Cykle biogeochemiczne
Pierwiastki istotne dla życia
Organizmy żywe potrzebują dla budowy swojego ciała i procesów
Krążenie pierwiastków ważnych dla życia odbywa się nie
metabolicznych około 20-30 pierwiastków. Najprostsze związki, jak
tylko w obrębie organizmów żywych lub obumarłej materii
węglowodany produkowane w procesie fotosyntezy, składają się z
(biocenoza), ale także w obrębie świata nieorganicznego zaledwie trzech pierwiastków: C, H, O. Białka lub kwasy
nukleinowe wymagają jeszcze np. fosforu, azotu i siarki.
(biotop).
Pierwiastki niezbędne do życia, czyli biogeny, można podzielić na
Zrozumienie krążenia pierwiastków wymaga zatem,
dwie grupy:
znajomości chemii zarówno organicznej, jak i
" Makroelementy  organizm wymaga ich względnie dużej ilości.
nieorganicznej. Badanie krążenia pierwiastków jest więc
Co najmniej 1% suchej masy organizmu stanowią: węgiel C, tlen O,
interdyscyplinarne. Krążenie pierwiastków zachodzące
wodór H, azot N i fosfor P.
między światem ożywionym i nieożywionym określamy
" Makroelementy stanowiące od 0,2-1% suchej masy organizmu to:
jako CYKL BIOGEOCHEMICZNY.
siarka S, chlor Cl, potas K, sód Na, wapń Ca, magnez Mg, żelazo Fe
i miedz
Cu.
Obie główne składowe cyklu  organiczna i nieorganiczna są
Biogeny występujące w organizmach żywych w ilościach śladowych
równie ważne dla procesu krążenia. Tempo krążenia określa
(mniej niż 0,2% suchej masy) nazywamy mikroelementami. Do
dostępność pierwiastka dla organizmu. Generalnie
ważniejszych należą: glin Al, bor B, brom Br, chrom Cr, kobalt Co,
pierwiastki szybciej krążą w fazie organicznej, niż
fluor F, gal Ga, jod I, mangan Mn, molibden Mo, selen Se, krzem
nieorganicznej.
Si, stront Sr, cyna Sn, tytan Ti, wanad V, cynk Zn.
4 z
ródła biogenów  biologiczne
wiązanie azotu
4 z
ródła biogenów
Biologiczne wiązanie azotu jest procesem biochemicznym, w którym
azot cząsteczkowy (N2) zostaje wbudowany w związki organiczne.
Tylko niektóre organizmy posiadają tę umiejętność. Należą tu
1. Wietrzenie skał to jest jednym z najważniejszych z
ródeł
bakterie, grzyby i sinice. Rocznie organizmy te wiążą (wg szacunków)
długoterminowych. Jest procesem powolnym i mało
175 mln ton.
wydajnym. Dostarcza głównie mikroelementów
Bakterie brodawkowate (Rhizobium) żyją w symbiozie z roślinami
2. Biogeny ze z
ródeł atmosferycznych dostarczane są przez
motylkowatymi (13000), tworząc na ich korzeniach brodawki  ich
opad lub różne procesy biologiczne
miejsce zamieszkania. Roślina zaopatruje bakterie w produkty
3. Organizmy swobodnie przemieszczające się mogą
fotosyntezy (węglowodany) a bakteria odwdzięcza się związkami
dostarczyć do ekosystemu znaczne ilości materii, która
azotowymi. Po obumarciu rośliny gleba zawiera dużo przyswajalnych
zostaje wbudowana w żyjące w nim organizmy, np. ptaki
dla roślin związków azotu. Wg szacunków drogą tą przenika do gleby
żerujące na organizmach morskich i karmiące młode na
140 mln ton azotu rocznie.
lądzie pozostawiają znaczne ilości materii w postaci
Analogiczne zjawisko brodawek korzeniowych zachodzi również u 160
guano.
gatunków spoza rodziny motylkowatych. Dotyczy to przede
4. Biologiczne wiązanie azotu (następny slajd)
wszystkim rodzaju olsza i brzozy (rodzina brzozowatych)
Zjawisko wiązania azotu występuje także u sinic.
Straty biogenów z ekosystemu
Tempo krążenia biogenów
" Szybkie  warunki stale wilgotne i gorące (materia
organiczna nad ziemią)  oligotroficzny model
(1)Erozja
krążenia pierwiastków
(2) Wymywanie
" Wolne  warunki sezonowo suche i/lub chłodne
(3) Straty gazowe
(materia organiczna pod ziemią  ulega akumulacji
(4) Emigracja i żniwa
w glebie)  eutroficzny model krążenia
pierwiastków
" Las liściasty  szybsze niż szpilkowy
1
Cykl biogeochemiczny węgla
Węgiel na lądzie
i jego zasoby na świecie
" Całe życie oparte jest na węglu. Paliwa kopalne, powstające z
" Większość węgla w ekosystemie pochodzi z atmosfery. Atmosferyczny dwutlenek
węgla jest wiązany w procesie fotosyntezy i wbudowywany w organiczne związki
obumarłych organizmów żywych, to także głównie węgiel. Jednak
węgla, przede wszystkim węglowodany (C6H12O6). Z nich dopiero wytwarzane są
węgiel stanowi zaledwie 0,032% masy litosfery. Dominują
inne, oparte na węglu, związki organiczne.
oczywiście tlen i krzem.
" Pewne ilości CO2 są dostarczane również poprzez wybuchy wulkanów z głębi
litosfery
Miejsce Ilość (mld ton)
" Węgiel jest uwalniany z ekosystemu w procesie respiracji (oddychania), gdzie
Skały osadowe i osady morskie 66 000 000 do 100 000 000 związki organiczne są zamieniane na związki nieorganiczne. Główną rolę
odgrywają to destruenci w łańcuchu pokarmowym saprofagów.
Ocean 38 000 do 40 000
" Gdy dno oceaniczne wraz z zalegającymi na nim osadami jest wpychane w głąb
skorupy w strefach subdukcji oceanicznej, część węgla przenika do wnętrza skorupy
Paliwa kopalne 4000
ziemskiej.
Materia glebowa 1500 do 1600
Atmosfera 578 (1700) do 766 (1999)
Rośliny 540 do 610
Węgiel w wodzie
Obieg węgla w przyrodzie
" Dwutlenek węgla dostaje się do oceanu drogą dyfuzji z atmosfery.
CO2
Pozostałe z
ródła to procesy metaboliczne organizmów żywych i
oddychanie
w powietrzu i wodzie
fotosynteza
dostawa z lądu.
spalanie wietrzenie
" CO2 w wodzie znajduje się w postaci cząsteczkowej (jako CO2) i w
postaci jonów: węglanowego (CO3 2) i wodorowęglanowego (HCO3 ).
Ilość danej postaci dwutlenku węgla zależy od kwasowości wody. W oddychanie
kwaśnej dominuje postać cząsteczkowa, w zasadowej dominują jony
paliwa
wodorowęglanowe. skały
naturalne
związki
związki
organiczne
organiczne
heterotrofów
" Dwutlenek węgla jest w wodach wiązany z wapniem przez organizmy autotrofów
żywe i wbudowywany w wapienne elementy pancerza lub układu
kostnego (CaCO3). Konstrukcje wapienne wytwarzają koralowce,
małże (np. ostrygi, omułki, perłopławy), niektóre pierwotniaki i glony
martwa
(np. otwornice). obumieranie obumieranie
materia
organiczna
" Wapienne elementy opadających na dno obumarłych organizmów
odżywianie
tworzą osady węglanowe, które z czasem tworzą skały osadowe.
Wzrost stężenia dwutlenku węgla w latach 1958-1998
Antropogeniczne zmiany obiegu węgla
" Od czasu rewolucji przemysłowej działalność
gospodarcza człowieka stała się znaczącym
czynnikiem w obiegu węgla.
" Od roku 1700 ilość CO2 w atmosferze wzrosła o
30% z 275 ppm (parts per milion  ppm) do 365
dziś.
" Główną przyczyną tego zjawiska jest spalanie
paliw kopalnych i zmiany w formach użytkowania
ziemi, gdzie nastąpił duży wzrost powierzchni
agroekosystemów kosztem lasów i łąk.
2
Wydobycie surowców energetycznych
1960-2000 (w mln ton)
SUROWIEC 1960 2000 wzrost
Ropa naftowa 1052 3441 3,3
Gaz ziemny 468 2517 5,4
" krzywa obejmuje stanowczo zbyt krótki okres, aby na jej podstawie wyciągać
Węgiel kamienny 1972 3589 1,8
wnioski, co do przyczyn zmian klimatycznych.
" badania zawartości dwutlenku węgla w lodowcach wskazują, że zmiany te były
Węgiel brunatny 632 888 1,4
cykliczne, a zawartość dwutlenku węgla w atmosferze bywała znacząco wyższa w
odległej przeszłości, niż jest w czasach obecnych.
" wskazuje się, że obrazowany przez krzywą Keelinga wzrost ilości dwutlenku węgla
nastąpił w chwili, gdy świat ogarnęła recesja i kryzys naftowy, a więc zgodnie z teorią
antropogenicznych czynników zmian klimatu ilość CO2 w atmosferze powinna była
gwałtownie się zmniejszyć.
Naturalne i antropogeniczne
Tlen i dwutlenek węgla w
Poziom dwutlenku
fanerozoiku
gazy cieplarniane
węgla w dziejach Ziemi
Wahania temperatury globalnej w
ostatnim dwudziestoleciu
Wahania
temperatury w
ciągu ostatniego
miliona, 10000
i tysiąca lat
3
Cykl biogeochemiczny azotu
Nitryfikacja i denitryfikacja
" Cykl biogeochemiczny azotu jest jednym z najważniejszych w
przyrodzie. Azot bowiem, wchodzi w skład aminokwasów,
białek, i kwasów nukleinowych.
" Nitryfikacja  utlenianie amoniaku przez bakterie autotroficzne (przez
" Głównym zbiornikiem azotu jest azot atmosferyczny,
Nitrosomonas do azotynów i dalej przez Nitrobacter do azotanów).
występujący tu w postaci gazowej (głównie N2). W atmosferze,
Obie te postaci azotu (azotanmy i azotynyu) są niestety łatwo
której stanowi ponad 70% objętości, jest go około 1 mln razy
wymywane z gleby, ku wielkiemu utrapieniu rolników
więcej niż w organizmach żywych. Znaczne ilości azotu znajdują
" Denitryfikacja  redukcja utlenionych związków azotu prowadzona
się także w materii organicznej gleby i w oceanie.
przez bakterie heterotroficzne w warunkach beztlenowych; postaci
" Mimo tak wielkiej ilości azotu w przyrodzie jest on jednym z
przyswajalne ulatniają się do atmosfery jako azot cząsteczkowy (N2)
najważniejszych czynników ograniczających produkcję
lub podtlenek azotu (N2O). W procesie tym bakterie uzyskują tlen
pierwotną. Dzieje się tak dlatego, że azot nie jest przyswajalny w
niezbędny do respiracji.
postaci gazowej dla roślin (z wyjątkiem sinic i bakterii)
" Amonifikacja  rozkład aminokwasów, polegający na wytworzeniu
" Przyswajalne dla roślin postaci azotu to amoniak a właściwie jon
amoniaku
amonowy (NH4+ ) i jon azotanowy (NO3 ). Większość roślin
uzyskuje azot w tej drugiej postaci w roztwory glebowego. Jon
amonowy w większych stężeniach jest bowiem toksyczny.
Antropogeniczne zmiany obiegu azotu
Obieg azotu w przyrodzie
związki organiczne
Dostawa nawozów na pola zwiększyła tempo denitryfikacji i
organizmów
amonifikacja rozkład
wypłukiwania związków azotu do wód gruntowych,
powodując ich zanieczyszczenie. Wody gruntowe zasilają, z
kolei, rzeki, jeziora i morza powodując ich eutrofizację.
Spalanie paliw kopalnych i wypalanie lasów dostarcza dużej
wolny azot
ilości związków azotu w postaci, która jest wypłukiwana z
atmosfery z deszczem. Wywołuje to eutrofizację
ekosystemów zasilanych nawet wyłącznie wodami
denitryfikacja
amoniak NH3 opadowymi, np. torfowisk wysokich, powodując degradację
-1 rosnącej tam flory.
azotyny NO2
Wielkich ilości związków azotu, przede wszystkim amoniaku,
dostarczają fermy hodowlane w odchodach zwierząt. Jeśli
są one usuwane do wód gruntowych lub cieków, powodują
ich zanieczyszczenie.
nitryfikacja
azotany NO-1 nitryfikacja
3
Obieg fosforu w przyrodzie
materia organiczna materia organiczna
roślin zwierząt
Obieg fosforu
obumieranie
" Cykl typowo sedymentacyjny  bez fazy gazowej
skały fosforanowe
" Fosfor jest składnikiem kwasów nukleinowych i
martwa materia
ATP, jest więc niezbędny dla życia
organiczna
" Fe3PO4 jest nierozpuszczalny w warunkach
tlenowych a rozpuszcza się w obecności
fosforany
rozkład
rozpuszczalne
siarkowodoru
" Apatyt i fluoroapatyt  minerały zawierające
akumulacja
osady płytkich mórz
fosfor
osady głębinowe
4
denitryfikacja
wyładowania atmosferyczne
bakterie,
sinice
nitryfikacja
asymilacja
denitryfikacja
asymilacja
wietrzenie
wymywanie
diageneza
przemieszczanie osadów
przez zwierz
ę
ta morskie