Rola i znaczenie

pierwiastków

biogennych (P, N, Ca,

Fe, S, Si, C) w

środowisku wodnym.

Hydrobiologia

Wykład 9

Fosfor

• Główne źródła fosforu:
• Do wód powierzchniowych P dopływa

ze zlewni,

• Wtórnie do mas wodnych ekosystemów

dostaje się z osadów dennych, z

organizmów wodnych (makrofity) -

czyli jest to P zakumulowany.

• Występowanie P w przyrodzie:
• W protoplaźmie organizmów żywych

jest go około 2% suchej masy,

większych ilościach występuje w

kościach jako fosforan wapnia.

• Na lądzie występuje jako minerałach

(apatyty, fosforyty).

• Fosfor jest pierwiastkiem limitującym

produkcję pierwotną w ekosystemach

jednak obecnie znaczne ilości tego

pierwiastka dostają się poprzez

stosowanie nawozów sztucznych ,

detergentów, odprowadzanie ścieki

komunalne.

Formy fosforu

• W ściekach fosfor znajduje się we

wszystkich formach:jako zawiesina
(substancje organiczne), jako
substancje organiczne rozpuszczone i
jako fosforany.

• W ściekach oczyszczonych dominują

fosforany (jest to forma łatwo
przyswajalna dla roślin).

• Ze zlewni spływają drobne cząsteczki

gleby bogate w fosfor, który może być
łatwo rozpuszczalny a więc i
przyswajalny dla roślin lub może
występować jako fosfor tryptonowy,
który przechodzi w formę
rozpuszczalną przy udziale enzymów
ale w większości jest odkładany w
osadach dennych, gdzie ulega
częściowo mineralizacji.

Formy fosforu c.d.

• Fosfor ma duże powinowactwo do

Ca, Fe jeśli występują one w
wodzie wówczas intensywniej
zachodzi proces sedymentacji.
Wytrącanie z Ca zależy od pH.
Kwaśny (dwuwodorowy jest dobrze
rozpuszczalny, natomiast
jednowodorowy fosforan wapnia i
fosforan wapnia są źle
rozpuszczalne i łatwo sedymentują.

• Fosfor w wodach

powierzchniowych występuje w:
postaci cząsteczkowej (zawiesiny
czyli sestonu), w postaci
rozpuszczonej, oraz koloidalnej.

Formy fosforu

występujące w

zależności od trofii

zbiornika

• W jeziorach oligotroficznych w sezonie

wegetacyjnym nie ma fosforu

fosforanowego gdyż jest on natychmiast

wychwytywany przez organizmy.

Dominuje forma biosestonowa.

• W eutrofii dominuje forma bio- i

abiosestonowe, okresowo mogą

występować pewne ilości

niewykorzystanego jonu fosforu.

• W hipertrofii oprócz dużej ilości fosforu

(cząsteczki zawiesiny, materii

organicznej rozpuszczonej) jest dużo

fosforu w formie cząstek jonu

fosforanowego, bo jest go w nadmiarze.

• W saprotrofii dominują formy organiczne

(tryptonowa i rozpuszczona) i niewykorzystany

jon fosforanowy.

• Duże ilości jonu fosforanowego jest w wodach

głębinowych zbiorników z deficytem tlenowym,

bo jest on uwalniany z osadów dennych.

Fosfor w osadach

dennych

• W osadach dennych znajduje się

znacznie więcej fosforu niż w wodach

powierzchniowych. Idąc dalej w głąb

osadów to jest tego pierwiastka mniej niż

w górnych powierzchniach osadów

dennych.

• W osadach dennych zachodzą

intensywne procesy rozkładu,

prowadzące do powstania mineralnej,

fosforanowej formy fosforu. Wiąże się

ona z jonami metali.

• Rozpuszczalność powstałych związków

zależy od pH i stężenia tlenu, którego

przy dnie zwykle brakuje. Dlatego w

warunkach beztlenowych żelazo

przechodzi z formy utlenionej

trójwartościowej w zredukowaną

dwuwartościową. Pierwsza forma tworzy

z fosforem związek trudno rozpuszczalny

natomiast druga łatwo rozpuszczalny.

• Wynikiem tego jest iż wody interstycjalne

(pomiędzy cząsteczkami osadów jak i

odtlenione wody hipolimnionu są bogate w

fosforany i podczas mieszania wód wzbogacają

one w ten pierwiastek wody powierzchniowe.

Inne czynniki zwiększające

ilość fosforu w wodzie

• W wodach powierzchniowych duże

znaczenia maja skorupiaki planktonowe,

które przeciwdziałają sedymentacji przez

połykanie cząstek sedymentujących oraz

ich rozdrabnianie. W wodach

eutroficznych więcej pojawia się

drobnych skorupiaków intensywnie

wydzielających fosforany.

• Wraz ze wzrostem trofii pojawiają się

ryby intensywniej mieszające osady

denne. Obficiej rosną makrofity, co

powoduje intensywniejsze pompowanie

fosforanów z podłoża ale jednocześnie

większa produkcja materii organicznej.

• Brak tlenu przy dnie powoduje większe

uwalnianie fosforanów z osadów

dennych.

• Intensywny ruch wód głębinowych

podczas mieszania, wypływania

pęcherzy gazowych powoduje

wzbogacanie wód powierzchniowych w

fosforany.

Czynniki zmniejszające

ilość fosforanów

wodzie

.

• Sedymentacja
• Eksport fosforanów

głównie przez dopływ
sód, migrację
organizmów, wylot
owadów, wyłów ryb,
eksploatację makrofitów,
wynoszenie przez
ptactwo wodne.

• Kumulacja fosforanów w

organizmach głównie w
makrofitach.

Azot w ekosystemach

wodnych

• Źródła azotu w ekosystemie:
• Do wód dostaje się ze zlewni,

atmosfery oraz wtórnie z
samych ekosystemów (osady
denne i organizmy).

• Formy azotu w wodach

powierzchniowych:

• Występuje w formie

organicznej (rozpuszczonej i
cząstek zawiesiny), cząsteczek
N

2

, jonu azotanowego,

amonowego NH

4

, azotynowego,

wszystkie one są rozpuszczalne.

• Związki mineralne to głównie

łatwo rozpuszczalne sole
azotanowe i amonowe.

Stężenia azotu w wodzie i

jego przemiany

• W wodach powierzchniowych w

sezonie wegetacyjnym dominuje

forma organiczna oraz azotanowa

jeśli jest jest jej w nadmiarze i nie

jest wykorzystywana przez

fitoplankton i rośliny. W sezonie

zimowym dominuje forma amonowa,

bo niska temperatura i małe ilości tej

formy są zużywane przez organizmy

a także powoli przebiega nitryfikacja.

• W odtlenionych wodach głębinowych

występuje jon amonowy.

• Forma azotynowa jest nietrwała i

warunkach tlenowych przechodzi w

formie azotanową a w beztlenowych

ulega redukcji do formy amonowej

Przemiany azotu w

wodach

• Azot w formie mineralnej jest

przyswajany przez rośliny i

wbudowywany w substancję organiczną.

Ta wędruje przez łańcuch konsumentów

i destruentów i zostaje doprowadzony do

form mineralnych. Głównie za sprawą

destruentów jednak i konsumenci

wydalają np.. Amoniak. Także z rozkładu

materii organicznej (białek, kwasów

nukleinowych, mocznika, kwasu

moczowego przez enzymy bakteryjne

powstaje amoniak.

• Podczas przekształceń substancji

organicznej w związki mineralne istotne

znaczenie na stosunek węgla do azotu,

świadczący o zawartości białek.

• Jeśli stosunek C:N jest niski, wówczas

substancja jest wartościowa troficznie i

wykorzystywana jako pierwsza.

Przemiany azotu w wodach

c.d.

• Wysokie wartości stosunku węgla do

azotu stwierdza się w substancji

organicznej allochtonicznej i jeśli jest

on wynosi 50:1 wówczas substancja ta

zawiera wiele związków humusowych a

mało azotu. Średnio w substancji

autochtonicznej stosunek te wynosi

12:1.

• Przemiany mikrobiologiczne związków

mineralnych azotu.

• W warunkach tlenowych jest

nitryfikacja (amoniak utleniony di

azotynów a te do azotanów.

• W warunkach beztlenowych zachodzi

denitryfikacja czyli redukcja azotanów

do amoniaku (denitryfikacja częściowa)

a ten do azotu cząsteczkowego

(denitryfikacja całkowita). Proces ten

jest intensywny w beztlenowych

warunkach osadów dennych.

Mechanizmy zmniejszające

ilość azotu w wodzie

• Pewne ilości stężenia azotu

zmniejszają się poprzez:

• Sedymentację, kumulację w

organizmach (makrofity) oraz

poprzez straty do atmosfery.

• Szkodliwe związki azotu:
• Jon azotanowy (NO

3

) w

większych stężeniach jest

niebezpieczny dla zdrowia bo

silnie wiąże się z hemoglobiną

i blokuje funkcje oddechowe.

• Jon amonowy (NH

4

-N jest

toksyczny, powoduje czasami

letalność różnych organizmów

w tym ryb.

Wapń

•

Stężenie tego pierwiastka w wodach

jest różne (waha się od prawie zera w

wodach polihumusowych do setek

mg/dm

3

w wodach twardych.

•

Pierwiastek ten dopływa do wód

powierzchniowych ze zlewni. Wapń

ulega sedymentacji która zależy od pH

wody. W kwaśny węglan wapnia jest

dobrze rozpuszczalny a obojętny trudno

i wówczas sedymentuje. Na przebieg

procesu wpływa stężenie CO

2

które

ulega zmianie podczas fotosyntezy i

przesuwa równowagę pomiędzy

dwiema formami węglanu wapnia.

•

Duże ilości wapnia w wodach

powierzchniowych wynikają ze zjawiska

wypłukiwania, tego pierwiastka z gleby.

•

Wapń ma istotne znaczenie buforujące

– przeciwdziała znacznym zmianą pH.

Żelazo, siarka.

• Ilość tych pierwiastków w wodach jest

regulowana przez potencjał Re_Dx. Oraz

przez organizmy.

• W warunkach tlenowych żelazo

występuje jako wodorotlenek żelaza -

cząsteczkowy lub koloidalny. Jest on

trudno rozpuszczalny. W warunkach

beztlenowych Fe

+3

przechodzi w Fe

+2

w

formę dobrze rozpuszczalną.

• Siarka – jest jej dużo w wodach

powierzchniowych. W warunkach

tlenowych występuje jako jon SO

4

natomiast w beztlenowych jako siarczki

lub siarkowodór. Do wód z atmosfery

dostaje się jon SO

2.

. Czasami na granicy

strefy natlenionej i od tlenionej rozwijają

się bakterie siarkowe fotosyntetyzujące,

korzystające z energii świetlnej oraz

pobierające elektrony z siarki do

redukcji CO

2

Krzem, węgiel

• Krzem jest pierwiastkiem występującym w

wodach w dużych ilościach, bo jest dobrze

rozpuszczalny i jest pierwiastkiem

rozpowszechnionym w przyrodzie.

• Jest pobierany przez okrzemki do budowy

pancerzyków, co podczas ich masowym

obumieraniu może doprowadzać do

znacznych spodków stężenia tego

pierwiastka w wodach powierzchniowych a

wzrost w głębszych warstwach.

• węgiel – w wodach dominującą formą węgla

jest CO

2

w równowadze z kwasem

węglowymi kwaśnymi oraz obojętnymi

węglanami. Znacznie mniej w wodzie jest

węgla organicznego jako formy

rozpuszczonej i jako sestonu.

• W okresie stagnacji w zbiornikach mało

żyznych zróżnicowanie pionowe stężeń CO

2

może dyć znikome. W oligotrofii ma

charakter ortogrady a w eutrofii klinogrady.

Substancja organiczna

• Substancja organiczna rozpuszczona

powstaje głównie w procesach

destrukcji (autoliza i rozkład

bakteryjny). Jest także wydzielana

przez rośliny. Substancja ta jest

podstawowym pokarmem bakterii i

ich ilość jest proporcjonalna do

produkcji pierwotnej

• Allochtoniczna substancja organiczna

jest złożona ze związków trudno

rozpuszczalnych.

• Część substancji humusowych w

wodach i osadach dennych jest

pochodzenia autochtonicznego.

• Substancje humusowe stanowią 80%

ogólnej ilości substancji organicznych

rozpuszczonych w wodzie. Wpływają

one na właściwości fizyczne i

chemiczne wód. W oligotroficznych

wodach spełnia role buforującą np..

Negatywny wpływ kwaśnych deszczy.

Trypton organiczny– martwa

substancja organiczna

sestonowa

• Pochodzi ze źródeł autochtonicznych i

allochtonicznych, przy czym te

ostatnie mają większy udział w

zbiornikach zaporowych i małych

zbiornikach naturalnych i ciekach.

• Ilość i jakość docierającego tryptonu

do wód dennych zależy od :

• Ilości sestonu i tempa jego

obumierania (zakwity)

• Skład sestonu i jego podatności na

rozkład

• Tempa sedymentacji
• Czasu przebywania w toni wodnej

czyli okres od przybycia do opadnięcia

• Temperatury, bo destrukcja jest

wolniejsza w niższych temperaturach

• Transportu ze zlewni i litoralu i

warunków pogodowych np. większy

wiatr więcej tryptonu