Aktuální číslo:

2017/12

Téma měsíce:

Kontakty

Jsou zdrojem skleníkových plynů říčky?

Pátrání po dalších zvláštnostech koloběhu uhlíku
 |  10. 6. 2010
 |  Vesmír 89, 383, 2010/6

Vodní pára patří společně s oxidem uhličitým (CO2), metanem (CH4) a oxidem dusným (N2O) mezi přírodní plyny, které mají nejvyšší schopnost pohlcovat dlouhovlnné zemské záření, a tím přispívat k zvyšování teploty na Zemi. Čím vyšší je jejich koncentrace v atmosféře, tím více teplota planety roste, a proto se jim říká skleníkové plyny (viz rámeček). Hledají se cesty, jak snížit emise skleníkových plynů způsobené člověkem, ale nejsou zatím příliš známy jejich přírodní zdroje – mokřady, termitiště, mořské i sladké stojaté vody – které jsou součástí biochemického cyklu uhlíku. Řeky a potoky byly dosud z hlediska produkce skleníkových plynů úplně opomíjeny, ačkoliv některé studie prokázaly, že schopnost sedimentů říčního dna produkovat skleníkové plyny a emitovat  je do atmosféry je značná.

Co se děje v sedimentu

Dlouhodobě jsme zkoumali tok říčky Sitky u Olomouce. Zajímal nás koloběh organického uhlíku, a zejména sedimenty dna, které organický uhlík zadržují a transformují. Protože sedimentem proudí voda mnohem pomaleji než v povrchovém toku a spotřeba kyslíku není dostatečně nahrazována přísunem z povrchu, je v pórové (intersticiální) vodě koncentrace kyslíku nízká – a čím hlouběji, tím je nižší. Aerobní procesy, které převládají v povrchové vodě, jsou proto v hlubších částech sedimentů nahrazovány procesy anoxickými a anaerobními. Nejprve jsme se zaměřili na produkty a meziprodukty bakteriálního rozkladu organických látek za anaerobních podmínek, konkrétně jsme zjišťovali koncentraci kyseliny mléčné a octové, které jsou základními prekurzory sulfátové redukce a vzniku metanu. Poměrně vysoké koncentrace těchto kyselin, nalezené i v jinak dobře prokysličených sedimentech Oberer Seebach v Rakousku, nás proto vedly k přesvědčení, že anaerobní procesy v sedimentech jsou běžné a mohou hrát v koloběhu uhlíku důležitou roli. Oxid uhličitý, který v těchto procesech vzniká jako vedlejší produkt, pak může být dále využit k tvorbě metanu, popřípadě unikat společně s metanem, oxidem dusným či sirovodíkem do povrchové vody.

V sedimentech Sitky jsou anaerobní a anoxické procesy odpovědné za více než 80 % veškeré oxidace organické hmoty. Analýzy sedimentů prokázaly, že jak hlubší, tak povrchové sedimenty toku mají poměrně vysokou schopnost produkovat metan a oxid dusný. Odběry vody ze sedimentu Sitky pak prokázaly, že metan zde vzniká celoročně, ale během letního období je jím voda v bahně přesycena. Rovněž denitrifikace v sedimentech je v létě zvýšená a odstraňuje z vody dusičnany vstupující do sedimentu. Rozpuštěný metan s oxidem uhličitým a oxidem dusným pak unikají do povrchové vody, kde jsou unášeny proudem nebo difuzí emitovány do atmosféry. Na rozdíl od stojatých vod je vybublávání plynů v proudivých tocích pravděpodobně nevýznamné. Rychlost toku plynných emisí do atmosféry závisí na parciálním tlaku konkrétního plynu v atmosféře a jeho koncentraci ve vodě, na teplotě a hloubce vody a na rychlosti proudu. Největší emise lze proto očekávat v létě v dobře proudivém úseku.

Není plyn jako plyn

V roce 2005 jsme sledování produkce skleníkových plynů rozšířili na celý tok Sitky, která pramení v Bruntálské vrchovině v Nízkém Jeseníku. Až po Šternberk protéká zalesněným územím a dále již intenzivně obhospodařovanou zemědělskou oblastí. Až na krátké úseky je tok neregulován, lemován vegetací. Asi 5 km severně od Olomouce se Sitka vlévá do Oskavy.

Chtěli jsme odhadnout množství plynných emisí uvolněných tokem za rok. Proto jsme celoročně na pěti lokalitách měřili koncentrace metanu, oxidu uhličitého a oxidu dusného v povrchové i intersticiální vodě a také emise plynů do ovzduší. Dalším lokalitám jsme přiřadili úseky podle charakteru a naměřených emisí (obr. 1) a odhadli jsme vyprodukované emise pro celou plochu toku. Celkové a dílčí roční emise z lokality byly spočteny z průměrů pro jednotlivá roční období.

Předpokládali jsme, že v podélném profilu toku se mění spádové a proudové podmínky, od nichž se odvíjí usazovací rychlost, složení sedimentů a obsah organických látek. Podle toho by dolní úseky toku měly mít sediment s převahou jemnozrnných částic a obsahovat více organických látek, jejichž rozklad bude podporovat větší produkci plynů a jejich vyšší emise. Ukázalo se ale, že to platí pro všechny sledované plyny kromě CO2, kde byly vysoké emise zjištěny i na horním toku. Asi je to tím, že v horní zalesněné části toku je vysoká heterotrofní aktivita a respirace.

Pravděpodobně nejpřekvapivějším zjištěním našeho výzkumu však byla hodnota  celkové roční emise všech sledovaných plynů. Přestože odhadnutá plocha celého toku je nepatrná, z jeho hladiny bylo ročně v průměru emitováno do ovzduší 211 t skleníkových plynů. Dominantní podíl měl CO2 s 210 t a zbývající tuna náležela metanu (asi 650 kg) a oxidu dusnému (asi 250 kg).

Velký vliv malé říčky

Vodní toky nejsou doposud považovány za významný zdroj skleníkových plynů, a proto nebývají započteny do globálních bilancí. Výsledky ukazují, že sice vodní toky nedosahují hodnot jako mokřady, ale přesto je v bilancích nelze zanedbat. Kdybychom tedy měli odpovědět na úvodní otázku, musíme přiznat, že toky jsou významnými emitenty skleníkových plynů. Roční produkce oxidu uhličitého ze Sitky odpovídá množství emisí téhož plynu vyprodukovaných automobilem během 1,3 milionu km jízdy. Nestojí tedy za úvahu se tím zabývat?

Výsledky byly získány s podporou Národního projektu výzkumu NPV II 2B06101 a projektu GA ČR 526/09/1639.

Literatura

Hlaváčová E., Rulík M., Čáp L.: Anaerobic microbial metabolism in hyporheic sediment of a gravel bar in a small lowland stream, River Res. Applic. 21, 1003–1011, 2005

Hlaváčová E., Rulík M., Čáp L., Mach V.: Greenhouse gas (CO2, CH4, N2O) emissions to the atmosphere from a small lowland stream in Czech Republic, Arch. Hydrobiol. 165, 3, 339–353, 2006

Slovníček

oxická (kyslíkatá) zóna – oxidace organických látek a nitrifikace; konečným příjemcem elektronů je rozpuštěný kyslík

anoxická (bezkyslíkatá) zóna – rozpuštěný kyslík již není přítomen, probíhá denitrifikace; dusičnanový a dusitanový dusík pak slouží k oxidaci organických a anorganických látek

anaerobní zóna – není přítomen ani rozpuštěný kyslík, ani dusičnany či dusitany; probíhají fermentace (kvašení), sulfátové redukce a činnost metanogenních bakterií

denitrifikace – mikrobiální redukce dusičnanů na plynné sloučeniny dusíku; poměr jednotlivých produktů závisí nejen na podmínkách prostředí, ale i na konkrétním druhovém složení mikrobiálního společenstva

intersticiální voda nebo také pórová voda – voda, která zabírá volný prostor mezi částicemi sedimentu

sulfátová redukce (respirace) – provádí ji fylogeneticky různorodá skupina bakterií, které spojuje schopnost využívat sírany, popřípadě elementární síru. Typickým produktem respirace sirných sloučenin je sulfan (H2S)

SKLENÍKOVÉ PLYNY

Jako konečný produkt mikrobiálního rozkladu organických látek vznikají: metan, oxid uhličitý a oxid dusný. Největší podíl na skleníkovém efektu mají oxid uhličitý (70 %), metan (23 %) a oxid dusný (7 %). Jejich vliv na oteplení závisí také na absorpci infračerveného záření (u molekuly metanu je asi 20krát vyšší a u molekuly oxidu dusného 270krát vyšší než u molekuly oxidu uhličitého). V atmosféře setrvává metan 10 let, oxid uhličitý 50–200 let, oxid dusný 130–150 let. Od preindustriálního období vzrostl obsah oxidu uhličitého z 280 ppm na 358 ppm (s ročním přírůstkem 1,5 ppm), metan ze 700 ppb na 1720 ppb (dnes stagnující přírůstek) a oxid dusný z 275 ppb na 312 ppb (s ročním přírůstkem 0,8 ppb). Z antropogenních zdrojů úniku oxidu uhličitého do atmosféry jsou nejzávažnější: spalování fosilních paliv, odlesňování, změna ve využití půdy, spalování biomasy a eroze. Zdrojem metanu jsou zejména rýžová pole, střevní fermentace skotu, spalování biomasy, skládky odpadu, emise z průmyslu. Zdrojem oxidu dusného je používání hnojiv, spalování biomasy a fosilních paliv a změna v užívání půdy. Při studiu emisí skleníkových plynů do atmosféry byla věnována velká pozornost antropogenním zdrojům, přitom nejsou dostatečně prozkoumány zdroje přirozené. Do jisté míry byla pozornost věnována mokřadům, jezerům, pobřežím moří a ústím velkých řek, ale data pro vodní toky a řeky chybějí.

Ke stažení

OBORY A KLÍČOVÁ SLOVA: Klimatologie

O autorech

Martin Rulík

Václav Mach

Doporučujeme

Jak si delfíni ucpávají uši

Jak si delfíni ucpávají uši audio

Jaroslav Petr  |  17. 12. 2017
Hluk v mořích a oceánech produkovaný člověkem ohrožuje kytovce. Může je dočasně ohlušit nebo jim trvale poškodit sluch. Nově objevený fenomén by...
Tajemná sůva šumavská

Tajemná sůva šumavská

Jan Andreska  |  17. 12. 2017
Byl vyhuben a vrátil se. Na Šumavu lidskou snahou a do Beskyd vlastním přičiněním. Puštík bělavý teď žije opět s námi, ale ohrožení trvá.
Hmyz jako dokonalý létací stroj

Hmyz jako dokonalý létací stroj

Rudolf Dvořák  |  4. 12. 2017
Hmyz patří k nejdokonalejším a nejstarším letcům naší planety. Jeho letové schopnosti se vyvíjely přes 300 milionů let a předčí dovednosti všech...

Předplatným pomůžete zajistit budoucnost Vesmíru

Tištěná i elektronická
verze časopisu
Digitální archiv
od roku 1994
Speciální nabídka
pro školy a studenty

 

Objednat předplatné