živočich - atmosféra

izotopy vody

Izotopy kyslíku a vodíku v systému půda - rostlina/živočich - atmosféra

izotopy vody

OBSAH • Ochutnávka: k čemu je dobré studovat izotopy vody? • Začínáme izotopovou polévkou: oceán, výpar a déšť • Příjem vody rostlinou: první doušek přes kořeny • Proč mají listy víc těžké vody než půdní a stonková voda? • Příjem vody rostlinou: druhý doušek jde z atmosféry • Izotopový otisk v organické hmotě (celulóze)

izotopy vody

1. Skrytá polovina rostlin - v čem mohou pomoci izotopy? (Příjem vody a její vedení kořeny)

Obr. z Gibbens & Lenz 2001, Dawson 1993, Čermák 2003

2. Jak se mění aktivita terestrické vegetace? Umírají lesy na kontinentech?

70 % veškeré evaporace z Evropy prochází průduchovými póry. Voda vypařená z listů má jiné izotopové složení než voda vypařená z půdy.  Ch Körner

izotopy vody

3. Výdej vody - krajinná hydrologie Kolik se vypařuje vody z rostlin a kolik z půdy ?

Princip zjištění složek evapotranspirace

Atmosféra izo topová směs T a E

Transpirace izo topově stejná s pod zem ní vod ou

Evaporace izo topově och uzená

T

E

izotopy vody

4. Co řeknou izotopy v letokruzích o minulém klimatu?

Strom je úžasná bytost! Ukotven po staletí na jednom místě přijímá uhlík z atmosféry a kombinuje jej s kyslíkem a vodíkem z vody, vytváří z nich organickou hmotu, kterou ukládá rok po roce v sekvenčních vrstvách, kterými zesiluje svůj kmen. Občas kmen padne do bažiny nebo jezera, kde za příznivých podmínek přetrvá po tisíce až staticíce let. Pak už jen stačí, abychom si uvědomili, že máme k dispozici archiv obsahující detailní údaje o jistém výseku z paleoklimatu, stačí aby přišli „žabí muž s motorovou pilou a operátoři hmotového spektrometru a archiv „otevřeli“. Současné nejstarší záznamy: borovice 7000 let, dub 8000 let nazpět. Výhody proti jiným archivům (např. sedimenty): přesná, rozlišitelná roční chronologie. Výhoda izotopů proti šířce letokruhů: relativně jednoduchá a poznaná závislost na klimatu. (rev.McCarroll, Loader 2004).

izotopy vody

4. Paleoklima: Jak teplé bylo moře před 20 milióny lety ?

izotopy vody

5. Geografický původ, autenticita, forenzní vědy Poznáte, kde jsem strávil dětství? A kde jsem naposledy bydlel ?

Fry: Stable Isotope Ecology (2006)

izotopy vody


Water isotopes

Ocean = 18O and D spicy soup 1

1

18

H 16

H

0.2 %

H

99.8 %

O 1

O 1

2

H 16

SIBAE Springschool `07

H

O 1

H

0.015 %

Water isotopes

1

H 16

1

O 1

18

H

99.8 + 0.008 %

H

O 1

0.2 -0.001 %

2

H 16

H

O 1

0.015 – 0.007 % δ=

(D H )

( H)

−D

( H)

vapour

oceanwater

D

oceanwater

⋅1000

Fractionation

H

Water isotopes

Equilibrium fractionation of water Saturation vapour pressure of “heavy” water is less than saturation pressure of “light” water In H2O with little „spice“ of DHO vapour H2O

vapour DHO

es H2O > es DHO liquid H2O

liquid DHO

ε

* D

[D/ H]liquid = −1 ≅ 0.084 [D/ H]vapour

Equilibrium fractionation factor

The vapour (product) is depleted in D by 84 ‰ as compared to liquid (substrate) In 18O, the vapour is depleted by 9.8 ‰.

Water isotopes

Kinetic fractionation of water diffusion is sensitive to molecular mass, so, the light water diffuses faster than the heavy one

Kinetic fractionation factor

H2O

DH2O

H2O

DHO

DD2O

DHO

εk =

DH 2O DDHO

− 1 = 0.028 x1000

Where D is diffusion coefficient of water in the „green stuff“

g s ⋅ 30 + g a ⋅15 εk = gs + ga

28 13 < εkD < 15 < εk18O < 30 laminar streaming Diffusion in still air

Water isotopes

16 H2 O 18O 16O

H218O

18O 16O

18O

16O

O 16O

O 16O

Fry 2006

Water isotopes

Ocean and atmosphere

Water isotopes

Why is the rain in Wien lighter than in Paris?

Primary rain

Secondary rain

pára vapourpara

rain

evaporation

rain

pára

Oceán

C Kontinent

… but so far, it is „only“ a physics …

Water isotopes

Heaviest rain is at the equator, lightest at the poles (temperature driven fractionation)

Gourcy et al. 2005

Fig. 3.9. Isotope map of North America for precipitation δD values. Plant and animal δD values reflect this continentallevel map. The map is reprinted from Taylor, Jr., H.P., 1974, Economic Geology 69(6), p. 850, Fig. 6.

Efekty: • Kontinentální • Teplotní (zeměp. šířky) • Nadmořské výšky • Vydatnosti a délky srážek

Fry 2006

Fry 2006

Water isotopes

18O isotopic

composition of precipitation (precipitation-weighted)

See also GNIP web sites

Water isotopes

A trip across atmosphere (temperature and photochemistry driven fractionation of DHO)

Rozansky 2005

Water isotopes

(Global) meteoric water line

100 soil branch air Global Met. W. Line

50

δD

0

-50

δD = 8 ⋅ δ O + 10 18

-100

-150

-200 -30

-20

-10

0

δ18O

10

20

izotopy vody

SOUHRN 1 • Izotopy kyslíku a vodíku ve srážkové vodě jsou specifické podle: - zeměpisné šířky (těžších ubývá směrem k pólům) - teploty vzduchu - vzdálenosti od oceánu - nadmořské výšky

Water isotopes

Iso-Puzzle 1 Does an ice block of heavy water flow on the surface of tap water?

Yes

No

D2O H2O

ρ H 2O = 916.8 kg m −3

D2O

H2O

ρ D 2O = 1019 kg m −3

Water isotopes

Water in soil

Water isotopes

Why is water in the soil upper layer enriched ? δ 2H

turbulent atmosphere

-100 (RH=50%) Tair=20oC

?

δa

lam. b. layer 20oC

δE

wet bare soil

-70

ground (source) water

δL

δ E = δ L ⋅αeq αk ·(1-h)

+

δ a αeq h Craig, Gordon 1961, 1965

Due to evaporation (low humidity h) and water transport in soil

Water isotopes

Applications

We can find where the plant takes water from. hydraulic lift (redistribution) water regime in riparian communities Partitioning of evapotranspiration (separation of evaporation form soil from transpiration)

izotopy vody


Water isotopes

Water uptake

Grifith et al. (1998) Physiol.Plant Ecology

izotopy vody

Při příjmu nedochází k frakcionaci (diskriminaci), jen k míchání zdrojů.

Řekni mi, kolik obsahuješ deuteria, a já ti povím odkud bereš vodu.

Xylémová voda z běle kmene Pinus strobus (prázdné kroužky) při dvou izotopově odlišných deštích. Voda v jádru kmene (plné kroužky) má izotopově stálé složení a slouží jako zdroj pro transpirační proud v případě sucha. (White et al. 1985)

izotopy vody

Deuterium v xylému jako funkce velikosti stromu rostoucích v bezprostřední blízkosti řeky (prázdné symboly) nebo vzdáleně od řeky (plné symboly). Izotopový signál zdrojové vody je uveden vpravo. Vzorky z Red Butte Canyon, Utah. Ehleringer a Dawson, 1991.

Jsou údolní společenstva stromů závislá na vodě v řece? Pokud ano, do jaké míry?

izotopy vody

Kde berou vodu (do jakých kořenů investují uhlík) rostliny suchých stanovišť ? D v xylémové vodě různých funkčních skupin pouštních rostlin po letním dešti (Ehleringer et al. 1992)

a co pobřežní společenstva rostlin ?

izotopy vody

Co je to „hydraulický výtah“ ?

izotopy vody

SOUHRN 2 • Izotopy kyslíku a vodíku nemění své zastoupení při příjmu vody rostlinou. Proto voda ve stonku informuje o: - zdroji vody pokud má specifické izotopové složení - hloubce (architektuře kořenů)

izotopy vody


Water isotopes

Leaf = volumetrically small compartment with high throughput of water

δss

[2H, 18O]in [2H, 18O ]out

δa

δs

water entering and evaporating from the leaf has the same δ. ; leaf water is in the isotopic steady state

δ SS = δ S + ε ∗ + ε k + h ⋅ (δ a − ε k − δ S ) ea ∆ e = ε + ε k + ⋅ (∆ a − ε k ) ei ∗

Craig&Gordon‘s model adapted for leaf (Dongmann et al. 1974, Farquhar 1989

Water isotopes

Leaf What does the formula

ea ∆ e = ε + ε k + ⋅ (∆ a − ε k ) ei ∗

tell us ?

≈ leaf temperature Tl 1/≈ ≈ stomatal conductance gs Stomata closure cause water enrichment and vice versa

Water isotopes

Leaf water enrichment is spatially heterogeneous

Desert river model:

∆

x

∆ (l ) = h

e '

  l  1 −  1 − lm  

  

j

   Santrucek et al. (2007) Plant Phys.

izotopy vody

MIBA (Moisture isotopes in biosphere and atmosphere) - projekt IAEA (izotopové složení vody v půdě, xylému, v listech a v atmosféře; dominantní typ vegetace, globální měřítko, asi 150 odběrových míst) deuterium in soil, branch and leaf water beach (Fagus sylvatica) CZR003 (Ceske Budejovice, Brloh), season: 2004,2005,2006

0

soil_sun branch_sun leaf_sun soil_shade branch_shade leaf_shade

δD, %o

-20 -40 -60 -80 -100 1-8-04 1-12-04 1-4-05 1-8-05 1-12-05 1-4-06 1-8-06

date

izotopy vody

Navíc: izotopové obohacení vody v listu není homogenní

90.0 80.0

DELTA D

70.0 60.0 50.0 40.0 30.0

Desert river model:

20.0 10.0 0.0 0.00

0.20

0.40

0.60

0.80

relative distance from the base, l/lm

1.00

j     ∆e l   ∆ x ( l ) = ' 1 −  1 − h  lm      Santrucek et al. (2007) Plant Phys.

izotopy vody

SOUHRN 3 • Voda v litech je izotopově obohacená proti vodě zdrojové (půdní): - je závislé na teplotě listu - je závislé na vlhkosti vzduchu - obohacení se zvyšuje od báze ke špičce

izotopy vody


izotopy vody

Where does

the oxygen in cellulose

come from ?

δw18O=+13 Experiment

δw18O=-1

CO2 δ18O=+6

DeNiro, Epstein, Science 1979

δcel18O=+27

δcel18O=isoO=isoPuzzle

Theory: Oxygen in Photosynthates Originates from CO2

RUBP

Endiol RUBP

δ18O=+985 CO2

+ PO32-

- PO32- - O

+ PO32-

- PO32- - O

2-carboxy-3-ketoarabinitol BP PGA

izotopy vody

Proč si odporuje teorie a experiment ?

izotopy vody

1/ Autotrofní výměna kyslíku Chloroplast je křižovatkou pro CO2 a vodu

C=O = carbonylový kyslík

H2O

CO2

Carbonic anhydrasa k1

+ 18O2

Chloroplastové stroma

CO18O

[HCO2 18O] - +H+

CO2 + H218O

Doleův jev

H2O + CO 18O

obohacení

2H2 18O→ → 4H+ + 18O2

H2O

thylakoidy Cukry, škrob, celulosa

list

izotopy vody

2/ Heterotrofní (postfotosyntetická) výměna carbonylového kyslíku

Aceton (s jedním výměnným kyslíkem) byl obohacen o 28 promile oproti vodě s kterou byl smíchán. Sternberg, DeNiro 1983

Sacharóza exportovaná z listu je o 27 promile bohatší než voda v listu. Cernusak 2003

Poločas výměny se zvětšuje s velikostí molekuly. Výměna je urychlována enzymy (aldolasami). Poločasy: aceton 10 min, fruktosa-1,6-bisfosfát 29 min, fruktosa-6-fosfát 166 min. Barbour 2007

izotopy vody

3/ Heterotrofní (post-fotosyntetická) výměna carbonylového kyslíku (během syntézy celulózy)

20% O atomů vyměněno

Hexoso-fosfáty 6 z 10 O atomů vyměněno

Trioso-fosfáty

celulóza

izotopy vody

SOUHRN 4

• Izotopy kyslíku a vodíku v organické hmotě téměř kopírují izotopové složení vody v listu.

Water isotopes

Overview … 18O and 2H (D) in water, rain, vapour, moisture … Primary rain

Secondary rain

pára vapourpara

rain

evaporation

rain

pára

Oceán

C Kontinent

Tato přednáška byla podpořena projektem EU:

živočich - atmosféra

Recommend Documents