Nastanek, negativni vplivi na organizme in biomonitoring · 02.04.2012 Boris Turk: Troposferski ozon; Nastanek, negativni vplivi na organizme in biomonitoring 8 Ozon je polarna, zvita

Nastanek, negativni vplivi na organizme in biomonitoring

Boris Turk Katedra za aplikativno botaniko, ekologijo, fiziologijo rastlin in informatiko BF, Oddelek za agronomijo

Troposferski ozon ó Polucija zraka in zračni polutanti ó Ozon ó Nastanek troposferskega ozona ó Negativni vplivi ozona na organizme ó Biomonitoring ozona v okviru ICP-Vegetation

Boris Turk: Troposferski ozon; Nastanek, negativni vplivi na organizme in biomonitoring 2 02.04.2012

Polucija zraka in zračni polutanti ó Zračni polutanti v zemeljski zgodovini ó O2 (fotosinteza): pred približno 2,4 milijarde let zaradi

fotosinteze cianobakterij koncentracija kisika v atmosferi strmo naraste in povzroči GOE („Great Oxygenation Event“), ta pa eno največjih izumrtij organizmov v zgodovini Zemlje (anaerobi!) ó CO2 (vulkani, požari) ó SO2 (vulkani) ó Metan CH4 (bakterije, prežvekovalci) ó VOC (rastline)

3 02.04.2012 Boris Turk: Troposferski ozon; Nastanek, negativni vplivi na organizme in biomonitoring

Vir: www.intellasia.net

Polucija zraka in zračni polutanti

02.04.2012 Boris Turk: Troposferski ozon; Nastanek, negativni vplivi na organizme in biomonitoring 4

Shematski prikaz nekaterih vzrokov in posledic onesna-ževanja zraka: (1) učinek tople grede, (2) onesnaževanje s trdnimi delci, (3) povečanje UV sevanja, (4) kisli dež, (5) povečane koncentracije pritalnega ozona, (6) povečane koncentracije dušikovih oksidov. O3:ozon, SOx:žveplovi oksidi, NOx:dušikovi oksidi, CH4:metan,

CO2:ogljikov dioksid, PM: trdni delci, CFC: klorofluoroogljikovodiki Vir: Wikipedia

Polucija zraka in zračni polutanti ó Zračni polutanti po industrijski revoluciji ó Žveplovi oksidi (zlasti SO2): pri gorenju premoga in

različnih industrijskih procesih – nastanek kislega dežja ó Dušikovi oksidi (zlasti NO2): pri gorenju pri visokih

temperatirah, npr. v motorjih z notranjim izgorevanjem – viden kot rjavkasta „meglica“ nad mesti ó Ogljikov monoksid (CO): pri nepopolnem izgorevanju,

npr. v pečeh, v motorjih z notranjim izgorevanjem – zelo strupen ó Ogljikov dioksid (CO2): pri gorenju, kemijskih procesih,

dekompoziciji – toplogredni plin (???)


Polucija zraka in zračni polutanti ó Metan (CH4): pri anaerobni mikrobni razgradnji,

prebavi prežvekovalcev – močan toplogredni učinek ó Hlapni ogljikovodiki (VOC – volatile organic

compounds; npr. benzen, toluen, ksilen): pri različnih industrijskih procesih, nepopolno zgorevanje – strupeni, karcinogeni ó Trdni delci (saje, prah): pri gorenju, iz naravnih virov –

povzročajo bolezni dihal ó Klorofluoroogljikovodiki (CFC): freoni v sprejih,

hladilnih napravah – uničujejo ozonsko plast v stratosferi


Ozon – kemijske lastnosti ó Molekula iz treh atomov kisika O3 ó Manj stabilna molekula kot O2 ó Modrikast plin, ki pri -112°C

kondenzira v temno modro tekočino ó Kot snov prepoznan 1840

(Christian Friedrich Schönbein) ó Ime dobi po grškem glagolu ozein

(ὄζειν) „dišati“, zaradi značilnega vonja, ki nastane po nevihtah 02.04.2012 Boris Turk: Troposferski ozon; Nastanek, negativni vplivi na organizme in biomonitoring 7

Vir: Wikipedia

Ozon – kemijske lastnosti


Ozon je polarna, zvita molekula, ki spominja na molekulo vode. Je resonančni hibrid z enojno vezjo na eni in dvojno na drugi strani.

Ozon je močan oksidant, mnogo močnejši kot običajni kisik, O2. Pri večjih koncentracijah je nestabilen in razpade v običajni dvoatomni kisik. Pri atmosferskih pogojih je razpolovni čas približno pol ure.

2 O3 → 3 O2

Vir: Wikipedia

Ozon – vrste ozona ó Vrste ozona ó stratosferski

ozon ó troposferski

ozon


Stratosferski ozon ó Ozon v stratosferi

nastaja zaradi UV sevanja (1. molekula O2 razpade na dva atoma; 2. atomi kisika se z O2 spajajo v O3, ki zaradi UV sevanja razpade na O2 in kisikov atom, krog se ponovi; 3. ozon izginja zaradi medsebojnih kisikovih reakcij ali spajanja z drugimi plini)

ó Na morski gladini bi bila debelina ozonske plasti le 3 mm


Vir://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/a/a0/Ozone_cycle.jpg/350px-Ozone_cycle.jpg

Stratosferski ozon ó Stratosferski ozon

zadrži vse kratkovalovno UV-C sevanje in večji del UV-B sevanja. Dolgovalovnega UV-A sevanja ne zadrži.


Vir:upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/d/db/Ozone_altitude_UV_graph.jpg

Troposferski ozon ó Troposferski ozon

(od površja do okoli 12 km visoko)

ó Pritalni ozon (v plasti atmosfere, ki jo naseljujejo organizmi

ó Koncentracija na zemlji se sezonsko spreminja z letnimi časi, večja je poleti, manjša pozimi.


Vir: Wikipedia

Nastanek troposferskega ozona ó Troposferski ozon

nastaja v seriji kemijskih reakcij med dušikovimi oksidi (NOx), hlapnimi ogljikovodiki (VOC) in kisikom ob prisotnosti svetlobe, ki povzroči nastanek reaktivnih prostih radikalov

02.04.2012 Boris Turk: Troposferski ozon; Nastanek, negativni vplivi na organizme in biomonitoring 13 Vir: Wikipedia

Nastanek troposferskega ozona ó Vir VOC so tovarne,

promet, rastline ó V atmosferskih

kemijskih procesih nastanejo O3, NO2, HNO3, katerih del se z depozicijo izloči iz atmosfere

ó Pojavijo se negativni učinki O3 na kulturne rastline in gozdove

ó Polutanti se v atmosferi lahko prenesejo na velike razdalje (do 1000 km)


Vir: Wikipedia

Negativni vplivi ozona na organizme ó Večina ljudi zazna ozon v koncentraciji približno 0.01

μmol/mol ozone in v zraku. ó Ima značilen oster vonj, ki nekoliko spominja na vonj

varikine (klorovo belilo, raztopina NaClO) ó Že majhne količine ozona v zraku negativno vplivajo

na različne materiale, npr. gumo, plastične snovi ipd. ó Izpostavljenost koncentracijam od 0.1 do 1 μmol/mol

povzroči glavobol, pekoče oči in draži dihalne poti


Negativni vplivi ozona na organizme ó Pri koncentracijah, ki so običajne v urbanih okoljih,

ozon povzroča: ó draženje dihal, ki povzroča kašelj in draženje grla ó zmanjšanje učinkovitosti pljuč, kar ima za posledico

težje dihanje, zadihanost,... ó poslabšuje zdravstveno stanje ljudi z astmo in poveča

možnosti za alergijske reakcije ó pri večjih koncentracija povzroča luščenje povrhnjice

pljuč, kar lahko pripelje do trajnih poškodb.


Negativni vplivi ozona na organizme ó „Normalne” koncentracije okoli 30 ppb ó Največje kratkotrajne koncentracije v velikih mestih

lahko dosežejo 300 – 700 ppb ó Zmanjšanje koncentracij O3 lahko dosežemo z: ó zmanjšanjem emisij VOC (le do določene mere,

omejujoč faktor postanejo VOC naravnega izvora (rastline)) ó zmanjšanje emisij NOx (predvsem z zmanjšanjem

prometa, kar je težje uresničljivo)


Vpliv ozona na rastline ó Rastline se zaradi negibljivosti ne morejo „umakniti“

ozonu tekom celega vegetacijskega obdobja ó Sezonska izpostavljenost je zbir dni z razmeroma

nizkimi koncentracijami in posameznimi dnevi z zelo velikimi koncentracijami ozona (ozonska epizoda) ó Koncentracije ozona so največje ob mirnih,

spomladanskih ali poletnih, sončnih dnevih, ko je tudi koncentracija prekurzorjev velika ó Koncentracije so lahko v ruralnih okoljih večje kot v

urbanih


ó Ozon v rastlino vstopi skozi reže med običajno izmenjavo plinov ó Suša zmanjšuje učinek

ozona, ker so reže med sušo zaprte ó Ker je ozon močan oksidant

pride do različnih poškodb celic in tkiva


Vpliv ozona na rastline

Vir:thestoryofstory.files.wordpress.com/2010/01/stomata1.jpg

ó Simptomi ozonskih poškodb: ó rdečenje zgornje strani listov ó nastanek majhnih (do 1 mm)

svetlo obarvanih lis na zgornji strani listov ó nastanek majhnih (2-4 mm)

temno pigmentiranih lis ó kloroze in nekroze ó pospešena senescenca



Vir. icpvegetation.ceh.ac.uk



Vpliv ozona na rastline preučujejo zlasti v tako imenovanih OTCjih (Open Top Chambers), kjer rastline gojijo v filtriranem zraku in pri različnih koncentracijah ozona.



Vpliv ozona na rastline Rezultati NCLAN (National Crop Loss Assessment Network) iz ZDA so v letih 1980-1987 pokazali, da so izgube pridelka večje pri dvokaličnicah (soja, arašidi, bombaž) kot pri enokaličnicah (sirek, koruza, pšenica) (Heagle, 1989)

ó The International Cooperative Programme on Effects of Air Pollution on Natural Vegetation and Crops

ó ICP Vegetation je bil ustanovljen leta 1987 v okviru United Nation Economic Commission for Europe (UNECE) Convention on Long-Range Transboundary Air Pollution (LRTAP). ICP Vegetation je mednarodni raziskovalni program, ki preučuje vplive zračnih polutantov na poljščine in (so-)naravno vegetacijo ter poroča skupini Working Group on Effects (WGE).

ó Program koordinira Centre for Ecology & Hydrology (CEH) iz Bangorja, Wales.

ó Program se osredotoča na vplive ozona na vegetacijo ter atmosfersko depozicijo težkih kovin in dušika na vegetacijo.


Biomonitoring ozona v okviru ICP-Vegetation


ó pred 1994 biomonitoring s tobakom ó 1994 – 1996 biomonitoring s plazečo deteljo in EDU

(etilen diurea) ó 1997 – 2007 biomonitoring z na ozon občutljivim in na

ozon odpornim klonom plazeče detelje ó 2008 – 2011 biomonitoring z na ozon občutljivim in na

ozon odpornim genotipom fižola




ó AOT40: (Accumulated Ozone Exposure over a Threshold of 40 Parts Per Billion) ó seštevek urnih vrednosti koncentracij ozona nad

40 ppb tekom enega dneva ó izrazimo ga v AOT 40 ppb h vrednosti

ó Ozonski pretok (Ozone flux) – rezultat modelov ó izražen v mmol m-2 ó upošteva tudi vodni režim, temperaturo, zračno vlago




0

20

40

60

80

100

120

140

160

1 21 41 61 81 101

121

141

161

181

201

221

241

261

281

301

321

341

361

381

401

421

441

461

481

501

521

541

561

581

601

621

641

661

681

ppb

ura v aprilu

Urne O3 ppb vrednosti v aprilu 2006 v Ljubljani

O3 ppb

40ppb



0,0

100,0

200,0

300,0

400,0

500,0

600,0

1.4.

2006

8.4.

2006

15.4

.200

622

.4.2

006

29.4

.200

66.

5.20

0613

.5.2

006

20.5

.200

627

.5.2

006

3.6.

2006

10.6

.200

617

.6.2

006

24.6

.200

61.

7.20

068.

7.20

0615

.7.2

006

22.7

.200

629

.7.2

006

5.8.

2006

12.8

.200

619

.8.2

006

26.8

.200

62.

9.20

069.

9.20

0616

.9.2

006

23.9

.200

630

.9.2

006

7.10

.200

614

.10.

2006

21.1

0.20

0628

.10.

2006

AOT4

0

Datum

Ljubljana - 2006, AOT40




0

5.000

10.000

15.000

20.000

25.000

30.000

1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007

AO

T40

[ppb

/h]

Year

Cumulative AOT40 from 1st of April untill 31st of October

LjubljanaIskrbaRakičan

ó Kritične vrednosti koncentracij ozona glede na vrednosti AOT 40 ó Poljščine ó AOT40 v velikosti 3 ppm akumuliran tekom 3 mesecev

ó Sadno drevje in druge sadne rastline ó AOT40 v velikosti 6 ppm akumuliran tekom 3,5 mesecev

ó Združbe pretežno enoletnic ó AOT40 v velikosti 3 ppm akumuliran tekom 3 mesecev

ó Združbe pretežno trajnic ó AOT40 v velikosti 5 ppm akumuliran tekom 6 mesecev





Iz meritev AOT 40 izpeljana karta rizika v letu 2003 za pšenico. Največje koncentracije ozona so v osrednjih predelih Evrope.

Iz fluksov izpeljana karta rizika v letu 2003 za generično vrsto. Razlike nastanejo npr. zaradi upoštevanja suše v medi-teranskih predelih .


ó Biomonitoring z na ozon občutljivo sorto tobaka Nicotiana tabacum cv. Bel W3 ó tipični, lahko prepoznavni

znaki, veliki listi ó težave s slabim uspevanjem

tobaka v hladnejših severnih predelih Evrope

ó iskanje primernejše rastlinske vrste




ó Biomonitoring z na ozon občutljivim in na ozon odpornim klonom plazeče detelje Trifolium repens `Regal` NC-S in T. r. `Regal` NC-R, selekcioniranima v North Carolyna, ZDA



NC-S NC-R ozonska poškodba


0

5000

10000

15000

20000

25000

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

1.4.

11.4

.

21.4

.

1.5.

11.5

.

21.5

.

31.5

.

10.6

.

20.6

.

30.6

.

10.7

.

20.7

.

30.7

.

9.8.

19.8

.

29.8

.

8.9.

18.9

.

28.9

.

Cum

mul

ativ

e AO

T40

AOT4

0 / B

iom

ass

Date

LJUBLJANA 2006 Daily & Cummulative AOT40 with Critical Level for Crops & Natural Vegetation

and Clover Biomass

Biomass NC-S [g]

Biomass NC-R [g]

Cummulative AOT40 [ppb h]

Daily AOT40 [ppb h]

Critical level for crops

Cummulative AOT40 [ppb h]




Velikost vpliva ozona na razmerje biomase med na ozon občutljivim in na ozon odpornim klonom bele detelje (NC-S/NC-R) na izbranih lokacijah po Evropi. Večje razlike so na lokacijah v južni Evropi, manjše v severni predelih.


ó Biomonitoring z na ozon občutljivim (S156) in na ozon odpornim (R123) genotipom fižola Phaseolus vulgaris, ki sta bila selkcionirana na USDA-ARS Plant Science Unit field, North Carolina, ZDA.



S156 R123 Ozonske poškodbe na listih fižola



0

5

10

15

20

25

30

35

40

Average No. of Leaves

RS

Povprečno število listov pri odpornem (R) in občutljivem (S) genotipu fižola


0123456789

101112

Average No. of Leaves With 1-5% Injuries

RS


Povprečno število listov z 1-5% poškodb pri R in (S) genotipu fižola



0

10

20

30

40

50

60

R-01 R-02 R-03 R-04 R-05 R-06 R-07 R-08 R-09 R-10 S-01 S-02 S-03 S-04 S-05 S-06 S-07 S-08 S-09 S-10

Mass of Seeds in Plants (Ljubljana, 2009) [g]

0

10

20

30

40

50

60

R-01 R-02 R-03 R-04 R-05 R-06 R-07 R-08 R-09 R-10 S-01 S-02 S-03 S-04 S-05 S-06 S-07 S-08 S-09 S-10

Mass of Seeds in Plants (Ljubljana, 2010) [g]



ó Posredovanje meritev in rezultatov Koordina-cijskemu centru CEH ó Sodelovanje pri izdelavi

vsakoletnega poročila ó Vsakoletna udeležba na

ICP-Vegetation Workshop ó Predstavitev rezultatov

tekočega leta

Documents

Nastanek, negativni vplivi na organizme in biomonitoring · 02.04.2012 Boris Turk: Troposferski ozon; Nastanek, negativni vplivi na organizme in biomonitoring 8 Ozon je polarna, zvita