktura a základní fyzikální a chemické vlastnosti vody. ¾ Z fyzikálního a chemického hlediska je voda velmi komplikovanou sloučeninou s řadou jedinečných vlastností a anomálií. ¾ Zdánlivě jednoduchá stavba molekuly vody (H2O) je vlastně kombinací více členů vzhledem k tomu, že vodík má tři izotopy – lehký (vodík), těžší (deuterium) a těžký (tritium). ¾ Molekuly vody se vážou navzájem pomocí tzv. vodíkových můstků v řetězce, které se agregují ve volně pohyblivé prostorové shluky (clustry). S klesající teplotou rostou a jejich pohyblivost klesá. ¾ V pevném skupenství (led) každý atom vodíku tvoří můstek mezi atomy kyslíku.
MOLEKULA VODY (H2O) Dipólový charakter, převaha molekul 1H216O
Vodíková vazba
Salinita vody • Salinita je obsah rozpuštěných solí ve vodě, jejím ukazatelem je konduktivita. • Množství solí rozpuštěných ve sladké vodě je většinou pod 1 g.l-1. • Brakické vody mají salinitu 1-25 g.l-1, mořská voda má průměrnou salinitu 35 g.l-1 (rozmezí 25-50 g.l-1), vody velmi slané mají salinitu nad 50 g.l-1. • Tropická moře s vysokým odparem mají vyšší slanost, moře s vysokým přítokem sladké vody z pevniny mají slanost sníženou (Černé moře 1,61,8 g.l-1, Baltické moře jen 0,8 g.l-1). • Vnitrozemské vody v teplých oblastech s vysokým výparem jsou extrémně slaná. Mrtvé moře (jde však o jezero) má salinitu 280 g.l-1 !! Vysoká slanost znemožňuje většině organismů život proto název Mrtvé moře. • V slaniscích může slanost silně kolísat i během krátké doby, od nízkých hodnot po deštích, po vysoké hodnoty při výparu. • Organismy snášející vysoké kolísání slanosti jsou euryhalinní, takové, které kolísání nesnáší stenohalinní.
Salinita vody • Existuje jen málo živočichů, kteří žijí jak ve vodě sladké, tak slané. Při přechodu z jednoho prostředí do druhého potřebují různé adaptace. • Řada mořských živočichů má svých tkáních stejný obsah solí jako má mořská voda žijí tedy v prostředí izotonickém a nemusejí vynakládat žádnou energii na udržení své osmotické rovnováhy. • Pokud žije živočich v prostředí s jiným osmotickým tlakem, než má jeho tělo musí mít nějaké osmotické orgány a musí vynakládat energii na udržení osmotické rovnováhy. • Povrch kůže, dutiny ústní, žaber propouští vodu. Kdy voda prochází z těla ven do vody nebo z vody do těla závisí na rozdílu osmotického tlaku obou prostředí. • Čím více solí je rozpuštěno v daném prostředí, tím vyšší je jeho osmotický tlak. Mořské ryby mají v tělních dutinách nižší koncentraci solí než má mořská voda, žijí tedy v prostředí hypertonickém, kdy voda proudí z těla do okolní vody (mořská voda je vysušuje).
Salinita vody SLADKOVODNÍ ŽIVOČICHOVÉ
Zařízení na odstraňování přebytečné vody Ledvina vylučuje velmi zředěnou moč
MOŘSKÉ RYBY
Příjem mořské vody trávicím ústrojím Vylučování nadbytečných solí žábrami
Salinita vody • Ztráta vody v prostředí hypertonickém musí být kompenzována pitím mořské vody a následným vylučováním přebytku solí žlázami v žábrách nebo v moči. • Paryby (žraloci, rejnoci) zadržují ve své krvi močovinu, které se naopak jiní živočichové snaží zbavit vylučováním. Žraloci mají žábra povlečená obalem nepropustným pro močovinu. Osmotický tlak krve žraloků a rejnoků je tak vyšší než osmotický tlak mořské vody, jejich těla tedy nasávají vodu z oceánu a tito živočichové nemusejí pít mořskou vodu. • Sladkovodní ryby na rozdíl od mořských ryb žijí v prostředí hypotonickém. Ve sladkých vodách je málo rozpuštěných látek, zatímco v krvi a tkáních sladkovodních ryb je mnoho solí a bílkovin, které zvyšují osmotický tlak těla sladkovodních ryb. Proto je sladká voda intenzivně nasávána z okolního prostředí do těla ryb a voda se musí naopak z těla vylučovat. Sladkovodní ryby proto nemusí pít vodu. • Život jak v prostředí hypotonickém, tak v prostředí hypertonickém je narušením osmotické rovnováhy a vyžaduje výdej energie na udržení rovnovážného stavu.
Hustota vody • Hustota vody je závislá na množství rozpuštěných látek, teplotě a tlaku. • Se zvyšujícím se obsahem rozpuštěných látek stoupá téměř lineárně také hustota vody. Při vzestupu salinity o 1 o/oo klesne teplotní maximum hustoty o 0,2 ºC. • Chemicky podmíněné rozdíly v hustotě sladkých vod nejsou obvykle větší než 0,85 g.l-1 a nebereme je tak v úvahu. • Největší hustotu má voda při teplotě 3,94 ºC. Studenější i teplejší voda je „lehčí“ a ve vodních nádržích převrstvuje vody s větší hustotou. • Změny hustoty vody neprobíhají lineárně, se stoupající teplotou rychle narůstá relativní rozdíl, takže mezi 24 ºC a 25 ºC je rozdíl v hustotě 30x větší než mezi 4 ºC a 5 ºC. • vzestup tlaku o 1 MPa klesne maximum hustoty o 0,1 ºC.
Hustota vody Voda má největší hustotu při ~ 4 oC !!!
Vztah mezi hustotou vody a teplotou.
Hustota vody
Vliv teploty vody na její hustotu a hloubku ponoření tělesa
Hustota vody • Změny hustoty vody způsobené změnou teploty mají vliv na stratifikaci fyzikálních a chemických vlastností a koloběh látek. • Změny mezi teplotou vody a hustotou značně ovlivňují i podmínky, za jakých vodní organizmy přežívají zimní období. Teplotní stratifikace znemožňuje hluboké promrzání vody (v ČR je vrstva ledu pouze výjimečně silnější než 30 cm). • Velká hustota vody (asi 775x vyšší než hustota vzduchu) má vliv na stavbu těla vodních živočichů. • Vodním živočichům stačí k zajištění opory méně výkonné pohybové orgány a slaběji vytvořené kostry než živočichům suchozemským. Můžou dosahovat i podstatně větších rozměrů než příbuzné suchozemské formy (podobně i u rostlin).
Hustota vody Vrstva ledu omezuje konvekční a horizontální proudění a ochlazování hlubších vrstev vodního sloupce. Led = O oC (max. 30 cm)
Voda = 4 oC
Viskozita vody • Dynamická viskozita (vnitřní tření) charakterizuje odpor, který klade voda vlastnímu pohybu nebo jiné vzájemné změně částic vodní masy. • Odpovídá síle potřebné k posunu 1kg za 1s o 1m (1 Pa.s pascalsekunda). • Viskozita vody je asi 100x větší než viskozita vzduchu a je výrazně ovlivněna teplotou. Se stoupající teplotou hodnota viskozity klesá. • Kinematická viskozita prostředí je dána poměrem mezi viskozitou a hustotou (m2.s-1). • V teplé vodě se organizmus pohybuje s menším výdajem energie, ale klesá rychleji než ve studené vodě. Podobně se v tekoucích vodách zvyšuje nebo snižuje mechanická unášecí síla pohybující se vody.
Teplota (oC)
Dynamická viskozita (Pa.s-1)
Kinematická viskozita (m-2s-1)
0
1.787 x 10-3
1.792 x 10-6
5
1.561 x 10-3
1.561 x 10-6
10
1.306 x 10-3
1.304 x 10-6
15
1.138 x 10-3
1.139 x 10-6
20
1.002 x 10-3
1.004 x 10-6
25
0.890 x 10-3
0.892 x 10-6
30
0.801 x 10-3
0.801 x 10-6
Teplota v oC
% viskozity
0
100
5
84,9
10
73,0
15
63,7
20
56,1
25
49,8
30
44,6
Na rozdíl od hustoty klesá viskozita mnohem rychleji
! Hustota = viskozita (oleje mají menší hustotu, takže plavou na povrchu, ale viskozitu mají mnohem větší – jsou méně tekuté)
Viskozita vody
Adhezivní a kohezivní vlastnosti vody • Poměr mezi kohezí (soudržnost) a adhezí (přilnavost) molekul vody vůči pevným povrchům má pro vodní organizmy řadu důležitých důsledků. • koheze < adheze je plocha smočitelná (hydrofilní) • koheze > adheze je plocha nesmočitelná (hydrofobní) • Hydrofobie je nezbytná u vodních živočichů, kteří dýchají atmosférický kyslík a občas musí obnovovat rezervu vzduchu u hladiny. • Hydrofobní povrch těla má osmoregulační funkci (znemožňuje průnik vody do organizmy) a rovněž snižuje intenzitu přisedání nárostových organizmů. • Vodní organizmy čerpající kyslík přímo z vody musí mít hydrofilní plochu (např. žábry).
Povrchové napětí • Mezi kapalným a plynným prostředím vzniká zvýšenou soudržností molekul vody povrchové napětí. • Jeho hodnota závisí na teplotě a obsahu látek rozpuštěných ve vodě. • Povrchové napětí vody poskytuje stabilizační plochu pro vodní organizmy. • Organizmy využívají povrchovou blanku jako oporu se svrchní strany (epineuston), ze spodní strany (hyponeuston), organizmy na hladině (pleuston), rostlinné (okřehky), živočišné (vodoměrky, vírníci).
Barometrický a hydrostatický tlak • Barometrický (atmosférický) tlak na mořské hladině odpovídá hodnotě cca 0,1 MPa (přibližně 1 kg.cm-2). • Tlak ovlivňuje nasycení vody různými plyny (CO2, O2), uvolňování plynů z vody a ze dna, nástupy vodního květu sinic. • S hloubkou vody roste tlak vody na každých 10 m o 0,1MPa. • Rozhodujícím faktorem umožňujícím život i za obrovských tlaků v mořských hlubinách je nepatrná stlačitelnost vody (přetlak 40 MPa, zmenšení objemu vody o cca 2%). • Voda je hlavní objemovou složkou těl hlubinných organizmů (žahavci a žebernatky až 98-99% hmotnosti těla) • V hlubokých mořích díky vysokému tlaku stoupá i rozpustnost vápníku, což se projevuje redukcí koster hlubinných živočichů.
Barometrický a hydrostatický tlak • Vodní organizmy nejsou nijak specificky adaptováni na změny tlaku a pokud je změna pozvolná snášejí i vysoké tlaky. • Ryby bez plynového měchýře nejsou ovlivněny tlakem do 10 MPa, hynou až při tlaku 30 MPa. • Ryby s plynovým měchýřem nemají takovou odolnost, v hloubce 10 m je objem vzduchu stlačen na polovinu a ve 40 m na pětinu ve srovnání s původním objemem u hladiny. • Zvýšený tlak negativně ovlivňuje výskyt vyšších vodních rostlin ve větších hloubkách (rostliny se vzdušnými kanálky rostou do max. 10 m hloubky) • Z hlediska tolerance vůči změnám tlaku můžeme vodní živočichy rozdělit na stenobatní a eurybatní.
Sluneční svit • Sluneční svit a oblačnost ovlivňují především intenzitu fotosyntézy všech rostlin v nádrži a tím přímo i množství kyslíku a oxidu uhličitého, nepřímo pak pH vody v nádrži. • V druhé řadě má pak sluneční svit velký vliv na teplotu vody, která určuje rychlost biochemických a chemických procesů v nádrži. Dlouhodobě zatažená obloha (několik dnů) může mít za následek nedostatečné krytí nároků fytoplanktonu na kyslík a v důsledku toho i vznikající kyslíkové deficity.
Sluneční svit • Světlo vstupující do vodního ekosystému je ovlivněno odrazem, absorpcí a rozptylem. • Do vody neproniká veškeré dopadající světlo – množství odraženého světla závisí na úhlu dopadu. • Hodnota odraženého světla vyplývá z polohy slunce a je závislá na denní a roční době. V našich podmínkách je vodní hladinou odráženo v průměru v létě 3% a v zimě asi 14% dopadajícího světla, více světla se odráží ráno a večer. • Čím kolměji svítí slunce, tím menší odraz • Od klidné hladiny se při dopadu světla pod úhlem 60o odráží 6 %, při 70o je to 13,4 %, při 80o již 34.8 % světla
Sluneční svit • Další ztráty nastávají při průniku světla vodním sloupcem jeho odrazem a rozptylem na částicích vznášejících se ve vodě. • Kvalita světla se směrem ke dnu mění vlivem selektivní absorpce jednotlivých složek slunečního spektra. • Zadržený podíl světla označujeme jako extinkci. • Podíl pronikajícího světla vodním sloupcem jako transmisi (propustnost). • V čistých vodách je nejméně absorbována fialová a modrozelená složka světelného spektra.
odraz
odraz
extinkce transmise
rozptyl
Sluneční svit • Radiační složky slunečního záření: – a) ultrafialové záření, spektrální rozsah 300-390 nm (1-5%) – b) viditelné záření, spektrální rozsah 390-770 nm (asi 47%), PhAR – c) infračervené záření, spektrální rozsah 770-3000 nm (asi 48%), zdroj tepla
Sluneční svit
Transmitance v destilované vodě
R - červená O - oranžová Y - žlutá G - zelená B - modrá V - fialová
720 nm 620 nm 560 nm 510 nm 460 nm 390 nm
Sluneční svit Albedo různých přírodních povrchů Sněhem pokrytý mořský led
0.95
Čerstvý sníh
0.8-0.85
Tající sníh
0.3-0.65
Křemenný písek
0.35
Žula
0.15
Holý zemský povrch
0.02-0.18
Jehličnatý les
0.10-0.14
Voda
0.02
Země jako celek
0.43
0 = kompletní absorbce; 1 = kompletní odraz
Průhlednost a zákal vody • Na propustnosti vody pro světlo závisí hloubka tzv. kompenzačního bodu fotosyntézy, v němž se intenzita fotosyntézy fytoplanktonu vyrovnává s intenzitou jeho dýchání (měřeno produkcí a spotřebou kyslíku). • Průhlednost závisí především na zákalu (množství suspendovaných látek) a barvě vody. • V rybnících vykazuje několik decimetrů a nanejvýš 1-2 metry, v jezerech několik metrů až desítek metrů (Bajkal - 40 m), v mořích a oceánech několik desítek až stovek metrů. V zimě bývá průhlednost větší než v létě, kdy je ovlivňována především intenzitou rozvoje fytoplanktonu (vegetační zákal).
Pronikání světla do hloubky vody Rybník s hustým planktonem
Horské jezero
Průhlednost a zákal vody • Zákal vody může být způsoben buď neživými, jemně rozptýlenými částicemi (abiosestonem) nebo drobnými planktonními živými organismy (biosestonem). • Rozlišení biogenního a nebiogenního zákalu je velmi důležité, poněvadž biogenní zákal nepřímo informuje o intenzitě primární produkce planktonu, kolísání obsahu O2 a CO2 a pH, i o dostatku biogenů. • Průhlednost vody určuje sílu eufotické vrstvy, tj. vrstvy vody, v níž probíhá fotosyntetická asimilace. Vody chudé na živiny mají vysokou průhlednost, vody bohaté na živiny mají nižší průhlednost. • Průhlednost ovlivňuje pronikání světla do vody, viditelnost kořisti predátorem, oteplování vody. Vodu ohřívá tepelné infračervené záření. Na absorpci tohoto záření má vliv zákal, přijímající více tepla než voda čirá. Proto se zakalená voda ohřívá více než voda čistá. Ve stejné nadmořské výšce jsou tedy vody přikalené a rašelinné teplejší než vody čiré.
Barva vody • • • • • • •
Zbarvení různých typů vod je značně rozdílné. Skutečná barva čisté vody v silné vrstvě je modrá (vysokohorská jezera). Destilovaná voda je bezbarvá. Se stoupajícím obsahem rozpuštěných látek se mění propustnost vody pro světlo, jehož jednotlivé složky jsou propouštěny selektivně a tím se mění i barva vody. Barva vody je ovlivněna odrazem barevných odstínů okolí (obloha, půda, vegetace) a zbarvením dna. Odstíny zelené, bývají zpravidla vyvolány vegetačním zbarvením vody mikroskopickými planktonními řasami. Intenzivně hnědé zbarvení vody rašelinišť je způsobeno huminovými kyselinami, avšak může to být i důsledek rozvoje planktonních rozsivek. Dalším zdrojem barevnosti povrchových vod mohou být některé odpadní vody, zejména z textilního průmyslu, uhelný prach, ledovcové „mléko“ z tajících ledovců aj. Rovněž masový výskyt živočichů může působit zabarvení: vířníci-mléčný zákal, perloočky a klanonožci červenavé zbarvení.
Pach vody • Čistá destilovaná voda je kapalina bez chuti a zápachu. Pach biologického původu vzniká při metabolismu a odumírání sinic, řas, vyšších rostlin, bakterií, aktinomycet, plísní, hub a prvoků. Druh a intenzita zápachu závisí na druhu organismu a intenzitě jeho rozvoje. Případně dostává voda pach od látek, které nemají svůj původ ve vodním prostředí. • V důsledku rozvoje některých řas ve vodárenských nádržích (zvláště sinic, rozsivek a některých bičíkovců) může voda nabýt tak nepříjemného zápachu, že je prakticky neupotřebitelná pro vodárenské účely. • Zápach vody nám v některých případech umožní již čichem rozpoznat přítomnost některých plynů, rozpuštěných ve vodě (sirovodík, amoniak). • Také rybí maso může přijímat typický bahnitý pach, vznikající př. činností některých sinic (převážně rod Oscillatoria a Planktothrix). Aby se ryby tohoto pachu zbavili, drží se před konzumem nějakou dobu v čisté vodě (sádkování). • Také některé látky př. nafta, benzin, zhoršují kvalitu masa vodních organizmů- organoleptické závady.
pH vody - koncentrace vodíkových iontů • Část molekul vody je disociována na vodíkové a hydroxylové ionty H+ a OH-. Ve zcela čisté vodě a ve zředěných roztocích lze koncentraci nedisociované vody považovat za konstantní. • Molární koncentrace obou iontů se navzájem rovnají a mají při teplotě 25 °C hodnotu 10-7 mol.l-1 . Součin obou koncentrací má pak hodnotu 10-14 mol.l-1 . Tento součin zůstává konstantní i za přidání látek, které uvolňují vodíkové nebo hydroxylové ionty. Stačí proto určit koncentraci pouze jednoho z nich. V praxi se vžilo určování koncentrace H+ iontů. • Kyselost vodných roztoků je způsobena nadbytkem vodíkových H+ iontů, zásaditost nadbytkem hydroxylových iontů OH-. Koncentrace vodíkových iontů kolísá ve velmi širokém rozmezí mnoha řádů, proto se k vyjádření používá záporně vzatý dekadický logaritmus jejich koncentrace (aktivity).
pH vody - koncentrace vodíkových iontů • O udržení stabilní hodnoty pH rozhoduje především dostatečné množství Ca(HCO3)2, který společně s H2CO3 brání většímu kolísání pH. • Nízké pH vody bývá nejčastěji tam, kde je ve vodě málo vápníku a kde se rozkládá mnoho organických látek (listí, jehličí, rašeliniště). • Snížení pH povrchových vod bývá často způsobeno kyselými odpadními vodami, které nebyly dostatečně nebo vůbec neutralizovány, nebo kyselými dešti. • Zvýšení pH je nejčastěji způsobeno intenzivní fotosyntézou vodních rostlin, sinic a řas.
pH vody - koncentrace vodíkových iontů • Aktivní reakce (pH) vody má velký vliv na fyzikálně-chemický režim vody. Ovlivňuje rozpustnost celé řady látek, které mají značný význam ve fyziologických procesech vodních organismů. • S veličinou pH těsně souvisí rozpustnost solí železa a vápníku a rovněž tak i fosforu, které mají velký význam pro metabolismus řas. • Při silné fotosyntéze řas a rostlin dochází k neustálému zvyšování hodnoty pH. • V povrchových vodách využívaných jako zdroje pitné vody se připouští rozmezí pH 6,5-8,5. Při pH nad 9 již má voda alkalickou příchuť. • V povrchových vodách využívaných pro chov ryb se připouští rozmezí pH 6,0-9,0. • Hodnota pH je vymezena i v požadavcích na jakost provozních vod v řadě průmyslových odvětvích. • Průměrná hodnota pH mořské vody 7,5-8,5.
pH vody - koncentrace vodíkových iontů • Vodní organizmy můžeme rozdělit na stenoiontní (druhy snášející jen malé výkyvy pH vody) např. nálevník Spirostomum ambiguum, který žije jen v úzkém rozpětí pH 7,4-7,6 • Euryiontní (druhy snášející velké výkyvy pH vody) např. vířník Brachionus urceolaris, který žije v rozpětí pH 4,5-11 • Naše ryby snášejí pH v rozpětí přibližně 4,5 až 10,5. Nižší nebo vyšší hodnota pH způsobuje podráždění epitelů a jejich poleptání (především žaber). • Kyselou vodu lépe snášejí ryby lososovité, alkaličtější vody naopak ryby kaprovité.
Hodnota pH v průběhu vegetační sezóny 9 8,5 8 7,5 7 6,5
Sykovec
6
Medlov 5,5 5 4.3.2008
3.4.2008
6.5.2008
5.6.2008
3.7.2008
6.8.2008
3.9.2008
Průměrná, minimální a maximální hodnota pH Zámeckého rybníka v Lednici na Moravě.
ROK Průměrná hodnota pH soustavy lednických rybníků v průběhu vegetační sezóny roku 2001. Datum
Nesyt
Hlohovecký Prostřední
Mlýnský
13.4.
8,86
8,85
8,93
8,55
30.4.
8,90
8,33
9,00
8,80
11.5.
8,63
8,60
8,56
8,53
30.5.
8,57
8,44
7,95
8,53
14.6.
8,66
8,56
7,84
8,80
29.6.
8,53
8,73
8,08
8,65
30.7.
8,77
8,81
8,33
8,81
30.8.
8,88
8,86
8,57
8,93
1996 1997 1998 2001 2002 2003 2004
pH 8,22 7,0 - 8,9 9,08 7,6 - 9,3 8,33 7,9 - 8,7 8,59 7,9 - 9,2 8,68 7,6 - 10,3 8,71 8,1 - 9,6 8,65 7,8 - 10,2
Rozpuštěný kyslík • Kyslík je nejvýznamnější z rozpuštěných plynů ve vodě, která s ním netvoří iontové sloučeniny. • Obsah rozpuštěného kyslíku ve vodě se vyjadřuje hmotnostní koncentrací (mg.l-1) a v procentech nasycení vody kyslíkem, vztažených k rovnovážné koncentraci kyslíku ve vodě za dané teploty a daného atmosférického tlaku. • U podzemních a pitných vod se obvykle nestanovuje, nemá význam ani hygienický ani chuťový. • Množství kyslíku ve vodě značně ovlivňuje většinu biochemických procesů a často proto bývá limitujícím faktorem pro život různých organizmů.
Rozpuštěný kyslík • Podle koncentrace rozpuštěného povrchové vody do třídy čistoty.
kyslíku
řadíme
• Závažný ukazatel při vypouštění odpadních vod do vod povrchových, slouží i ke kontrole chodu čistíren odpadních vod.
Rozpuštěný kyslík • Množství rozpuštěného kyslíku ve vodě závisí na atmosférickém tlaku, množství rozpuštěných látek ve vodě a především na teplotě vody. • S rostoucí teplotou, množstvím rozpuštěných látek ve vodě a rostoucím tlaku se ve vodě rozpouští stále méně kyslíku. • Do vody se kyslík dostává jednak ze vzduchu, jednak z fotosyntézy vodních rostlin, řas a sinic. • Kyslík je z vody spotřebováván na dýchání všech organismů a na veškeré oxidační procesy jak organických, tak anorganických látek. • Vodu, která má obsah kyslíku odpovídající daným fyzikálním podmínkám (tj. tlaku a teplotě), označujeme jako vodu nasycenou kyslíkem na 100 %.
Rozpuštěný kyslík • Dojde-li k porušení rovnováhy, tj. stoupne-li nebo klesne-li množství kyslíku ve vodě nad nebo pod stupeň nasycení, dochází k pozvolnému vyrovnávání s atmosférou. Rychlost vyrovnávání je závislá na rozdílu hodnot nasycení, velikosti styčné plochy a rychlosti promíchávání vody a ovzduší. • Kyslík ve stojatých vodách pochází nejčastěji z fotosyntézy rostlin, zatímco v tekoucích vodách převažuje kyslík atmosférického původu. • V přírodních vodách dochází často ke značným odchylkám od 100 % hodnot nasycení, a to na obě strany. Tyto odchylky jsou tím větší, čím více organismů voda obsahuje.
Rozpuštěný kyslík • V tekoucích neznečištěných vodách se nasycení vody kyslíkem pohybuje neustále kolem 85-100 %. Případné nedosycení nebo přesycení vody kyslíkem (peřejnaté úseky) je neustále vyrovnáváno pohybem vody, zejména jejím vířením. • Množství kyslíku je přibližně stejné v celém vodním sloupci. • Ve stojatých vodách je obsah kyslíku závislý především na fotosyntetické činnosti rostlin a dýchání všech organismů. • Kolísání obsahu kyslíku během 24 hodin v nádrži i rozdíly v nasycení u hladiny a u dna je tím výraznější, čím je biotop na organismy bohatší.
Rozpuštěný kyslík Zdroje a spotřeba kyslíku v rybničním ekosystému
Změny v obsahu rozpuštěného O2, pH a CO2 během 24 hodin.
Změny v obsahu rozpuštěného O2, pH a CO2 během 24 hodin.
Rozpuštěný kyslík • Hlavní příčinou různého obsahu kyslíku v různých vrstvách vody v hlubokých nádržích je skutečnost, že v důsledku vertikální tepelné stratifikace a vzniku letní stagnace se nemůže kyslíkem bohatá horní vrstva epilimnia smísit s hlubšími, na kyslík chudšími vrstvami. • Zatímco povrchové vrstvy bývají přes den zpravidla kyslíkem výrazně přesyceny v důsledku asimilační činnosti fytoplanktonu, v hlubších vrstvách bývá kyslíku nedostatek, protože je tu málo světla a protože je tu větší množství organické hmoty podléhající oxidaci. • U většiny oligotrofních jezer je obsah kyslíku v hypolimnionu vysoký i v období letní stagnace. Tento stav je způsoben nízkou produkcí organické hmoty v epilimniu. • V podzemních vodách bývá kyslíku vždy méně, než odpovídá 100 % nasycení a v některých případech klesá jeho obsah až na nulu. To souvisí s tím, že kyslík je postupně spotřebováván na oxidaci organických látek, jimiž se voda při prosakování půdou obohatila.
Rozpuštěný kyslík
Rozpuštěný kyslík Roční průběh teploty a koncentrace kyslíku v oligotrofní a eutrofní nádrži.
Rozpuštěný kyslík • Podle vztahu ke kyslíku se dělí organismy na euroxybiontní a stenoxybiontní. • Obsah kyslíku ve vodě je jedním z nejdůležitějších faktorů při chovu ryb. Jednotlivé druhy ryb mají dosti odlišné nároky na obsah kyslíku ve vodě. • Pro lososovité v letních měsících je kritické množství kyslíku 5,0 5,5 mg⋅l−1. Při 4,0 mg⋅l−1 lze pozorovat obtíže při dýchání a při 1,0 2,0 mg⋅l−1 již v krátkém čase hynou. • Obsah kyslíku u dna stojatých vod značně ovlivňuje výskyt organizmů. Vody s dostatkem kyslíku u dna jsou osídleny převážně larvami pakomárů rodu Tanytarsus (tanytarsové nádrže). Vody s nízkým obsahem kyslíku u dna jsou osídleny převážně larvami pakomárů rodu Chironomus (chironomové nádrže). V případě, že kyslík u dna chybí a naopak je přítomen sirovodík je dno často osídleno larvami koreter rodu Chaoborus (chaoborové nádrže).
Rozpuštěný kyslík • Pro kapra je optimální obsah kyslíku během vegetačního období nad 6,5 mg⋅l−1, obsah kyslíku 3,0 - 3,5 mg⋅l−1 je již dlouhodoběji nepřijatelný. V zimním období nemá poklesnout obsah O2 pod 3 mg⋅l−1. • S růstem průměrné kusové hmotnosti se nárok na kyslík významně snižuje. K1=1, K2=0,5-0,7, Kv=0,3-0,4 • Spotřeba kyslíku kaprem = 1, pstruh 2,83; peleď 2,20; candát 1,76; plotice 1,51; jeseter 1,50; okoun 1,46; cejn 1,41; štika 1,10; úhoř 0,83; lín 0,83. • Obsah kyslíku ve vodě je důležitý i pro vývoj jiker. Lososovité ryby, žijící v chladné a na kyslík bohaté vodě, mají jikry poměrně velké, zatímco kaprovité ryby, které žijí ve vodách na kyslík chudších, mají jikry daleko menší, aby poměr objemu jikry k jejímu povrchu byl co nejvýhodnější a zásobování zárodku kyslíkem co nejlepší.
Rozpuštěný kyslík • Kritické stavy v obsahu kyslíku: • V zimním období led a silná vrstva sněhu. • V letním období v ranních hodinách v silně eutrofních vodách. • V nádržích značně přesazených rybami nebo zaplněných zooplanktonem. • Při náhlém odeznění vodního květu sinic. • Při rozkladu herbicidem zasažených nebo posekaných vodních rostlin. • Při zatížení nádrže odpadními vodami. • Při přepravě většího množství ryb v malých nádržích.
Hodnoty nasycení vody kyslíkem na přítoku a odtoku z Jarohněvického rybníka DATUM 26.2.2002 5.3.2002 12.3.2002 20.3.2002 26.3.2002 2.4.2002 9.4.2002 17.4.2002 22.4.2002 30.4.2002
KYSLÍK (%) PŘÍTOK ODTOK 67 133 75 162 82 63 97 146 107 111 87 277 94 141 68 189 81 58 59 93
Průměrná, minimální a maximální hodnota % obsahu rozpuštěného kyslíku Zámeckého rybníka v Lednici na Moravě.
ROK Hodnota rozpuštěného kyslíku (mg.l-1) soustavy lednických rybníků v průběhu vegetační sezóny roku 2001.
1996 1997
Datum Nesyt Hlohovecký
Prostřední
Mlýnský
13.4.
11,5
17,5
16,6
9,6
30.4.
8,8
7,9
14,1
11,1
11.5.
13,1
8,7
7,7
8,7
30.5.
7,6
7,4
2,5
7,7
14.6.
9,3
10,5
4,2
13,9
29.6.
6,3
7,4
4,1
4,8
30.7.
9,4
15,2
8,3
12,2
30.8.
10,7
8,9
7,1
9,6
1998 2001 2002 2003 2004
O2 (% ) 110 65 - 169 125 43 - 174 113 58 - 159 107 58 - 201 119 41 - 335 81 37 - 180 79 40 - 173
Amoniakální dusík • Amoniakální dusík se vyskytuje téměř ve všech typech vod. Je primárním produktem rozkladu organických dusíkatých látek živočišného i rostlinného původu. • Organického původu je rovněž ve splaškových a odpadních vodách ze zemědělských výrob. Může vznikat přímo ve vodě redukcí dusitanů nebo dusičnanů. • Anorganického původu je v odpadních vodách z tepelného zpracování uhlí, může být obsažen i v pitných vodách dezinfikovaných chloraminací. • Plynný amoniak (molekulární, nedisociovaná forma NH3) se ve vodě ihned rozpouští za tvorby amonných solí (iontová, disociovaná forma NH4+). Vzájemný poměr obou forem závisí na pH a teplotě.
Amoniakální dusík • Atmosférické vody obsahují amoniakální dusík obvykle v desetinách mg.l-1, v průmyslových oblastech může jeho koncentrace vzrůst až na jednotky. • Podzemní vody obsahují obvykle do 0,1 mg.l-1 N-NH4+, vyšší koncentrace u vod v kontaktu s vodami ropnými (i přes 100 mg.l-1 N-NH4+) . • Čisté povrchové vody obvykle jen stopy, max. desetinu mg.l-1, v znečištěných vodách i desítky mg.l-1. • Mořská voda ve svrchních vrstvách pouze desítky µg.l-1, ve větších hloubkách až jednotky mg.l-1 N-NH4+. • Amoniakální dusík je v přírodních vodách za aerobních podmínek velmi nestálý. Biochemickou oxidací (nitrifikací) přechází na dusíkaté sloučeniny vyšších oxidačních stupňů.
Amoniakální dusík • Patří mezi ukazatele chemického složení povrchových vod, podle nichž se řadí do tříd čistoty. • Je závažným ukazatelem při vypouštění odpadních vod do vod povrchových. Obsah amoniaku je sledován při kontrole provozu a účinnosti biologických čistíren. • U pitné vody slouží obsah amoniakálního dusíku jako indikátor znečištění živočišnými odpady (nutno vyloučit anorganický původ a vznik z rozkladu látek rostlinného původu). • Amoniakální dusík je nezbytný pro tvorbu nové biomasy mikroorganizmů. Činností heterotrofních a autotrofních organizmů je přeměňován na dusík organicky vázaný.
Amoniakální dusík • Amoniakální dusík ve formě amonných solí je pro hydrobionty neškodný i v množství několika desítek mg.l-1, plynný amoniak je pro ryby však značně toxický. • Hranice toxicity pro tlouště je 1,0 - 1,2 mg⋅l−1, pro plůdek pstruha duhového však již 0,006 - 0,010 mg⋅l−1. • LC50 pro kaprovité 1,0-1,5 mg⋅l−1 NH3, pro lososovité 0,5-0,8 mg⋅l−1 NH3, • Maximální přípustná koncentrace pro kaprovité 0,05 mg⋅l−1 NH3, pro lososovité 0,0125 mg⋅l−1 NH3. •
Výpočet:
Amoniakální dusík • Ryby se zbavují přes 90 % veškerého amoniaku, vznikajícího v důsledku metabolismu v jejich těle uvolňováním přes žábry na základě koncentračního spádu. • Stoupající koncentrace amoniaku v okolní vodě tak může bránit a posléze i zablokovat další uvolňování amoniaku z těla ryb. To může vést postupně až k autointoxikaci ryb, jejich onemocnění a posléze i úhynu. • Ryby zasažené toxickým amoniakem jeví neklid, nouzově dýchají, typickým znakem jsou křeče svaloviny, světlá barva, žábry překrvené a zahleněné, drobné krváceniny. • Toxicita amoniaku stoupá se snižující se koncentrací kyslíku.
Amoniakální dusík
Hodnoty amoniakálního dusíku tří rybníků v průběhu vegetační sezóny.
0,4 0,35 Sykovec 0,3 Jaroslavický 0,25
Zámecký
0,2 0,15 0,1 0,05 0 11.3 1.4
3.4 28.4 30.4 6.5 27.5 4.6
5.6 30.6 2.7
3.7 30.7 6.8
7.8 28.8 2.9
3.9 29.9 27.10
Hodnoty amoniakálního dusíku vybraných toků v průběhu vegetační sezóny. 0,45 0,4 0,35 0,3
Bečva Fryšávka Dyje
0,25 0,2 0,15 0,1 0,05 0 4.3 11.3 1.4 3.4 22.4 30.4 6.5 4.6 5.6 29.6 2.7 3.7 28.7 6.8 7.8 1.9 2.9 3.9 28.9 5.11
Oxid uhličitý • Plynný CO2 je ve vodě snadno rozpustný (cca 200x rozpustnější než O2), takže jeho množství ve vodě je v poměru k jiným plynům vyšší, než odpovídá jeho objemovému podílu v ovzduší (0,03%). • Na dalším zvýšení CO2 ve vodě se podílí bakteriální rozklad organické hmoty a dýchání vodních rostlin a živočichů. Rovněž voda prosakující půdními horizonty je obohacována CO2 z půdního vzduchu (obsah CO2 v půdní atmosféře obnáší až 3 objemová %). • CO2 chemického původu vzniká rozkladem minerálů kyselými vodami, objevujícími se při oxidaci sulfidických rud, nebo se uvolňuje při oxidaci dvojmocného železa v hydrogenuhličitanových vodách.
Oxid uhličitý • CO2 je rozpuštěn ve vodě převážně v molekulární formě. Jen asi necelé 1 % reaguje s vodou za vzniku H2CO3. • H2CO3 je ve vodě částečně disociována na ionty H+ a hydrogenuhličitanové ionty HCO3-. Ionty HCO3- dále disociují na ionty H+ a uhličitanové CO32- a zvyšují tak kyselost vody (pokles pH). • Rozpuštěný CO2 ve vodě se nazývá volný oxid uhličitý a pod tímto pojmem se rozumí součet koncentrací volně hydratovaného CO2 a H2CO3. • Iontové formy oxidu uhličitého představují ionty HCO3- a CO32-. V nich obsažený oxid uhličitý se nazývá vázaný a dělí se na hydrogenuhličitanový (bikarbonátový) a uhličitanový. Součet všech tří forem, volného, hydrogenuhličitanového a uhličitanového se nazývá veškerý oxid uhličitý.
Změny v relativním zastoupení CO2, HCO3- a CO32v přírodních vodách v závislosti na změnách pH.
Oxid uhličitý • Rozpuštěný volný oxid uhličitý je obsažen téměř ve všech přírodních vodách, jejichž pH nepřesahuje 8,3. Obsah CO2 se snižuje únikem do atmosféry, chemickou vazbou některými minerály (CaCO3) a odčerpáváním rostlinami při fotosyntetické asimilaci. • V povrchových vodách jeho obsah nepřekračuje 20 - 30 mg.l-1. Podzemní vody obsahují obvykle několik desítek mg.l-1 CO2, vody minerální pak několik stovek až přes 1.000 mg.l-1 (kyselky). • Ve stojatých vodách dochází ke stratifikaci obsahu CO2 vlivem fotosyntetické asimilace. Svrchní vrstvy obsahují obvykle méně volného CO2 než vrstvy spodní.
Oxid uhličitý • Hydrogenuhličitany (kyselé uhličitany) - HCO3• Jsou běžnou součástí všech přírodních vod. Atmosférické vody obsahují několik desítek mg.l-1 HCO3-, povrchové vody desítky až stovky mg.l-1, minerální vody stovky až tisíce mg.l-1. V mořské vodě je průměrně obsaženo jen 150 mg.l-1. • Uhličitany - CO32• Uhličitany se v podzemních a povrchových vodách zpravidla nevyskytují. Jejich výskyt je vázán na intenzivní fotosyntézu vodních rostlin, sinic a řas. • Normální uhličitany se mohou vyskytovat též v užitkových nebo provozních vodách, které byly upraveny změkčením nebo odkyselováním (textilní průmysl, prádelny).
Oxid uhličitý • V důsledku intenzivní fotosyntézy může dojít k úplnému vyčerpání obsahu CO2 a tím vzrůstu pH nad 8,3. V eutrofních vodách může být tedy i látkou limitující rozvoj rostlin. • CaCO3 + H2O + CO2 ' Ca2+ + 2 HCO3• Po odčerpání volného CO2 dochází k rozkladu kyselých uhličitanů a pH vody může vystoupit až nad hodnotu 10,0, při rozkladu normálních uhličitanů pak až na hodnoty kolem pH 11,0. • CaCO3 J CaO + CO2 • CaO + H2O J Ca(OH)2 • Rozpustnost CaCO3 ve vodě je asi 15 mg.l-1, pokud voda neobsahuje rozpuštěný CO2.
Změny v obsahu rozpuštěného O2, pH a CO2 během 24 hodin.
Oxid uhličitý • Nadbytek CO2 ve vodě může vést ke ztíženému uvolňování vydechovaného CO2 (uvolňování přes žábry či jiné povrchy) z těl hydrobiontů. • V přírodě však zpravidla k těmto extrémním stavům nedochází. Nadbytek CO2 se kombinuje s dalšími nepříznivými faktory, zpravidla s nedostatkem kyslíku, nízkým pH a zvýšeným obsahem Fe. • Je-li ve vodě přítomno naopak menší množství volného CO2 než odpovídá rovnovážnému stavu, má voda tendenci vylučovat CaCO3 a tvořit inkrustace.
Sirovodík • Sirovodík a jeho iontové formy se vyskytují v přírodních vodách jen zřídka a pouze v malých koncentracích (vzhledem k jejich snadné oxidaci). • Anorganického původu je sirovodík vznikající rozkladem sulfidických rud a biologickou redukcí síranů, dalším zdrojem mohou být vulkanické exhalace. • Organického původu je sirovodík vzniklý biologickým rozkladem organických sirných látek v anaerobním prostředí. • Umělým zdrojem mohou být odpadní vody z koželužen, tepelného zpracování uhlí, zpracování ropy, barvíren aj. • Ve vodách se nedisociovaný sirovodík (H2S) vyskytuje při nižším pH (pod 6), při vyšších hodnotách je převážně ve formě jednoduchých iontů (S2- a HS-).
Sirovodík • Sirovodík je jedovatý plyn, který se ve vodách vyskytuje nejčastěji u dna, kde je nedostatek kyslíku. V aerobním prostředí je nestabilní a podléhá postupně oxidaci až na sírany (SO42-). • Minerální vody obsahující minimálně 1 mg.l-1 S-H2S se označují jako vody sirné (sirovodíkové). Bohaté na obsah sirovodíku jsou minerální vody ropného původu. • Množství sirovodíku u dna hlubokých nádrží, kam proniká kyslík jen pozvolna, může být značné. Jeho koncentrace v hypolimniu jezer může dosáhnout hodnot až stovek mg.l-1. • Např. v Černém moři je bez sirovodíku pouze horní vrstva vody o síle 150-200 m, zatímco níže ležící vrstvy jsou sirovodíkem nasyceny a tudíž bez života.
Sirovodík • Na horní hranici sirovodíkové zóny dochází často k rozvoji sirných baktérií, které syntetizují organické látky ze sirovodíku v procesu chemosyntézy. • H2S a jeho iontové formy mohou být příčinou koroze zdiva vodních staveb. Vznikající sirovodík je biochemicky oxidován až volnou H2SO4 baktériemi obsaženými v slizových vrstvách na stěnách staveb. • Norma pro pitnou vodu připouští nejvýše 0,01 mg.l-1, ve vodárenských tocích se přítomnost H2S nepřipouští, v ostatních může být nejvýše 0,1 mg.l-1. • Pro vodní živočichy je sirovodík jedovatý. Letální koncentrace pro ryby se pohybuje od 0,4 mg⋅l−1 (lososovité) do 4 mg⋅l−1 H2S (karas, lín). Při vyšším pH toxicita H2S klesá.
Chlor • Volný chlór se v přírodních vodách nevyskytuje. • Chlor je nejčastěji používaným dezinfekčním činidlem ve vodárenství, navíc se používá k bakteriologickému zabezpečení nezávadnosti vody. • Volný chlór se používá jako bělicí prostředek v různých průmyslových odvětvích (textilní a papírenský průmysl), může se též objevit v odpadních vodách z čistíren, cukrovarů, nemocnic aj. • Volný chlór působí na vodní organizmy a ryby toxicky. Rozrušuje žábra (žaberní lístky se bělavě zbarvují) až po úplné odumírání žaberního epitelu. • Při nižších teplotách je účinek silnější, poněvadž se chlór ve vodě déle udrží, zatímco při vyšších teplotách se chlór rychle váže především na organické látky. • Koncentrace 0,04-0,2 mg⋅l−1 aktivního chloru je při dlouhodobém působení toxická pro většinu ryb. • Chlorovaná pitná voda obsahuje 0,05 až 0,3 mg⋅l−1 aktivního chloru.
Metan • Methan neboli bahenní plyn vzniká ve vodách při rozkladu celulózy. Plyn je bez zápachu a jeho toxicita není výrazná. • K nebezpečnému nahromadění methanu pro ryby ve vodě může dojít v zimě pod ledem. Jeho množství ve vodě může dosáhnout několika mg.l-1. • Jedovatost methanu je nepřímá, vytlačuje z vody kyslík a tak může způsobit dušení ryb. Bubliny methanu uvolňující se ze dna a vystupující k hladině navíc strhávají i části sedimentu do pelagiálu, kde jsou tyto části oxidovány. • Nejvíce methanu se vyskytuje ve vodách silně zarostlých, v bahnu mrtvých ramen řek, v tůních, malých mělkých rybnících a v odpadních vodách především z potravinářského průmyslu (cukrovary).
Sloučeniny fosforu • Přirozeným zdrojem P jsou minerály a horniny (např. apatit, fosforit, kaolinit) a rozklad odumřelé vodní fauny a flóry • Umělého původu je P ze splaškových vod, živočišných odpadů, odpadních vod z pivovarského a textilního průmyslu, prádelen a ze splachů obdělávané půdy hnojené fosforečnými hnojivy • Ve vodách se P vyskytuje v nejrůznějších formách buď rozpuštěný nebo nerozpuštěný (suspendovaný), organický nebo anorganický • V koloidně rozptýlené formě a ve formě orthofosforečnanů je nejpřijatelnější pro primární producenty • V podzemních vodách je P v malých koncentracích díky snadnému zadržení v půdě • V povrchových neznečištěných vodách se koncentrace pohybují v tisícinách až setinách mg.l-1 P, v znečištěných v desetinách, výjimečně i jednotkách mg.l-1 P
Sloučeniny fosforu • Fosfor je důležitým prvkem z hlediska eutrofizace • V zimním období je množství reaktivního P ve vodě nejvyšší, protože probíhá mineralizace těl odumřelých organizmů odkud se P uvolňuje do vody, aniž se jinými organizmy spotřebovává (nízká biomasa hydrobiontů i intenzita metabolizmu) • V jarním období s nástupem vegetace se obsah P začíná rychle snižovat a obsah asimilovatelného P může klesnout až k nule • Nastává období deprese fytoplanktonu, fáze „clear water“, obsah P se zvýší a s nástupem nové biomasy primárních producentů se jeho obsah opět rychle snižuje • v letních měsících je v podstatě veškerý P poután v biomase hydrobiontů a jeho koncentrace ve vodě jsou minimální (roste obsah partikulovaného P tj. P vázaný v biomase fytoplanktonu a baktérií)
Sloučeniny fosforu • Některé řasy dokáží hromadit P do zásoby nad rámec své aktuální potřeby a takto nahromaděný P využívají v období jeho nedostatku (množství P v tělech řas může být oproti okolnímu prostředí i více než tisícinásobné) • Fosfor je důležitý biogenní prvek, je nepostradatelnou živinou pro primární producenty, není sice stavebním prvkem bílkovin, ale bez P není bílkovinná syntéza možná • Na syntézu 100 mg nové biomasy se spotřebuje asi 1 mg P • Hmotnostní poměr sloučenin C, N a P v rostlinné biomase činí nejčastěji 40 C: 7 N: 1P (tj. v atomárním poměru 106 C: 20 N: 1P), v přirozených povrchových vodách činí tento hmotnostní poměr asi 600 C: 20 N: 1 P – fosfor je tedy limitujícím prvkem produkce
Sloučeniny fosforu • Koloběh P – u mělkých nádrží je koloběh P rychlejší a vrací se do něj značná část fosforu, u hlubokých nádrží má P tendenci hromadit se v sedimentech dna a jen malá část se vrací do koloběhu. • Na poutání P v sedimentech mají rozhodující vliv oxidačně-redukční podmínky, pH a chemické složení sedimentů. • Kyselé sedimenty poutají fosfor, vyšší pH nad 7 a zvýšení obsahu Ca usnadňuje přechod P ze sedimentů do vody. • Důležitý je obsah kyslíku u dna nádrží, v případě dostatku kyslíku dochází k poutání P v sedimentech (částečné uvolnění P za oxických podmínek u dna je možné jen při alkalické reakci a dostatku Ca) • Při nedostatku kyslíku u dna dochází k redukci trojmocných oxidů a vznikají dvojmocné rozpustné formy a P se uvolňuje do roztoku • V celkové bilanci koloběhu P v nádržích obvykle převažuje posun P z vod do sedimentů nad jeho zpětným uvolňováním
Koloběh P ve vodním ekosystému v interakci se železem a sírou
Sloučeniny fosforu • Žádná z přirozených sloučenin P nevykazuje tendenci k vypařování – nemůže tedy být přemisťována atmosférou • Z hlediska globálního koloběhu P, se uvolněný P zvětráním hornin dostane do vod a odtud je v sedimentech splavován do moří, kde se usazuje • Návrat P je možný pouze přes biosféru (trus ptáků – ložiska guana, rybolov) a za normálních okolností je velmi pomalý • P deponovaný v hlubinných sedimentech moří představuje jeho dlouhodobou ztrátu (tzv. propad fosforu) • Tento přirozený koloběh výrazně narušil člověk zvýšenou těžbou a využíváním fosfátů, aplikací fosforečných hnojiv kdy došlo k značnému zrychlení koloběhu P a tím i zvýšení eutrofizace vod
Sloučeniny dusíku • Dusík patří mezi nejdůležitější biogenní prvky ve vodách • Sloučeniny dusíku se uplatňují při všech biologických procesech probíhajících v povrchových, podzemních i odpadních vodách • Dusík se vyskytuje ve vodách v různých oxidačních stupních, v iontové i neiontové formě (N-NH4, N-NO2, N-NO3) • Distribuce jednotlivých forem je ovlivněna zejména biochemickými procesy probíhajícími ve vodách • Anorganickým zdrojem N jsou splachy ze zemědělsky obhospodařované půdy (hnojené N-hnojivy), atmosférické srážky, odpadní vody (např. ze zpracování uhlí, splaškové OV) • Člověk produkuje denně asi 12g N • Organickým zdrojem N jsou odpady ze zemědělské výroby (močůvka, siláže), biomasa odumřelých organizmů
Sloučeniny dusíku • Atmosférický N – je méně rozpustný než kyslík (poměr ve vodě 1:2 oproti 1:5 ve vzduchu), plynnou formu N dokáží využít jen některé baktérie (planktonní sinice) • Amoniakální N – je primárním produktem rozkladu organických dusíkatých látek, produkt metabolizmu živočichů • Organického původu je amoniakální N také ve splaškových vodách a v odpadech ze zemědělských výrob • Sekundárně může vznikat redukcí NO2- nebo NO3• Anorganického původu je z odpadních vod z plynáren, koksáren, generátorových stanic, z pitných vod dezinfikovaných chloraminací, z průmyslových exhalací • Jednoduché amonné soli se nevyskytují jako minerály
Sloučeniny dusíku • při rozpouštění amoniaku vzniká hydrát NH3.H2O, který disociuje na ionty NH4+ a OH-. Poměr zastoupení obou forem je závislý na pH a teplotě vody. • Koncentrace v povrchových vodách převážně v desetinách mg.l-1 • Nezbytný pro tvorbu nové biomasy mikroorganizmů • Amoniakální N je nestálý a rychle se oxiduje na NO2- a NO3• Indikátor fekálního znečištění (při vyloučení jeho anorganického zdroje a z rozkladu organických N-látek rostlinného původu) hranicí je 0,5 mg.l-1 N-NH4+ současně s pozitivním nálezem bakteriálního znečištění
Sloučeniny dusíku • Dusitanový N – NO2- se nevyskytují jako minerály, ve vodách vznikají biochemickou oxidací amoniakálního dusíku nebo biochemickou redukcí dusičnanů • Tvoří se při elektrických výbojích v atmosféře oxidací elementárního N • Bohaté na NO2- jsou odpadní vody z výroby barviv a ze strojírenských závodů (NO2- se používají jako inhibitory koroze) • V čistých podzemních a povrchových vodách pouze ve stopách • Desetiny mg.l-1 N-NO2- v železnatých a rašelinných vodách, v hypolimniu nádrží, ve vodách s nízkou koncentrací kyslíku • Dusitany velmi nestálé, jsou snadno oxidovány nebo redukovány • Způsobují methemoglobinemii, v trávicím traktu můžou být biotransformovány v karcinogenní nitrosoaminy
Sloučeniny dusíku • • • • • • • •
Dusičnanový N – v minerálech zřídka (dusičnan sodný) Vznikají hlavně sekundárně při nitrifikaci amoniakálního dusíku Jsou konečným stupněm rozkladu N-látek v aerobním prostředí Vznikají při elektrických výbojích v atmosféře oxidací elementárního N Dalším zdrojem je hnojení zemědělsky obdělávaných půd, odtoky čistíren odpadních vod V čistých podzemních a povrchových vodách obvykle v jednotkách mg.l-1 Za aerobních podmínek jsou stabilní, ve vodách s nedostatkem kyslíku podléhají redukci na dusitany V půdě nejsou téměř zadržovány a pronikají tak při infiltraci i do vzdálených míst
Sloučeniny dusíku • V povrchových vodách souvisí obsah dusičnanů se stupněm eutrofizace a patří mezi ukazatele používané ke klasifikaci vod dle čistoty • Organicky vázaný N – hlavními formami organicky vázaného N jsou bílkoviny, jejich rozkladné produkty a močovina • Organický N je původu živočišného, rostlinného nebo z průmyslových odpadních vod (potravinářství) • Stanovení organického N může mít význam při hodnocení znečištění vod • V povrchových vodách se vyskytuje v nepatrných koncentracích a běžně se neurčuje • N umělého původu – (kyanidy, kyanatany)
Sloučeniny dusíku • Koloběh N – značně komplikovaný biogeochemický cyklus • Organické N-látky se rozkládají mikrobiální činností a N se uvolňuje jako amoniakální (proces deaminace, amonifikace). V této formě je využíván mikroorganizmy (bakterie, sinice, řasy, rostliny) k syntéze nové biomasy • V aerobních podmínkách je amoniakální dusík oxidován nitrifikačními bakteriemi na dusitany a dusičnany (proces nitrifikace) • V anaerobních podmínkách může dojít k redukci dusičnanů a dusitanů až na elementární N nebo N2O a NO (proces denitrifikace)
Sloučeniny síry • V přírodních a odpadních vodách se síra vyskytuje v různých oxidačních stupních (0, II, IV, VI) • Přírodním zdrojem S je rozklad organických látek (bílkovin), v kterých síra udržuje trojrozměrné uspořádání a výluhy z minerálů • Umělým zdrojem jsou odpadní vody z moříren kovů, městské a průmyslové exhalace • V běžných přírodních vodách nejčastěji ve formě jednoduchého iontu SO42-, v jednotkách, desítkách i stovkách mg.l-1, thiosírany a siřičitany se v přírodních vodách téměř nevyskytují • V současnosti narůstá antropický vliv na koloběh síry v biosféře včetně vodních ekosystémů • Spalování fosilních paliv (uhlí, nafta) nadměrně zvyšuje množství oxidu siřičitého (SO2) v ovzduší, SO2 je snadno vymýván srážkami a je hlavní příčinou tzv. kyselých dešťů
Vápník • Ca je důležitý stavební prvek, především mechanických pletiv (koster) a rozhoduje o stabilitě pH vody • Množství Ca ve vodách závisí převážně na geologickém podloží, v prahorních útvarech (žuly,ruly) mívají toky pouze několik mg.l-1, vody z vápencových (krasových) útvarů i několik set mg.l-1 • Pro omezenou rozpustnost vápenatých solí nebývá ani v minerálních vodách obvykle více než 1 g.l-1 Ca • V mořské vodě je průměrný obsah Ca 400 mg.l-1
Hořčík • Hořčík je nezbytný prvek, podílí se na přenosu fosforu v energetickém systému buňky, u autotrofních je vázán v molekule chlorofylu • Větší množství Mg ve vodách je dáno obsahem rozpuštěného CO2, který výrazně zvyšuje rozpustnost látek na bázi uhličitanů. • Mg je ve vodách kvantitativně méně zastoupen než Ca • V minerálních vodách může být i několik g.l-1 Mg, obsah Mg nad 250 mg.l-1 se projevuje hořkou chutí • V mořské vodě je průměrný obsah Mg 1300 mg.l-1
Železo • Železo se podílí na enzymatických a oxidačně metabolických procesech, je aktivní složkou hemoglobinu atd. • Železo ovlivňuje senzorické vlastnosti vody a to barvu, chuť a zákal. Již v koncentracích kolem 0,5 mg.l-1 může Fe způsobovat zákal vody oxidací v aerobních podmínkách, nebo může být příčinou nadměrného rozvoje železitých baktérií • V rybářských provozech můžou vyšší koncentrace Fe způsobit značné problémy, především v odchovnách ranných stadií ryb a líhních. • Fe se sráží na alkalicky reagujících žábrách ryb a na jikrách. Sraženina zabraňuje výměně plynů, dochází k pomnožení železitých baktérií a úhynům jiker a ryb.
Železo • Ve vodách nejčastěji v oxidačním stupni II (bezkyslíkaté prostředí) a III (kyslíkaté prostředí) v rozpuštěné nebo nerozpuštěné formě, část Fe i v koloidním stavu • Vyšší obsah Fe v kyselých vodách (rašeliniště) - indikátor málo úrodných vod • V přírodních vodách dochází ke stratifikaci Fe, v zimním a letním období se hromadí rozpuštěné i nerozpuštěné formy Fe u dna, jsou redukovány na Fe2+, při cirkulacích návrat do vodního sloupce oxidace na Fe3+ a hydrolýza • Přes léto vysrážení Fe do sedimentů, pokud u dna anaerobní podmínky a CO2, Fe v oxidačním stupni II v rozpuštěné formě, pokud u dna sirovodík je Fe poutáno do sedimentů ve formě FeS
Organické látky • Organické látky významně ovlivňují chemické a biologické vlastnosti vod, kdy mohou: • - mít účinky kacinogenní, genotoxické, mutagenní, alergenní nebo teratogenní (aromatické uhlovodíky pesticidy, polychlorované bifenyly) • - ovlivňovat barvu vody (huminové látky, barviva, ligninsulfonany) • - ovlivňovat pach a chuť vody (uhlovodíky, chlorfenoly, látky produkované mikroorganizmy hl. sinicemi a aktinomycetami) • - ovlivňovat pěnivost vody (tenzidy, ligninsulfonany) • - tvořit povrchový film na hladině a tím ovlivňovat obsah kyslíku ve vodě (ropa, oleje) • - ovlivňovat komplexační kapacitu vody a tím desorbovat toxické kovy ze sedimentů (komplexotvorné látky)
Organické látky • Především huminové látky tvoří komplexní sloučeniny (cheláty) s řadou kovů, které jsou asimilovatelné primárními producenty a umožňují tak pokrytí metabolické potřeby mikroelementů. • Hrají důležitou roli (i v minimálních koncentracích) v orientaci lososovitých ryb při návratu na trdliště. • Celkové množství a druhová pestrost antropického původu neustále narůstá.
organických
látek
• Obsah organických látek se ve vodách pohybuje v širokém rozmezí, v pitných vodách jsou přítomny desetiny až jednotky mg.l-1, v povrchových desítky mg.l-1 a ve znečištěné vodě i desítky g.l-1.
