Obieg pierwiastków w przyrodzie:
Drogi włączenia pierwiastków biogennych do obiegu w ekosystemach mogą być 03%- rozmaite, różne też mogą być drogi ich wychodzenia z obiegu. Budżety pierwiastków biogennych sporządza się porównując ich dopływ i odpływ w rozpatrywanym systemie. W niektórych ekosystemach budżety te mogą być bardziej lub mniej zrównoważone, w innych tempo dopływu pierwiastka może znacznie przewyższyć szybkość jego odpływu. Sytuacja taka prowadzi do akumulowania się znacznych ilości pierwiastka w zasobach żywej i martwej materii organicznej. Takie zjawisko jest typowe dla wszystkich stadiów przebiegu sukcesji ekologicznej. Czasami odpływ pierwiastka z obiegu może być większy niż dopływ i tak dzieje się na przykład w sytuacji pożarów, wycinania lasów, czy zbierania plonów z pól uprawnych. Erozja skały macierzystej i gleby stanowi główne źródło dopływu takich pierwiastków biogennych jak wapń, fosfor i potas.
Źródłem węgla w ekosystemach lądowych jest znajdujący się w atmosferze CO2, podobnie- źródłem azotu jest azot atmosferyczny. Inne pierwiastki biogenne znajdujące się w atmosferze są włączane do obiegu materii w ekosystemie w drodze opadów mokrych (deszcz, śnieg, mgła) lub suchych (pyły). Deszcz zawiera znaczną liczbę związków chemicznych pochodzących z rozmaitych źródeł. Mogą to być:
· Rozpuszczone gazy występujące w atmosferze w ilościach śladowych takie jak tlenki siarki i azotu.
· Rozpuszczone aerozole zawierające związki sodu, siarki, magnezu i chloru
· Cząstki pyłów pochodzące z pożarów lub przynoszone z wiatrem, zawierające związki wapnia, siarki i fosforu.
W skład deszczu wchodzą, więc krople wody tworzące się w atmosferze wraz z rozpuszczonymi w nich rozmaitymi związkami chemicznymi, a także wszystkie cząstki oraz składniki gazowe zabrane z atmosfery podczas opadania kropel deszczu. Substancje opadające wraz z deszczem stają się dostępne dla roślin z chwilą, gdy woda deszczowa przesiąknie do głębszych warstw gleby, gdzie znajdują się korzenie. Pobieranie wody i zawartych w niej związków pokarmowych może się odbywać również w niewielkim stopniu wprost przez powierzchnię liści. Opad pyłowy może stanowić ważną część dopływu pierwiastków biogennych do ekosystemów z atmosfery. Dopływ pierwiastków może się też odbywać wraz z ruchami wód płynących i pozostawiających niesione ze sobą materiały w osadach.
Azot występuje w postaci azotu cząsteczkowego (N2), amonowego (NH4+), azotynowego (NO2+), azotanowego (NO3-) i związkach organicznych, jak wolne aminokwasy, peptydy, białka, mocznik i inne.
Źródłem wolnego azotu w wodzie jest dyfuzja z powietrza oraz denitryfikacja- proces redukcji azotanów prowadzony przez niektóre bakterie w warunkach beztlenowych. Wolny azot jest gazem biologicznie nie czynnym, ponieważ większość organizmów żywych nie ma zdolności wbudowywania go we własne składniki. Wolny azot wiążą jedynie pewne bakterie azotowe wolno żyjące. Oprócz bakterii, także uzdolnienia wykazują glony.
Człowiek oraz zwierzęta wyższe wykorzystują azot organicznie związany w białkach roślinnych, dostarczany wraz z pokarmem. Ponieważ skład aminokwasowy białek, jak również sekwencja aminokwasów w, białkach, jest cechą genetycznie utrwaloną i charakterystyczną dla każdego gatunku, organizmy te spożywane białka najpierw trawią do wolnych aminokwasów, które następnie zużywają do ponownej syntezy zachodzącej w rybosomach na wzorcu mRNA.
Podczas przemiany azotowej, w organizmach ludzi i niektórych zwierząt powstaje produkt końcowy, jakim jest mocznik. W szczątkach martwych organizmów zawarty jest azot organicznie związany postaci białek. Duże ilości białek i innych form azotu organicznego wprowadzają do ekosystemu wodnego ścieki i wody opadowe.
Jak wiadomo węgiel jest podstawą wszelkich związków organicznych. Największe ilości tego pierwiastka są wprawdzie zmagazynowane w skałach węglowych i jako pokłady węgla kamiennego, jednak tylko w niewielkim stopniu biorą one udział w cyklu.
Głównym zbiornikiem węgla uczestniczącego w obiegu jest atmosfera w której pierwiastek ten występuje w postaci CO2. jednakże nawet w atmosferze udział CO2 jest znikomy- wynosi około 0,03% i gdyby nie przemiany metaboliczne organizmów, w którym czasie mogłoby go zabraknąć. W ostatnich latach sytuacja ta uległa zmianie. Emisja spalin przemysłowych i wytwarzanych przez pojazdy zwiększyła stężenie węgla w atmosferze. Dla roślin jest to korzystne. Przypuszcza się jednak, że nadmiar CO2 może być jedną z przyczyn tak zwanego efektu cieplarnianego.
Obieg fosforu, pierwiastka niezbędnego w kwasach nukleinowych i przenośnikach energii, ma trochę inny charakter niż cykle węgla i azotu. E tym wypadku rezerwuarem pierwiastka są skały osadowe, które wietrzeją, uwalniają fosfor do roztworów glebowych. Skąd czerpią go rośliny i przekazują ja dalej. Podobnie jak w cyklu azotu, ingerencja człowieka wyraża się w zwiększeniu ilości fosforanów glebowych przez nawożenie.
Występowanie cykli biogeochemicznych wskazują ze wszystkie środowiska Ziemi są sobą powiązane. Cykle te pokazują tez role organizmów w obiegach, ich wpływ na skład litosfery, hydrosfery a przed wszystkim atmosfery. skład ten będący wynikiem działalności organizmów jest wyraźnie różny od składu atmosfery pozostałych planet. Ten fakt stal się podstawa do sformułowania na początku lat siedemdziesiątych ubiegłego wieku tak zwanej hipotezy Gai. Zakłada ona ze cala Ziemie można traktować jako jeden żywy system ekologiczny, pod względem właściwości zbliżony do olbrzymiego superorganizmu. Według tej hipotezy to właśnie życie ma największy wpływ na skład chemiczny atmosfery, hydrosfery i litosfery, jak tez na zachodzące w nich procesy. Jednocześnie utrzymuje globalna rowno3age przez złożony system sprzężeń zwrotnych. Jest to hipoteza kontrowersyjna i nie wszystkie jej aspekty zostały uznane przez oficjalna naukę. Stała się jednak doskonałą pożywką dla różnego rodzaju ruchów filozoficznych, teologicznych, a nawet parapsychologicznych. Powołują się na nią tak zwani ufolodzy, różdżkarze, okultyści, astrolodzy, ekozofowie, spirytysci, kabaliści i inni próbujący utożsamić biosferę z mityczna Gają- Matką Ziemią. Ta filozoficzna i pseudofilozoficzna otoczka przyniosła samej teorii więcej szkód niż pożytków i zepchnęła na margines rzetelne badania ekologiczne nad biosfera i jednocześnie nad sama hipoteza.
Obieg węgla:
Węgiel wielokrotnie przemieszcza się w cyklu zamkniętym między atmosferą ziemską, skorupą ziemską, hydrosferą i organizmami. Węgiel jest głównym pierwiastkiem wchodzącym w skład związków organicznych, z których są zbudowane ciała organizmów. Węgiel znajdujący się w obiegu występuje głównie w wodach mórz i oceanów gdzie jest ok.16 razy więcej niż w atmosferze w postaci rozpuszczalnego dwutlenku węgla( CO2)oraz jonów wodorowęglanowych (HCO3) i węglanowych (CO2-3). W atmosferze węgiel istniej prawie wyłącznie w postaci dwutlenku węgla. Atmosferyczny dwutlenek węgla jest nieprzerwanie pobierany przez rośliny w procesie fotosyntezy oraz stale jest oddawany do atmosfery w procesie oddychania roślin i zwierząt. Dwutlenek węgla związany przez rośliny wchodzi w skład materii organicznej, z której korzystają zwierzęta i drobnoustroje. Martwe szczątki roślin i zwierząt są przez reducentów rozkładane i węgiel powraca w postaci dwutlenku węgla do atmosfery i wód. Zawartość dwutlenku węgla w atmosferze zwiększa się podczas pożarów lasów i przy spalaniu paliw kopalnianych i przemysłowych. Są to dodatkowe źródła węgla wchodzące w di obiegu, a ponieważ dopływ ten nie jest w pełni równoważony przez pobieranie dwutlenku węgla z atmosfery przez rośliny, następuje stały wzrost jego stężenia w atmosferze.
Obieg wody w przyrodzie:
Woda jest nieomal synonimem życia. Wszędzie na Ziemi, gdzie tylko jest woda, poczynając od lodowatych wód pod biegunami, a na gorących źródłach kończąc, znajdują się istoty żywe. Także na odwrót: gdzie nie ma wody, nie ma i życia. Każda żywa istota posiada w swoim składzie wodę. Niektóre stworzenia morskie mają ciało ukształtowane prawie wyłącznie z wody, jak na przykład meduzy (98% masy ciała) czy glony (97%), inne posiadają ją w mniejszych ilościach. Jedno jest pewne, aby organizm przeprowadzał procesy życiowe, musi mieć wodę. Ale woda znajduje się nie tylko w ciałach. Ponad 2/3 powierzchni naszego globu pokrywa woda morska(morza i oceany). Obliczono, że morza zawierają 97,2% wody, jaka znajduje się na naszej Ziemi. Woda słodka stanowi zaledwie pozostałe 2,8% z czego 2,1% uwięzione jest w lodowcach, czyli zostaje okresowo wyłączona z obiegu wody. Zjawisko okresowego wyłączenia wody z obiegu nosi nazwę retencji. Jednakże nawet te zretencjonowane wody podziemne i zawarte w lodowcach podlegają bardzo powolnej wymianie trwającej 5 do 8 tysięcy lat.
Woda na Ziemi jest w ciągłym ruchu. Zmieniając stany skupienia krąży między Ziemią, a niebem. Woda jest jedną z nielicznych substancji, którą w normalnych warunkach na Ziemi można spotkać we wszystkich trzech fazach: stałej(lód), ciekłej i gazowej(para wodna).
W atmosferze woda w fazie stałej występuje w postaci płatków śniegu bądź lodowych kryształków w chmurach. Pojawia się ona również na Ziemi jako pokrywa śnieżna, zamarznięta woda w glebie, bądź przybiera kształt lodowców kontynentalnych lub górskich. Lód może również stanowić składową cześć środowiska-które popularnie nazywamy hydrosferą-tworząc góry lodowe i pola lodowe na oceanach, jak również pokrywę lodową jezior, potoków i rzek. Wzajemne oddziaływanie pomiędzy lodem, globem ziemskim, morzami i atmosferą nigdy nie ustaje. Lód w postaci lodowców przekształca wzniesienia lądów, wydziela się z atmosfery dzięki sublimacji, z hydrosfery zaś wskutek procesu zamarzania, by następnie powracać do tych ośrodków drogą parowania i topnienia. Lód ochładza środowisko powietrzne i wodne, sam zaś ogrzewa się.
Ponad 70% powierzchni Ziemi ukrywa się pod wodami oceanów, które stanowią główne zbiorniki wody w fazie ciekłej na naszej planecie. Wodę znajdujemy również w powietrzu w postaci chmur i spadającego deszczu, na powierzchni zaś Ziemi i w głębi skorupy-w postaci jezior, strumieni, rzek i wód gruntowych, a również jako składnik litosfery. Rola wody w fazie ciekłej we wzajemnym oddziaływaniu z powietrzem i lądami polega na erozji, przenoszeniu gleby i zmianach kształtu podłoża, oraz na przenoszeniu energii z mórz do atmosfery w drodze procesów parowania i kondensacji.
Para wodna to niewidzialna, gazowa faza wody. Pod tą postacią jest ona najobficiej reprezentowana w atmosferze. Para wodna dostaje się do powietrza dzięki parowaniu wody morskiej i słodkiej oraz wskutek transpiracji roślin, opuszcza natomiast powietrze kondensując się w postaci rosy, szronu, bądź cząstek tworzących chmury, które następnie opadają w postaci śniegu lub deszczu.
Czysta woda nie ulega w związku z tymi przemianami fazowymi żadnym reakcjom chemicznym. Jej wzór pozostaje zawsze H2O, niezależnie od tego, czy jest ona parą wodną, czy też ma postać cieczy czy lodu.
Krążenie wody obejmuje więc atmosferę, litosferę i biosferę i wiąże ze sobą wszystkie części hydrosfery-dzięki temu wszystkie wody Ziemi stanowią jedność. Siłami napędowymi krążenia jest energia promieniowania słonecznego i siła ciężkości. Pod wpływem ciepła następuje parowanie wody, a pod wpływem siły ciężkości-opadanie kropli deszczu, przepływ rzek, ruch wód glebowych i podziemnych.
Woda znajdująca się na powierzchni zbiorników wodnych, jak również woda zawarta w glebie i roślinach-paruje dostarczając parę wodną atmosferze, która z kolei powraca na powierzchnię w postaci opadów. Przy dostatecznie dużej wilgotności powietrza i obecności tzw. jąder kondensacji następuje kondensacja, czyli skraplanie pary wodnej do postaci drobniutkich kropelek, które grupują się w widoczne skupienia - chmury.
W wyniku ochładzania na niewielkich wysokościach powietrza zawierającego parę wodną powstają mgły. Chmury, niesione wiatrem przemieszczają się nad powierzchnią lądów, mórz i oceanów. W określonych warunkach drobniutkie kropelki łączą się ze sobą w większe krople i opadają na ziemię jako deszcz, śnieg lub grad. Woda powracająca na powierzchnię Ziemi jest słodka, bowiem sól i inne związki mineralne rozpuszczone w morzu, nie biorą udziału w procesie parowania. Fakt ten jest niezwykle ważny, ponieważ organizmy żywe do przemiany materii potrzebują wody słodkiej.
Ziemia wchłania opady atmosferyczne i gromadzi je w postaci wód gruntowych. W niektórych miejscach wody gruntowe wydostają się na powierzchnię i tak powstają źródła. Z nich biorą początek strumyki, te z kolei łączą się ze sobą w większe strumienie i rzeki, które wpadają do morza lub oceanu. W ten sposób zamyka się obieg wody w przyrodzie.
Jest to niezbędny warunek życia na Ziemi, kształtuje także powierzchnię planety. Wzgórza i doliny w dużym stopniu zawdzięczają swój wygląd fizycznemu i chemicznemu działaniu wody.
Ciągły obieg wody między kontynentami i oceanami umożliwia także przekazywanie ważnych składników chemicznych.
Zazwyczaj uważa się, że im więcej opadów, tym bujniejsza roślinność. Niemniej jednak ważniejsze jest zestawienie strat i zysków wody w ciągu roku na określonym obszarze, które nazywane jest bilansem wodnym. Mówiąc o roku na myśli mam rok hydrologiczny, który trwa od listopada do października. Dobrym przykładem są tutaj tereny arktycznej tundry, gdzie ilość opadów zbliżona jest do ilości opadów na pustyniach, jednakże bardzo niskie parowanie powoduje, że bilans wodny jest zrównoważony. Taka równowaga wodna przyczyniła się również do powstania żyznych stepów Ukrainy i prerii w USA. Inaczej sytuacja wygląda na terenach puszcz tropikalnych, gdzie opady znacznie przekraczają parowanie. Występuje tam bogaty ekosystem na ubogich glebach. Paradoks ten spowodowany jest faktem, że znaczne ilości wody wypłukują z gleby czynne związki biogenne czyniąc ją jałową. Na szczęście większość z nich zostaje niezwłocznie pochłonięta przez rośliny lub grzyby. Wynika stąd, że jeżeli puszcza zostałaby wycięta, to na jej odtworzenie należałoby czekać co najmniej kilkanaście stuleci. Na szczęście w Polsce taka sytuacja nie występuje i wycięty las może się odtworzyć o własnych siłach w ciągu kilkunastu dziesięcioleci.
Ciekawa sytuacja pojawia się również, gdy do ekosystemów woda dociera inaczej niż z opadów, np. nawadniania przez człowieka. Właśnie w ten sposób wylewy Nilu wspomagały cywilizacje starożytnego Egiptu i późniejsze. Wody rzeki nawadniały pola uprawne, dostarczały mułu - próchnicy biogenów, a także utrzymywały się przez cały okres rozwoju i dojrzewania plonów. Sztuczne nawadnianie przez człowieka na terenach, gdzie parowanie jest wyższe od opadów jest zdecydowanie niekorzystne dla gleby, gdyż prowadzi do kumulacji rozpuszczonych w niej soli, które są bardzo trudne do usunięcia. Takie plantacje pojawiły się w XX wieku zwłaszcza w Kalifornii i Izraelu. Dzisiaj, problem ich zasolenia nie ma tam - jak również w innych miejscach - konkretnego rozwiązania.
Odmienna sytuacja pojawia się na skutek niszczycielskiej działalności człowieka. Na całym świecie zdarzają się powodzie-co pewien czas świat dowiaduje się o tragedii Bangladeszu, gdzie kolejne powodzie powodują czasem dziesiątki, a czasem setki tysięcy ofiar ludzkich. Niektóre są wynikiem wezbrania wód morskich. Wiele z nich jednak wynika z tego, że wody, zamiast wsiąkać w grunt, spływają po jego powierzchni. Niegdyś katastrofalne powodzie zdarzały się raz na 50 lat, pod koniec XX wieku-już co 4-5 lat i coraz częściej. Przyczyna jest prosta-wycięto lasy na stokach Himalajów.
Obieg wody w przyrodzie jest zamknięty, lecz człowiek coraz bardziej ingerując w jego istnienie, może doprowadzić do poważnych zniszczeń. Jeśli tego nie zatrzymamy, nasza planeta bardzo na tym ucierpi, a co za tym idzie, także i my.
Obieg Azotu:
Obieg azotu w przyrodzie opiera się na 5 podstawowych procesach
-pobieranie nieorganicznych związków z podłoża
-rozkładziemartwych szczątków organicznych z uwolnieniem amonialu
-wiazaniu azoty cząsteczkowego
-nitryfikacje
-dentryfikacja
Organizmy autotroficzne pobieraja z podłoża nieorganiczne związki azotowe(głównie jony amonowe i azotany) i przekształcają je w związki organiczne.Autotrofy stanowią podstawowe źródło azotu dla heterotrofów, ktre część pobieranego azotu usówają do środowiska w procesach wydalania.Martwe szczątki organiczne rozkładane są prze destruentów.Zjawisku temu towarzyszy uwolnienie amoniaku (amounifikacja), który po przekształceniu w jony amonowe może być ponownie przyswojony przez organizmy autotroficzne.Bakterie nitryfikacyjne utleniają jony amonowe azotanów, zas bakterie dentryfikacyjne redukuja azotany do azotu cząsteczkowego, który uwalnia sie do atmosfery.Bakterie wiążące azot cząsteczkowy redukują go do amoniaku, który po przekształceniu w jony amonowe ponownie zostaje przyswojony przez organizmy autotroficzne.