CYKLE

BIOGEOCHEMICZNE

Krążenie pierwiastków

biogennych w ekosystemie

• Organizmy

składają

się

z

pierwiastków

chemicznych

i

jednym

ze

sposobów

opisu

ekosystemu

jest

prześledzenie

procesów wymiany pierwiastków
między

częścią

biotyczną

i

abiotyczną ekosystemu. Pierwiastki
biogenne

(a

właściwie

ich

niedobór)

stwarzają

pewne

ograniczenia produkcji pierwotnej i
wtórnej populacji czy biocenozy.

PULA PIERWIASTKÓW

BIOGENNYCH I ICH

KRĄŻENIE

• Pierwiastki

biogenne

mogą

być

wykorzystane w badaniach ekosystemów

jako element porządkujący nasze rozumienie

ekosystemu. Można patrzeć na biocenozę jak

na skomplikowany procesor, w którym

osobniki

przemieszczają

pierwiastki

z

jednego miejsca ekosystemu w drugie. To

biologiczne krążenie pierwiastków współgra

z krążeniem fizycznym i również z tego

powodu obiegi pierwiastków biogennych

nazywane jest cyklami biogeochemicznymi.

• Pierwiastki, które są wbudowywane w tkanki

organizmów w pewnych fazach cyklu

biogeochemicznego,

są

nazywane

pierwiastkami biogennymi lub biogenami.

Ogólny schemat krążenia

pierwiastków biogennych w skali

globalnej.

• Ekosystemy nie są izolowane i dzięki

meteorologicznym,

geologicznym

lub

biologicznym

mechanizmom

transportu

dostają się do nich i opuszczają je
pierwiastki

biogenne.

Dopływ

meteorologiczny

obejmuje

związki

rozpuszczone w wodzie deszczowej i
śniegu,

gazy

atmosferyczne

i

pyły

przemieszczane

przez

wiatr,

dopływ

geologiczny

stanowią

pierwiastki

transportowane

przez

spływ

powierzchniowy i podziemny, natomiast
dopływ

biologiczny

obejmuje

przemieszczanie

się

zwierząt

między

ekosystemami.

• Cykle

biogeochemiczne

wynikają

z

potrzeb

biologicznych żywych organizmów. Około 40 biogenów

wykazuje obieg przyrodniczy. Jednak najważniejsze z

nich, które to wykazują obieg globalny są: węgiel,

siarka, azot, tlen i wodór, w mniejszym stopniu fosfor,

który

wykazuje

obieg

sedymentacyjny.

Cykl

biogeochemiczny jest to ciągle zachodząca przemiana

materii organicznej w nieorganiczną i odwrotnie - pod

wpływem organizmów żywych. Proces ten zachodzi,

gdy do organizmów żywych dostarczona jest energia

(głównie energia słoneczna).

• Obieg substancji możemy podzielić na:
• -sedymentacyjny, gdy pierwiastek nie przechodzi w

postać gazową a jest jedynie osadzany w glebie czy na

dnie oceanów na skutek ciążenia. W takim przypadku

jest to cykl lokalny.

• -gazowy jest w przypadku, gdy substancja przechodzi

w postać gazową i może przemieszczać się na większe

odległości. W takim przypadku jest to cykl globalny.

Obieg węgla

• Węgiel (C) to podstawowy pierwiastek budulcowy

związków organicznych. W żywą materię organiczną

zostaje wbudowany w postaci CO

2

asymilowanego przez

autotrofy (rośliny zielone, bakterie samożywne). Dzięki

istniejącym łańcuchom pokarmowym węgiel przedostaje

się w postaci roślinnych związków organicznych do

konsumentów I rzędu (roślinożerców), a następnie do

konsumentów II rzędu (zwierzęta mięsożerne). Ze

związków organicznych węgiel wraca do obiegu jako CO

2

,

powstający w procesie oddychania heterotrofów i

autotrofów.

Rośliny i zwierzęta składają się przede wszystkim z

węgla, a jego globalny cykl jest odzwierciedleniem

produkcji pierwotnej i wtórnej. Wpływ człowieka na

globalny cykl węgla jest niemal tak duży jak na cykl siarki.

Największy przepływ globalny cyklu węgla odbywa się

pomiędzy atmosferą a roślinnością lądową oraz między

atmosferą a oceanami. Te dwa strumienie węgla są niemal

równe, a średni czas przebywania atomu węgla w

atmosferze wynosi około 3 lat. Wahania zawartości CO

2

atmosferycznego są związane z sezonowością jego poboru

przez rośliny oraz sezonowością użytkowania paliw i

wymiany CO

2

z oceanami. W atmosferze znajduje się

2350 mld ton CO

2

, czyli ok. 641 mld czystego węgla.

• Biogeochemiczny obieg węgla opisuje się na podstawie

cyklu obiegu podstawowego związku, w którym ten
pierwiastek się znajduje - dwutlenku węgla. Obieg
dwutlenku węgla jest regulowany głównie przez procesy
jego wiązania ( fotosynteza, chemosynteza, rozpuszczanie
się w wodzie ) i uwalniania ( oddychanie, uwalnianie z
gleby i procesów geologicznych zachodzących w skorupie
ziemskiej, spalanie paliw ). Obieg ten jest utrzymywany
głównie przez ustalenie się równowagi pomiędzy dwoma
podstawowymi procesami zachodzącymi na Ziemi -
fotosyntezą i chemosyntezą a oddychaniem. Zasadniczą
część węgla wiązana jest przez rośliny zielone mórz lądów.
Zasoby dostępnego dwutlenku węgla zostałyby szybko
wyczerpane, gdyby nie uwalnianie tego gazu w procesach
oddychania. Rośliny wydalają do środowiska dwutlenek
węgla w ilości 1% swojej masy na dobę, ssaki - 3%, ptaki -
25%, a mikroorganizmy aż 500%.Część tego gazu
pochodzi z procesów rozkładu materii organicznej i
procesów

wulkanicznych

oraz

spalania

paliw

organicznych.

Obieg azotu

• Azot jest zawarty w wolnej postaci w atmosferze, w

litosferze występuje w solach mineralnych, głównie w

azotanach,

azotynach

i

solach

amonowych.

W

organizmach azot stanowi ważny składnik białek.

Największą zawartość azotu (około 78%) ma powietrze.

Organiczne szczątki są rozkładane przez reducentów.

Produktem rozkładu są między innymi związki: azotany III

( azotyny ), azotany V ( azotany ) i siarkowodór. Powstały

w procesie amonifikacji amoniak wchodzi w cykl

nitryfikacyjny. Olbrzymim rezerwuarem azotu jest

powietrze. Gazowy azot może być zamieniony na

przyswajalne azotany i sole amonowe podczas wyładowań

atmosferycznych. Tą drogą do gleby w ciągu roku dostaje

się 4-10 kg/ha. Dużą część wolnego azotu wiążą

mikroorganizmy ( bakterie, glony ), wprowadzając do

gleby przyswajalne azotany w ilości ok.25 kg/ha/rok oraz

symbiotyczne

bakterie

brodawkowe,

które

mogą

dostarczyć aż 150-400 kg azotu przyswajalnego na 1 ha w

ciągu roku. Dlatego urodzajność pól uprawnych

podwyższa się przez wprowadzenie do zmianowania roślin

motylkowych. Ilość związanego azotu pochodzenia

atmosferycznego wynosi średnio dla całej biosfery 140-

700 mg/cm/rok. W zbiornikach wodnych odbywa się

wiązanie dużych ilości tego pierwiastka przez sinice.

• Dzięki burzą możliwe jest przechodzenie wolnego azotu

ze zbiornika, jaki stanowi atmosfera do produktywnego
obiegu, ponieważ energia wyzwalająca się podczas
wyładowań atmosferycznych umożliwia utlenianie się
części azotu gazowego. Obieg azotu wykazuje
częściowo sedymentacyjny charakter, ponieważ część
tego pierwiastka może wypadać z obiegu na skutek
opadania oraz gromadzenia się w głębinach oceanów i
na dnie zeutrofizowanych jezior, gdzie na skutek braku
tlenu osady denne nie ulegają mineralizacji i kumulują
się. Warunki beztlenowe panujące przy dnie sprzyjają
procesowi denitryfikacji, co dodatkowo zmniejsza ilość
dostępnego, przyswajalnego azotu. Część azotu zostaje
przed przedostaniem się w głębiny wyłapywana przez
plankton i wchodzi w łańcuch pokarmowy ryb a potem
ptaków i ssaków morskich. Dzięki ptakom znaczna
część azotu i fosforu oraz potasu zostaje przeniesiona
wraz z odchodami na ląd, gdzie częściowo osadza.

• W obiegu azotu można wyróżnić cztery oddzielne procesy:
• 1. Wiązanie azotu polega na przekształcaniu azotu

cząsteczkowego N

2

z atmosfery, który wraz z opadami

atmosferycznymi przedostaje się do gleby i wody, tworząc

jony amonowe, azotynowe i azotanowe, w amoniak przez

pewne rodzaje bakterii (gł. Azotobacter i Clostridium) i sinic

(Nostoc).

• 2. Przyswajanie azotu w postaci azotanów i amoniaku (jonów

azotanowych i amonowych) przez rośliny zielone następuje

po wprowadzeniu ich w aminokwasy i białka roślinne. Rośliny

motylkowate

wykorzystują

azot

atmosferyczny

przy

współudziale bakterii nitryfikacyjnych (nitryfikatory).

• 3. Azot w postaci białek roślinnych wykorzystywany jest

następnie przez konsumentów, czyli pobierany przez

zwierzęta roślinożerne. Zwierzęta drapieżne pobierają go

z białkami innych zwierząt. Po obumarciu roślin i zwierząt

zawarte w nich białka są rozkładane do jonów amonowych

(amonifikacja) lub utleniane w procesie nitryfikacji przez

bakterie nitryfikujące do przyswajalnych przez rośliny

azotanów. Taki sam proces ma miejsce w przypadku

mocznika lub kwasu moczowego, wydalanych przez

zwierzęta w wyniku przemiany białek. Powstałe jony

amonowe są ponownie wykorzystywane przez rośliny oraz

bakterie nitryfikacyjne i wracają do obiegu azotu.

• 4. Azotany nie wykorzystane przez rośliny

mogą gromadzić się w glebie (np. złoża saletry
chilijskiej) albo ulec denitryfikacji, polegającej
na

przekształceniu

przez

bakterie

denitryfikacyjne,

w beztlenowym

procesie

oddychania,

jonów

azotanowych

w jony

amonowe (zostające w glebie) i wolny azot,
który wraca do atmosfery.