Cykle biogeochemiczne
Cykle biogeochemiczne
Cykle biogeochemiczne
You also want an ePaper? Increase the reach of your titles
YUMPU automatically turns print PDFs into web optimized ePapers that Google loves.
13. 3. 2010<br />
<strong>Cykle</strong> <strong>biogeochemiczne</strong><br />
<strong>Cykle</strong> <strong>biogeochemiczne</strong><br />
Krążenie pierwiastków ważnych dla życia odbywa się nie<br />
tylko w obrębie organizmów żywych lub obumarłej materii<br />
(biocenoza), ale także w obrębie świata nieorganicznego<br />
(biotop).<br />
Zrozumienie krążenia pierwiastków wymaga zatem,<br />
znajomości chemii zarówno organicznej, jak i<br />
nieorganicznej. Badanie krążenia pierwiastków jest więc<br />
interdyscyplinarne. Krążenie pierwiastków zachodzące<br />
między światem ożywionym i nieożywionym określamy<br />
jako CYKL BIOGEOCHEMICZNY.<br />
Obie główne składowe cyklu – organiczna i nieorganiczna są<br />
równie ważne dla procesu krążenia. Tempo krążenia określa<br />
dostępność pierwiastka dla organizmu. Generalnie<br />
pierwiastki szybciej krążą w fazie organicznej, niż<br />
nieorganicznej.<br />
Pierwiastki istotne dla życia<br />
Organizmy żywe potrzebują dla budowy swojego ciała i procesów<br />
metabolicznych około 20-30 pierwiastków. Najprostsze związki, jak<br />
węglowodany produkowane w procesie fotosyntezy, składają się z<br />
zaledwie trzech pierwiastków: C, H, O. Białka lub kwasy<br />
nukleinowe wymagają jeszcze np. fosforu, azotu i siarki.<br />
Pierwiastki niezbędne do życia, czyli biogeny, można podzielić na<br />
dwie grupy:<br />
• Makroelementy – organizm wymaga ich względnie dużej ilości.<br />
Co najmniej 1% suchej masy organizmu stanowią: węgiel C, tlen O,<br />
wodór H, azot N i fosfor P.<br />
• Makroelementy stanowiące od 0,2-1% suchej masy organizmu to:<br />
siarka S, chlor Cl, potas K, sód Na, wapń Ca, magnez Mg, żelazo Fe<br />
i miedź Cu.<br />
Biogeny występujące w organizmach żywych w ilościach śladowych<br />
(mniej niż 0,2% suchej masy) nazywamy mikroelementami. Do<br />
ważniejszych należą: glin Al, bor B, brom Br, chrom Cr, kobalt Co,<br />
fluor F, gal Ga, jod I, mangan Mn, molibden Mo, selen Se, krzem<br />
Si, stront Sr, cyna Sn, tytan Ti, wanad V, cynk Zn.<br />
4 źródła biogenów<br />
1. Wietrzenie skał to jest jednym z najważniejszych źródeł<br />
długoterminowych. Jest procesem powolnym i mało<br />
wydajnym. Dostarcza głównie mikroelementów<br />
2. Biogeny ze źródeł atmosferycznych dostarczane są przez<br />
opad lub różne procesy biologiczne<br />
3. Organizmy swobodnie przemieszczające się mogą<br />
dostarczyć do ekosystemu znaczne ilości materii, która<br />
zostaje wbudowana w żyjące w nim organizmy, np. ptaki<br />
żerujące na organizmach morskich i karmiące młode na<br />
lądzie pozostawiają znaczne ilości materii w postaci<br />
guano.<br />
4. Biologiczne wiązanie azotu<br />
4 źródła biogenów – biologiczne<br />
wiązanie azotu<br />
Biologiczne wiązanie azotu jest procesem biochemicznym, w którym<br />
azot cząsteczkowy (N 2 ) zostaje wbudowany w związki organiczne.<br />
Tylko niektóre organizmy posiadają tę umiejętność. Należą tu<br />
bakterie, grzyby i sinice. Rocznie organizmy te wiążą (wg szacunków)<br />
175 mln ton.<br />
Bakterie brodawkowate (Rhizobium) żyją w symbiozie z roślinami<br />
motylkowatymi (13000), tworząc na ich korzeniach brodawki – ich<br />
miejsce zamieszkania. Roślina zaopatruje bakterie w produkty<br />
fotosyntezy (węglowodany) a bakteria odwdzięcza się związkami<br />
azotowymi. Po obumarciu rośliny gleba zawiera dużo przyswajalnych<br />
dla roślin związków azotu. Wg szacunków drogą tą przenika do gleby<br />
140 mln ton azotu rocznie.<br />
Analogiczne zjawisko brodawek korzeniowych zachodzi również u 160<br />
gatunków spoza rodziny motylkowatych. Dotyczy to przede<br />
wszystkim rodzaju olsza i brzozy (rodzina brzozowatych)<br />
Zjawisko wiązania azotu występuje także u sinic.<br />
Straty biogenów z ekosystemu<br />
(1)Erozja<br />
(2) Wymywanie<br />
(3) Straty gazowe<br />
(4) Emigracja i żniwa<br />
1
13. 3. 2010<br />
Tempo krążenia biogenów<br />
• Szybkie – warunki stale wilgotne i gorące (materia<br />
organiczna nad ziemią) – oligotroficzny model<br />
krążenia pierwiastków<br />
• Wolne – warunki sezonowo suche i/lub chłodne<br />
(materia organiczna pod ziemią – ulega akumulacji<br />
w glebie) – eutroficzny model krążenia<br />
pierwiastków<br />
• Las liściasty – szybsze niż szpilkowy<br />
Cykl biogeochemiczny węgla<br />
i jego zasoby na świecie<br />
• Całe życie oparte jest na węglu. Paliwa kopalne, powstające z<br />
obumarłych organizmów żywych, to także głównie węgiel. Jednak<br />
węgiel stanowi zaledwie 0,032% masy litosfery. Dominują<br />
oczywiście tlen i krzem.<br />
Miejsce<br />
Ilość (mld ton)<br />
Skały osadowe i osady morskie 66 000 000 do 100 000 000<br />
Ocean 38 000 do 40 000<br />
Paliwa kopalne 4000<br />
Materia glebowa 1500 do 1600<br />
Atmosfera<br />
578 (1700) do 766 (1999)<br />
Rośliny 540 do 610<br />
Węgiel na lądzie<br />
Obieg węgla w przyrodzie<br />
• Większość węgla w ekosystemie pochodzi z atmosfery. Atmosferyczny dwutlenek<br />
węgla jest wiązany w procesie fotosyntezy i wbudowywany w organiczne związki<br />
węgla, przede wszystkim węglowodany (C 6 H 12 O 6 ). Z nich dopiero wytwarzane są<br />
inne, oparte na węglu, związki organiczne.<br />
• Pewne ilości CO 2 są dostarczane również poprzez wybuchy wulkanów z głębi<br />
litosfery<br />
• Węgiel jest uwalniany z ekosystemu w procesie respiracji (oddychania), gdzie<br />
związki organiczne są zamieniane na związki nieorganiczne. Główną rolę<br />
odgrywają to destruenci w łańcuchu pokarmowym saprofagów.<br />
• Gdy dno oceaniczne wraz z zalegającymi na nim osadami jest wpychane w głąb<br />
skorupy w strefach subdukcji oceanicznej, część węgla przenika do wnętrza skorupy<br />
ziemskiej.<br />
fotosynteza<br />
oddychanie<br />
związki<br />
organiczne<br />
autotrofów<br />
spalanie<br />
CO 2<br />
w powietrzu i wodzie<br />
paliwa<br />
naturalne<br />
skały<br />
wietrzenie<br />
oddychanie<br />
związki<br />
organiczne<br />
heterotrofów<br />
obumieranie<br />
martwa<br />
materia<br />
organiczna<br />
obumieranie<br />
odżywianie<br />
Antropogeniczne zmiany obiegu węgla<br />
Wzrost stężenia dwutlenku węgla w latach 1958-1998<br />
• Od czasu rewolucji przemysłowej działalność<br />
gospodarcza człowieka stała się znaczącym<br />
czynnikiem w obiegu węgla.<br />
• Od roku 1700 ilość CO 2 w atmosferze wzrosła o<br />
30% z 275 ppm (parts per milion – ppm) do 365<br />
dziś.<br />
• Główną przyczyną tego zjawiska jest spalanie<br />
paliw kopalnych i zmiany w formach użytkowania<br />
ziemi, gdzie nastąpił duży wzrost powierzchni<br />
agroekosystemów kosztem lasów i łąk.<br />
2
13. 3. 2010<br />
Wydobycie surowców energetycznych<br />
1960-2000 (w mln ton)<br />
SUROWIEC 1960 2000 wzrost<br />
• krzywa obejmuje stanowczo zbyt krótki okres, aby na jej podstawie wyciągać<br />
wnioski, co do przyczyn zmian klimatycznych.<br />
• badania zawartości dwutlenku węgla w lodowcach wskazują, że zmiany te były<br />
cykliczne, a zawartość dwutlenku węgla w atmosferze bywała znacząco wyższa w<br />
odległej przeszłości, niż jest w czasach obecnych.<br />
• wskazuje się, że obrazowany przez krzywą Keelinga wzrost ilości dwutlenku węgla<br />
nastąpił w chwili, gdy świat ogarnęła recesja i kryzys naftowy, a więc zgodnie z teorią<br />
antropogenicznych czynników zmian klimatu ilość CO 2 w atmosferze powinna była<br />
gwałtownie się zmniejszyć.<br />
Ropa naftowa 1052 3441 3,3<br />
Gaz ziemny 468 2517 5,4<br />
Węgiel kamienny 1972 3589 1,8<br />
Węgiel brunatny 632 888 1,4<br />
Naturalne i antropogeniczne<br />
gazy cieplarniane<br />
Poziom dwutlenku węgla w dziejach<br />
Ziemi<br />
Tlen i dwutlenek węgla w<br />
fanerozoiku<br />
3
13. 3. 2010<br />
Dansgaard-Oeschger events<br />
Wahania<br />
temperatury w<br />
ciągu ostatniego<br />
miliona, 10000<br />
i tysiąca lat<br />
Wahania temperatury globalnej w<br />
ostatnim dwudziestoleciu<br />
Cykl biogeochemiczny azotu<br />
• Cykl biogeochemiczny azotu jest jednym z najważniejszych w<br />
przyrodzie. Azot bowiem, wchodzi w skład aminokwasów,<br />
białek, i kwasów nukleinowych.<br />
• Głównym zbiornikiem azotu jest azot atmosferyczny,<br />
występujący tu w postaci gazowej (głównie N 2 ). W atmosferze,<br />
której stanowi ponad 70% objętości, jest go około 1 mln razy<br />
więcej niż w organizmach żywych. Znaczne ilości azotu znajdują<br />
się także w materii organicznej gleby i w oceanie.<br />
• Mimo tak wielkiej ilości azotu w przyrodzie jest on jednym z<br />
najważniejszych czynników ograniczających produkcję<br />
pierwotną. Dzieje się tak dlatego, że azot nie jest przyswajalny w<br />
postaci gazowej dla roślin (z wyjątkiem sinic i bakterii)<br />
• Przyswajalne dla roślin postaci azotu to amoniak a właściwie jon<br />
amonowy (NH 4<br />
+<br />
) i jon azotanowy (NO 3–<br />
). Większość roślin<br />
uzyskuje aozt w tej drugiej postaci w roztwory glebowego. Jon<br />
amonowy w większych stężeniach jest bowiem toksyczny.<br />
Nitryfikacja i denitryfikacja<br />
Obieg azotu w przyrodzie<br />
• Nitryfikacja – utlenianie amoniaku przez bakterie autotroficzne (przez<br />
Nitrosomonas do azotynów i dalej przez Nitrobacter do azotanów).<br />
Obie te postaci azotu (azotanmy i azotynyu) są niestety łatwo<br />
wymywane z gleby, ku wielkiemu utrapieniu rolników<br />
• Denitryfikacja – redukcja utlenionych związków azotu prowadzona<br />
przez bakterie heterotroficzne w warunkach beztlenowych; postaci<br />
przyswajalne ulatniają się do atmosfery jako azot cząsteczkowy (N 2 )<br />
lub podtlenek azotu (N 2 O). W procesie tym bakterie uzyskują tlen<br />
niezbędny do respiracji.<br />
• Amonifikacja – rozkład aminokwasów, polegający na wytworzeniu<br />
amoniaku<br />
amonifikacja<br />
związki organiczne<br />
organizmów<br />
wolny azot<br />
denitryfikacja<br />
amoniak NH 3<br />
azotany NO -1<br />
asymilacja<br />
denitryfikacja<br />
bakterie,<br />
sinice<br />
wyładowania atmosferyczne<br />
rozkład<br />
denitryfikacja<br />
nitryfikacja<br />
azotyny NO -1<br />
2<br />
nitryfikacja<br />
3<br />
nitryfikacja<br />
4
13. 3. 2010<br />
Obieg fosforu<br />
• Cykl typowo sedymentacyjny – bez fazy gazowej<br />
• Fosfor jest składnikiem kwasów nukleinowych i<br />
ATP, jest więc niezbędny dla życia<br />
• Fe 3 PO 4 jest nierozpuszczalny w warunkach<br />
tlenowych a rozpuszcza się w obecności<br />
siarkowodoru<br />
• Apatyt i fluoroapatyt – minerały zawierające<br />
fosfor<br />
asymilacja<br />
Obieg fosforu w przyrodzie<br />
materia organiczna<br />
roślin<br />
przemieszczanie osadów<br />
przez zwierzęta morskie<br />
diageneza<br />
skały fosforanowe<br />
wietrzenie<br />
wymywanie<br />
fosforany<br />
rozpuszczalne<br />
osady płytkich mórz<br />
materia organiczna<br />
zwierząt<br />
rozkład<br />
akumulacja<br />
obumieranie<br />
martwa materia<br />
organiczna<br />
osady głębinowe<br />
5
Change language