PŮDNÍ SORPCE = zvýšení koncentrace látky na fázovém rozhraní ve srovnání s okolním prostředím
Základy pedologie a ochrana půdy
poutání látek v půdě důsledek nevyvážených sil na povrchu sorbentu
Druhy:
7. přednáška
Účastníci děje:
Mechanismy sorpce v půdě
Chemická sorpce:
mechanické zadržení v pórech a dutinách hrubě dispersní částice, agregáty, sraženiny, molekuly
Fyzikální sorpce:
tvorba málo rozpustných nebo nerozpustných sloučenin (precipitace) řízena produktem rozpustnosti
Biologická sorpce:
povrchové jevy na fázovém rozhraní především molekuly
Fyzikálně chemická (výměnná) sorpce:
sorbent – látka sorbující (půdní částice) sorbát – látka poutaná solvent – rozpouštědlo (půdní roztok)
Mechanismy sorpce v půdě
Mechanická sorpce:
adsorpce absorpce
iontová výměna mezi povrchem částic a roztokem nejvýznamnější ionty, v našich půdách hlavně kationty
poutání v tělech rostlin a mikroorganismů výrazně selektivní zejména živiny (NO3-)
Výměnná sorpce v půdě
Výměnná sorpce v půdě
Sorpční půdní komplex:
Kationtová výměnná kapacita (KVK, CEC, T):
soubor půdních složek schopných poutat kationty: organické složky - humus minerální složky – jílové minerály nese záporný náboj: permanentní (konstituční) – isomorfní substituce v jílových minerálech variabilní – disociace hydroxylových a karboxylových skupin na minerálech i org. hmotě - závisí na pH: -OH ↔ -O- + H+
množství kationtů, které je půda schopna poutat udává se v mmol(+).100g-1, cmol(+).kg-1, mmol(+).kg-1
potenciální – při pH 7 nebo vyšším
efektivní – při skutečném pH půdy
Sorpční půdní komplex
Metody stanovení KVK
T = KVK = kationtová výměnná kapacita S = suma bazických kationtů H+ = výměnný vodík (Ha) V = stupeň nasycení sorpčního komplexu bazickými kationty (angl.: BS - base saturation)
promývání zředěnou kyselinou
sumační metody
použití iontoměníčů (pryskyřice) konduktometrická titrace
metody indexového iontu
NH4+
- H - - Al3+ - T - H+ H+ K+ - - - +
Mg2+ -
S
+
Na+
H+
T = KVK = S + (mmol(+).100g-1)
Ca2+ K+
H
V = S/T . 100 (%)
následná titrace hydroxidem extrakce hlavních kationtů
změny vodivosti při titraci suspenze hydroxidem nasycení iontem z roztoku soli – vymytí přebytku soli – vytěsnění a stanovení Na+ (octan sodný), Ba2+ (BaCl2, BaSO4) aj. potenciální (pufrovaný roztok) nebo efektivní KVK promývání nebo protřepávání a odstřeďování
Kationtová výměnná kapacita
Nasycenost sorpčního komplexu
Hodnocení (ČR):
Hodnocení:
8 - 12 mmol(+).100g-1 13 - 24 mmol(+).100g-1 25 - 30 mmol(+).100g-1 > 30 mmol(+).100g-1
nízká až velmi nízká střední vysoká velmi vysoká
Jednotlivé složky půdy (mmol.100g-1) Kaolinit Illit Vermikulit Montmorillonit Chlorit
3 - 12 20 - 40 120 - 150 70 - 110 30 - 50
HK FK
350 - 500 400 - 700
Kationtová výměnná kapacita
Sorpční komplex plně nasycený nasycený slabě nasycený nenasycený extrémně nenasycený
V (%) 100 – 90 90 – 75 75 – 50 50 – 30 < 30
Faktory výměny kationtů
oxidační číslo Me+ < Me2+ < Me3+ < Me4+ postavení v lyotropní řadě Li+ < Na+ < K+ < NH4+ < Rb+< Cs+ < H+ Mg2+ < Ca2+ < Sr2+ < Ba2+ iontový poloměr koncentrace a aktivita v roztoku charakter sorbentu pořadí
Selektivita sorpce (specifická sorpce)
při biologické sorpci při sorpci ze směsi
= trvalé zadržení iontu v dutině
Příčiny (v případě sorpce iontů):
viz faktory sorpce Cl- < NO3specifická vazebná místa
úbytek rozpustné, přístupné formy v půdách až 1,5- 4,0 mmol.100g-1
Fixace NH4+:
výživa rostlin (hnojení) zasolení půdy transport kontaminace půdy
Sorpce aniontů
podmíněno nábojem v tetraedrové vrstvě závisí na iontovém poloměru týká se K+, NH4+
Fixace K+:
Význam:
Fixace kationtů
za vlhka menší až 19 mg NH3 /kg půdy NH4+ chráněn před nitrifikací
Na+ K+ NH4+ Ca2+ Mg2+ Fe2+ Fe3+ Al3+
chemosorpce většinou fosforečnany, sírany, uhličitany…
zpravidla slabé síly, složitější děje
Faktory:
biologická sorpce dusičnany, fosforečnany
kvalita sorbentu
kvalita sorbátu
výměnná sorpce málo
povrch, náboj velikost náboj, povrch
koncentrace sorbátu afinita doba interakce teplota
Způsoby studia sorpce molekul a slabých elektrolytů
Způsoby studia sorpce molekul a slabých elektrolytů
Kinetika sorpce:
Statika sorpce:
množství sorbátu (rychlost sorpce) v závislosti na čase zjišťuje se doba pro dosažení rovnováhy (popř. rychlost)
a
v = a/t
sorpce po dosažení rovnováhy, při konstantní teplotě adsorpční isotermy
závislost adsorbovaného množství na rovnovážné koncentraci
Freundlichova isoterma a = k.c1/N
Langmuirova isoterma a = amax ⋅
t
0,098 nm 0,133 nm 0,143 nm 0,104 nm 0,074 nm 0,080 nm 0,067 nm 0,057 nm
Sorpce molekul a slabých elektrolytů
r= 0,14 nm
t
k ⋅c 1+ k ⋅ c
c 1 c = + a k ⋅ amax amax
Klasifikace isoterem (Gilles et al., 1960)
PŮDNÍ ORGANISMY
H – vysoká afinita sorbátu vůči povrchu (často sorpce iontů) L – molekuly poutané na plocho, nebo silná mezimolekulární afinita S – poutání kolmo k povrchu sorbentu C – lineární průběh (Henryho isoterma) – sorbát proniká do sorbentu stejně snadno jako solvent
= živá složka půdy
a
H L
C
živočišná rostlinná
Živé orgány vyšších rostlin:
S
různorodý materiál → doplňování humusotvorného materiálu
Edafon:
c
soubor organismů přítomných v půdě celými těly migrace, rychlejší množení (mikroorganismy) → dynamičtější skupina
Třídění edafonu – podle R/Ž říše
Třídění edafonu – podle velikosti
Fytoedafon (flóra):
Makroedafon:
řasy, bakterie, houby, mikromycety, aktinomycety
krtci, hraboši, křečci
Mesoedafon
80 - 0,2 mm červi, měkkýši, členovci
Mikroedafon Zooedafon (fauna)
savci, červi, prvoci, měkkýši
Třídění edafonu – podle velikosti
< 0,2 mm bakterie, prvoci, sinice, řasy, aktinomycety, …
Zastoupení organismů v orné půdě (Russel, 1973) Skupina
Čerstvá hmota (t/ha)
Bakterie
6,3
Houby
3,1
Prvoci
0,3
Mesoedafon (mimo háďátka)
1,8
Makroedafon (+ háďátka)
1,0
Celkem
12,5
Třídění edafonu - podle fyziologických skupin Koloběh dusíku
amonifikační Proteus, Bacterium, Pseudomonas, Bacillus, Clostridium, Aspergillus, Trichoderma nitrifikační Nitrosomonas, Nitrosocystis, Nitrobacter denitrifikační Bacillus, Streptomyces, Paracoccus, Pseudomonas, mikromycety diasotrofní (fixační) Clostridium, Azotobacter, Azothomonas, Rhizobium, Bradyrhizobium
Funkce edafonu Rozkladná
makroedafon transport organické hmoty, rozmělnění mesoedafon zvětšení povrchu mikroedafon vlastní rozklad
Syntetická
Koloběh uhlíku
celulolytické Clostridium omelianski, Cytophaga, Cellvibrio, aktinomycety, mikromycety amylolytické Clostridium, Bacillus, Pseudomonas, Aspergillus, Streptomyces pektinolytické Clostridium, Bacillus
Koloběh síry
sulfurikační - Thiobacillus desulfurikační - Desulfovibrio
Chemické složení koprolitů (Russel, 1973) Složka výměnný Ca výměnný Mg výměnný K přístupný P celkový N N-NO3celkový C pHH2O
autotrofní organismy heterotrofní organismy
Význam edafonu
Třídění edafonu - podle fyziologických skupin
přeměna látek (včetně cizorodých) rozklad a syntéza oxidace a redukce přeměna energie chemismus půdy tvorba reaktivních látek ovlivňování reakcí (enzymy) půdní reakce sorpce (biologická) redox fyzikální vlastnosti půdy struktura transport a koloběh látek
Význam edafonu
Jednotka mg.kg-1 mg.kg-1 mg.kg-1 mg.kg-1 % mg.kg-1 %
Zemina 1990 162 32 9 0,246 4,7 3,35 6,4
Koprolity 2 790 492 358 67 0,358 21,9 5,17 7,0
Faktory ovlivňující složení a činnost edafonu
Rychlost rozkladu
Roční míra rozkladu: borovice – severské (horské) podnebí –2% borovice – mírné klima – 25 % javor – mírné klima – 50 % tropický deštný prales – 400 %
dny - kořenové vlášení roky - silné kořeny desetiletí - dřevo
Omezení rozkladu: nízké teploty zatopení vodou nízké pH
Povrchový rozklad v průměru 5x pomalejší než podpovrchový.
Nároky mikroorganismů na pH prostředí 10
tolerance k alkalitě
Aktinomycety
7
pH půdy
Bakterie oxidující S
tolerance k aciditě
2
RHIZOSFÉRA = tenká vrstva půdy obklopující kořeny rostlin Rozdíly od volné půdy:
chemické složení obsah a složení organické hmoty
nižší pH, nižší Eh zvětrávání biologická činnost
struktura půdy
vyšší obsah CO2
dynamika
Působení kořenů:
příjem a výdej vody dýchání exudace organických látek příjem a vylučování anorganických látek
živiny toxické látky
živé buňky dormantní buňky buněčný odpad
Mimobuněčné:
(Thiobacillus)
vlhkost provzdušnění půdní reakce redox potenciál sorpce v půdě teplota rostliny kontaminace půdy
Vnitrobuněčné:
většina hub
minerální složení, zrnitost organická hmota
Půdní enzymy
většina bakterií
složení půdy
imobilizované enzymy volné enzymy
