Koloběh dusíku v ekosystému podrobně

Dusík je jednou z hlavních živin, nezbytnou pro tvorbu biomasy a životní funkce buněk všech organizmů. Je součástí bílkovin, nukleových kyselin (RNA a DNA), chlorofylu, chitinu, peptidoglykanů buněčných stěn a mnoha jiných důležitých látek.

Dusík je poměrně dynamický prvek a podléhá v prostředí mnoha biologickým i fyzikálně chemickým přeměnám. Většina se jich odehrává v biosféře za přímé účasti mikroorganizmů. V přirozených ekosystémech jsou stabilizované a v globálním měřítku byly dlouhodobě v rovnováze, avšak v posledních staletích je ovlivňuje člověk.

Rostliny i mikroorganizmy přijímají převážně jednoduché dusíkaté ionty - nitráty (NO3-), nitrity (NO2-) a amonné ionty (NH4+). Některé bakterie a sinice mají navíc schopnost využívat (fixovat) molekulární dusík (N2). Proto se musí dusík do zemědělských půd pravidelně dodávat, jelikož půda obsahuje dosti značné množství dusíku, avšak rostliny a mikroorganizmy ho mnoho odčerpávají.

Obsah a formy dusíku v půdě

Původním zdrojem většiny půdního dusíku je atmosféra. Obsah dusíku v povrchové vrstvě minerální půdy činí 0,1-0,15 hmotnostních procent. Většina (95-99 %) půdního dusíku je vázána v organických látkách a půdní mikroorganizmy mineralizují pouze malou část, která se dříve nebo později zčásti opět dostává do biomasy a humusových látek.

Mineralizovaný dusík se uvolňuje převážně v amonné formě a ve vegetačním období je rychlost mineralizace 1-20 mg dusíku vázaného v NH4+ na kilogram půdy za den. Amoniak se dále přeměňuje na jiné sloučeniny, přičemž obsah dusíku vázaného v NO2- je mnohem nižší.

Čtěte také: Vysvětlení vnitřního cyklu dusíku

Tvorba plynných sloučenin dusíku v půdě

V mnoha ekosystémech však přeměny dusíkatých látek v půdě zahrnují podstatně víc procesů. Například při denitrifikaci se tvoří nejen N2, ale i N2O, a dokonce NO. Ve většině ekosystémů stojí za emisemi oxidu dusného hlavně dva mikrobiální procesy: nitrifikace a denitrifikace.

Nitrifikace

Nitrifikací se nejčastěji rozumí biologická oxidace amonia na nitrit a nitrát. Obecnější definice popisuje nitrifikaci jako biologickou přeměnu amonia a organických sloučenin dusíku z redukovaných forem na oxidovanější. Tím se dusík zpřístupňuje jako dobře využitelná živina a zároveň se vytvářejí předpoklady pro jeho vyplavování a denitrifikaci.

Nitrifikace spotřebovává kyslík a okyseluje se při ní půdní prostředí, neboť vznikají protony H+. V průběhu nitrifikace tedy může vznikat i oxid dusnatý (NO) a oxid dusný (N2O). Většina nitrifikační aktivity v půdě připadá na autotrofní nitrifikátory (chemolitoautotrofní bakterie).

V některých půdách nebo za určitých podmínek může nabýt na významu nitrifikace heterotrofní, tedy produkce nitritů nebo nitrátů neautotrofními mikroorganizmy. Heterotrofní nitrifikátoři patří taxonomicky mezi bakterie a mikromycety. První krok nitrifikace, oxidace amonia na nitrit, spotřebovává mnoho kyslíku.

Při poklesu koncentrace O2 pod určitou mez je pro normální průběh oxidačních reakcí kyslíku nedostatek a nitrifikační bakterie začnou jako konečný akceptor elektronů využívat vlastní produkt - nitrit -, nebo dokonce nitrát či nitrit z okolního prostředí.

Čtěte také: Jak funguje koloběh uhlíku?

Denitrifikace

Jako denitrifikace se nejčastěji označuje redukce oxidovaných forem dusíku (NO3- a NO2-) na plynné sloučeniny N2O a N2. V nejširším smyslu pojem denitrifikace znamená redukci oxidovaných sloučenin (nitrátů aj.) a tvorbu plynných sloučenin dusíku, a to jak fyzikálněchemickými reakcemi (chemodenitrifikací), tak biologickými procesy (biologickou denitrifikací).

Při snížené dostupnosti nebo za nepřítomnosti kyslíku se nitráty či nitrity využívají jako konečný akceptor elektronů. Uvolněná energie se ukládá do molekul ATP. Každá reakce je katalyzována specifickým enzymem nebo enzymy. Nitrity se nehromadí, ale jsou rychle redukovány přes NO na N2O, jehož určitá část je dále redukována na N2. Ubývá NO3- a přibývá N2O + N2.

Nitrifikace bývá obvykle charakterizována jako typický oxický (aerobní) proces a denitrifikaci jako proces typický anoxický (anaerobní). Mohlo by se tedy na první pohled zdát, že současně probíhající nitrifikace a denitrifikace je nesmysl a podobně mohou působit pojmy jako aerobní denitrifikace či anaerobní nitrifikace nebo nitrifikace denitrifikátory či denitrifikace nitrifikátory.

Při aerobní denitrifikaci dokáže mikroorganizmus (např. bakterie Thiosphaera pantotropha) současně využívat jako akceptor elektronů molekulární kyslík i nitrát nebo nitrit. Většina heterotrofních nitrifikátorů se zdá být současně i aerobními denitrifikátory, avšak v tomto případě jde stěží o typickou respirační denitrifikaci.

Takto vybavené mikroorganizmy se uplatňují v prostředí s kolísající koncentrací kyslíku, tedy například v půdě. Za aerobních podmínek vytvářejí nitrit nebo nitrát, který je k dispozici pro denitrifikaci, když v prostředí ubude kyslík. Schopnost respirační denitrifikace má mnoho taxonomicky velmi odlišných bakterií a byla prokázána i u některých archeí.

Čtěte také: Kyslík v přírodě

Typické denitrifikační bakterie získávají elektrony pro redukci oxidovaných dusíkatých sloučenin rozkladem nejrůznějších organických látek, např. cukrů, alkoholů, organických kyselin, acetonu a toluenu a také mnoha cizorodých látek (polutantů), které mohou být zároveň zdrojem uhlíku.

Denitrifikační bakterie rodů Pseudomonas, Alcaligenes aj. jsou normálně aerobní a dávají přednost kyslíku jako akceptoru elektronů. Na rozdíl od jiných aerobů však při poklesu koncentrace kyslíku syntetizují příslušné enzymy potřebné pro redukci nitrátů, popřípadě až na N2. Plně funkční denitrifikující systém může být ustaven za 1-3 hodiny po změně aerobních podmínek na anaerobní. Syntéza enzymů je regulována právě dostupností kyslíku. Většina dosud izolovaných kmenů heterotrofních denitrifikačních bakterií je vybavena kompletní sadou enzymů k redukci NO3- na N2.

Regulační faktory nitrifikace a denitrifikace

Na úrovni mikroorganizmů je nitrifikace regulována dostupností substrátu (NH4+) a molekulárního kyslíku a denitrifikační aktivita koncentrací NO3-, O2 a dostupností uhlíku. Současný výskyt půdních mikroprostředí s odlišnou koncentrací kyslíku umožňuje nitrifikaci a denitrifikaci v těsném sousedství. NO3- produkovaný nitrifikací se lehce dostává do jiného prostředí, kde může být denitrifikován.

Půdní prostředí je však silně konkurenční, pokud jde o využití NO3-. Kromě respirační denitrifikace jsou nitráty metabolizovány i disimilační redukcí nitrátů na amonium, jsou asimilovány jako zdroj N a jsou také z půdy snadno vyplavovány. V ekosystému s relativním nedostatkem dusíku je cyklus dusíku poměrně uzavřený a produkuje málo plynů včetně N2O.

Situace se radikálně změní, jeli dusíku nadbytek. Bezprostředně po hnojení je v půdě velký přebytek amonia nebo nitrátů (podle použitého hnojiva), které mohou být rychle odstraněny jedině nitrifikací a následnou respirační denitrifikací. Intenzita denitrifikace se ještě mnohonásobně zvýší vhodnou vlhkostí půdy, např. po silnějších deštích.

Větší emise N2O z půd souvisejí s intenzivním hnojením. Působí při tom úplně stejně umělá i organická hnojiva včetně těch nejkvalitnějších - chlévského hnoje a kompostů. Pokud hnojivo obsahuje více dusíku, je po jeho aplikaci logický předpoklad větších ztrát (včetně ztrát ve formě dusíkatých plynů). Také vpravení posklizňových zbytků jetelovin nebo luskovin bohatých na dusík do půdy je často doprovázeno nárůstem emisí N2O.

Emise N2O a dalších oxidů dusíku lze proto podstatně snížit náležitou péčí o výrobu, dopravu a skladování průmyslových i organických hnojiv.

Ztráty dusíku z ekosystémů

1. Vypařování amoniaku (v): Plynný NH3 uniká z půdy a vody do atmosféry, obvykle po hnojení močovinou a organickými hnojivy.
2. Vyplavování (l) dusíkatých látek: (NO3-, NO2-, -NH2, NH4+) představuje významný mechanizmus ztrát dusíku z půdy a způsobuje eutrofizaci vod.
3. Emise plynných sloučenin dusíku: Plyny emitují do atmosféry jak přirozeně, tak v důsledku činnosti člověka. Kromě amoniaku a molekulárního dusíku jsou to zejména oxidy dusíku: oxid dusný (N2O) a oxid dusnatý (NO).
4. Odnos dusíku v biomase rostlin a erozí: Většina dusíku v biomase pěstovaných plodin je často obsažena ve sklízených produktech.

Vliv depozice dusíku na ekosystémy

Světová depozice dusíku se během posledních let 20. století zdvojnásobila především jako důsledek intenzifikace zemědělství a spalování fosilních paliv v dopravě a průmyslu. Současné, díky člověku až řádově, zvýšené koncentrace mají pro přírodní ekosystémy významné důsledky.

Od dob počátku industrializace se dusík v různých formách v přírodních a polopřirozených ekosystémech akumuluje. Jeho akumulaci si nelze představit pouze jako trvalé uložení v půdě nebo biomase, ale jako dynamický cyklus s důsledky pro téměř všechny složky daného ekosystému.

Nárůst mineralizace dusíku zvyšuje jeho dostupnost pro rostliny, dochází ke zvýšení jeho koncentrace v biomase a jejímu intenzivnějšímu růstu. Rychlejší růst a větší množství opadu představuje komplikaci pro krátkověké, nízké a pomalu rostoucí druhy, které jsou díky tomu kompetičně potlačovány. Zmíněné procesy mají fatální důsledky i pro mnoho živočišných druhů.

V oblastech, kde dosahuje přísun dusíku vysokých hodnot, může být dosaženo limitu schopnosti systému poutat tento prvek. Při nasycení půdy dusíkem dochází ve větší míře k jeho vymývání vodou. S ním jsou zároveň vymývány další prvky, nejčastěji bazické kationty (např. Mg2+, Ca2+). Důsledkem je snižování pH a ztráty druhů, kterým takové prostředí nevyhovuje.

Tradiční způsoby managementu a zmírňování dopadu zvýšené trofie prostředí

Dlouhodobé a historicky osvědčené tradiční přístupy v podobě pastvy nebo sečení mají komplexní efekt, který lze dále doplnit o řízené vypalování nebo silnější disturbanci v podobě stržení drnu. Každá z metod je specifická a od ostatních se liší svými dopady na biotop.

• Pasení velkých býložravců je tradiční a dlouhodobě používanou metodou již od neolitu, která je běžně používaná pro trávníky a v omezené míře se může uplatnit u vřesovišť a slatinišť. Pastva jednoznačně snižuje vliv N na vřesovištích a trávnících kyselých i bazických substrátů.
• Sečení a sklizeň sena byly obvyklým managementem luk a různých typů trávníků. Pro snižování koncentrace N je zásadní odvoz veškeré biomasy mimo posečenou plochu. Sečení s odstraněním biomasy vede k omezení dominantních druhů, otevření porostního zápoje a zvýšení intenzity světla v porostu až o 70 %.
• Příležitostný mírný požár má vliv na celý ekosystém, zvyšuje přísun světla, mění druhovou kompozici a zvyšuje diverzitu, přesto se nejedná vždy o vhodný typ managementu. Vypálením lze odstranit až kolem 80 % dusíku, zatímco vysokou intenzitou seče jen kolem 16 %.
• Stržení drnu je velmi intenzivním zásahem a mírnější variantou může být promíchání půdních horizontů orbou nebo rotavátorem, zásadní je v tomto případě hloubka takového zásahu. Vzhledem k tomu, že je dusík poután právě v rostlinné biomase a humusu, je odstranění humusu efektivní metodou k odstraňování tohoto prvku z prostředí a omezení procesu mineralizace.

V současné době se ve většině případů jako optimální jeví seč s odvezením biomasy z místa, která účinně odstraňuje dusík a potlačuje růst dominantních druhů. Účinek na množství dusíku v biotopu má jen přechodný charakter, a proto je nutné tento management v pravidelných intervalech opakovat. V řadě případů se osvědčilo kombinovat sečení s pastvou, která navíc vytváří vhodné drobné narušování.

Zásadní je proto nalézt kompromis mezi potřebou odstranit přebytek dusíku z prostředí a cílovým stavem biotopu. Vhodným řešením je kombinace trpělivosti a dlouhodobý adaptivní management šitý na míru konkrétnímu cílovému stavu biotopu. Dopady a vývoj nastaveného managementu je nutné dlouhodobě sledovat a pravidelně vyhodnocovat.

Dusík a jeho nerosty

Dusík je v zemské kůře vzácný prvek (0,03 %), zato je převládající součástí vzduchu a je hojný ve vulkanických plynech. Mnohem víc dusíku obsahují sedimenty a půda. Dusík je součástí ledků (dusičnanů, nitrátů), dalších vzácnějších nerostů, některých živic a uhlí. Většina minerálů obsahujících dusík nese předponu nitro-. Nejběžnější je nitrokalit (dusičnan draselný KNO3; nazývá se také ledek draselný, obecný ledek) a nitronatrit (dusičnan sodný NaNO3; také ledek sodný, chilský ledek; obsahuje kolem 16 % dusíku).

Ložiska ledků jsou často organogenního původu a nacházejí se např. v Bolívii, Indii, Rusku, USA, Mexiku, Maďarsku a Německu. Nejznámější jsou v Chile, v prohlubni mezi přímořskými a vysokými Andami. V surovém stavu je to směs nitrátů sodíku, draslíku a vápníku spolu se sírany těchto prvků. Jejich význam jako zdroje suroviny pro výrobu dusíkatých hnojiv je v současnosti nepatrný.

Kromě mnoha dalších dusíkatých sloučenin se jako dusíkatá hnojiva používají syntetické ledky.

Eutrofizace vodních nádrží

Eutrofizace vodních nádrží je proces, ke kterému dochází především na základě zvýšeného přísunu živin. Jedná se o podoby eutrofizace, narušení ekologických procesů následkem přebytku živin v prostředí. Pravděpodobně nejcitlivějším dopadem eutrofizace pro veřejnost je její vliv na rekreaci. Způsobuje také závažné ekologické problémy, které mohou vést ke zhroucení celého místního ekosystému.

Definice a typy vod

Trofie neboli úživnost je vlastnost vody. Označuje obsah živin (chemických látek) v ní.

• Oligotrofní vody mají velmi nízký obsah živin. Jsou průzračné s viditelností i více než 3m.
• Mezotrofní vody obsahují střední obsah živin.
• Eutrofní vody obsahují velké množství živin. Voda je méně průhledná.

Příčiny eutrofizace

Eutrofizace je způsobena obohacováním povrchových vod minerálními živinami, především dusíkem a fosforem. Tyto živiny se do vody dostávají z rozkladu odumřelých živočichů a splachy z intenzivně hnojených zemědělských půd. Důsledkem je rozvoj vegetačního zákalu a vodního květu, který má za následek nedostatek kyslíku a následné uvolňování toxických látek jedovaté pro ostatní živočichy.

Důsledky eutrofizace

V ekosystému se začne hromadit ohromná biomasa odumřelých sinic, což vede k nedostatku kyslíku a úhynu bezobratlých. Následně dochází k uvolňování toxického amoniaku a v horším případě k tvorbě sirovodíku a metanu. Voda se stává zejména finančně neuskutečnitelné.

Opatření proti eutrofizaci

Prevence je nejlepší recept. Je nutné omezit přísun dusíku a fosforu, které eutrofizaci způsobují. Důležitá je volba vhodného hnojiva a minimalizace ztrát vstupů. Je nezbytné používat protierozní opatření, např. orat kolmo na průběh svahu a vedle čistírenských technologií vědci hledají další nové postupy. Moderní katalyzátory jsou citlivé na obsah síry, kterou lze z ropy odstranit poměrně snadno, ale ze dřeva?

Vedle čistírenských technologií vědci hledají další nové postupy. Umělým provzdušňováním lze vyrovnat nedostatek kyslíku ve vodě, zejména v mělkých nádržích. Další metodou je srážení fosforu, kdy se do vody přidávají látky, které váží fosfor a tím jej inaktivují.

Ošetření sedimentu slouží k mineralizaci organické hmoty a zabránění vytvoření anoxických podmínek. Používá se tzv. kombinované ošetření sedimentu sloučeninami dusíku a železa.

Odstraňování bahna vybagrováním je další možností, jak snížit množství živin v nádrži. Těžba je prováděna buď suchou cestou po vypuštění nádrže, nebo mokrou cestou pomocí sacího bagru.

Eutrofizace na vodních nádržích v ČR

Eutrofizace se projevuje i na vodních nádržích v České republice. Mezi nejvíce postižené patří vodní díla Orlík, Lipno a Plumlov.

Vodní dílo Orlík

Vodní dílo Orlík je největším jezerem v celé ČR. Realizací metod zaměřených na příčinu lze snížit dostupnost fosforu pro růst řas a sinic v nádrži. Důležitý je snížit vnos fosforu do nádrže z povodí. Rozvoj biomasy ve VN Orlík významně snižuje retenční kapacitu rybníků v povodí pro fosfor.

Vodní dílo Lipno

Nádrž Lipno nese příznaky eutrofizace již nejméně od počátku 80. let minulého století. Vnos fosforu do nádrže, avšak k výraznějšímu snížení trofie nádrže nedošlo. Průtok v daném roce ovlivňoval vypouštění odpadních vod. Sedimentů mohou zahrnovat až 70 % celkového vnosu fosforu do vodního objemu nádrže.

Koloběh dusíku a fosforu v rostlinách

Rostliny jsou důležitou součástí koloběhu dusíku v přírodě, 99 % organického dusíku v biosféře vzniká asimilací dusičnanu, ve zbylém procentu případů rostliny využívají amonné ionty. Příjem dusičnanu do kořenových a mezofylových buněk listů pomocí transportérů, stejně jako samotná asimilace enzymy metabolismu dusíku jsou velice energeticky náročné procesy, které rostliny pokrývají výtěžkem fotosyntézy.

Jakmile příjem dusičnanu překročí možnost jeho asimilace, začne se v rostlinných pletivech hromadit. Pro dospělého člověka dusičnany v ovoci a zelenině (především listové a kořenové) nepředstavují závažnou zdravotní hrozbu, neboť smrtelná dávka více jak stokrát převyšuje denní příjem akceptovatelný EU.

Dusík v lesích

Naše lesy byly a stále jsou vystaveny celé řadě stresových faktorů, jako jsou např. klimatická změna, imisní zátěž či přemnožení škůdců. Podařilo se významně snížit emise oxidu siřičitého, který škodil lesům nejen přímo z ovzduší, ale i prostřednictvím půdy a vody. Nadbytečný dusík je problémem všude: ve vodě, v půdě, na louce, na poli i v lese. Odborná veřejnost se shoduje na tom, že nadbytek dusíku vede k eutrofizaci, acidifikaci, ztrátě biodiverzity a rozšíření nitrofilních druhů.

Depozice dusíku v evropských lesích zůstává i dnes vysoká, pohybuje se v širokém rozmezí mezi 5 až 60 kilogramy na hektar za rok a je přibližně dvakrát vyšší než depozice v bezlesých oblastech. Koruny stromů totiž dokážou znečišťující látky z ovzduší velmi účinně „vyčesávat“, a tím je přinášejí do lesa.

Spalování biomasy a cyklus dusíku

Při pálení biomasy sice vzniká jen malé množství oxidu dusného (odhaduje se 400 000 t ročně, včetně lesních požárů, což je asi jen 2 % emisí), ale oxid dusný je jedním z plynů, jejichž obsah činností člověka narůstá a podílejí se tak na globálním oteplování. Většina oxidu dusného je emitována z půdy, což je sice přirozený proces, ovšem značně ovlivněný člověkem - v případě zemědělské půdy zvláště hnojením, a i v přírodních krajinách znečištěním sloučeninami dusíku.

Většina dusíku se ovšem při spalování biomasy přemění na NOx. Podle různých autorů se rovnají celosvětové emise NOx při hoření biomasy více než třetině emisí z pálení fosilních paliv. Nicméně, pálení biomasy není trvale udržitelným způsobem získávání energie, protože významným způsobem ovlivňuje cyklus dusíku, a to i na globální úrovni.

Tabulka: Srovnání managementu biotopů s ohledem na vliv dusíku

tags: #cyklus #dusíku #v #ekosystému #podrobně

Oblíbené příspěvky:

• Ekozemědělství v ČR
• Podrobný návod pro připojení umyvadla
• Metody ekologické výchovy
• Poznávání hmyzu s dětmi
• Povinnosti kadeřníků v oblasti odpadů