Transcript 04_Hidrobiológia_általános_1_4

Anyagforgalom a vizekben


Anyagforgalom: azon folyamatok összessége,
amely egy bizonyos anyagféleség vízben található
mennyiségét áramlási útjait, annak tér- és időbeli
változásait jellemzik.
biogén anyagforgalom: az anyagáramok irányát,
intenzitását az élőszervezetek határozzák meg
Vízi anyagforgalom
A vízi anyagforgalmat alapvetően három tényező határozza meg:
1) maga a víz, mint oldószer és transzport médium;
2) a vízben oldottan ill. partikuláltan található anyagféleségek és
3) a vízi élőlények.
Csapadék által
bejuttatott
anyagok
víz-légkör
közti
anyagcsere
befolyás
kifolyás
víz-üledék határ
kicserélődési
folyamatai (biogén)
Biogén
anyagáramlás
adszorpciós és
deszorpciós
folyamatok
Keveredési típus alapvetően meghatározza az anyagforgalmat:


rétegzett állapotban, az autotróf és heterotróf folyamatok térben szétválnak,
kevert állapotban nem.
Sekély tavakban, folyókban nincs térbeli elkülönülés


Az oldott anyagok eloszlása a vízben nem
egyenletes.
A homogenizálódást a molekuláris diszperzió segíti,
sebessége (Ficke függvény):
s: oldott anyag
( K a− K i ) A
ds
=−D
dt
d
Ka-Ki: koncentrációgradiens
A: diffúziós felület
d: megtett út
D: diffúziós állandó
Vízben oldott gázok
Oldhatóság függ:


Hőmérséklettől
Nyomástól (légköri nyomás + vízoszlop nyomása)
Abszolút telítettség:

az a gázmennyiség amelyet a víztömeg az adott mélységben az adott nyomáson
és hőmérsékleten tartalmaz.
Túltelítettség:

Nagyobb nyomáson több gáz oldódik, mint normál nyomáson
p z = po +0, 0967 z
pz: a gáz nyomása az z mélységben (atm)
p0: a gáz nyomása a felszínen (atm)
z: mélység (m)
Vízben oldott gázok
Henry-törvény: valamely gáz telített oldatának töménysége arányos a gáznak a
víztér feletti gázelegyben mérhető parciális nyomásával:
Cs: gáz telítési koncentrációja
Ks: oldhatósági koefficiens (hőmérséklet függő)
p: a gáz nyomása
C s= K s p
Gázkeverék esetén a gázok a parciális nyomás szerint oldódnak, egymás
oldhatóságát nem befolyásolják.
Vízben oldott gázok
A vízben oldott sók koncentrációjának növekedésével a gázok oldódása csökken. A tengervíz
35 ‰-es szalinitása az oldhatóságot mintegy 20%-kal csökkenti. A limnológiában a
sókoncentráció gázoldhatóságot csökkentő hatását rendszerint figyelmen kívül hagyják, holott
ez bizonyos esetekben igen nagy hiba forrása lehet. Az arid régiók sós vizeinek szalinitása
akár 5-6-szor magasabb lehet a tengervízénél. Emiatt pl. egy 20 oC-os édesvízben az
egyensúlyi oxigénkoncentráció 9 mg l-1 körüli, de egy hipersós vízben ugyanezen a
hőmérsékleten ez már csak 2 mg l-1;
a száraz gáz oldódása gyorsabb, mintha az vízgőzt is tartalmaz;
az oldódás gyorsasága függ az oldat telítettségétől: a telítettség felé közelítve az oldódás
lassul;
a gázok oldódását gyorsítják a felületi vízmozgások ill. a neuszton és a pleuszton biológiai
aktivitása;
az oldhatóságot alapvetően befolyásolja, ha az adott gáz a vízzel kémiai reakcióba lép.
Vízben oldott gázok: Oxigén


A víztestben az oxigénnel való ellátottság korlátozott
A salinitás növekedése csökkenti az oxigén oldhatóságát.


A tengervízben az oldott oxigén oldhatósága kb 20 %-al
alacsonyabb, mint édesvízben
Oxigén eredete:


Atmoszféra (diffúzió, keveredés)
Oxigéntermelő organizmusok (fotoszintézis)
6CO2 + 6H2O ⇌ C6H12O6 + 6O2

Oxigén fogyasztás:


Organizmusok légzése
Lebomlási folyamatok (dekompozició)
Vízben oldott gázok: Oxigén
Oxigén koncentráció mérése:


elektróda
colorimetrikus titrálás (Winkler módszer)
Mn2+ --> Mn4+ (oxidálás), majd Mn2+ fixálás
KI -- redukció --> I2 mennyisége ≈ O2
Redox potenciál
H2O ↔ ½O2 + 2H+ + 2e

Az egyensúly azonban független az O2 koncentrációjától, vagy
telítettségétől
pH nagyban befolyásolja a redoxpotencált
Vízben oldott gázok: Oxigén
Az oldott oxigén napi változása egy produktív (eutróf) és egy kisebb produktivitású (oligomezotróf) vízben.
Oxigén koncentráció vertikális
eloszlása
Trofogén zóna – eufotikus zóna
Kompenzációs pont
Trofolitikus zóna – afotikus zóna

Oxigén eloszlás görbéi
 Ortográd
 Klinográd
 heterográd
Az oxigénkoncentráció (folyamatos vonal) ideális szezonális változása agy alacsony produktivitású (oligotróf)
és egy nagy produktivitású (eutróf) dimiktikus tóban. A szaggatott vonal a hőmérséklet vertikális profilját
mutatja. Az ortográd ezen az ábrán a nyári, rétegzett időszakban nevével (orto = egyenes) ellentétben azért
nem egyenes, mert az x tengelyen az oxigén mennyiséget abszolút koncentráció egységben (mg L-1) és
nem %-ban fejeztük ki. Ha az x tengelyen %-os telítettség lenne, a görbe egyebes jellege is nyilvánvaló
lenne.
Oxigén koncentráció horizontális
eloszlása




litorális növényzet
komplex meder morfometria
befolyók (szervesanyagok horizontális eloszlása)
jégborítás
A folyóvizek oxigénháztartása
1) Az alacsony produktivitású folyóvizekben az oxigénmennyiség alapvetően a
hőmérséklettől függ, napi ingadozása nincs, vagy alig van. A forrásközeli részekben
alacsony lehet a víz oxigéntartalma, ha a forrásvízé elenyésző, ez azonban hamar
megváltozik.
2) Mérsékelt és nagyobb produktivitású vizekben a napi oxigéngörbe a tavakban is jellemző
napszakos ingadozást mutatja: nappal mérsékelt túltelítődés, éjjel enyhe deficit
jelentkezik.
3) Mérsékelt és nagyobb produktivitású vizekben, melyeket mérsékelt szervesanyag
terhelés ér éjjel jelentős oxigéndeficit keletkezik, amelyet a nappali akár erős produkciós
folyamatok sem kompenzálnak teljesen; túltelítődés nem tapasztalható.
4) Szerves anyagokkal jelentősen terhelt vizekben az erős heterotróf aktivitás (lebontó és
fogyasztó szervezetek túlsúlya) miatt állandó az oxigéndeficit.
Az oxigéntelítettség változása kismértékű, közepes és súlyos szervesanyag terhelést
követően folyásirány mentén
Széndioxid, szervetlen szén formák

Nem követi a Henry-törvényt.

Kémiailag kötött formában is megtalálható

Oldódás közben kis mennyiségben szénsav keletkezik:
c(CO2)T=c(H2CO3*)+c(HCO3-)+c(CO32-)
„szabad széndioxid“
CO2 oldódása vízben:
reakció a víz molekulával
szénsav dissziciáció
disszociációs állandó 1.
további disszociáció
disszociációs állandó 2.
H2CO3*
„oldott széndioxid”
zárt rendszer
nyílt rendszer
ismételt disszociáció és hidrolizáció
Biogén mészkiválás
Ca(HCO3)2  CaCO3 + H2CO3
A szénsavat/széndioxidot a fotoszintézis folyamatosan eltávolítja akkor egyre
több mész keletkezik.


A fotoszintézis sötét reakciójában mindenképpen CO2 szükséges.
Ha nincs szabad CO2 akkor a növény kénytelen HCO3- -ot felvenni akkor:

Karbon anhidráz enzim végzi az átalakítást
2HCO3- ⇌ CO2 + CO32- +H2O

CO2 belép a Calvin-ciklusba, a karbonát kiválsztódik:
CO32- + Ca2+ ⇌ CaCO3
Biológiai következmények
ADAPTÁCIÓ
BALLASZTEVÉS
Leveleik kiemelkednek a vízből (emerz makrofiton),
pl. nád (Phragmites australis), gyékény (Typha
spp.);
Balatoni Daphnia cucullata béltartalma (baloldali kép),
majd ugyanez sósavas kezelés után (a béltartalom
sokkal kevésbé rajzolódik ki, mert a sósav hatására a
mészszemcsék feloldódtak).
Az üledék intersticiális vizében található CO2
felvétele (Lobelia, Littorella);
A fotoszintézis fény- és sötétreakciójának időleges
szétkapcsolása, amikor az éjjel bővebben
rendelkezésre álló szénforrást képesek a
fényreakció hiányában is asszimilálni (Hydrilla,
Lobelia);
A CO2 felvétel küszöbkoncentrációjának
csökkentése (azok a növények, melyek csak
CO2-ot képesek hasznosítani 2-12 µmol l-1–es
küszöbkoncentrációval rendelkeznek szemben
az egyéb forrást is hasznosítani tudó
szervezetek 60-110 µmol l-1-es értékével (SandJensen, 1987).
A HCO3- hasznosítása (Myriophyllum, Potamogeton,
Elodea).
Alkalinitás vs. vízkeménység
Alkalinitás (lugosság): A víz savakra vonatkoztatott pufferkapacitása
Ca gazdag víz pH-ja: 7,5-8,5
» pH napszakos változása kisebb
mértékű
Ca szegény víz pH-ja: gyengén savas
» pH napszakos változása nagy
lehet (erőteljes fotoszintézis alatt)
keménység:
– A víz Ca és Mg sói (nagyrészt
karbonátok, kisebb mértékben
szulfát, klorid, nitrát)
– karbonát / változó keménység: Ca, Mg karbonátsói
– állandó keménység: Ca, Mg, mint klorid, szulfát, nitrát
Alkalinitás vs. vízkeménység
Alkalinitás (lugosság): A víz savakra vonatkoztatott pufferkapacitása
Ca gazdag víz pH-ja: 7,5-8,5
» pH napszakos változása kisebb
mértékű
Ca szegény víz pH-ja: gyengén savas
» pH napszakos változása nagy
lehet (erőteljes fotoszintézis alatt)
keménység:
– A víz Ca és Mg sói (nagyrészt
karbonátok, kisebb mértékben
szulfát, klorid, nitrát)
– karbonát / változó keménység: Ca, Mg karbonátsói
– állandó keménység: Ca, Mg, mint klorid, szulfát, nitrát
Oxidáció – redukciós potenciál
a folyamatokat lehetelen
pontosan megkülönböztetni
pH függő
Dinitrogén



A nitrogén nem vízoldékony.
Henry-törvénynek
megfelelően viselkedik
N2 csak néhány szervezet
számára hozzáférhető (Nkötő baktériumok, kékalgák)
Metán, hidrogén, kénhidrogén



Obligát és fakultatív anaerob baktériumok
fermentációval fedezik energia szükségletüket
Redukált gázok keletkeznek
Hidrogén:


Rövid ideig él gyorsan átalakul
Metán:

Metán termelő baktériumok termelik


Egy része mint szénforrás átalakul
Más része a légkörbe távozik


Lidércfény, biogáz
Kénhidrogén

Szulfátredukáló baktériumok szulfátredukálása során
keletkezik