A vízi anyagforgalom elemei
Fehér Gizella ADUVIZIG, Baja
Szerveződési szintek bioszféra életközösség populáció szervezet
sejt molekuláris
szövet
SZUPRAINDIVIDUÁLIS
szerv INDIVIDUÁLIS Fennmaradásuk az életjelenségek zavartalan végbemenetelén alapul
INFRAINDIVIDUÁLIS Környezettel való állandó anyagcsere kapcsolat
Vízi ökoszisztéma kémiai elemei élőlények teste környezet Vízminőség: a benne lejátszódó élő és élettelen történések eredménye végső fokon az anyagok vándorlásától, átalakulásától függ A vízminőség megítélésében alapvető feltétel a biológiai anyagforgalom szabályszerűségeinek általános, és a kérdéses víztömegre jellemző, sajátos jelenségeinek ismerete
A szén körforgalma
Szerves C vegyületek az élet hordozói A legtöbb raktározott C biológiai eredetű A C dinamizmusát túlnyomó részt az élővilág okozza
A C elterjedése és változásai a Földön
A C körforgalma (Felföldy, 1981)
A vízben: CO2→részben szénsavvá (H2CO3) hidrolizálódik, →H+ és HCO3-ionokra disszociál HCO3 →H+ és CO32- ionokra disszociál A szervetlen C formák arányának jelenléte a vizekben pH függő: pH <4: csak szabad CO2 pH 7-10: HCO3 dominál pH 8,4-nél: mindhárom forma egyidejűleg pH >11-nél CO32- túlsúly
A CO2 rendszer összetevőinek mennyiségi változása a pH változásával (Felföldy, 1981)
Biogén mészkiválás CaCO3
CO2 tartalmú vízben az oldhatatlan CaCO3 oldódik
Ca(HCO3)2
Csak addig marad oldatban, míg CO2 fölösleg van (egyensúlyi CO2)
CO2 elvonás ( fotoszintézis → pH növekedés)
CaCO3 + CO2
kicsapódik Szervetlen úton: vizek felmelegedése, CO2-vel túltelített forrásvíz felszínre jutása. Ha a Ca(HCO3)2 – CO2 egyensúlynál több CO2-t tartalmaz a víz, újabb CaCO3 oldására képes (agresszív szénsav – csapadékvíz → mészkőhegyekben a karsztosodás alapja)
Víz keménysége Ca(HCO3)2 tartalom okozza, nk formájában fejezzük ki. 1 nk literenként 10 mg CaO-nak felel meg. kemény víz nk > 20 lágy víz nk < 10 Dunavíz: 120-140 mg CaO/l =12-14 nk Ásványvizek: átlagosan 20 nk (200 mg/l CaO)
A fotoszintézissel a növények állandóan szenet kötnek le. Ha csak lekötés játszódna le, az atmoszféra C tartalma 35 év alatt elfogyna. Visszajuttatás: légzés lebontás Körfolyamat lelassulása, vagy gátlása: tőzegképződés (kőszén, olaj, földgáz elégetésével kerül vissza), mészkőkiválás (felszínre kerüléssel → esővíz, növények – kerül vissza)
A vizek oxigénforgalma
Oxidáció az élők szervezetében: energia felszabadítás → életjelenségek biztosítása vizi élőlények többsége: vízben vízben oldott oxigént igényel. A biológiai oxigénforgalom legfontosabb irányai: fotoszintézis, elemi oxigén keletkezése: H2O → O2 (fény) légzés, oxigénfelhasználás: O2 → H2O (sötét, fény) bioszintézis, oxigénasszimiláció: O2 → szerves kötésű oxigén lebontás: szerves kötésű oxigén → H2O
Oxigénforrás a vízben: 1. oxigéntartalmú befolyóvíz 2. diffúzió az atmoszférából 3. fotoszintézis Oxigén elhasználódása: 1. légzés 2. szerves anyagok bomlása 3. kiszellőződés 4. veszteség a kifolyó vízzel Folyóvizek oxigénviszonyai kedvezőbbek, mint az állóvizeké. Külső szerves anyagok vízbe jutása rontja az oxigénellátottságot.
Mély tavakban:
O2 diffúzió felülről lefelé O2 termelés a fölső rétegben Kompenzálás mélysége: a fotoszintézis O2 termelését a légzés éppen ellensúlyozza. Mélyben: nincs növényi élet, bomlási folyamatok (O2 csökkenés). Hőrétegzett tavak O2-viszonyai oligotrófikus, eutrófikus típusoknál eltérőek. Sekély tavak O2viszonyai egész éven át kedvezőek a felszíntől a fenékig (termelés és fogyasztás a víz egész tömegében folyik) – Balaton.
Az oxigénrétegzettség példái (A: oligotrófikus típus, B: eutrófikus típus (Ruttner, 1962)
Erősen változó (múló) oxigénrétegzettség a Balaton eutrofizálódott területén, 1977. aug. 4. (FELFÖLDY, 1981)
Az O2-ellátottság napszakos változása: oligotrófikus tavakban kismértékű eutrófikus tavakban nagymértékű Eutróf tó: hajnali oxigénhiányos állapot – halpusztulások Vizi élőlények O2 szükségletének fedezése: - vízben oldott O2 - légköri levegő - test tartalékanyagai, vagy más H-akceptorok (diffúzió, bőrlégzés, kopoltyú, trachea, tracheakopoltyú, tüdő) Oxigénforgalom mutatói:
szerves terhelés foka lebontás intenzitása
szaprobitás
Duna, Baja: oldott ox: 7,5-15 mg/l, tel.: 80-130%
K/J: >8, J/M: 7-8mg/l K/J: 80-110, J/M: 70-80-110-120%
KOIk: 6,0-29 mg/l BOI: 1-7 mg/l
K/J: <10, J/M: 10-15 K/J: <2, J/M: 2-3
Oscillatorietum
Oscillatoria limosa
vízvirágzások
A nitrogén A felszíni vizekben található N – formák: 1. Molekuláris (elemi N, N2) 2. Szerves N-vegyületek (fehérjék bomlástermékei is) – oldott, vagy alakos állapotban 3. Ammónia, szabad ammónia (NH3) és ammóniumion (NH4+) formájában 4. Nitrit, mint nitrit ion (NO2-) 5. Nitrát, kizárólag NO3- -ion formában
A nitrogén a természetben elemi alakban, vagy különböző oxidációfokkal, vegyületeiben fordul elő, ezek az oxidációfok növekvő sorrendjében a következők: szerves N-vegyületek → ezek bomlásával keletkező ammónia szabad ammónia (NH3) és ammónium ion (NH4+) → elemi N (N2)→ nitrition (NO2-)→ nitrátion (NO3-).
A szervetlen N-formák biokémiai redoxreakciói (Wagner, 1970)
Szerves N vegyületek (fehérjék,peptidek, amminósavak,karbamid): élőlények anyagcsere-,és bomlástermékei. Bakteriális bontással szervetlen N vegyületekké, első lépésben ammóniává alakul. Ammónia: aerob körülmények között szervesanyagok bakteriális bontásával, anaerob körülmények között nitrátredukcióval keletkezik (nitrátredukció a nitrifikáció ellentétes folyamata). Nitrit: az ammónia oxidációjával, a nitrifikáció folyamatában képződik, nitritképző baktériumok tevékenysége során. Kimutatható mennyiségű nitrit jelenléte a szervesanyag-bomlás előrehaladott, köztes állapotát jelzi. Nitrát: természetes körülmények között a nitrifikáció folyamatának végterméke, de nagy mennyiségben kerülhet a vizekbe civilizációs hatásra (műtrágya).
A biológiai NN-ciklus vázlata (Felföldy, 1981)
1. A nitrogénciklus első lépése az elemi N bejutása a nitrogénkötő élőlények testébe. - N2 – kémiai reakcióknak ellenáll - kizárólag nitrogénkötő szervezetek révén jut a Föld nitrogénforgalmába: baktériumok (Azotobacter, Clostridium, Chromatium, stb.)heterotrófok kékalgák (heterocisztások: Cylindrospermopsis, Aphanizomenon, stb) – autotrófok
2. További N-vegyületek: NH4+, NO2-, NO3-. Ezek nagyon reakcióképesek (l. biokémiai N-oxidáció és redukció) Az ammóniának két formája (pH-tól függően): ammónium-ion (NH4+) – aktív felvétel szabad ammónia (NH3) –sejtmembránon áthatol, mérgező
Az ammónia – nitrit - nitrát átalakítást végző baktériumok hőigénye különböző. Hidegben a folyókat ért szervesanyag szennyezésből csak az ammóniáig fut a bomlás. 10 C alatt a folyamat az ammóniaképzésnél megáll, v. erősen lassul (téli magasabb ammóniaeredmény nem feltétlenül újabb szennyezés következménye) Nitrogénspektrum: a mérési eredményeket a N-formák arányát bemutató kördiagrammal ábrázolják. -sok összes N: külső szennyezés, élénk N-kötés -sok NO3: műtrágya bemosódás, előrehaladott bomlás - sok szerves N: tisztítatlan szennyvíz -sok ammónia: friss szennyezés - nitrit: szennyezés után több, köztes állapot a bomlás során
Nitrogén-spektrum, Izsák, Észak
Nitrogén-spektrum, Kisizsák
Szerves
NH4-N% NO2-N% Szerves
NO3-N% NH4-N% NO2-N%
NH4-N%
NO2-N%
NO2-N%
NO3-N%
NO3-N%
Szerves
Szerves
NO3-N%
NH4-N%
N – vegyületek vízbe kerülése:
1. 2. 3.
Élőlények elemi N-kötése –légkörből Csapadékkal bemosódó NO3, NH3 Befolyó vízzel érkező N-formák
N – vegyületek eltávozása:
1. 2. 3. 4. 5.
Elfolyás az elfolyó vizekkel Élőlények okozta denitrifikálódás Elemi N2 gáz kiszellőzése (gázbuborékok, hőmérs. emelkedés) Élőlények kirepülése, halászat, szárazra kerülés (hullámzás) Állandó N-tartalmú üledékek keletkezése
Eutrofizálódás: tápanyag dúsulás, a N-nagy részét az élőlények visszatartják a tó anyagforgalmában
Mennyisége felszíni vizekben, mérése, határértékei:
Duna, Baja:min.-max. NH4+-N: 0,01 – 0,33 mg/l NO2--N: 0,01-0,05 mg/l NO3 - N: 0,8-3,5 mg/l
K/J:< 0,1, J/M: 0,2 K/J:< 0,01 J/M: 0,01-0,02 K/J:< 1, J/M: 1-2
Az egyes N formák koncentrációját N-re átszámított formában szokásos megadni: szerves N, ammónia-N, nitrit-N és nitrát-N. Az utóbbi 3 mennyiségének összege az ásványi-N. A 4 nitrogén forma N-ben kifejezett együttes mennyisége az összes N (hat.ért.: K/J: 1,5 mg/l, J/M: 1,5-3 mg/l)
A kén Oxidáltsági fokozatai: -II: H2S o: S
+II: SCN, SO32- +IV: SO42-
SO42- források: csapadék, meder kőzetei (gipsz, pirit) 1. oldott SO4-et az autotróf növények, gombák hasznosítják → fehérjék felépítése 2. fehérjék bontása: heterotróf baktériumok → H2S tovább ox. 3. SO4 bontása anaerob úton: szulfátredukáló baktériumok → H2S H2S: főleg biológiai eredtű → rothadó szervesanyag, anaerob körülmények, jól oldódik, erős méreg.
4. szulfidoxidálók (szulfurikálók): H2S oxidálása elemi S-né (aerob). fotoszintetizáló zöld-, bíborbaktériumok: H2S oxidálása → energia → CO2 beépítés fotoszintetikusan 5. S oxidáló baktériumok: elemi S-t oxidálják tovább SO4gyé – Thiobacillus denitrificans: nitráteltávolítás
Rendkívüli esetek Szennyezés?
A S biológiai körforgalma
A foszfor -
Aránya sokkal nagyobb az élő szervezetekben, mint a környezetben Limitáló tényező lehet Bioszférában leginkább oxidált formában van jelen Vizi környezetben az ortofoszfát ion mellett (PO43-), szerves foszforvegyületek, polifoszfátok vannak jelen - oldott állapotban - kolloidális részecskék, vagy azokhoz adszorbeálódva - szeszton, v. szesztonikus P szervetlen P elhalt szervesanyag élő szerves - Helyileg: vízben oldva, lebegve, fenéküledékben oldott állapotban, v. szilárd részekhez kötve, élőlények testébe (szerves vegy – pirofoszfát)
Foszforciklus élővilág – környzete víz – üledék között lejátszódó kicserélődési folyamatok
1. Kiinduló anyag: vízben oldott ortofoszfát-ion (PO43(reaktív foszfor) - kőzetbomlásból – oldva, alakosan (adszorbealtan), üledékbe csapdázódva, Ca-foszfátok formájában - Szennyvizekből - Műtrágyákból - Szervetlen triptonfoszfát oldódása - Biológiai foszforanyagcsere során– szerves foszfor, polifoszfátok, ortofoszfát
A vizi PP-forgalom vázlata
A vizi PP-forgalom vázlata (Felföldy, 1981)
Kikapcsolódása az anyagforgalomból: Lefolyás Üledékbe temetődés Vízből kikerülő élő anyagok Oldatban lévő formák: oldott, nem reaktív foszfor: oldott szerves vegyületek polifoszfátok Baktériumok (algák) bontják, kismértékű hidrolízis is Oldott, reaktív P – hirtelen felhasználódik (algák) Lebegőanyag formájában lévő P: élő, elhalt szerves, oldhatatlan szervetlen
Kimutatásuk:
reaktív P – csak ortofoszfát nem reaktív: előbb PO43- -vá alkítja a többi formát roncsolással, v. oxidációval ( az egyes formák mennyiségi arányai → szűrés a helyszínen (szeszton – oldott átalakulások) Duna, Baja: PO4-P: 20-150 μg/l Összes-P:
hat.ért. K/J: <50, J/M: 50-80 K/J: <100, J/M: 100-150
Kémiai, biológiai paramétereket összefüggéseiben vizsgálni → ökológiai minősítés (pl.)
A P-átalakulás kicserélődési idői a különféle P-formák között (Felföldy, 1981)
Nyomelemek Élőlények testét felépítő
- makroelemek - mikroelemek Nyomelemek: Fe, Mn, Zn, Cu, Mo, Co -szerepük -felszíni vízben μg/l szinten, de az élő szervezet akkumulálhatja (nehézfémek) -oldhatóságuk kicsi (általában jellemző felszíni vizes pH-n) -felszabadulásuk az elhalt fitoplanktonból lassú -mennyiségük felszíni vizekben: Cu: 3-125, Zn: 8-180, Mn: 42-160 μg/l,
A szilícium Forrása a vizekben:a szilícium-dioxid (kvarc, kova, amorf SiO2). Vízbe jutva a szilícium vegyületek bonyolult egyensúlyi állapota alakul ki, pl. SiO2 + 2H2O → Si(OH)4. Az Si(OH)4 oldhatósága független a pH-tól (telítettség értéke 60-80 mg/l, 0 C-on). A természetes vízekben azonban mindig jóval alatta van ezeknek az értékeknek, csak néhány milligramm. A kovaalgák héjában 5-60 % hidratált szilícium-dioxid van. (kovaföld, növekedésük, szaporodásuk).
A vas Felszíni vizekben kis mennyiségben van jelen. III-értékű vegyületei oldhatatlanok vízben, oldott állapotban csak redukáló környezetben, mint Fe(II) vegyület (rendszerint karbonát – Fe(HCO3)2 található. Ha a Fe(HCO3)2 oxigénnel érintkezik, Fe(III)-hidroxid formájában kicsapódik (CO2-ben gazdag, anaerob talajvíz felszínre kerülése). Vashiány: a növények fotoszintézisét és szaporodását gátolja.
Határértékek:
Réz: Arzén: Higany: Kadmium: Króm: Nikkel: Ólom: Zn: Fe: Mn:
ivó µg/l 2 10 1 5 50 20 10 200 50
felsz. maxEU
0,07 0,4-0,6
20
felsz. jav Mo 6 30 (100-200) 0,12 0,36 30 24 7,2 87
Köszönöm a figyelmet
