VYUŽITÍ SPALNÉ KALORIMETRIE VE VZTAHU ROSTLINA-PŮDAATMOSFÉRA
František Hnilička, Margita Kuklová, Helena Hniličková, Ján Kukla
Úvod Historie spalné kalorimetrie, Využití spalné kalorimetrie v biologii: a) tok energie atmosféra – Země, b) tok energie v půdě, c) energie v rostlině, d) tok energie v ekosystémech.
ZAKLADATELÉ
Joseph Black (1728 -1799)
NOVODOBÉ KALORIMETRIE
Antoine Lavoisier (1743-1794)
Marcellin Berthelot (1827-1907)
TOK
ENERGIE V EKOSYSTÉMU
KOLOBĚH
LÁTEK A ENERGIE V EKOSYSTÉMU
Schéma koloběhu látek
ATMOSFÉRA – SLUNEČNÍ ZÁŘENÍ
ENERGETICKÁ BILANCE
Život zde na Zemi je napájený slunečními články. Téměř každá elektrická, a mechanická energie na níž závisí život závisí na trvalém toku energie ze slunce. Nezměrné množství sluneční energie-odhadované 13 x 1023 kalorií ročně obohacuje Zemi. Asi 30 % sluneční energie je okamžitě odraženo zpět do prostoru jako světlo, podobně jako se světlo odráží od měsíce. •
Asi 20 % procent je absorbováno zemskou atmosférou.
Zbývajících 50 % procent je pohlceno Zemí samotnou sebe a převedeno na teplo.
SKLENÍKOVÝ
EFEKT
Vliv skleníkového efektu na využití slunečního záření
SLUNEČNÍ
Solární energie
ZÁŘENÍ
TOK
SLUNEČNÍHO ZÁŘENÍ
Oslabování dopadajícího slunečního záření v různých typech ekosystémů.
BILANCE
ZÁŘENÍ
Bilance záření a teplota vzduchu smrkového porostu
TOK ENERGIE V EKOSYSTÉMU Efektivita využití záření (RUE) RUE= přírůstek biomasy / zachycená FAR Ekologická účinnost Ekologická účinnost = (energie biomasy x 100) energie záření
PŮDA
ZÁKLADNÍ POJMY Litosféra je pevný obal Země tvořený zemskou kůrou a nejsvrchnějšími vrstvami zemského pláště. Její tloušťka se pohybuje obvykle v rozpětí 70-100 km, extrémní hodnoty představují zhruba 2 km, kterých dosahuje na oceánské kůře, a 150 km, kterých dosahuje pod masívy horstev. Skládá se ze 7 velkých desek a 12 menších. Pedosféra je půdní obal Země, který vznikl (zvětráváním) přeměnou svrchní části zemské kůry působením organismů, vzduchu, vody a slunečního záření. Pedosféra leží na styku s litosférou, kryosférou, atmosférou, hydrosférou, biosférou a sociekonomickou sférou, tyto geosféry podmiňují v pedosféře pochody vedoucí k její vertikální a horizontální diferenciaci. Půda je výřez pedosférou od svrchní části až po mateční horninu.
Tok energie
Schéma toku energie půda - atmosféra
Koloběh uhlíku
Schéma koloběhu uhlíku
Rozklad složitých C - látek
Schéma rozkladu škrobu a celulózy
Koloběh dusíku
Schéma koloběhu N
Koloběh fosforu
Schéma koloběhu P
ROSTLINA
Využití spalné kalorimetrie v biologii
-
stanovení rychlosti fotosyntézy,
-
transport asimilátů v rostlině,
-
produkční fyziologie rostlin,
-
koloběh energie v ekosystémech,
- stresová fyziologie rostlin.
Rostliny v ekosystému Ellenberg (1973) definuje ekosystém jako ucelenou soustavu vzájemných účinků mezi živými organismy a jejich anorganickým prostředím schopnou určité autoregulace. Ekosystémy mají vymezený prostor v ekosféře – les, louka, moře. Ekosystém schopný regulace má primární producenty a rozkladače mezi které se mohou zapojit konzumenti. Primární producenti (fotoautotrofní organismy) Konzumenti (heterotrofní organismy)
Rozkladači (saprovoři, destruenti, reducenti) Sekundární producenti
Energie a fotosyntéza Každému molu přijatého CO2 odpovídá zisk potenciální energie rovnající se 114 kcal (= 477,204 kJ).“ 1 mol CO2 odpovídá 1/6 mol glukosy Molekulová hmotnost glukosy – 180 1/6 ze 180 = 30 * 15,7 (energetická hodnota glukosy) = 471 kJ na 1 mol CO2 Fototrofní organismy ročně zachytí asi 1071 kJ energie a její pomocí vyrobí asi 14×1011 t organické hmoty, uvolní 15×1011 t O2 a fixují 20×1011 t CO2 ze vzduchu a oceánů.
Stanovení rychlosti fotosyntézy 16
14
14 -1
netto energie (kJ.g )
10 8 6 4
12
10
2 0
stres + 24 - epibrassinolid
kontrola + 24 - epibrasssinolid
gazometrické
81 ,D C 91 ,D C
71 ,D C 77 ,D C
65 ,D C 69 ,D C
fáze vývoje
fáze vývoje stres
kontrola
55 ,D C 61 ,D C
49 ,D C 51 ,D C
35 ,D C 45 ,D C
22 ,D C 29 ,D C
C .D
C
81
C
.D 77
.D
C
71
C
.D 69
.D
C
65
C
.D 61
.D
C .D
55
C
51
.D
C .D
49
C
45
.D
C .D
35
29
.D
C
8
22
-2 -1
PN (mmol CO2 .m .s )
12
kontrola
stres
stres + 24 - epibrassinolid
kontrola + 24 - epibrasssinolid
kalorimetrické
stanovení rychlosti fotosyntézy
Transport asimilátů Sink – místo (orgán) v rostlině, kde dochází ke spotřebě nebo akumulaci asimilátů. Source – místo (orgán) v rostlině, kde dochází k tvorbě asimilátů, tedy zdroj.
Transport asimilátů
Změny obsahu energie (kJ.g-1) vegetativních a generativních orgánech jarního ječmene
Produkce rostlin
1 g sušiny biomasy rostlin odpovídá průměrně: - 0,4 g uhlíku; - 0,6 g karbohydrátů; - 1,5 g CO2 přijatého z ovzduší; - 1,07 g vyprodukovaného O2; - 150–800 ml vytranspirované vody; - 17,6 kJ vázané energie (15-35 kJ). - 1 litr O2 uvolní 20,18 kJ
Produkční fyziologie rostlin
Korelace mezi obsahem energie a sušinou
Genotypové rozdíly
Vliv genotypu na obsah energie (kJ.g-1) semen planých a kulturních pícnin.
Biotické stresory
obsah neergie (kJ) v 1 g sušiny
20
19.5
19
18.5
18 porost A
porost B
porost C
porost D
porost E
porost F
poškozený
kontrolní
poškozený
kontrolní
poškozený
kontrolní
Moráň
Hliníky
Stolíky
Obsah netto energie (kJ.g-1) v sušině nadzemní biomasy ostružiníku maliníku.
Abiotické stresory 20.00
netto energie (kJ g-1)
18.00
16.00
14.00
12.00
10.00
8.00 0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
den stresu kontrola
stres
Vliv vodního deficitu na obsah energie (kJ.g-1) nadzemní biomasy juvenilních rostlin kukuřice
EKOSYSTÉM
Tok energie v ekosystému
Ekologická účinnost = (energie biomasy *100)/ energie záření
Potravní řetězec – tok energie Potravní řetězec je přenos energie obsažené v potravě od primárních producentů na řadu dalších organismů. začíná vazbou energie slunečního záření, končí rozkladem organických sloučenin na anorganické – energetická kaskáda. Tok energie se liší v rámci jednotlivých ekosystémů.
Energetický tok je představován Slunce → primární producenti→ …. → rozkladači Koloběhy jsou vázány na zásobníky uhlík, kyslík, voda – atmosféra, hydrosféra síra, fosfor atd. - pedosféra dusík – půda - atmosféra
TOK ENERGIE V EKOSYSTÉMU
Qn = Iv + Ii – Ie – Ex + Im – T ± H + F – R
Qn je energetická bilance ekosystému, Iv - ozářenost ve viditelné oblasti, Ii - ozářenost v neviditelné oblasti, Ie - energie vyzařovaná ekosystémem , Ex - množství energie vázané v exportované organické hmotě, Im množství energie vázané v importované organické hmotě, T - energie využitá při evapotranspiraci, H - výměna teploty s okolím, F - energie fixovaná ve fotosyntéze, R – respirace a rozkladné procesy.
Tok energie v ekosystému
Toky energie (upraveno podle Oduma, 1963). Akumulovaná energie, energetické toky v jednotkách kcal.m-2, kcal.m-2.rok-1.
Tok energie v agroekosystému Energetický zisk je definován jako rozdíl mezi získanou a vloženou energií. Energetický koeficient je poměr získané energie k přímým a nepřímým energetickým vkladům. Energetická účinnost (účinnost slunečního záření a technologickou účinnost) výrobních procesů je podíl získaných a vložených energií
Tok energie v agroekosystému Energetický zisk je definován jako rozdíl mezi získanou a vloženou energií. Energetický koeficient je poměr získané energie k přímým a nepřímým energetickým vkladům. Energetická účinnost (účinnost slunečního záření a technologickou účinnost) výrobních procesů je podíl získaných a vložených energií. V agroekosystému je možné rozlišit dva typy energie: - Energie přímá - Energie dodatková.
SHRNUTÍ
Budoucnost VVČ
Děkuji za pozornost
