6 Biogeochemické cykly - Centrum pro výzkum toxických látek v ...
6 Biogeochemické cykly - Centrum pro výzkum toxických látek v ...
6 Biogeochemické cykly - Centrum pro výzkum toxických látek v ...
You also want an ePaper? Increase the reach of your titles
YUMPU automatically turns print PDFs into web optimized ePapers that Google loves.
Centre of<br />
Excellence<br />
CHEMIE ŽIVOTNÍHO PROSTŘEDÍ I<br />
Environmentální <strong>pro</strong>cesy<br />
(06)<br />
Biogeochemické <strong>cykly</strong><br />
Ivan Holoubek<br />
RECETOX, Masaryk University, Brno, CR<br />
holoubek@recetox.<br />
recetox.muni.cz; http://recetox.muni<br />
muni.cz
(06) Biogeochemické <strong>cykly</strong><br />
Biogeochemické <strong>cykly</strong> – základní pojmy.<br />
BGC cyklus uhlíku, dusíku, síry, fosforu, mikrobiogenních prvků<br />
a toxických kovů.<br />
Research Centre for Environmental Chemistry and Ecotoxicology<br />
http://recetox.muni.cz<br />
2
Osud chemických látek v <strong>pro</strong>středí<br />
Research Centre for Environmental Chemistry and Ecotoxicology<br />
http://recetox.muni.cz<br />
3
Chemické a biochemické <strong>pro</strong>cesy v přírodě<br />
Biogeochemické <strong>cykly</strong><br />
Základní faktor udržení ekologické rovnováhy:<br />
Chemické <strong>pro</strong>cesy (abiotické)<br />
Biochemické <strong>pro</strong>cesy (působení mikroorganismů)<br />
Antropogenní <strong>pro</strong>cesy:<br />
Chemicko-technologické<br />
Chemizace hospodářství<br />
Přírodní chemické <strong>pro</strong>cesy (bez zásahu člověka):<br />
Geochemické – rozpouštění, hydratace, hydrolýza, redox,<br />
vznik uhličitanů<br />
Jaderné reakce<br />
Přechod z chemického na biologický vývoj<br />
Makro- a mikrobiogenní prvky<br />
Research Centre for Environmental Chemistry and Ecotoxicology<br />
http://recetox.muni.cz<br />
4
Biogeochemické <strong>cykly</strong><br />
Biogeochemické <strong>cykly</strong> popisují pohyb chemických prvků a<br />
sloučenin mezi <strong>pro</strong>pojenými biologickými a geologickými<br />
systémy:<br />
Biologické <strong>pro</strong>cesy jako dýchání, fotosyntéza a tlení působí<br />
vtěsném spojení s nebiologickými <strong>pro</strong>cesy jako jsou<br />
zvětrávání, vznik půdy, sedimentace.<br />
Živé organismy mohou sloužit jako důležité rezervoáry <strong>pro</strong><br />
určité prvky<br />
Je velmi těžké vytvořit krabičkový model (i velmi<br />
zjednodušený), který bude správně popisovat<br />
biogeochemické chování prvku v celém zemském systému<br />
Nejdůležitější <strong>cykly</strong> (kritické <strong>pro</strong> udržení života): uhlík, dusík,<br />
síra, fosfor, kyslík<br />
Research Centre for Environmental Chemistry and Ecotoxicology<br />
http://recetox.muni.cz<br />
5
Biogeochemické <strong>cykly</strong> =<br />
Σ hydrologického + geologického + ekologického cyklu<br />
Normální, nenarušené <strong>cykly</strong> – téměř uzavřený charakter,<br />
účinnost: 90 – 98 %<br />
Antropogenní narušování<br />
Biogeochemické <strong>cykly</strong><br />
Research Centre for Environmental Chemistry and Ecotoxicology<br />
http://recetox.muni.cz<br />
6
Hydrologický cyklus<br />
Research Centre for Environmental Chemistry and Ecotoxicology<br />
http://recetox.muni.cz<br />
7
Hydrologický cyklus<br />
Research Centre for Environmental Chemistry and Ecotoxicology<br />
http://recetox.muni.cz<br />
8
Geochemický cyklus<br />
Research Centre for Environmental Chemistry and Ecotoxicology<br />
http://recetox.muni.cz<br />
9
Biochemický cyklus<br />
Research Centre for Environmental Chemistry and Ecotoxicology<br />
http://recetox.muni.cz<br />
10
Biogeochemické <strong>cykly</strong><br />
Research Centre for Environmental Chemistry and Ecotoxicology<br />
http://recetox.muni.cz<br />
11
Biogeochemické <strong>cykly</strong><br />
Research Centre for Environmental Chemistry and Ecotoxicology<br />
http://recetox.muni.cz<br />
12
Vliv antropogenních aktivit na BGC <strong>cykly</strong><br />
Research Centre for Environmental Chemistry and Ecotoxicology<br />
http://recetox.muni.cz<br />
13
Biogeochemický cyklus uhlíku<br />
Research Centre for Environmental Chemistry and Ecotoxicology<br />
http://recetox.muni.cz<br />
14
Biogeochemický cyklus uhlíku<br />
Tři části:<br />
• Biochemický – výměna látek v živých organismech – 20 let<br />
• Biogeochemický – část biomasy z biochemického cyklu přechází do sedimentů,<br />
ze kterých se postupně uvolňuje – 20 000 let<br />
• Geochemický – vznik uhličitanů a jejich ukládání v mořích a oceánech – 200 000<br />
000 let<br />
Antropogenní ovlivnění – zvyšování koncentrace CO2 spalováním fosilních paliv<br />
Research Centre for Environmental Chemistry and Ecotoxicology<br />
http://recetox.muni.cz<br />
15
Biogeochemický cyklus uhlíku<br />
Uhlík se nachází se ve všech velkých systémech a rezervoárech.<br />
Biosféra: základní stavební částice živých organismů<br />
Litosféra: vápencové horniny, fosilní paliva (uhlí, ropa, podzemní plyn), klatráty<br />
(komplexy CH 4<br />
a vody v sedimentech)<br />
Hydrosféra: (rozpuštěný CO 2<br />
a karbonátové látky)<br />
Atmosféra: (CO 2<br />
, CH 4<br />
…): 0,036 %<br />
Největším rezervoárem uhlíku jsou oceánské a pevninské sedimenty.<br />
Research Centre for Environmental Chemistry and Ecotoxicology<br />
http://recetox.muni.cz<br />
16
Biogeochemický cyklus uhlíku<br />
Člověk:<br />
do atmosféry 6 miliard tun ročně spalováním fosilních paliv<br />
kolem 2 miliard tun ročně odlesňováním (dva důsledky: místo přirozené spotřeby<br />
CO 2<br />
z atmosféry <strong>pro</strong>dukce CO 2<br />
do atmosféry)<br />
Toto množství se zdá malé ve srovnání s ostatními toky. Dlouhodobá přirozená celková nevyrovnanost toků je<br />
pravděpodobně menší než 1 miliarda tun C ročně = zásah člověka obrovský.<br />
Research Centre for Environmental Chemistry and Ecotoxicology<br />
http://recetox.muni.cz<br />
17
Biogeochemický cyklus uhlíku<br />
Research Centre for Environmental Chemistry and Ecotoxicology<br />
http://recetox.muni.cz<br />
18
Biogeochemický cyklus uhlíku<br />
Research Centre for Environmental Chemistry and Ecotoxicology<br />
http://recetox.muni.cz<br />
19
Biogeochemický cyklus uhlíku<br />
Research Centre for Environmental Chemistry and Ecotoxicology<br />
http://recetox.muni.cz<br />
20
Cyklus methanu<br />
Research Centre for Environmental Chemistry and Ecotoxicology<br />
http://recetox.muni.cz<br />
21
Biogeochemický cyklus dusíku<br />
Aminokyseliny jsou důležitými<br />
sloučeninami všech živých<br />
organismů (–NH 2 skupiny;<br />
bílkoviny).<br />
Dusík ve třech formách:<br />
plynný jako prvek N 2<br />
v redukované podobě jako<br />
amoniak NH 3<br />
v oxidované podobě jako<br />
dusičnanový NO 3– ion<br />
Pouze jako redukovaný se<br />
zúčastňuje biochemických<br />
reakcí. N 2 nemůže být<br />
přímo využíván organismy.<br />
Největším rezervoárem<br />
dusíku je atmosféra: 78 %<br />
Research Centre for Environmental Chemistry and Ecotoxicology<br />
http://recetox.muni.cz<br />
22
Biogeochemický cyklus dusíku<br />
Člověk:<br />
spalování paliv (vznik NO za vysokých teplot z N 2<br />
a O 2<br />
), ten se dále oxiduje na<br />
NO 2<br />
a s vodou tvoří HNO 3<br />
(kyselý déšť)<br />
N 2<br />
O (skleníkový plyn) uvolňován bakteriemi ze zemědělských odpadů<br />
uvolňování z půdy zavlažováním, vypalováním pralesů<br />
hnojení a komunální odpad (-> řasy)<br />
Research Centre for Environmental Chemistry and Ecotoxicology<br />
http://recetox.muni.cz<br />
23
Biogeochemický cyklus dusíku<br />
Research Centre for Environmental Chemistry and Ecotoxicology<br />
http://recetox.muni.cz<br />
24
Biogeochemický cyklus dusíku<br />
Research Centre for Environmental Chemistry and Ecotoxicology<br />
http://recetox.muni.cz<br />
25
Biogeochemický cyklus dusíku<br />
Research Centre for Environmental Chemistry and Ecotoxicology<br />
http://recetox.muni.cz<br />
26
Biogeochemický cyklus dusíku<br />
Research Centre for Environmental Chemistry and Ecotoxicology<br />
http://recetox.muni.cz<br />
27
Biogeochemický cyklus dusíku<br />
Research Centre for Environmental Chemistry and Ecotoxicology<br />
http://recetox.muni.cz<br />
28
Biogeochemický cyklus síry<br />
Většina síry vázána minerálně (pyrit,<br />
sádrovec):<br />
H 2<br />
S a SO 2<br />
uvolňován z aktivních<br />
vulkánů<br />
rozkladem organické hmoty<br />
SO<br />
2–<br />
4<br />
do atmosféry tříštěním slané<br />
vody<br />
DMS (dimethylsulfoxid) uvolňován<br />
do atmosféry planktonem<br />
Člověk: kolem 1/3 z celkového množství<br />
síry do atmosféry (99 % SO 2<br />
)<br />
spalování fosilních paliv (2/3)<br />
zpracování ropy, minerálních<br />
zdrojů<br />
Research Centre for Environmental Chemistry and Ecotoxicology<br />
http://recetox.muni.cz<br />
29
Biogeochemický cyklus síry<br />
Research Centre for Environmental Chemistry and Ecotoxicology<br />
http://recetox.muni.cz<br />
30
Biogeochemický cyklus síry<br />
Research Centre for Environmental Chemistry and Ecotoxicology<br />
http://recetox.muni.cz<br />
31
Biogeochemický cyklus síry<br />
Research Centre for Environmental Chemistry and Ecotoxicology<br />
http://recetox.muni.cz<br />
32
Biogeochemický cyklus síry<br />
Research Centre for Environmental Chemistry and Ecotoxicology<br />
http://recetox.muni.cz<br />
33
Biogeochemický cyklus síry<br />
Research Centre for Environmental Chemistry and Ecotoxicology<br />
http://recetox.muni.cz<br />
34
Biogeochemický cyklus fosforu<br />
Důležitá složka RNA, DNA a<br />
přenašečů energie (ADP,<br />
ATP):<br />
<br />
<br />
<br />
fosfor se jen pomalu<br />
uvolňuje z hornin (apatit.. )<br />
nevstupuje do atmosféry<br />
je většinou limitujícím<br />
faktorem růstu rostlin<br />
Člověk:<br />
<br />
<br />
hnojiva a prací <strong>pro</strong>středky<br />
zemědělské a komunální<br />
odpady<br />
Research Centre for Environmental Chemistry and Ecotoxicology<br />
http://recetox.muni.cz<br />
35
Biogeochemický cyklus fosforu<br />
Research Centre for Environmental Chemistry and Ecotoxicology<br />
http://recetox.muni.cz<br />
36
Biogeochemický cyklus fosforu<br />
Research Centre for Environmental Chemistry and Ecotoxicology<br />
http://recetox.muni.cz<br />
37
Biogeochemický cyklus fosforu<br />
Research Centre for Environmental Chemistry and Ecotoxicology<br />
http://recetox.muni.cz<br />
38
Biogeochemický cyklus fosforu<br />
Research Centre for Environmental Chemistry and Ecotoxicology<br />
http://recetox.muni.cz<br />
39
Biogeochemický cyklus kyslíku<br />
Research Centre for Environmental Chemistry and Ecotoxicology<br />
http://recetox.muni.cz<br />
40
Biogeochemický cyklus kyslíku<br />
Stabilita atmosféry:<br />
Obsah O 2 vatmosféře v porovnání s obsahem CO 2 je stabilnější.<br />
Biologický zpětně vazebný mechanismus (kontrola tlaku O 2<br />
vatmosféře):<br />
<br />
<br />
nárůst koncentrace kyslíku –nárůst parciálního tlaku kyslíku<br />
– inhibice fotosyntézy<br />
nárůst koncentrace oxidu uhličitého –nárůst parciálního<br />
tlaku CO 2 – vyšší rychlost fotosyntézy, zvětšuje se rostlinná<br />
složka biosféry, větší fytomasa více respiruje – roste<br />
koncentrace O 2 , klesá <strong>pro</strong>dukce O 2 , roste koncentrace CO 2 ,<br />
zvyšuje se rychlost fotosyntézy<br />
Research Centre for Environmental Chemistry and Ecotoxicology<br />
http://recetox.muni.cz<br />
41
Biogeochemický cyklus kyslíku<br />
Research Centre for Environmental Chemistry and Ecotoxicology<br />
http://recetox.muni.cz<br />
42
Biogeochemický cyklus kyslíku<br />
Research Centre for Environmental Chemistry and Ecotoxicology<br />
http://recetox.muni.cz<br />
43
Biogeochemický cyklus mědi<br />
Research Centre for Environmental Chemistry and Ecotoxicology<br />
http://recetox.muni.cz<br />
44
Hydrologický cyklus<br />
Research Centre for Environmental Chemistry and Ecotoxicology<br />
http://recetox.muni.cz<br />
45
Hydrologický cyklus<br />
Research Centre for Environmental Chemistry and Ecotoxicology<br />
http://recetox.muni.cz<br />
46
Horninový cyklus<br />
Poháněný geotermální energií (?): teplo je vedeno<br />
kondukcí a konvekcí (konvektivní buňky).<br />
Povrch planety je tvořen tenounkou křehkou vrstvou –<br />
kůrou.<br />
Ta je v důsledku tepelného <strong>pro</strong>udění (?) rozlomena na<br />
velký počet zubatých částí označovaných jako<br />
litosférické desky, které se pohybují na plastické,<br />
snadno deformovatelné vrstvě –astenosféře.<br />
Dnes máme 6 velkých desek a velký počet menších – pohybují se kolem 1 až 10 cm za<br />
rok.<br />
Okraje desek:<br />
divegentní – riftová, rozestupující se centra – častá ale slabá zemětřesení<br />
konvergentní – desky se pohybují k sobě; jedna se zasouvá pod druhou<br />
(subdukční zóna) nebo se střetávají (kolizní zóna). Místa explosivního<br />
vulkanismu a silných zemětřesení.<br />
transformní – desky se pohybují podél sebe, olamují se a obrušují. Silná<br />
zemětřesení bez vulkanismu.<br />
Research Centre for Environmental Chemistry and Ecotoxicology<br />
http://recetox.muni.cz<br />
47
Horninový cyklus<br />
Research Centre for Environmental Chemistry and Ecotoxicology<br />
http://recetox.muni.cz<br />
48
Horninový cyklus<br />
Vkůře<br />
5 % sedimentárních<br />
95 % vyvřelých<br />
Na povrchu<br />
75 % sedimentárních, 25 %<br />
vyvřelých<br />
Odhadovaná délka celého<br />
horninového cyklu<br />
650 milionů let –<br />
oceánský cyklus<br />
kratší (nejstarší<br />
horniny oceánské<br />
kůry kolem 180<br />
milionů let, průměrné<br />
stáří kolem 60<br />
milionů let).<br />
Research Centre for Environmental Chemistry and Ecotoxicology<br />
http://recetox.muni.cz<br />
49
Vztahy mezi <strong>cykly</strong> C, S, P, N a O<br />
Research Centre for Environmental Chemistry and Ecotoxicology<br />
http://recetox.muni.cz<br />
50
Vztahy mezi <strong>cykly</strong> uhlíku a kyslíku<br />
Research Centre for Environmental Chemistry and Ecotoxicology<br />
http://recetox.muni.cz<br />
51
Change language