Cykle biogeochemiczne
Cykle biogeochemiczne
Cykle biogeochemiczne
Create successful ePaper yourself
Turn your PDF publications into a flip-book with our unique Google optimized e-Paper software.
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