Water izotopes

izotopy vody
Izotopy kyslíku a vodíku
v systému
půda - rostlina/živočich - atmosféra
izotopy vody
OBSAH
• Ochutnávka: k čemu je dobré studovat izotopy
vody?
• Začínáme izotopovou polévkou: oceán, výpar a déšť
• Příjem vody rostlinou: první doušek přes kořeny
• Proč mají listy víc těžké vody než půdní a stonková
voda?
• Příjem vody rostlinou: druhý doušek jde z atmosféry
• Izotopový otisk v organické hmotě (celulóze)
izotopy vody
1. Skrytá polovina rostlin - v čem mohou pomoci
izotopy? (Příjem vody a její vedení kořeny)
Obr. z Gibbens & Lenz 2001,
Dawson 1993, Čermák 2003
2. Jak se mění aktivita
terestrické vegetace?
Umírají lesy na
kontinentech?
70 % veškeré evaporace z Evropy prochází průduchovými
póry.
Voda vypařená z listů má jiné izotopové složení než voda
vypařená z půdy.
 Ch Körner
izotopy vody
3. Výdej vody - krajinná hydrologie
Kolik se vypařuje vody z rostlin a kolik z půdy ?
Princip zjištění složek evapotranspirace
Atmosféra izo topová směs T a E
Transpirace izo topově stejná s
pod zem ní vod ou
Evaporace izo topově och uzená
T
E
izotopy vody
4. Co řeknou izotopy v letokruzích o minulém klimatu?
Strom je úžasná bytost!
Ukotven po staletí na jednom místě přijímá uhlík z atmosféry a kombinuje jej s kyslíkem a vodíkem z vody,
vytváří z nich organickou hmotu, kterou ukládá rok po roce v sekvenčních vrstvách, kterými zesiluje svůj kmen.
Občas kmen padne do bažiny nebo jezera, kde za příznivých podmínek přetrvá po tisíce až staticíce let.
Pak už jen stačí, abychom si uvědomili, že máme k dispozici archiv obsahující detailní údaje
o jistém výseku z paleoklimatu, stačí aby přišli „žabí muž s motorovou pilou a operátoři hmotového spektrometru a
archiv „otevřeli“.
Současné nejstarší záznamy: borovice 7000 let, dub 8000 let nazpět.
Výhody proti jiným archivům (např. sedimenty): přesná, rozlišitelná roční chronologie.
Výhoda izotopů proti šířce letokruhů: relativně jednoduchá a poznaná závislost na klimatu.
(rev.McCarroll, Loader 2004).
izotopy vody
4. Paleoklima: Jak teplé bylo moře před 20 milióny lety ?
izotopy vody
5. Geografický původ, autenticita, forenzní vědy
Poznáte, kde jsem strávil dětství?
A kde jsem naposledy bydlel ?
Fry: Stable Isotope Ecology (2006)
izotopy vody
OBSAH
• Ochutnávka: k čemu je dobré studovat izotopy
vody?
• Začínáme izotopovou polévkou: oceán, výpar a déšť
• Příjem vody rostlinou: první doušek přes kořeny
• Proč mají listy víc těžké vody než půdní a stonková
voda?
• Příjem vody rostlinou: druhý doušek jde z atmosféry
• Izotopový otisk v organické hmotě (celulóze)
Water isotopes
Ocean = 18O and D spicy soup
1
1
18
H
16
H
0.2 %
H
99.8 %
O
1
O
1
2
H
16
SIBAE Springschool `07
H
O
1
H
0.015 %
Water isotopes
1
H
16
1
O
1
18
H
99.8 + 0.008 %
H
O
1
0.2 -0.001 %
2
H
16
H
O
1
0.015 – 0.007 %
δ=
(D H )
( H)
−D
( H)
vapour
oceanwater
D
oceanwater
⋅1000
Fractionation
H
Water isotopes
Equilibrium fractionation of water
Saturation vapour pressure of “heavy” water is less
than saturation pressure of “light” water
In H2O with little „spice“ of DHO
vapour H2O
vapour
DHO
es H2O > es DHO
liquid H2O
liquid DHO
ε
*
D
[D/ H]liquid
=
−1 ≅ 0.084
[D/ H]vapour
Equilibrium fractionation factor
The vapour (product) is depleted in D by
84 ‰ as compared to liquid (substrate)
In 18O, the vapour is depleted by 9.8 ‰.
Water isotopes
Kinetic fractionation of water
diffusion is sensitive to molecular mass, so, the light water diffuses faster
than the heavy one
Kinetic fractionation factor
H2O
DH2O
H2O
DHO
DD2O
DHO
εk =
DH 2O
DDHO
− 1 = 0.028 x1000
Where D is diffusion coefficient of water in the „green stuff“
g s ⋅ 30 + g a ⋅15
εk =
gs + ga
28
13 < εkD <
15 < εk18O <
30
laminar streaming
Diffusion in still air
Water isotopes
16
H2 O
18O 16O
H218O
18O 16O
18O
16O
O 16O
O 16O
Fry 2006
Water isotopes
Ocean and
atmosphere
Water isotopes
Why is the rain in Wien lighter than
in Paris?
Primary
rain
Secondary
rain
pára
vapourpara
rain
evaporation
rain
pára
Oceán
C
Kontinent
… but so far, it is „only“ a physics …
Water isotopes
Heaviest rain is at the equator, lightest at the poles
(temperature driven fractionation)
Gourcy et al. 2005
Fig. 3.9. Isotope map of North America
for precipitation δD values. Plant and
animal δD values reflect this continentallevel map. The map is reprinted from
Taylor, Jr., H.P., 1974, Economic Geology
69(6), p. 850, Fig. 6.
Efekty:
• Kontinentální
• Teplotní (zeměp.
šířky)
• Nadmořské výšky
• Vydatnosti a délky
srážek
Fry 2006
Fry 2006
Water isotopes
18O isotopic
composition of precipitation (precipitation-weighted)
See also GNIP web sites
Water isotopes
A trip across atmosphere
(temperature and photochemistry driven fractionation of DHO)
Rozansky 2005
Water isotopes
(Global) meteoric water line
100
soil
branch
air
Global Met. W. Line
50
δD
0
-50
δD = 8 ⋅ δ O + 10
18
-100
-150
-200
-30
-20
-10
0
δ18O
10
20
izotopy vody
SOUHRN 1
• Izotopy kyslíku a vodíku ve srážkové vodě jsou
specifické podle:
- zeměpisné šířky (těžších ubývá směrem k
pólům)
- teploty vzduchu
- vzdálenosti od oceánu
- nadmořské výšky
Water isotopes
Iso-Puzzle 1
Does an ice block of heavy water flow on the surface
of tap water?
Yes
No
D2O
H2O
ρ H 2O = 916.8 kg m −3
D2O
H2O
ρ D 2O = 1019 kg m −3
Water isotopes
Water in soil
Water isotopes
Why is water in the soil upper layer enriched ?
δ 2H
turbulent atmosphere
-100
(RH=50%)
Tair=20oC
?
δa
lam. b. layer
20oC
δE
wet bare soil
-70
ground (source) water
δL
δ E = δ L ⋅αeq αk ·(1-h)
+
δ a αeq h
Craig, Gordon 1961, 1965
Due to evaporation (low humidity h) and water transport in soil
Water isotopes
Applications
We can find where the plant takes water from.
hydraulic lift (redistribution)
water regime in riparian communities
Partitioning of evapotranspiration
(separation of evaporation form soil from transpiration)
izotopy vody
OBSAH
• Ochutnávka: k čemu je dobré studovat izotopy
vody?
• Začínáme izotopovou polévkou: oceán, výpar a déšť
• Příjem vody rostlinou: první doušek přes kořeny
• Proč mají listy víc těžké vody než půdní a stonková
voda?
• Příjem vody rostlinou: druhý doušek jde z atmosféry
• Izotopový otisk v organické hmotě (celulóze)
Water isotopes
Water uptake
Grifith et al. (1998) Physiol.Plant Ecology
izotopy vody
Při příjmu nedochází k frakcionaci
(diskriminaci), jen k míchání zdrojů.
Řekni mi, kolik obsahuješ deuteria,
a já ti povím odkud bereš vodu.
Xylémová voda z běle kmene Pinus strobus (prázdné kroužky) při dvou izotopově odlišných deštích. Voda v jádru kmene (plné kroužky)
má izotopově stálé složení a slouží jako zdroj pro transpirační proud v případě sucha. (White et al. 1985)
izotopy vody
Deuterium v xylému jako funkce velikosti stromu
rostoucích v bezprostřední blízkosti řeky (prázdné
symboly) nebo vzdáleně od řeky (plné symboly).
Izotopový signál zdrojové vody je uveden vpravo.
Vzorky z Red Butte Canyon, Utah.
Ehleringer a Dawson, 1991.
Jsou údolní společenstva stromů závislá
na vodě v řece?
Pokud ano, do jaké míry?
izotopy vody
Kde berou vodu (do jakých
kořenů investují uhlík) rostliny
suchých stanovišť ?
D v xylémové vodě různých funkčních skupin pouštních rostlin po letním dešti
(Ehleringer et al. 1992)
a co pobřežní
společenstva rostlin ?
izotopy vody
Co je to „hydraulický výtah“ ?
izotopy vody
SOUHRN 2
• Izotopy kyslíku a vodíku nemění své zastoupení při
příjmu vody rostlinou. Proto voda ve stonku
informuje o:
- zdroji vody pokud má specifické izotopové
složení
- hloubce (architektuře kořenů)
izotopy vody
OBSAH
• Ochutnávka: k čemu je dobré studovat izotopy
vody?
• Začínáme izotopovou polévkou: oceán, výpar a déšť
• Příjem vody rostlinou: první doušek přes kořeny
• Proč mají listy víc těžké vody než půdní a stonková
voda?
• Příjem vody rostlinou: druhý doušek jde z atmosféry
• Izotopový otisk v organické hmotě (celulóze)
Water isotopes
Leaf
= volumetrically small compartment with high throughput of water
δss
[2H, 18O]in
[2H, 18O ]out
δa
δs
water entering and evaporating from the leaf has the same δ. ;
leaf water is in the isotopic steady state
δ SS = δ S + ε ∗ + ε k + h ⋅ (δ a − ε k − δ S )
ea
∆ e = ε + ε k + ⋅ (∆ a − ε k )
ei
∗
Craig&Gordon‘s model
adapted for leaf
(Dongmann et al. 1974,
Farquhar 1989
Water isotopes
Leaf
What does
the formula
ea
∆ e = ε + ε k + ⋅ (∆ a − ε k )
ei
∗
tell us ?
≈ leaf temperature Tl
1/≈
≈ stomatal
conductance gs
Stomata closure cause water
enrichment and vice versa
Water isotopes
Leaf water enrichment is spatially
heterogeneous
Desert river model:
∆
x
∆
(l ) =
h
e
'


l
 1 −  1 −
lm





j



Santrucek et al. (2007) Plant Phys.
izotopy vody
MIBA (Moisture isotopes in biosphere and atmosphere) - projekt IAEA
(izotopové složení vody v půdě, xylému, v listech a v atmosféře; dominantní typ vegetace,
globální měřítko, asi 150 odběrových míst)
deuterium in soil, branch and leaf water
beach (Fagus sylvatica)
CZR003 (Ceske Budejovice, Brloh), season: 2004,2005,2006
0
soil_sun
branch_sun
leaf_sun
soil_shade
branch_shade
leaf_shade
δD, %o
-20
-40
-60
-80
-100
1-8-04 1-12-04 1-4-05 1-8-05 1-12-05 1-4-06 1-8-06
date
izotopy vody
Navíc: izotopové obohacení vody
v listu není homogenní
90.0
80.0
DELTA D
70.0
60.0
50.0
40.0
30.0
Desert river model:
20.0
10.0
0.0
0.00
0.20
0.40
0.60
0.80
relative distance from the base, l/lm
1.00
j




∆e
l
 
∆ x ( l ) = ' 1 −  1 −
h 
lm  



Santrucek et al. (2007) Plant Phys.
izotopy vody
SOUHRN 3
• Voda v litech je izotopově obohacená proti vodě
zdrojové (půdní):
- je závislé na teplotě listu
- je závislé na vlhkosti vzduchu
- obohacení se zvyšuje od báze ke špičce
izotopy vody
OBSAH
• Ochutnávka: k čemu je dobré studovat izotopy
vody?
• Začínáme izotopovou polévkou: oceán, výpar a déšť
• Příjem vody rostlinou: první doušek přes kořeny
• Proč mají listy víc těžké vody než půdní a stonková
voda?
• Příjem vody rostlinou: druhý doušek jde z atmosféry
• Izotopový otisk v organické hmotě (celulóze)
izotopy vody
Where does
the oxygen in cellulose
come from ?
δw18O=+13
Experiment
δw18O=-1
CO2 δ18O=+6
DeNiro, Epstein, Science 1979
δcel18O=+27
δcel18O=isoO=isoPuzzle
Theory:
Oxygen in
Photosynthates
Originates from
CO2
RUBP
Endiol RUBP
δ18O=+985 CO2
+ PO32-
- PO32- - O
+ PO32-
- PO32- - O
2-carboxy-3-ketoarabinitol BP
PGA
izotopy vody
Proč si odporuje teorie a
experiment ?
izotopy vody
1/ Autotrofní výměna kyslíku
Chloroplast je křižovatkou pro CO2 a vodu
C=O = carbonylový kyslík
H2O
CO2
Carbonic anhydrasa
k1
+ 18O2
Chloroplastové
stroma
CO18O
[HCO2 18O] - +H+
CO2 + H218O
Doleův jev
H2O + CO 18O
obohacení
2H2 18O→
→ 4H+ + 18O2
H2O
thylakoidy
Cukry,
škrob,
celulosa
list
izotopy vody
2/ Heterotrofní (postfotosyntetická)
výměna carbonylového kyslíku
Aceton (s jedním výměnným kyslíkem) byl obohacen
o 28 promile oproti vodě s kterou byl smíchán.
Sternberg, DeNiro 1983
Sacharóza exportovaná z listu je o 27 promile bohatší
než voda v listu.
Cernusak 2003
Poločas výměny se zvětšuje s velikostí molekuly.
Výměna je urychlována enzymy (aldolasami).
Poločasy: aceton 10 min, fruktosa-1,6-bisfosfát 29 min, fruktosa-6-fosfát 166 min.
Barbour 2007
izotopy vody
3/ Heterotrofní (post-fotosyntetická)
výměna carbonylového kyslíku
(během syntézy celulózy)
20% O atomů vyměněno
Hexoso-fosfáty
6 z 10 O atomů
vyměněno
Trioso-fosfáty
celulóza
izotopy vody
SOUHRN 4
• Izotopy kyslíku a vodíku v organické hmotě téměř
kopírují izotopové složení vody v listu.
Water isotopes
Overview
… 18O and 2H (D) in water, rain, vapour, moisture …
Primary
rain
Secondary
rain
pára
vapourpara
rain
evaporation
rain
pára
Oceán
C
Kontinent
Tato přednáška byla podpořena projektem EU: