KÖRNYEZETi MIKROBIOLÓGIA KÖRNYEZETi MIKROBIOLÓGIA ÉS ÖKOTOXIKOLÓGIA ÉS ÖKOTOXIKOLÓGIA

KÖRNYEZETi MIKROBIOLÓGIA KÖRNYEZETi MIKROBIOLÓGIA

ÉS ÖKOTOXIKOLÓGIA ÉS ÖKOTOXIKOLÓGIA

Vegyi anyagok hatása az Vegyi anyagok hatása az

ökoszisztémára ökoszisztémára

Gruiz Katalin

A környezetirányítás eszköztára

KÖRNYEZETPOLITIKA

GAZDASÁG POLITIKA

KOCKÁZATMENDZSMENT

JOG MONITORING

KOCKÁZAT FELMÉRÉSE KOCKÁZAT CSÖKKENTÉSE

1. VESZÉLY AZONOSÍTÁSA 2. KOCKÁZAT FELMÉRÉSE

Általános / helyspecifikus Kvalitatív/ kvantitatív

Ökológiai / humán egészségi

1. MEGELŐZÉS

2 . KORLÁTOZÁSOK 3. REMEDIÁCIÓ

Fizikai-kémiai technológiák Bioremediáció

Ökológiai technológiák

Az ökoszisztéma

Az ökoszisztémák az élő és az élettelen koordinált együttműködését különböző fejlettségű és hatékonyságú rendszerekben oldják meg.

Mikroméretű ökológiai rendszernek tekinthetőek néhány mikro- organizmus közösségét jelentő élőhelyek, például egy mikrobiológiai úton korrodeálódó vasfelület, a biológiai szennyvíztisztító biofilmje.

Nagyobb léptékű ökoszisztémák a felszíni vízek és azok üledéke,

vagy a szárazföldi ökoszisztémák, melyek középpontjában a talaj

organominerális komplexumában élő biota jelenti az ökológiai

rendszert. Legnagyobb léptékű ökológiai rendszer a „földi

ökoszisztéma”, mely alatt a Föld teljes bioszféráját értjük és annak

minden kölcsönhatását a litoszféra, a hidroszféra és az atmoszféra

abiotikus elemeivel. A legmagasabb szintű szervezettség a

közösségek együttműködése, kölcsönhatásai, homeosztázisa, anyag-

és energiahasznosítása.

Az ökológia

Az ökológia tudománya a legkülönbözőbb méretű ökoszisztémák

működését törvényszerűségeit és jellemzőit, elsősorban az anyag- és

energiaforgalmat, például a biogeokémiai ciklusokat tanulmányozza.

A környezeti mikrobiológia

A környezeti mikrobiológia kiemelten tárgyalja a mikro- organizmusok szerepét a földi ökológiai rendszerekben, különös tekintettel a bio-geokémiai ciklusokban és a tápklálékláncokban betöltött szerepére.

Ennek a megközelítésnek a hátterében a biomérnök illetve az ökomérnök azon célja áll, hogy a mikro-organizmusokat és végtelen genetikai és biokémiai potenciáljukat technológiák szolgálatába állítsa.

Hogy a mérnök a földi ökoszisztémával harmoníában tehesse ezt,

ahhoz részletes ismereteket kell szereznie a földi ökológiai

rendszerekről, erről a mai napig ismeretelen fekete dobozról.

Az önszabályzó ökológiai rendszerek

ÖKOSZISZTÉMA = BIOLÓGIAI + ABIOTIKUS

Az ökoszisztémák többet jelentenek, mint egy biológiai rendszer. Az ökoszisztéma több, mint a közösségek összes genetikai információja által meghatározott biokémiai potenciálon alapuló, evolúcióra képes rendszer, mert a biológiaihoz hozzáadódik az abiotikus rendszer, a fizikai-kémiai folyamatok és a termodinamikai háttér és a kettő elválaszthatatlan egységet képez.

Az ökológiai rendszerek önmagukat szabályozzák. A földi ökoszisztémák nyílt rendszerek. Ha nagyobb az anyagfelvétel, mint az anyagleadás, akkor anyagfelhalmozódás jellemzi a rendszert.

Folyamatos anyagveszteség elsivatagosodáshoz vezethet. Ezek a

folyamatos veszteségek vagy felhalmozódások addig növekszenek,

amíg be nem áll a bevételek és kiadások egyensúlya.

Az önszabályzó ökológiai rendszerek

A teljes földi ökoszisztéma legfőbb bevételei a napenergia és a litoszférából szabaddá váló elemek. Ezek a bevételek a földi ökoszisztéma különféle alrendszereiben hasznosulnak, míg végül hő és anyagcseretermékek formájában kerülnek leadásra (kiadás).

Negatív visszacsatolásról beszélünk, ha egy kiadás ellenőrzést gyakorol egy lehetséges bevétel felett, vagyis megállítja az ideális állapottól eltérő tendenciát.

Pozitív visszacsatoló rendszerek is működnek az ökoszisztémákban, amelyek az ideális állapottól való eltávolodáson fáradoznak. Ilyen folyamat például az hogy az ökológiai rendszerek növelik a produkciójukat (nem áll meg egy szinten), az elemek körforgásának sebességét, az energiahassznosulás hatékonyságát.

A visszacsatolással való szabályozás tehát nem egy stabil állapotot, hanem egy stabil trendet hoz létre, hiszen a pozitív visszacsatolás eredménye, az evolúció egy bizonyos irányba állandóan tolja az egyensúlyi helyzetet. A homeosztatikus plató az az egyensúlyi állapot, amelyen belül a rendszer negatív visszacsato- lásokkal stabilizálja magát.

Az ép ökoszisztéma

A NAP

30% visszaverődés a felhőkről

Világűrből l00%

14 % abszorpció a légkörben 7% diffúz szóródás

26 %

földfelszín

égboltról érkező sugárzás 25 %

51 %

Az ép ökoszisztéma

A biológiai produktivitás

A napenergia transzformálódása biokémiai energiává: 0,1-1,6 % Termesztett növények energiahasznosítása: EH

Természetes ökoszisztéma energiahasznosítása: 2-7x EH Fototróf élőlények

Kemotróf élőlények: fogyasztók

lebontók

Az ép ökoszisztéma

redukált szubsztrát oxidált termék fototrófok

kemotrófok

Produktivitás

Ökoszisztéma

Ökoszisztéma Terület Terület 1 1 0 0

km km

Produkció Produkció 1 1 0 0

kJ/év kJ/év Nyílt óceán

Nyílt óceán 326 326 136 136

Parti övezetek

Parti övezetek 34 34 28 28

Sivatag és tundra

Sivatag és tundra 4 4 0 0 3,3 3,3 Préri

Préri 42 42 44 44

Tűlevelű erdők

Tűlevelű erdők 1 1 0,0 0,0 12,5 12,5 Száraz erdők

Száraz erdők 9,4 9,4 10,0 1 0,0 Nedves mérsékelt

Nedves mérsékelt erdők

erdők 4,9 4,9 16,3 16,3

Nedves trópusi erdők

Nedves trópusi erdők 14,7 14,7 123 123 Nem gépesített művelt

Nem gépesített művelt

ter. ter. 10,0 1 0,0 12,5 12,5

Gépesített művelt Gépesített művelt terület

terület 4, 4, 0 0 20 2 0 , , 0 0

Baktériumok napenergia hasznosítása Baktériumok napenergia hasznosítása

Thiobacillus ferrooxidanst vas(II)-n tenyésztve:

2 FeCl

+ 2 HCl + ½ O

2 FeCl

+ H

O

Szoláris termálmódszerrel:

Fe (III) Fe (II)

Táplálkozási láncok Táplálkozási láncok

lebontók

autotrófok növényevők húsevők I húsevők II napfény

tápanyagfelvétel légzési veszteség

anyagcsere során

hulladékanyagok

Ökológiai piramisok Ökológiai piramisok

Egyedszám/m

biomassza g/ m

produktivitás mg/ m

d

15

0,66 100

0,1 0,1

280 17,7

26,8 1,25

1,5x10⁴

1,2

7,2x10¹⁰

10 % szabály

Táplálkozási láncok Táplálkozási láncok

Táplálkozási láncok hossza

Holt szerves anyagokat fogyasztók: detritusz

A mikroorganizmusok elterjedtsége A mikroorganizmusok elterjedtsége

Körülmény

Körülmény Extrém környezeti paraméterekExtrém környezeti paraméterek MikroorganizmusMikroorganizmus Hőmérséklet

Hőmérséklet Tengermélyi kitörések (110-115 Tengermélyi kitörések (110-115 ^ooC)C) Forróvízű források (85

Forróvízű források (85 ^ooC)C) Forró kénes források (75 Forró kénes források (75 ^ooC)C)

Methanopyrus kandleri Methanopyrus kandleri Pyrodictium abyssi

Pyrodictium abyssi Thermus

Thermus, , SulfolobusSulfolobus Thermotrix thiopara Thermotrix thiopara Ozmózis

Ozmózis-- nyomás

nyomás 14-15 % NaCl14-15 % NaCl 25 % NaCl

25 % NaCl ClamydomonasClamydomonas Halobacterium Halobacterium Halococcus Halococcus Savas pH

Savas pH pH 3,0 alattpH 3,0 alatt pH 1,0 körül

pH 1,0 körül SaccharomycesSaccharomyces Thiobacillus Thiobacillus Lúgos pH

Lúgos pH pH 10,0 és felettpH 10,0 és felettee Bacillus sp.Bacillus sp.

Kis Kis

vízaktivitás

vízaktivitás aa_ww= 0,6–0,65= 0,6–0,65 Torulopsis sp.Torulopsis sp.

Candida sp.

Candida sp.

Magas hő Magas hő-- mérséklet + mérséklet + alacsony pH alacsony pH

85 85 ^ooC, pH 1,0C, pH 1,0 CyanidiumCyanidium Sulfolobus Sulfolobus acidocaldarum acidocaldarum

A biológiai evolúció általános trendjei A biológiai evolúció általános trendjei

1. A bioszféra teljes biomasszája fokozatosan nő.

A növekedés fokozatos vagy ugrásszerű volt a Föld története során. A szárazföld nagy része néptelen volt és a benépesedett részek denzitása kicsi volt. A denzitás melett a genetikai diverzitás is alacsony szintű volt, egészen a prekambriumig.

2. A genetikai diverzitás állandóan nő.

3. A holt szerves anyagok felhalmozódásának üteme állandóan csökken.

A mikrobiológiai degradáció egyre hatékonyabbá válik, a humuszképződési és a szénülési (fosszilizációs) folymatokba egyre kevesebb szerves anyag kerül.

4. Egyre hatékonyabb a mikrobiológiai degradáció .

A mikroorganizmus változékonysága, genetikai és biokémiai

flexibilitása gyors és hatákony adaptációt eredményez. A

xenobiotikumok biodegradációja vagy kometabolizmusa még igen

toxikus és a kémiai szerkezetből következően nehezen hozzáférhető

szerves vegyületeke esetében is megtörténik.

5. A humifikáció folyamata visszaszorul.

A biodegradáció tökéletesedésével párhuzamosan a holt szerves anyagok egyre kisebb része marad bontatlanul, felhasználatlanul. A mineralizáció a talajban egyre fokozódik. A jura korszakig a modertalajok voltak jellemzőek, később mulltalajok, vagyis kisebb humusztartalmú talajok. A mai trópusok talajában gyakorlatilag nincs humuszanyag.

6. A körforgalomba vont elemek mennyisége nő.

A növekvő biomasszába egyre több biogén elem épül be. A földfelszín

anorganikus elemkészlete csökken, abszolút értékben is, de a beépült,

élőlényekben immobilizált hányadhoz képest még inkább.

7. A biológiailag immobilizált anyagmennyiség és anyaghányad egyre nő.

Ez azt jelenti, hogy élőlényekbe épülve, vagyis biológiai kontroll alatt áll.

8. Az elemek körforgásának sebessége egyre nő.

A termelés és a lebontás egyre tökéletesebb összehangolása azt

eredményezi, hogy a holt szerves anyagok ásványosítása egyre gyorsul,

az elemeknek váltakozva szerves (élő) kötésből szervetlenbe való

átkerülése és újbóli beépülése egyre rövidebb időt vesz igénybe.

9. Az életközösségekben az energiaáramlás és az entró- piagerjesztés egyre nő.

A biogén elemek szervetlenből szervesbe beépülése egyben a napenergia beépülését, redukciót is jelent, a mineralizáció pedig energiafelszabadítást. A ciklizáció meggyorsulásával tehát az energiaáramlás is felgyorsul, vagyis a napenergia felfogása és kémiai ill. hőenergiává alakítása egyre gyorsabb.

10. A napenergia felfogása és konvertálása egyre nagyobb mérvű.

A bioszféra entrópiapumpává válik.

11. Nő a produktivitás.

A produktivitás növekedése nem csak az elemforgalom megnövekedett üteme miatt lehetséges, hanem a fajok genetikailag megszabott produk- tivitásának fokozódása miatt is. A napenergiát jobb hatásfokkal hasz- nosító fajok a természetes kiválogatódás során előnyt élveznek, az evolúció olyan társulások kialakulásához vezet, amelyek mélyebb vizekben és korábban produkcióra nem alkalmas helyeken is működő- képes. Nemcsak az abszolút, de az időegységre jutó produkció is nő.

12. Az energiakanalizáció egyre bonyolultabbá válik.

A termelők által befogott napenergia a közösségi anyagcsereutakon és

a táplálékláncokon keresztül egyre bonyolultabb és hosszabb úton,

mind nagyobb számú faj és változat bevonásával alakul és vész el

végül hő formájában. Az energiakanalizáció bonyolultabbá válása az

energia közösségi szintű felhasználását és biológiai ellenőrzöttségét is

jelenti.

13. A biológiai energiahasznosítás hatásfoka egyre nő.

Az evolúció során egyre hatékonyabb eenergiahasznosítású fajok szelektálódnak. Például az ATP szintézis szempontjából az aerob légzés biztosítja a legjobb energiahasznosulást. Az egyes szerves vegyületek „elégetése” a legkülönfélébb, eltérő hasznosulást jelentő anyagcsere-utakon mehetnek végbe. Az aerob élőhelyek mennyisége egyre nő, pl. talaj átszellőzöttsége, talajlazító állatok.

14. A faji diverzitás egyre nő.

A modern bioszférában a recens fajok száma kétmillió. Ennyi faj

egyszerre még sohasem élt a földön, annak ellenére, hogy ennek

sokszorosa kihalt már. Az együtt élő fajok mennyisége és sokfélesége

működési biztonságot, funkcionális stabilitást eredményez. A nagy

fajszám és a diverzitás az energiakanalizáció finomodásán kívül az

energiakihasználás hatékonyságának növekedését is jelenti.

15. A biogén elemek vándorlásának biológiai ellenőrzött- sége egyre nagyobb.

A biogeokémiai ciklusok során az elemek anorganikus kötésben történő vándorlása lerövidül és a biológiailag ellenőrzött szakasz hossza megnő.

Példaként a trópusi talajok felgyorsult mineralizációját lehet említeni, ahol szervesanyag felhalmozódásra, abiotikus folyamatokra, humuszkép- ződésre nincs mód.

16. A mikroorganizmusok biokémiai differenciálódása és közösségeik biokémiai kapacitása, mineralizációs képes- sége egyre nagyobb.

A földtörténeti korokat vizsgálva követhető a mikroorganizmusok

morfológiai differenciálódása, diverzitásuk növekedése. A mikroorga-

nizmusok biokémiai evolúciója a mai napig folyamatos, a szennyeződé-

sek hirtelen elterjedésével pedig felgyorsult. A mikroorganizmusok új

génjeinek kialakulását és elterjedését olyan flexibilis mechanizmusok

biztosítják, mint a plazmidok vándorlása, az ugráló gének, stb.

17. Az abiogén és a biológiai folyamatok koordinációja egyre közvetlenebb.

Az abiogén egyre inkább a biológiai ellenőrzése alá kerül. Az abiotikus alrendszerek utánpótlása a kőzetek tartalékaiból képes kiegészülni. A szén a karbonátos kőzetekből, a kén a szulfid ásványokból, a nitrogén a levegőből, stb.

18. A környezeti hatásokkal szembeni rezisztencia nő.

A fajok diverzitása, a közösségeken belüli redundancia biztosítja, hogy

az ökoszisztémák a környezeti tényezők egyre nagyobb kilengéseit is

képesek tolerálni. A bioszféra, a Föld teljes ökoszisztémájára vonat-

kozóan is, egyre rezisztensebb lesz.

19. A közösségek tehát egyre nagyobb környezeti kilengéseket is képesek tolerálni.

20. A biológiai szabályozás egyre sokrétűbb és bonyolultabb.

A fajszám növekedésével a kapcsolatok típusai egyre változatosabbak.

21. Az ökológiai rendszerek geográfiai expanziója.

Az ökoszisztémák meghódítják a pólusokat, a tundrákat. Az egyenlítő

környezete a legrégebben elfoglalt terület, ennek abszolút kora és

relatív kora is a legnagyobb. A relatív kor a fejlettségi szintet is jelenti,

az ökoszisztémák fejlődésében, így a legnagyobb produktivitást, a leg-

tökéletesebb együttműködést, a legjobb energiahasznosulást, a

legnagyobb entrópiát.

22. A biológiailag szintetizált szerves vegyületek száma egyre nő.

A mikroorganizmusok (és más élőlények) által szintetizált szerves vegyületek száma napjainkban minden korábbinál nagyobb. Ezzel párhuzamosan a biodegradációs potenciál is egyre növekszik.

23. A biokémiai potenciál egyre nő.

Mind a szintetizáló, mind a biodegradatív.

24. A biológiai funkciókért felelős genetikai információ összmennyisége és diszpergáltsági foka egyre nő.

A bioszféra összessége, mint egyetlen közösség működéséhez az egyes

fajok génjeiben kódolt össz-információ működésére van szükség. Ez az

információmennyiség egyre nő, és diszpergáltsági foka is.

Ökológiai folyamatok tér-idő diagramja

Környezetszennyezés-típusok tér-idő diagramja

Elemek körforgalma: biogeokémiai ciklusok Elemek körforgalma: biogeokémiai ciklusok

kulcsszavai kulcsszavai

Gázfázisú / üledékes

Biotikus / abiotikus fázisok, biológiai ellenőrzöttség Ásványosítás / ásványbemosódás / ásványszétesés Immobilizáció / mobilizáció

Oxidáció / Redukció:

Oxidáció: kemolitotrófok és heterotrófok energiatermelése valamint közvetett

(

nium, nitrit, kén, kénhidrogén, fémszulfidok, ferrovas, hidrogén oxidációjából nyerik az energiát)

Redukció: C, N, P, S, Fe, Mn, Cl: terminális elektronakceptor (terminális elektronakcep- torként: oxigén, nitrát, ferrivas, szulfát, kén, piroszőlősav, stb.)

Párologtatás (C, N, S, H, O, Se) / megkötés (C, N, H, O)

Geológiai üledékképződés:

Szárazföldi ökoszisztémák tápanyagforgalma Szárazföldi ökoszisztémák tápanyagforgalma

légkör

Talaj és

kőzet tápelemkészlet

növény ragadozó

detritusz avar

rendszeren belüli ciklus

szervesanyag készlet

aeroszol üledékképz

mállás

ásványképz

biol. felvétel ásványosítás biol. felvétel

biol. leadás

Mikroorganizmusok a környezetben Mikroorganizmusok a környezetben

• Közösség, populáció

• Autochton: bennszülött és allochton: idegen

• Pionír mikroorganizmusok, szukcesszió (autogén, allogén)

• Klimaxközösség: állandósult mikrobatársulás

• Pozíció a közösségben

• Fajok közötti kölcsönhatások:

Mikroorganizmusok szerepe

Mikroorganizmusok szerepe a szénkörforgalomban a szénkörforgalomban

légzés

Szerves anyag

erjedés

CH

CO

AEROB

ANAEROB

fotoszintézis

Erjedési termék és H₂

Nitrátredukció szulfátredukció

metanogenézis és acetogenézis

Szénkörforgalom a földi ökoszisztémában Szénkörforgalom a földi ökoszisztémában

ATMOSZFÉRA

725

SZÁRAZFÖLD

holt szag, humusz: 2 000

szén, kőolaj, földgáz: 5-10 000 karbonát: 20 000 000

TENGER

oldott szag: 1 000 0,5

üledék

C tartalom ill. tartalék * 10⁹ t C áram nyilakon: * 10⁹ t/év

Növény: 550 CO₂

38 000

105 120

fitoplankton 5

60 60

5

102

M M

M

Szénkörforgalom Szénkörforgalom

Légzés: 6 O

+ C

H

O

6 CO

+ 6 H

O Fotoszintézis: 6 CO

+ 6 H

O C

H

O

+ 6 O

Aerob lebontás: holt szerves anyag, cellulóz, lignin, kőolaj, szerves szennyezőanyagok, xenobiotikumok lebontása

Anaerob lebontás: anaerob légzés, erjedés

Aerob és anaerob biodegradáció Aerob és anaerob biodegradáció

Aerob biodegradáció: cukrok, keményítő, cellulóz, lignin Anaerob biodegradáció: erjedés, fakultatív és obligát anaerobok

Obligát anaeroboknál hiányzik a kataláz:

2O₂^- + 2H³ szuperoxid dismutáz  H₂O₂ + O₂ H₂O₂  kataláz  H₂O + ½ O₂

Az erjedés az anaerob táplálékláncok bevezető lépése Másodlagos erjesztés: acetogenézis, metanogenézis

Az erjesztő baktériumok az etanolt, a vajsavat vagy a propionsavat acetáttá és hidrogénné erjesztik. Szoros együttműködésben vannak a H₂-t hasznosító metanogén baktériumokkal.

Syntrophobacter wolfei: vajsav  acetát + H₂

Erjedési folyamatok Erjedési folyamatok

CUKOR Piruvát Acetil-CoA

Enterobaktériumok

Clostridiumok

Tejsavas erjedés Propionsavas erjedés

laktát, etanol

propionát

szukcinát formiát acetoin

2,3-butándiol acetát

etanol H₂

CO₂ CO₂

acetát etanol aceton

isopropanol butanol

butirát

CO₂

Acetil-CoA

C₄

Aerob és anaerob légzésfajták Aerob és anaerob légzésfajták

aerob

anaerob

redoxpot +0,8

+0,4

- 0,3 Szénhidrát + O₂ légzés CO₂ + H₂O

Ammónium + O₂ nitrifikáció NO₂/NO₃ + H₂O Szénhidrát + NO3 nitrátlégzés N₂O/N₂ + H₂O Zsírsav, H₂ + SO₄^2- szulfátlégzés acetát, CO₂, H₂S

H₂ + CO₂ karbonátlégzés acetát + H₂O acetogenézis*

H₂ + CO₂ karbonátlégzés metán + H₂O metanogenézis**

*Clostridium acetogenum/thermoaceticum,

**Archaebacteria: Methanobacterium, Methanococcus, Methanospirillum, stb

Metánkörforgalom Metánkörforgalom

aerob

anaerob atmoszféravizek és talajok

Acetát, H₂ CO₂

CH₄ + CO₂

metanogén baktériumok metanotróf baktériumok

CH₄ CO₂

biomassza

Fotokémiai oxidáció felezési idő: 12-17 év

páro lgás fotoszint

Acetogenézis és metanogenézis Acetogenézis és metanogenézis

Acetogén baktériumok: obligát anaerob acetogén (nem= ecetsavbaktérium).

Karbonátlégzés: 2CO₂ + 4H₂  CH₃COOH + 2H₂O. A CO₂ a terminális elektronakceptor, a H₂ anaerob oxidációjához (légzés).

Clostridium acetogenum, Clostridium thermoaceticum

Metanogenézis: a biogáz termelés alapfolyamata. Metán az üvegház hatásért felelős gáz. 400 x 10⁶ t/év, ebből 90 x 10⁶ t/év a kérődzők metán termelése.

Az acetát a metántermelés köztiterméke.

4H₂ + CO₂  CH₄ + 2H₂O CH₃COOH + 2H₂O  CH₄ + CO₂

Archeabacteria, Archea: sajátos evolúció eredményei, eltér az eubaktériumoktól a sejtfal, a membrán és az anyagcsereutak is.

Methanibacterium, Methanococcus, Methanomicrobium, Metha no spirillum, Methanothermus

Az acetátot is képes hasznosítani a Methanisarcina és a Methanotrix

Metanotrófok Metanotrófok

Metanotrófok: a metánkörforgalomban a metán energiaforrásul történő hasznosítását végzik.

Aerob metanotróf vagy metilotróf baktériumok, melyek a metánt, a metanolt, a metilamint, a formiátot és a formamidot is képesek

hasznosítani: talajban, vizekben.

Baktériumok: Methylosynus, Methylocistis, Methylobacter, Methylococcus Metanotróf gombák: Candida boidinii, Hansenula polymorpha

Kőolajszármazékok lebontása

Aerob vagy fakultatív anaerob baktériumok:

Pseudomonas, Acinetobacter, Bacillus, Nocardia, Rhodococcus, Mycobacterium, Corynebacterium, Flavobacterium, Beijerinckia, Aktinomicéták, pl.

Acinetobacter calcoaceticus,

Anaerob baktériumok: nitrátredukálók: Pseudomonasok, Moraxella, szulfátredukálók: Desulfobacterium, Rhodopseudomonas,

Gombák: Candida, Rhodotorula, Aspergillus, Penicillium,

Trichoderma, Cununghamella, Rhizoctonia,

Xenobiotikumok lebontása

CCl

és CHCl

: Acetobacterium woodii, kometabolizmussal: Methylophylus, Mathylobacterium,

Triklóretilén és tetraklóretilén: Pseudomonas putida, Xanthobacter aurotrophycus, Xanthomonas

Klór-légzés: HCl termelés ATP képzés mellett, reduktív dehalogénezés:

általában keverék-tenyészetek képesek csak rá.

Klórozott aromások lebontása: Pseudomonas, Arthrobacter, Alcaligenes, Pseudomonas putida,

PCB, dioxin: Pseudomonas testosteroni, Brevibacterium, Műanyagok, gumi: Streptomycesek,

Xenobiotikum bontása függ: a mikroorganizmustól: tiszta vagy kevert kultúra, a vegyi anyag kémiai szerkezetétől, koncentrációjától, biológiai

hozzáférhetőségétől, kometabolizálhatóságától, táoanyag kiegészítők (N, P, H-

akceptor) jelenlététől.

Nitrogénkörforgalom a földi ökoszisztémában Nitrogénkörforgalom a földi ökoszisztémában

ATMOSZFÉRA

3 800 000

holt szag, humusz: 250 000

SZÁRAZFÖLD

Detritus, üledék

TENGER

N tartalom ill. tartalék * 10⁶ t N áram nyilakon: * 10⁶ t/év Növény: 12 000

Állat: 200

biológiai fixálás 30

Nitrogén fixálás 140

Fitoplankton: 300 Állat: 170

NH₃

100 Denitrifikáció 130

M

500

M

M

mineralizáció mineralizáció

Denitrifikáció 30

NH₃

60Műtrágya 40

NO_x 20

Mikrobi

Mikrobi á á lis nitrog lis nitrog é é nk nk ö ö rforgalom rforgalom

N₂O N₂

Biomasszában kötött

szerves N

humusz NH₄⁺

NO₂^- NO₃^-

Anaerob Aerob Aerob és anaerob

denitrifikáció nitr

ogénfix álás

NH ⁴

+ asszimiláció

ammonifikáció nitrifik

áció Nitrifikálók:

Nitrosomonas Nitrobacter Nitrococcus Nitrospira

Denitrifikálók:

Pseudomonas Bacillus lichenif Escherichia coli

Nitrogénfixálók:

Azotobacter Rhizobium

Baktériumok a nitrátkörforgalomban Baktériumok a nitrátkörforgalomban

Nitrifikáció: ammóniumoxidáció és nitritoxidáció

NH₄ + 1,5 O₂  NO₂^- + 2H⁺ + H₂O

Nitrosomonas, Nitrosococcus, Nitrospira, Nitrosolobus, Nitrosovibrio NO₂^- + 0,5 O₂  NO₃

Nitrobacter, Nitrococcus, Nitrospina, Nitrospira Gomba: Aspergillus

Denitrifikáció: nitrátredukció

Pseudomonasok, Bacillus licheniformis, Paracoccus denitrificans, E. coli, stb.

Légköri nitrogén megkötése:

Azotobacter, Rhizobium

Ammonifikáció

Holt szerves anyagok sorsa a talajban, humifikáció

Holt szerves anyag C/N=30

Huminanyagok C/N=10-15

Szalma CO₂ + H₂O CO₂ + H₂O felszín

Szénhidrát, pektin, cellulóz, protein

Viszonylag stabil maradékok Ásványositás

NH₄

Asszimiláció Ammonifikáció R-NH₂

Biomassza

NH₄,

aminosav, aminocukor

Nukleofil adició Kondenzáció polimerizáció

Hidroxi fenolok Kinoidális gyökök Lignin n

tannin polifenol

nitrogénzár

Demetilezés dekarboxilezés, béta oxidáció autooxidáció

Foszforkörforgalom Foszforkörforgalom

aratás

Műtrágya

pl. szuperfoszfát

Oldható foszfát PO₄^3-

Foszfatázok Mikroorganizmusok

Szerves savak Oldhatatatlan szerves és

szervetlen foszfátok Pl. inositol hexafoszfát

Apatit és kicsapódott kalciumfoszfát Vas- és aluminium oxidokon abszorbeált P

Vízi ökoszisztémák foszforháztartása Vízi ökoszisztémák foszforháztartása

Oligotróf Eutróf

szerves anyag szerves anyag

PO₄^3-

PO₄^3- H₂S + PO₄^{3- oldható}

FePO₄ oldhatatlan FeS

Fe³⁺ Fe²⁺

aerob aerob

anaerob

0,001-0,01 mg/l 0,01-1 mg/l

K K é é n n körforgalom a földi ökoszisztémában körforgalom a földi ökoszisztémában

ATMOSZFÉRA

3

Szervetlen kőzetekben: 26 000

SZÁRAZFÖLD

1 300

TENGER

Detritus, üledék S tartalom ill. tartalék * 10⁶ t S áram nyilakon: * 10⁶ t/év

Biomasszában: 10¹⁰ t Biomassza: 10¹⁰ t

Biogén H₂S 30 Vulkanikus

tevékenység SO2 és H2S

biogén H₂S

5-10 Égetés SO₂: 65

Spray SO₄: 40 Csapadék:

90+100 bánya

130

Szulfátredukció

Aerob: beépül szerves sejtalkotókba

Anaerob: vizek, üledékek: a szulfát elektronakceptorként funkcionál, anaerob légzéshez

Acetát és CO

képzés laktátból, propionátból, etanolból: Desulfovibrio, Desulfomikrobium, Desulfolobus

Acetátból CO

és H

: Desulfobacter, Desulfococcus, Desulfonema, Desulfotomaculum acetoxidans

H

oxidáció fakultatív kemolitotrófokkal: Desulfovobrio desulfuricans, Desulfotomaculum orientis

A vas anaerob korroziója: több lépés összevont reakciója:

4Fe + SO₄^2- + 2H₂O + 2H⁺  FeS + 3Fe(OH)₂

A kolloid vasvegyületek a csövek eldugulását okozhatják.

Kénoxidáció

H

S, elemi kén és tioszulfát redukált szubsztrátot jelent a színtelen kénbaktériumok és a fototróf vörös kénbaktériumok számára.

A színtelen kénbaktériumok lehetnek fonalasok, vagy egysejtűek.

Archeabaktériumok is képesek a redukált kénvegyületeket oxidálni (kemolitotrófok, szénforrásuk a CO

).

Thiobacillusok (kénsav), fonalasok: Beggiatoa,

Vörös kénbaktériumok: Chromatiaceae, Thiorhodaceae, Thiospirillum Zöld kénbaktériumok: Chlorobium

A környezetben a szén és kőzetek a kéntartalmát oxidálják. Ha van toxikus

fém a kőzetben (bánya) akkor a fémek kioldása is megtörténik

Kénoxidáció

Tavakban fonalas kénbaktériumok: Thiotrix, Thioplaca Egysejtű, nagyméretű: Thiofulvum, Achromatium

Kénhidrogén  elemi kén  kénsav

Többen összedolgoznak, pl. színtelen fonalas kénbaktériumok a cianobaktériumokkal és vörös kénbaktériumokkal.

Thiobacillusok: savtűrőek: pH 1-5 Thiobacillus thiooxidans, Thiobacillus ferrooxidans

Betoncsövek korróziója: szulfátredukálól és kénoxidálók együttműködéséből

Vas oxidáció és szén kéntelenítés:

FeS₂ + 3,5 O₂ + H₂O  FeSO₄ + H₂SO₄

2FeSO₄ + 0,5 O₂ + H₂SO₄  Fe₂(SO₄)₃ + H₂O

Bioleaching, fémkioldás

Mikrobi

Mikrobi á á lis lis ké ké nk nk ö ö rforgalom rforgalom

Szerves kénvegy ületek

H₂S

S⁰ SO₄^2-

Anaerob Aerob Aerob és anaerob

szulfátredukció De

szulfu rálás /fehérj

ebontás

Kén oxid

áció kem

o és f ototro

fok Szulfidoxidáció

kemo- és fototrófok Szulfátredukció

(szulfátlégzés)

Thiobacillusok kén-oxidációja

A talaj A talaj

Talajtan

1909-1931: Sigmond Elek Talaj

Talajképződés

Földtani tényezők (aktív: kiemelkedések, sűllyedések, talajviz- viszonyok, felszíni vizek; passzív: kőzet fizikai és kémiai tul.) Éghajlati tényezők: T, csapadék, párolgás, szélviszonyok

Domborzati tényezők: tengerszint, lejtők

Biológiai tényezők: mikroorganizmus, növény A talajok kora: abszolút és relatív kor

Emberi tevékenység

Magyarország földtörténete Magyarország földtörténete

Kárpátmedence kialakulása: harmadkor közepe

Előtte Tisziai masszívum, körötte a Tethys tenger (iszap, homok, mészkő)

Harmadkor közepe: a masszívum feldarabolódott, szélén vulkáni tevékenység indult, keletről nyugatra (ezzel párhuzamosan a savanyúság nő)

Zemplén, Mátra, Cserhát, Börzsöny, Visegrádi hegység, Bakony A kiemelkedések a tenger aljából képződtek, a masszívum egyre süllyedt, a kiemelkedések anyagával feltöltődött, közepén a sekély Pannon tenger, mely lassan kiédesült (2-3 ezer méteres tengeri majd tavi üledéksor). Máig is sűllyed:

20-30 cm / 50 év.

Negyedkor előtt: szubtrópusi ill. trópusi éghajlat

Negyedkor elején: hűvösödés, periglaciális: a jégkorszak hatása éri Glaciális: száraz, hideg: lösz szállitása

Interglaciális: füves lösz erdős sztyeppe, talajképződés Duna: harmadkor vége, visegrádi áttörés: plesztocén vége

Balatoni árok: pleisztocén vége Tisza: holocén eleje

Földtörténeti korok Földtörténeti korok

KorKor korkor korkor évév

ÚjÚj negyedkornegyedkor holocénholocén 12 ezer12 ezer pleisztocén

pleisztocén 1 millió1 millió harmadkor

harmadkor neogén: pliocneogén: pliocén/miocénén/miocén 110/250/25 paleogén: oligocén/eocén

paleogén: oligocén/eocén 45/6045/60 Középkor

Középkor krétakréta 140140

júrajúra 175175

triász

triász 200200

ÓkorÓkor permperm 240240

karbon

karbon 310310

devon

devon 350350

szilur

szilur 450450

kambrium

kambrium 540540

KŐZETEK KŐZETEK

MAGMÁS mélységi kiömlési

a b c d e f kovasav

4 4 4 3 1 0 gránit kvarcporfáz/riolit 70%

1 4 3 3 1 0 szienit porfir/trachit 60-70

1 1 4 3 40 diorit porfirit/andezit 60

0 0 4 0 4 3 gabbro melafir/bazalt 50

a: kvarc

b: alkáliföldpát c: plagioklász d: csillám

e: amfibol f: olivin

KŐZETEK KŐZETEK

ÜLEDÉKES 1. vulkáni tufa: magma hamu leülepedése

2. törmelékes üledékes: aprózódás, másodlagos felhalmozódás vivőanyag: víz, szél

cementálóanyag: mész, kovasav, Fe oxihidrát méret: >2 mm: konglomerát/brescsa

2-0,02 mm: homokos üledék

<0,02 mm: agyagos üledék

Víz által szállított: iszapos / szél által: por, lösz, futóhomok Lösz: agyagásvány: 1o-15 %

3. oldatból kivált : márga (agyagtartalmú CaCO₃ ,

mészkő (CaCO₃), dolomit (CaMgCO₃),

4. szerves eredetű üledékes: tőzeg, nyersfoszfát, diatoma pala

A talaj ásványi anyagai A talaj ásványi anyagai

Kloridok: NaCl

Szulfidok: FeS: pirit

Szulfát: gipsz (CaSO

x2H

O), glaubersó (Na

SO

x10H

O), epszomit MgSO

x7H

O

Nitrátok: NaNO

, natronsalétrom, puskapor

Foszfát: apatit, fluorapatit Ca

(PO

)

F, vasfoszfát, Al-foszfát

Karbonátok: kristályos CaCO

: kalcit, dolomit, szóda: NaCO

x10H

O

Oxidok: Al (hidrargillit, bőhmit, bayerit, diaszpor) és Fe oxidok (hematit, magnetit) hidrátok, oxihidrátok, Mg és Ti oxidok

Szilikátok: SiO

különféle kristályformákban,

Si a tetraéder középpontjában

Szilikátok Szilikátok

SiO

különféle kristályformákban, Si a tetraéder középpontjában Rácstípus szerint:

1. szigetszilikát: 2 Si-tetraéder: pl. olivin: (Mg, Fe

)

SiO

2. láncszilikát: piroxén, augit: Ca-, Mg- Fe-szilikátok

O O

O Si O Si O

O 1. O 2.

3. szalagszilikátok: amfibol: Ca-, Mg- Fe- és Al-szilikátok

v v v

v v v

Szilikátok Szilikátok

4. rétegszilikátok: 6 db tetraéder egy sík mentén tetraéderes réteg oktaéderes síkokkal váltakozva: szteatit: 4-brucit-4, csillám: 4-8-4, muszkovit: 4-8, diotit: 4-8

5. Térrácsos szilikátok: minden irányban kapcsolódnak egymáshoz a tetraéderek térszerkezet

Földpátok: K, Na, Ca földpátok és elegyeik

AGYAGÁSVÁNYOK AGYAGÁSVÁNYOK

Elsődleges szilikátokból keletkeznek másodlagos átalakulással: kolloidok Kétrétegű: 4-8 (Al) kaolinit típus

Háromrétegű: 4-8 (Mg)-4 montmorillonit típus

Ha a Si helyett Al vagy Fe épül be a rácsba, akkor a felületen szabad kötési helyek alakulnak ki: kationok megkötése

Típusai:

I. Elektromosan semleges: 4-8 vagy 4-8-4 kandit, talk I. és II. között: cellánként <1 töltés: 4-8-4/víz/rétegek közti kation: szmektit II. Elemi cellánként egy negatív töltés: 4-8-4-rétegközi kation: csillámok

vagy 4-8-4-8: kloritok

I. és II. keverten: közberétegzett ásványok:

Agyagásványok kémiai összetétele Agyagásványok kémiai összetétele

rétegek oktaéder tetraéder rácselem közti kation centrális centrális

Kétrétegű agyagásványok

Kaolinit - Al Si O, OH

Halloysit - Al Si O, OH, 2H₂O

Háromrétegű agyagásványok

Illit K, X Al, Fe³⁺, Mg Si, Al O, OH, YH₂O Vermikulit X Mg, Fe³⁺, Al Si, Al O, OH, YH₂O Montmorillonit X Al, Mg Si, Al O, OH, YH₂O Négyrétegű agyagásványok

Klorit - Mg, Fe³⁺, Al Si, Al O, OH X: Ca, Mg, K, Na, H₃O Y: víz

Talajképződés-kőzetek mállása Talajképződés-kőzetek mállása

Fizikai, kémiai, biológiai mállás

Fizikai: rétegnyomás, T, fagyhatás (2200 kg/cm²), kiszáradás, sókristályképződés (100 kg/cm²), növényi gyökerek nyomása (1o-15 kg/cm²) víz és szél aprózó hatása

Kémiai: kioldás sorrendje: 1. alkáli fémek sói, 2. Alkáli földpátok sói 3. Szilikátok hidrolízise

KAlSi₃O₈ + HOH HAlSi₃O₈ + KOH alkáli földpát Al-hidroszilikát HAlSi₃O₈ + 4HOH Al(OH)₃ + H₂SiO₃

2HAlSi₃O₈ + 5HOH Al₂SiO₃(OH)₄ + 4H₂SiO₃

allofán: agyagásványok elővegyülete Sok csapadék savanyú pH: trópusok: kaolinit

Kevesebb csapadék, alkalikus: mérsékelt égőv: illit és montmorillonit

Oxidációs folyamatok: ferro ferri: kicsap, oxidáció=térfogatnövekedés

A talaj szemcseméreteloszlása A talaj szemcseméreteloszlása

Fizikai talajféleség: cementálóanyag elbontása utáni frakcionálás

Nedves frakcionálás: ülepítéssel (frakciók), leiszapolással (egy frakció)

Arany-féle kötöttségi szám: képlékenységig hozzáadott víz mennyisége (ml) Higroszkóposság: adott páratartalmú levegőből felvett víz: 1o%, 5o% kénsav Kapilláris vízemelés: talajjal töltött cső alja vízbe mártva: vízmagasság: mm Fizikai talajféleség leisz. Arany hy kap

% ml - mm

Durva homok 0-10 <25 0-0,5 -

Homok 11-20 25-30 0,5-1,0 >300

Vályogos homok 15-25 na 1,0-1,5 >300 Homokos vályog 25-35 31-37 1,5-2,0 250-300

Vályog 35-60 38-42 2,1-3,5 150-250

Agyagos vályog 61-70 43-50 3,6-5,0 75-150

Agyag 70-80 51-60 5,1-6,0 40-75

Nehézagyag 80-90 61-80 6,1 <40

A talaj szerves alkot

A talaj szerves alkot órészei órészei

Humusz = holt szerves anyag átalakulás után Alkotóelemek alapján osztályozva:

1. Fulvosavak: kevés N, sok O, karboxil és fenolos OH, savas jellegű

Kinyerés: 0,5 % NaOH-val kioldódik és savanyítás után nem csapódik ki

Előfordulás: savanyú erdőtalaj: humusz 70 %-a, jó minőségű talajnál: 20 %.

2. Huminsavak: 4 % N, nagy moltömegű, kolloid vegyületek

Kinyerés: 0,5 % NaOH-val kioldódik, de megsavanyítva kicsapódik : A huminsav további frakciói:

himatomelánsav: kicsapódott rész alkoholban oldódik

barna huminsav: alkoholos kioldás után visszamaradt rész 5 % lúgban oldódik szürke huminsav: lúgos oldás után visszamaradó rész (5 % N, élénk mikrobiol.) 3. Humin és huminszén: 0,5 % NaOH-val nem oldódik ki.

HUMUSZ HUMUSZ

Funkció alapján osztályozva:

1. Táphumusz: könnyen bontható frakció, mineralizálható, tápanyag

2. Szerkezeti humusz: nehezen bontható, állandó frakció: szerkezetjavitó, ionok megkötője

Morfológiai osztályozás:

1. Szárazföldi: nyershumusz, móder (korhany), televény (mull): szerves- szervetlen komplex

2. Félig szárazföldi: tőzeg (láp), kotu 3. Víz alatt keletkezett: dij és gitsa

A humusz képződése: a holt szerves anyag lebomlik kisméretű szerves molekulákká. A nem mineralizálódott felesleg kondenzálódik,

polimerizálódik, egyre növekvő, végül kolloid méretű molekulákat eredményez

A humusz kémiája: kinoidális szerkezetű vegyületek, főleg ligninből. Aktív csoportok: karboxil, fenolos OH, karbonil, metoxi, amino.

A talaj ásványi-szerves komplexuma A talaj ásványi-szerves komplexuma

Kationokat és anionokat képes megkötni.

Nagy ionmegkötőképesség = jó tápanyagvédelem

T = kationmegkötőképesség = mg egyenérték kation / 100 g talaj Mérése: Ba–mal telítik a talajt, majd lecserélik a Ba-t és mérik

S = Ca, Mg, K, Na megkötőképesség = mg egyenérték Ca, Mg, K, Na ion / 100 g tal

S </= T, a különbség Fe, Al és H

V % = a talaj telitettsége = 100 S / T.

Mg-talaj: Mg >30%,

Ca- talaj: V>80%, Mg<30% és Na<5%

Szikes talaj: 5 % Na: gyengén szikes, 15 % Na: szikes, 25 % Na: erősen szikes Ionmegkötés szerepe: talajszerkezet, morzsalékosság, taszítás,

Leárnyékolás: kicsapódás, rossz vízgazdálkodás, vízzáró réteg

Talaj szerkezete Talaj szerkezete

Koagulum, mikroaggregátum, aggregátum

Talaj szerkezete szerint lehet: morzsás, szemcsés, diós, hasábos, oszlopos, lemezes Agrotechnikákkal is ki lehet alakítani a jó szerkezetet, de az nem vízálló

Pórustérfogat vagy hézagtérfogat = p = (1-T_s/F_s) 100 = 70 % - 25 % (opt: 50-60) T_s/F_s = a szilárd részek által elfoglalt tér (térfogatsúly/fajsúly)

Pórusok szerepe: gyökérnövekedés,

vízáteresztés, vízháztartás, levegőgazdálkodás,

a talajmikroflóra minősége: aerob vagy anaerob Pórusok mérete: 30 μ felett: levegő biztosítása

3- 30 μ : vízvezetés, vízvisszatartóképesség

3 μ alatt: a talaj mikroflórájának élőhelye (10⁸- 10¹⁰ db/g)

Talaj víztartalma Talaj víztartalma

A víz kötöttsége, felvehetősége a talajszerkezettől függ

Az elszívásához szükséges erő: pF (cm): a szívóerő logaritmusa ha pF < 2 könnyen felvehető víz

ha pF 2 – 3 közepesen felvehető víz ha pF 3 – 4,2 nehezen felvehető víz

ha pF > 4,2 nem vehető fel: növény szempontjából: hervadási pont

pF 2 alatt: aggregátumok közötti víz pF 2 felett: aggregátumokon belüli víz

Talaj vízmegkötő képessége Talaj vízmegkötő képessége

Vízkapacitás: esővízből mennyit tud megkötni

Kapilláris vízkapacitás: talajvízből felvett víz kapilláriserőkkel

Meghat: talaj csőben, szűrőpapír hozzáér és vízbe lóg: nedv.tart.

Maximális vízkapacitás: a teljes pórustérfogatot kitöltő víz mennyisége Meghat: hengerben lévő talajt a talaj felszínéig vízbe merítenek: n.tart.

Szántőföldi vízkapacitás: tavasszal hóolvadás után meghatározott nedv.

tartalom

Talaj levegőgazdálkodása Talaj levegőgazdálkodása

A levegőgazdálkodás a talaj fizikai-kémiai állapotától függ Levegőtartalom:

Homoktalaj: 30 – 40 % Vályogtalaj: 10 – 25 % Agyagtalaj: 5 – 15 % Növények igénye:

Füvek: 6 – 10 %, Búza és zab: 10 – 15 %, árpa, cukorrépa: 15 – 20 % Talajlevegő eltér a légköri levegőtől!!!

Kedvezőtlen, ha O

: 10 % alatt, CO

: 5 % fölött

Mikroorganizmusok a talaj

mikroszemcséin

Talajlakó állatok