OCHRONA ŚRODOWISKA
LEKCJA 3 (cz.2)
GLOBALNE BIOGEOCHEMICZNE
CYKLE
Temetyka:
* Pierwiastki chemiczne występujące na Ziemi.
* Właściwości węgla , wodoru, fosforu.
* Cykl: węgla, azotu, siarki i obieg fosforu.
* Zanieczyszczenie: atmosfery, wody i litosfery.
Katedra Termodynamiki
1
CYKL BIOGEOCHEMICZNY
W
GLA
" Na początku zostaną podkreślone i przypomniane następujące
podstawowe fakty:
 75% węgla znajdującego się w zewnętrznych warstwach Ziemi
występuje w postaci nieorganicznej.
 Całkowita ilość biomasy w oceanach jest 200-krotnie mniejsza niż na
powierzchni lądów stałych.
 Głównym z
ródłem tlenu w oceanach jest węgiel nieorganiczny, jest to
następstwem rozpuszczania ditlenku węgla w wodzie.
" Podstawowymi procesami w obiegu węgla są: proces
fotosyntezy i proces spalania/oddychania.
" Obieg węgla na Ziemi jest nierozerwalnie związany z obiegiem
tlenu - głównie poprzez procesy fotosyntezy oraz spalania
(oddychania).
" Dlatego też obieg tlenu nie jest odrębnie omówiony, a jego
przemiany są omówione w tej części wraz z obiegiem węgla.
Katedra Termodynamiki
2
CYKL BIOGEOCHEMICZNY W
GLA
" Rysunek jest obrazem graficznym bardzo przybliżonego bilansu
masowego obiegu węgla w środowisku naturalnym.
Katedra Termodynamiki
3
CYKL BIOGEOCHEMICZNY
W
GLA
" Można zauważyć, że strumień emisji ditlenku
węgla ze z
ródeł antropogenicznych
(przemysłowych i komunalnych) jest w dalszym
ciągu niewielki w stosunku do jego strumienia
ze z
ródeł naturalnych.
" Ich wzajemna proporcja wynosi bowiem w
przybliżeniu 1:14,5.
Katedra Termodynamiki
4
CYKL BIOGEOCHEMICZNY
W
GLA
" Szacuje się obecnie, że w ciągu ostatnich 40
lat wielkość emisji ditlenku węgla na świecie,
ze z
ródeł antropogenicznych, wzrosła ok. 3,5-
krotnie.
" W strumieniu ditlenku węgla pochodzącym ze
z
ródeł antropogenicznych największą część
(6,6 Tg/rok) stanowi C02 pochodzący ze
spalania paliw kopalnych w celach
energetycznych
" (z ropy naftowej ok. 40% i węgla ok. 36%)
Katedra Termodynamiki
5
CYKL BIOGEOCHEMICZNY
W
GLA
" Istotnym z
ródłem ditlenku węgla są silniki
spalinowe środków komunikacji
(samochodów, samolotów itp.).
" Mniejszym z
ródłem emisji jest przemysł;
największymi emitentami z tego z
ródła są:
" przemysł rafineryjno-petrochemiczny,
" ceramiczny i celulozowo-papierniczy.
Katedra Termodynamiki
6
CYKL BIOGEOCHEMICZNY
W
GLA
" Ta dodatkowa emisja spowodowała, że
wzrosło stężenie C02 w atmosferze.
" Trzeba jednak zauważyć, że w tym samym
czasie spadło zalesienie powierzchni Ziemi,
szczególnie w pasie lasów tropikalnych,
które są głównym upustem pochłaniającym
ditlenek węgla w procesie fotosyntezy.
" Jest to czynnik synergiczny wzrostu
stężenia ditlenku w atmosferze.
Katedra Termodynamiki
7
Cykl węgla
" Procesy przyswajania węgla mogą
przebiegać w warunkach:
Katedra Termodynamiki
8
Cykl węgla
" Fotosynteza jest:
" z
ródłem tlenu cząsteczkowego - ditlenu, który jest
niezbędny do procesów życiowych większości organizmów
żywych na Ziemi, w tym organizmów wyższych;
" przemianą, w której są syntetyzowane związki organiczne
(materia organiczna);
" procesem, w którym następuje magazynowanie energii
(słonecznej) w postaci energii chemicznej, gromadzonej w
wiązaniach zsyntetyzowanej materii organicznej; energia ta
jest odzyskiwana w procesie utleniania powstałych
związków organicznych, niezależnie od tego czy jest to
proces spalania paliw kopalnych, czy oddychanie
komórkowe.
Katedra Termodynamiki
9
Cykl węgla
" Fotosynteza jest procesem endotermicznym
- energia jest dostarczana w formie kwantów
energii promieniowania (słonecznego).
" Oddychanie jest procesem egzotermicznym -
energia jest w nim wydzielana.
Katedra Termodynamiki
10
Cykl węgla
" Schematyczny obraz zwiazku między
procesem fotosyntezy (tlenowej) a
oddychaniem (tlenowym) przedstawia
równanie
Szczegółowe mechanizmy procesu fotosyntezy, a także
oddychania są bardziej złożone niż przedstawiony schemat
reakcji fotosyntezy.
Katedra Termodynamiki
11
Cykl węgla
" Zestawienie wybranych przemian w procesie fotosyntez
Katedra Termodynamiki
12
Cykl węgla
" Oprócz procesów tlenowych w obiegu
mikrobiologicznym węgla ważną rolę odgrywają także
procesy beztlenowe (mniej wydajne niż procesy
tlenowe), z których podstawowymi są:
" chemosynteza,
" oddychanie beztlenowe,
" fermentacja beztlenowa (np. alkoholowa,
mleczanowa),
" fermentacja metanowa (z obiegiem metanu jest
związany także proces mikrobiologicznego jego
utleniania).
Katedra Termodynamiki
13
Cykl węgla
" Porównując procesy tlenowe i
beztlenowe można zauważyć, że w
oddychaniu tlenowym końcowym
akceptorem wodoru powstającego na
różnych jego etapach jest tlen, a w
oddychaniu beztlenowym - siarczany i
azotany.
Katedra Termodynamiki
14
Cykl węgla
" W warunkach beztlenowych może zachodzić
fermentacja metanowa z udziałem bakterii
metanogennych.
" Procesy takie przebiegają m.in. w
nienatlenionych wodach stojących, na terenach
bagiennych, w wodach bagiennych, ściekach.
" Fermentacja metanowa może być także
wykorzystywana do utylizacji osadów
ściekowych w celu odzyskania części energii (w
postaci metanu).
Katedra Termodynamiki
15
Cykl węgla
" Oprócz procesów mikrobiologicznych w obiegu
węgla biorą udział procesy geologiczne
" procesy wietrzenia skał wapiennych,
" erozji gleb itp.
" oraz chemiczne i fizyczne (w tego typu
procesach powstały także z obumarłej materii
organicznej paliwa kopalne).
Katedra Termodynamiki
16
Cykl węgla
" Spalanie paliw kopalnych jest oddawaniem
środowisku w obecnych czasach energii i
ditlenku węgla zasymilowanego miliony lat temu.
" Spalanie biomasy, np. spalanie wierzby, malwy
czy innej specjalnie uprawianej do tych celów
rośliny, a nawet spalanie odpadów organicznych
(trocin, kory, osadów ściekowych) powoduje
oddanie środowisku ditlenku węgla
zasymilowanego rok, dwa lata, a najwyżej
kilkadziesiąt lat wcześniej.
Katedra Termodynamiki
17
Biogeochemiczny cykl azotu
" Globalny obieg azotu w środowisku
Katedra Termodynamiki
18
cykl azotu
" na rysunku przedstawiono strumień azotu w
postaci sumy tlenków azotu (NOx) ze z
ródeł
antropogenicznych zawiera m.in. takie z
ródła, jak:
" spalanie paliw kopalnych (21,3 Tg N/rok, z
niepewnością 13 31 TgN/rok);
" lotnictwo (0,6 Tg N/rok);
" przemysł (1,5 Tg N/rok);
" spalanie biomasy (w tym pożary sawanny,
7,7Tg N/rok z niepewnością 3 15 Tg N/rok).
Katedra Termodynamiki
19
cykl azotu
" Strumienie tlenków azotu z procesów
naturalnych mają z
ródło m.in. w:
" procesach mikrobiologicznych
zachodzących w glebie (5,5 Tg N/rok, z
niepewnością 4+12 Tg N/rok),
" wyładowaniach atmosferycznych (12,2 Tg
N/rok, 2+20 Tg N/rok)
" oraz w wielu innych o mniejszym
znaczeniu
Katedra Termodynamiki
20
cykl azotu
" Strumień amoniaku ze z
ródeł
antropogenicznych jest zdominowany
przez hodowlę zwierzęcą (21,6 Tg N/rok,
niepewność 10 30 Tg N/rok),
" produkcję nawozów sztucznych
(odpowiednio 9 oraz 4,5 13,5 Tg N/rok)
" oraz spalanie biomasy
(5,9 i 3 7,7 TgN/rok).
Katedra Termodynamiki
21
cykl azotu
" Zmniejszanie emisji tlenków azotu ze z
ródeł
antropogenicznych przebiega dużo wolniej niż
zmniejszanie emisji ditlenku siarki.
" Ograniczanie emisji tlenków azotu ma charakter
działania na końcu rury
(usuwanie NOx z gazów odlotowych metodami
fizycznymi i chemicznymi, podobnie jak dla S02) lub
działania u z
ródeł (zmiany w technologiach),
natomiast w przypadku ograniczania emisji ditlenku
węgla odbywa się to w praktyce jedynie poprzez
działania u z
ródeł (zmiana technologii, energia
odnawialna, ograniczanie spalania paliw kopalnych).
Katedra Termodynamiki
22
Cykl azotu
" Ogólny zarys mikrobiologicznych procesów przemian
azotu
Katedra Termodynamiki
23
Cykl azotu
" Obieg azotu można przedstawić także w innej postaci graficznej uwzględniającej
stopień utlenienia azotu oraz trwałości związków, w których azot występuje w
przyrodzie
Katedra Termodynamiki
24
Cykl azotu
" Ponad 100 lat temu opracowano proces syntetycznego
wytwarzania amoniaku, a więc i nawozów sztucznych z
azotu atmosferycznego i wodoru produkowanego z kolei
z metanu (z gazu ziemnego).
" Technologia ta znana pod nazwą syntezy Habera
(wynaleziona przez Habera i udoskonalona przez
Boscha) daje obecnie ok. 80"106 Mg/rok tego produktu.
" Ilość azotu wiązanego przez mikroorganizmy na Ziemi
wynosi 50 150"106 Mg/rok (pod normalnym ciśnieniem i
w niskiej temperaturze).
Katedra Termodynamiki
25
Cykl azotu
" Proces chemicznego wiązania azotu przebiega w
procesach przemysłowych (nawozy) oraz podczas
wyładowań atmosferycznych.
" Przebiega on także w łagodnych warunkach w
procesach biologicznych, które zachodzą zarówno w
ekosystemach lądowych, jak i wodnych.
" W pierwszym przypadku proces jest prowadzony
głównie przez bakterie Rhizobium zwane bakteriami
brodawkowymi, a w drugim przez sinice;
" w obu przypadkach do rozbicia potrójnego wiązania
NLN jest używany enzym nitrogenaza.
Katedra Termodynamiki
26
Cykl azotu
" Amonifikacja
" Większość azotu organicznego jest związana w
aminokwasach, które są składnikami białek.
" Rozkładające się rośliny i zwierzęta powodują
powstawanie amoniaku lub jonów amoniowych
(w zależności od pH środowiska), czyli
przejście azotu w formę zredukowaną
Katedra Termodynamiki
27
Cykl azotu
" Nitryfikacja
" Proces nitryfikacji jest procesem przemiany azotu
amonowego w postać azotanów.
" Azotany są bardzo dobrze rozpuszczalne w wodzie i
łatwo ulegają wymywaniu z gleby. Dlatego cały czas
muszą być do niej dostarczane. Są w glebie
niezbędne, ponieważ azot występujący w tej formie
łatwo jest przyswajany przez rośliny.
" Jony amonowe znajdują się w glebie jako produkt
procesu amonifikacji, są także dostarczane z
nawozami (w tym mineralnymi).
" Reakcja przebiega dwustopniowo z udziałem bakterii
tlenowych z rodzaju Nitrosomonas i Nitrococcus w
pierwszym etapie oraz z rodzaju Nitrobacter w drugim
etapie.
Katedra Termodynamiki
28
Cykl azotu
" Reakcje te przebiegają także w procesach
oczyszczania ścieków zarówno w
warunkach naturalnych, jak i w
biologicznych oczyszczalniach ścieków,
np. metodą osadu czynnego.
Katedra Termodynamiki
29
Cykl azotu
" Denitryfikacja
" Denitryfikacja jest procesem  odzyskania" azotu
cząsteczkowego z azotanów.
" Redukcja azotanów do amoniaku (denitryfikacja
częściowa) lub do azotu cząsteczkowego
(denitryfikacja całkowita) zachodzi w warunkach
beztlenowych pod wpływem niektórych
gatunków bakterii glebowych i wodnych
Micrococcus denitrificans, Thiobacillus
denitrificans.
Katedra Termodynamiki
30
Cykl azotu
" Denitryfikacja jest jednym z etapów
realizowanych w procesie biologicznego
oczyszczania ścieków. Sumaryczna
reakcja może być zapisana równaniem
Katedra Termodynamiki
31
podsumowanie cyklu azotu
" Istotny wkład w obieg azotu ma człowiek współczesny poprzez:
" Produkcję nawozów azotowych za pomocą syntezy Habera.
Szacowana ilość azotu związanego w procesie przemysłowym
jest równoważna ilości azotu wiązanego w środowisku
naturalnym przez mikroorganizmy. Produkcja ta daje także
emisję tlenków azotu.
" Spalanie kopalin w celach energetycznych, co powoduje
zwiększenie strumienia tlenków azotu cyrkulującego w
środowisku. Tlenki azotu produkowane w ten sposób powstają
w wyniku utlenienia azotu atmosferycznego (w wysokiej
temperaturze procesu spalania) oraz wyniku spalenia azotu
związanego w paliwach.
" Spalanie ropy naftowej (benzyn, oleju napędowego) w silnikach
spalinowych pojazdów mechanicznych (z
ródło tlenków azotu,
takie samo jak przy spalaniu paliw w energetyce).
Katedra Termodynamiki
32
Biogeochemiczny cykl siarki
" Cykl siarki jest nie mniej istotny dla życia i
środowiska na Ziemi niż cykl azotu,
jakkolwiek skala cyklu mikrobiologicznego
siarki jest co najmniej o rząd mniejsza
Katedra Termodynamiki
33
Biogeochemiczny cykl siarki
" Obserwuje się znaczne podobieństwo
między obiegiem siarki i azotu. Objawia
się ono w kilku aspektach. Reakcje z
udziałem siarki mają także charakter
procesów redukcyjno-oksydacyjnych.
Katedra Termodynamiki
34
Biogeochemiczny cykl siarki
" Obieg siarki został znacznie zintensyfikowany,
szczególnie przy powierzchni Ziemi, wskutek
działalności człowieka w ciągu ostatnich
100 150 lat. Jest to następstwem dużego
rozwoju przemysłu wydobywczego i hutniczego
oraz wzrostu ilości spalanych paliw, co
spowodowało wzrost ilości emitowanej siarki w
postaci ditlenku siarki.
Katedra Termodynamiki
35
Biogeochemiczny cykl siarki
Katedra Termodynamiki
36
Biogeochemiczny cykl siarki
" przypadku obiegu siarki - sumaryczny strumień TRS
(total reduced sulphur) - zredukowanych związków
siarki (S02, H2S, merkaptanów i siarczków
organicznych) pochodzących ze z
ródeł
antropogenicznych w porównaniu ze strumieniami
naturalnymi jest wielokrotnie (niemal 10-krotnie)
większy.
" Natomiast emisja samego ditlenku siarki ze z
ródeł
antropogenicznych była sześciokrotnie większa niż ze
z
ródeł naturalnych (lata siedemdziesiąte XX wieku).
Katedra Termodynamiki
37
Obieg fosforu
" Rozpuszczalność związków fosforu
występujących naturalnie jest mała bądz

bardzo mała. Dlatego cykl geochemiczny
obiegu fosforu jest w porównaniu z innymi
pierwiastkami odmienny, a strumienie
przepływu wielokrotnie mniejsze.
Katedra Termodynamiki
38
Obieg fosforu
" Geochemiczne strumienie przemieszczania się
tego pierwiastka są związane głównie
" z transportem stałych zawiesin i osadów w
wodach oceanów i wodach powierzchniowych
" oraz pyłów w atmosferze.
" W postaci jonów fosforanowych fosfor jest
wypłukiwany z powierzchni lądowej do wód.
Katedra Termodynamiki
39
Katedra Termodynamiki
40
Obieg fosforu
" Na Ziemi fosfor występuje w postaci fosforanów.
" Jon fosforanowy - jest związany z kationem w
związkach nieorganicznych ([Ca10(PO4)6(F,OH)2],
fosforany wapnia, glinu, żelaza)
" lub w cząsteczkach organicznych przenoszących
energię, jak w ATP, a także przekazujących
informację genetyczną, czyli w kwasach DNA i RNA.
" Wynika z tego, że jest on niezbędny do życia i
prawidłowego rozwoju wszystkich organizmów.
Katedra Termodynamiki
41
Obieg fosforu
" Fosfor może być pewnym wskaz
nikiem lub
miarą żyzności ekosystemu.
" Często także takim wskaz
nikiem jest
stosunek między węglem, azotem i
fosforem C:N:P.
Katedra Termodynamiki
42
Obieg fosforu
" Wkład człowieka w obieg fosforu.
" - produkcja nawozów sztucznych
(fosforanowych)
" - produkcja środków piorących, w skład
których wchodzą związki fosforu. Są to
polifosforany.
Katedra Termodynamiki
43
Podsumowanie
" Wszystkie cykle pierwiastków w przyrodzie są
ze sobą powiązane i żaden z nich nie może być
realizowany bez udziału pozostałych.
Katedra Termodynamiki
44
Podsumowanie
" strukturalne powiązania między obiegami pierwiastków
poprzez zachodzące w nich reakcje
Katedra Termodynamiki
45
Katedra Termodynamiki
46
Podsumowanie
" Omówiono:
" Obieg najważniejszych do życia na Ziemi
pierwiastków: węgla, azotu, siarki i fosforu.
" Obieg tlenu jak i wodoru jest związany z
nimi nierozerwalnie.
" Obieg wodoru jest także ściśle związany z
obiegiem wody.
Katedra Termodynamiki
47
PODSUMOWANIE
" Związki obiegów pierwiastków z życiem
biologicznym są decydujące szczególnie
dla obiegu węgla i azotu.
Katedra Termodynamiki
48
Podsumowanie
"  Życie można zdefiniować na podstawie charakterystycznych
właściwości istot żywych". Mają one (mimo całej różnorodności
życia) pewien wspólny zestaw cech odróżniający je od
obiektów nieożywionych, a mianowicie:
" specyficzną organizację;
" różnorodność reakcji chemicznych tworzących metabolizm;
" zdolność do utrzymywania właściwych warunków środowiska
wewnętrznego nawet przy zmianach w środowisku
zewnętrznym (homeostaza);
" zdolność do ruchu;
" reakcje na bodz
ce zewnętrzne;
" zdolność wzrostu;
" rozmnażanie się;
" przystosowywanie do środowiska zewnętrznego i jego zmian.
Katedra Termodynamiki
49
Podsumowanie
" Krążeniu (cyklom biogeochemicznych)
pierwiastków towarzyszy obieg wody w
ekosferze ziemskiej.
" Nieprzerwany obieg wody między
środowiskami lądowymi, wodnymi i
atmosferą jest nazywany cyklem
hydrologicznym i zapewnia stałą odnowę
wody przede wszystkim w ekosystemach
lądowych.
Katedra Termodynamiki
50
Podsumowanie
" Z obiegiem pierwiastków, szczególnie tym
powodowanym przez mikroorganizmy, jest
związany przepływ energii.
" Przepływ energii przez ekosystem w
przeciwieństwie do przepływów pierwiastków, które
są zamknięte w cykle, jest przepływem
jednokierunkowym.
" Energia wnika do ekosystemu na skutek związania
energii promieniowania słonecznego w postaci
energii wiązań chemicznych (np. węglowodanów,
tłuszczów itd.).
" W procesie oddychania komórkowego lub spalania
paliw kopalnych i biomasy jest ona uwalniana.
Katedra Termodynamiki
51
Przykładowy widok natury
Katedra Termodynamiki
52
Katedra Termodynamiki
53