I Cykle biogeochemiczne

Ekologiakurs dla studentów "ochrony środowiska"PWSZ w TarnowieJan KozłowskiCykle biogeochemiczne

Cykle biogeochemiczne – schematogólnyMackenzie i inni 200

Cykl biogeochemiczny węgla zostałomówiony przy zagadnieniu produkcji idekompozycji

Elementarna wiedza na temat obiegu azotu wbiosferze• Główną pulę stanowi azot atmosferyczny występujący w cząsteczkachdwuatomowych. Wiązania między atomami są tak silne, że azot taki jestsłabo reaktywny. Trzeba dużej ilości energii, by rozbić te cząsteczki.• Cząsteczki azotu mogą ulec rozbiciu w wyniku wyładowań atmosferycznych.Azot wtedy się utlenia i w reakcji z wodą może tworzyć jony aminowe lubamonowe. Z deszczem jony te dostają się do ekosystemów. Proces ten trwa,ale dostarcza z grubsza 1/10 tego, co wiążą mikroorganizmy, ale istnienieniezbyt obfitego życia bez mikroorganizmów wiążących azot jest jednakwyobrażąlne.• Azot atmosferyczny są zdolne wiązać nieliczne mikroorganizmy(wolnożyjące bakterie azotowe i bakterie żyjące w symbiozie między innymiz roślinami motylkowi, sinice, będące zresztą też bakteriami). Jest tonajważniejszy proces, dostarczający większość azotu do ekosystemów.• Współcześnie pojawiły się nowe źródła przyswajalnego azotu: samochodyprodukują więcej tlenków azotu niż wyładowania atmosferyczne. Produkcjanawozów sztucznych w energochłonnych procesach dostarcza obecniedodatkowo mniej więcej połowę tego, co wiążą mikroorganizmy.

Elementarna wiedza na temat obiegu azotu wbiosferze, c.d.• Większość związków azotu (około 98%) krąży w obiegu zamkniętym, czyli jestwielokrotnie wykorzystywana.• Istnieje proces denitryfikacji, prowadzący do uwalniania wolnego azotu doatmosfery, czyli zubożania krążącej puli azotu. Denitryfikacja zachodzi wwarunkach beztlenowych, gdyż jest procesem analogicznym do oddychaniatlenowego.• Działalność mikroorganizmów wiążących azot, a obecnie także człowiekapoprzez stosowanie nawozów sztucznych, uzupełnia te ubytki.• Zwierzęta mogą przyswajać tylko azot aminowy, a więc zawarty waminokwasach produkowanych przez inne organizmy.• Rośliny mogą wiązać azot amonowy, azotanowy i azotynowy.• Rozkład związków organicznych prowadzi (poprzez różne etapy pośrednie) dopowstawania azotu amonowego, czyli produktu bardzo niebezpiecznego wśrodowisku. Azot amonowy jest w oczyszczalniach ścieków najpierw utlenianyprzez mikroorganizmy do formy azotu azotanowego (to jest proces nitryfikacji), anastępnie w warunkach beztlenowych redukowany do azotu cząsteczkowego.Dobre oczyszczalnie przeprowadzają ten proces bardzo wydajnie, muszą sięjednak pojawiać w odpowiedniej sekwencji i odpowiednim czasie warunkitlenowe i beztlenowe.

Cykl utleniania i redukcji związków azotuN 2N 2NO 2-NH 4+N 2 OR-NH 2w białkachzwierzątnitryfikacjaNO 2-R-NH 2w białkachroślinwarunkitlenowewarunkibeztlenoweR-NH 2w białkachNO 3-• Skomplikowany cykl, gdyżazot może występować naróżnych stopniach utlenienia:od -III do +V• W organizmach żywych azotna niskim stopniu utlenienia,głównie w grupachaminowych• Zwierzęta mogą przyswajaćazot tylko w formie grupaminowych• Rozkład do grupamonowych, potemutlenianie czyli nitryfikacja• Ponowna redukcja– asymilacyjna przezrośliny• Wiązanie wolnego azotuwymaga znacznych nakładówenergii.Weiner 1999

Obiegu azotu w biosferzew epoce przedindustrialnej• Wiązanie wolnego azotu jest procesem energetycznie bardzokosztownym.• Dopływ azotu poprzez wyładowania atmosferyczne rzędu 10-30 mlnt/rok, w przeszłości mógł być 2-3 razy większy.• Ubogie życie byłoby możliwe bez organizmów wiążących azot.• Zdolność wiązania azotu prawdopodobnie wyewoluowała nieco późniejniż powstało życie.• Wiązanie azotu przez bakterie (w tym sinice) o rząd wielkościintensywniejsze niż przez wyładowania atmosferyczne.• Sinice ważne nie tylko w typowych ekosystemach wodnych ale i napolach ryżowych.• Bakterie wiążące azot wolno żyjące i symbiotyczne (nie tylko roślinymotylkowe)

Obiegu azotu w biosferzew epoce przedindustrialnej, c.d.• Wiązany wolny azot to 2% obiegu, 98% krąży w obieguzamkniętym• Najtrwalsze lecz bardzo mobilne są azotany, to one sągłównie odpowiedzialne za krążenie azotu w cykluzamkniętym; jony amonowe też stosunkowo trwałe leczmało mobilne.• Denitryfikacja zamykająca obieg przebiega w warunkachbeztlenowych. Wymusza się ją w lepszychoczyszczalniach ścieków; denitryfikacja (procesanalogiczny do oddychania tlenowego) przez bakterie,powstają tlenki azotu i wolny azot• Związki azotu spływają z lądów do mórz i jezior

Obieg azotu w epoce industrialnej• Samochody produkują więcej tlenków azotu niżwyładowania atmosferyczne.• Przemysł (w tym produkcja nawozów sztucznychdostarcza połowę tego, co wiążą bakterie.• Łącznie z samochodami człowiek podwoił dopływzwiązków azotu.• Wpływ prawdopodobnie większy, gdyż uprawia się dużoroślin współżyjących z bakteriami wiążącymi wolny azot idużo ryżu (symbioza sinicy Anabaena z paprotką wodną).

lądSO 4Cykl utleniania i redukcji siarkiSO 2H 2 SFeS 2• Występuje na różnych stopniachutlenienia, najważniejsze to H 2 S (-II), S (0), SO2-4 (+VI).S• Rozkładająca się materia organicznauwalnia siarkowodór, często wiązanyw siarczki; proces odbywa się zudziałem bakterii beztlenowych.• Siarkowodór może być utleniony dosiarki rodzimej lub siarczanu.• Utlenianie siarkowodoru do siarki przeprowadzają beztlenowo bakteriepurpurowe i zielone (fotoautotrofy).• Utlenianie siarkowodoru do siarczanu przeprowadzają tlenowe chemoautotrofy(tiobakterie).• Asymilacja siarczanów i wbudowywanie w aminokwasy tylko przez rośliny;zwierzęta mogą przyswajać siarkę tylko ze zredukowanych związkóworganicznych.• Siarczany są ważnym źródłem tlenu w głębokich warstwach wód ubogich w tlen.SO 4SO 2H 2 SFeS 2SoceanyWeiner 1999

Obieg siarki w biosferze• Największy zapas siarki to siarczany w wodzie morskiej - 1,4 x 10 15 t;połowa węgla organicznego w morzu utlenia się anaerobowo zudziałem siarczanów jako utleniacza.• Biogeniczne gazy uwalniają z lądu i mórz do atmosfery ok. 100 mln tsiarki na rok (z lądu głównie H 2 S, z oceanu głównie siarczekdwumetylowy).• Morze rozpyla duże ilości aerozolu siarczanowgo i siarczkudwumetylowego utleniającego się do siarczanów; na ląd trafia w tensposób ok. 20 mln t siarki na rok.• Z lądu do mórz wraca rzekami ok. 100 mln t siarki.• Większość złóż siarki i siarczków na Ziemi jest pochodzeniabakteryjnego.• Człowiek uwalnia rocznie 150 mln t siarki, głównie przy spalaniupaliw kopalnych, powodując niezrównoważenie obiegu siarki.• Wzrost ilości SO 2 ma wpływ na klimat, poprzez częścioweniwelowanie efektu cieplarnianego przez powstające w atmosferzecząsteczki kwasu siarkowego. Ale efektem niekorzystnym są kwaśnedeszcze.

Kwaśne deszcze• Człowiek zmienił globalny obieg siarki.• Obszary oznaczone 10, 20, 30x otrzymują w opadach 10, 20, 30 razywięcej siarki niż wartość oczekiwana przy pH deszczu 5,6.• Wpływ kwaśnych deszczów na degradację ekosystemów jestzjawiskiem złożonym, intensywnie badanym. Weiner 1999

Obieg fosforu w biosferze• Fosfor jest często czynnikiem ograniczającym, nadmiarpowoduje eutrofizację.• Większość fosforu krąży w obiegu zamkniętym.• Obieg typu sedymentacyjnego (bez fazy gazowej).• Wytrącony w wodzie fosfor uwalniany jest w warunkachbeztlenowych.• Fosfor z lądu odpływa do mórz (co dodatkowo przyspieszaczłowiek poprzez nawozy sztuczne), skąd praktycznie brakpowrotu.• Powrót na ląd w geologicznej skali czasu poprzezwypiętrzanie skał.