Hydrobiologie pro terrestrické biology
• Téma 9:
Voda jako životní prostředí – rozpuštěné látky : sloučeniny dusíku
Koloběh dusíku • Dusík je jedním z hlavních biogenních prvků • Hlavní zásobník : atmosféra, plynný N2 s trojnou vazbou • V suchozemských biotopech v organismech a jejich nekromase (v ní 90 %), 6,5 % minerální, jen 3,5% v biomase (převážně v rostlinách) • Ve vodách většina jako rozpuštěný N2 (95 %), zbytek asi z poloviny v organických látkách, ale téměř vše jako nekromasa, jen asi 0,1 % těchto organických látek v biomase rostlin a živočichů
Biologická fixace dusíku • Pro pevnost trojné vazby je N2 možným zdrojem N jen pro velmi málo organismů : vazači N • v půdě symbiotické kořenové bakterie (jako Rhizobium) a volně žijící bakterie (Azotobacter) • ve vodách cyanobakterie (sinice – Anabaena, Aphanizomenon, v moři Trichodesmium) i bakterie • biologická fixace N2 je energeticky velmi náročná – bakterie k tomu potřebují přísun energetických zdrojů, sinice si energetické zdroje vyrábějí samy fotosynthesou
Formy sloučenin N ve vodách • elementární dusík N2 • anorganický : NH4+ (nebo NH3), NO2-, NO3-, vzácněji NH2OH, N2O,
• organický N : aminokyseliny, močovina, kyselina močová, nukleové kyseliny • mezi jednotlivými formami rovnováha, ve které působí biologické procesy několika typů bakterií, příjem a uvolňování z organismů, výměna mezi sedimenty dna a vodním sloupcem - různě v různých typech vod
Jednotlivé formy sloučenin N • Amoniak : pochází převážně z rozkladu organických látek • ve vodě tvoří hydrát NH3.H2O, který snadno disociuje za vzniku NH4+ v závislosti na pH a teplotě • za nižších pH < 8 jen NH4+, při pH = 9,4 a teplotě 20°C pom ěr asi 1:1, při pH nad 10 je většina jako nedisociovaný toxický hydrát NH3 • používaný zápis pro údaj o hmotnosti N obsaženého v dané formě sloučeniny : na př. NH4-N znamená dusík obsažený v NH4+ , NH3(aq)-N dusík v hydrátu NH3
Jednotlivé formy sloučenin N • Výskyt amoniaku ve vodách v přírodě : • čisté povrchové vody, podzemní vody: do 0,1 mg.l-1 NH4-N • návesní rybníčky s močůvkou: stovky mg.l-1 • splaškové odpadní vody: desítky mg.l-1 • dešťové vody: mg až desítky mg.l-1
• indikuje znečištění podzemních vod • zdroj N pro fytoplankton, ale toxický nad 1 mg.l-1, pro ryby toxický už v setinách mg.l-1 • pitná voda maximálně do 0,5 mg.l-1 NH4+ a 0,01 mg.l-1 NH3
Jednotlivé formy sloučenin N • Dusitany : ve vodách jako meziprodukt biologických procesů nitrifikace a denitrifikace, něco i ze srážek z atmosféry • v čistých vodách setiny mg.l-1 • už takové koncentrace mohou být toxické pro ryby • v kyselém prostředí zažívacího traktu mohou dát vznik karcinogenním N-nitrosaminům • v málo kyselém zažívacím traktu kojenců : methemoglobinemie (viz u dusičnanů)
Jednotlivé formy sloučenin N • Dusičnany : přísun především ze zdrojů v povodí – odnos z půdy v povodí, zejména obdělávané a hnojené minerálními hnojivy, • další zdroj : nitrifikace ve vodách, srážky – oxidace N2 až na NO3- atmosférickými výboji (tento přísun několik kg/ha/rok, výjimečně až desítky kg) • v povrchových vodách jednotky až desítky mg.l-1 • ve srážkách desetiny až desítky mg.l-1 • výrazné sezónní změny s maximem obvykle na jaře – splach z rozložené rostlinné nekromasy
Jednotlivé formy sloučenin N • Vztah mezi charakterem lidské činnosti v povodí a mírou odnosu dusičnanového dusíku a jeho přísunu do povrchových, zejména tekoucích vod: • již v šedesátých letech Likens et al. (1970): • srovnávali dvě povodí (Hubbard Brook Exp. Area, New Hampshire, USA), jedno lesní a druhé právě zcela vykácené lesní • dramatický vzestup dusičnanů ve vodě odtékající z odlesněného povodí - (viz následující graf)
Jednotlivé formy sloučenin N • U nás se v šedesátých letech začaly rozsáhle používat vysoké dávky minerálních hnojiv • jejich aplikace stoupla cca desetkrát (s efektem jen asi dvojnásobné produkce obilovin a zcela náhodně kolísající produkce okopanin) • výsledkem byl dlouhodobý vzestup koncentrace dusičnanů ve vodě odtékající ze zemědělské půdy • pro bilanci jihočeského regionu lze použít údajů z nádrže Slapy, kterou prochází voda z jižních Čech :
Jednotlivé formy sloučenin N : dusičnany • Dopad na zdroje pitné vody : dnes se odebírá především z povrchových zdrojů (vodárenských údolních nádrží) • norma pro pitnou vodu 50 mg.l-1 NO3- , což je 11,3 mg.l-1 NO3-N pro dospělé (maximálně denně v potravě celkem 350 mg) • pro kojence ve vodě 15 mg.l-1 (3,4 mg.l-1 NO3-N) • riziko methemoglobinemie kojenců (vratné zablokování funkce hemoglobinu dusitany, následné promodrání až vnitřní dušení kojence) • jak vzniká a kdy ?
Jednotlivé formy sloučenin N : dusičnany • Jak dojde k methemoglobinemii kojence ? • v sušeném mléce pro kojence nejsou usmrceny spory (jinak neškodných) bakterií z mléka schopných redukovat dusičnany na dusitany • k tomu je třeba poněkud vyšší pH než má lidský zažívací trakt dospělce • ale kojenci mají v zažívacím traktu vyšší pH • když se sušené kojenecké mléko rozpustí ve vodě s vysokým obsahem dusičnanů, dojde v zažívacím traktu kojence k redukci na dusitan • kojenec zmodrá a dusí se
Jednotlivé formy sloučenin N : dusičnany • Proto je důležité : • buď pro kojence (a raději i dospělce) používat balenou vodu – obvykle se zaručeným nízkým obsahem dusičnanů a dalších iontů • nebo dobře znát složení a kvalitu místní vody, zejména z venkovských studní – častý průnik dusičnanů ze zemědělských ploch do podzemní vody vesnic, zejména jejich okrajů nebo níže ležících částí povodí • pozor na sezónní výkyvy – nejvíce dusičnanů po jaru
Biologické změny sloučenin dusíku: • Procesy nitrifikace a denitrifikace činností bakterií • Nitrifikace : dvoustupňová oxidace NH4-N na dusitany (bakterie Nitromonas, Nitrococcus) a dusitanů dále na dusičnany (Nitrococcus, Nitrocystis), hlavně lithotrofní autotrofové (zdroj C je oxid uhličitý) • Denitrifikace : redukce dusičnanů a dusitanů hlavně na N2 (též N2O, NO) aerobními (striktně či fakultativně) organotrofními bakteriemi (mnoho druhů), zdroj C je organický substrát
