Hydrobiologie pro terrestrické biology
• Téma 8:
Voda jako životní prostředí – pH a CO2
Koncentrace vodíkových iontů a systém rovnováhy forem oxidu uhličitého • Koncentrace vodíkových iontů – pH – je dána mírou disociace přítomných rozpuštěných látek: • Ve vnitrozemských vodách je (obvykle) nejhojnějším typem iontů uhličitan (některá z jeho forem : CO3--, HCO3-, nedisociovaná H2CO3 , rozpuštěný CO2 . • - proto stav tohoto systému = míra disociace forem oxidu uhličitého – je neoddělitelně spjat s hodnotou pH vody
pH a systém forem CO2 • Koncentrace vodíkových iontů je proto složitým výsledkem rovnováhy jednotlivých forem hlavního určujícího činitele, oxidu uhličitého: ve vodě buď jako rozpuštěný oxid uhličitý (nedisociovaná kyselina) nebo jako hydrogenuhličitanový či normální uhličitanový iont ( rozpuštěný CO2 lze obtížně analyticky odlišit od H2CO3 a navíc je ho cca o dva řády více)
pH a systém forem CO2 • pH roztoku forem CO2 lze odvodit z disociačních rovnic kyseliny uhličité (do prvého a do druhého stupně) po dosazení molárních koncentrací jednotlivých forem • pro přírodní vody samozřejmě ještě hrají roli další disociující látky (odhad z naměřené hodnoty vodivosti vody) • systém je navíc teplotně závislý • tabulky REBSDORF (1972) – Freshw. Biol. Assoc.
pH a systém forem CO2 • podle naměřené hodnoty pH lze určit, jaký podíl přítomného CO2 (přesněji přítomného anorganického uhlíku) je ve které jeho formě • procentní podíl v závislosti na pH udává následující schema (ve dvou versích)
Důsledek pro autotrofní organismy : • Oxid uhličitý je zdrojem uhlíku pro autotrofní organismy – jako CO2 nebo HCO3- , nikoliv CO3--
• Ve vodě je dobře rozpustný, ale za vysokého pH je pro autotrofy nedostupný • Zatímco v terrestrických biotopech oxid uhličitý není limitujícím faktorem primární produkce, ve vodě je o něj kompetice a za vysokého pH nouze
CO2 a denní změny ve vodě : • Hlavními mechanismy denních změn CO2 ve vodních biotopech jsou :
• 1) úbytek fotosynthesou autotrofů • 2) přírůstek respirací všech organismů (za nedostatku světla /v noci/ i autotrofů) • s tím souvisí i změny pH : • vzestup v odpoledních hodinách, při dostatku živin až na hodnoty 9 až 10 (hnojené rybníky, pozor na důsledek pro systém NH3 a NH4+ )
vertikální stratifikace volného CO2 • spotřeba CO2 fotosynthesou se děje v horní vrstvě • naopak uvolňování CO2 rozkladem odumřelé hmoty se děje především v hypolimniu • asi polovina sedimentující organické hmoty v hypolimniu mineralizuje, polovina končí v sedimentech • v hlubších stratifikovaných vodách je výsledkem rozvrstvení koncentrace volného CO2 prakticky zrcadlově opačné k rozvrstvení kyslíku
Celkový, agresivní a rovnovážný CO2 • Celkový CO2 - viz výše - je suma C (nebo ekvivalent CO2) všech forem anorganických sloučenin C • Rovnovážný CO2 je množství CO2 potřebné k udržení přítomných kationtů Ca v roztoku (Ca je ve vnitrozemských vodách hlavním kationtem - je-li CO2 méně, vypadává CaCO3 z roztoku • někdy se takto označuje množství volného CO2 odpovídající za dané teploty a tlaku rovnováze s CO2 v atmosféře
• Agresivní CO2 je nadbytek volného CO2 nad množství v rovnováze s přítomným Ca(HCO3)2 – ten rozpouští pevný CaCO3 – zajímá techniky
Alkalita • Alkalita (v angličtině alkalinity), přesněji celková alkalita, je molární ekvivalent normální HCl potřebné k vytitrování 1 litru vzorku přírodní vody k hodnotě pH = 4,3 indikující kvantitativní přechod veškerého hydrogenuhličitanu na volný oxid uhličitý • pokud bylo výchozí pH < 8,3 , pak alkalita udává koncentraci hydrogenuhličitanu • při vyšším pH jsou zahrnuty i uhličitany a při pH > 9 se titrují i hydroxylové ionty • v některých vodách v „alkalitě“ i jiné látky
Koloběh C v biosféře • Hlavní reservoár : litosféra s anorganickými uhličitany a s fosilními palivy • v atmosféře jen 0,003 % - posledních 100 let vzestup z fosilních paliv (ale část do vegetace a do oceánů) • v oceánech se ročně asimiluje asi 40x109 tun C • většinou v oceánu uzavřený koloběh – CO2 uvolněný respirací živočichů a bakterií zpět k autotrofům • část organických látek do sedimentů
