GLOBALNE BIOGEOCHEMICZNE CYKLE: W
GLA, SIARKI, AZOTU I FOSFORU
Wprowadzenie
Na Ziemi wszystko jest zbudowane z atomów pierwiastków i cząsteczek związków chemicznych
tworzonych przez pierwiastki a zachodzące w środowisku procesy metaboliczne i towarzyszące im
przemiany czysto fizyczne, chemiczne i procesy geologiczne dzieją się z ich udziałem. Pierwiastki
dzięki tym procesom krążą w środowisku. Materia Wszechświata złożona jest z 92 naturalnie
występujących pierwiastków  dotychczas odkrytych (w laboratoriach wytworzono kilkanaście
dalszych). Dla życia na Ziemi najważniejszymi pierwiastkami są, jak się powszechnie uważa: węgiel,
wodór, tlen, azot, siarka i fosfor, chociaż powstanie życia w takiej formie, w jakiej ono powstało, bez
udziału innych pierwiastków byłoby prawdopodobnie niemożliwe. Wymienione pierwiastki
(CHNSOP) są jednak podstawowymi składnikami komórek żywych organizmów począwszy od
jednokomórkowych bakterii do ssaków. Na przykład masa ciała ludzkiego w 99,1 procentach
tworzona jest przez związki zawierające tylko 11 pierwiastków, które pokazano w tablicy 3.1.
Tablica 3.1. Pierwiastki, z których zbudowany jest organizm człowieka.
Nazwa Symbol Przybliżona Znaczenie, funkcja.
zawartość, (%)
Tlen O 65 Oddychanie komórkowe, w większości związków organicznych,
tworzy wodę.
Węgiel C 18 Podstawowy składnik związków organicznych, na nim oparte jest
życie na Ziemi.
Wodór H 10 Podstawowy składnik związków organicznych, tworzy wodę.
Azot N 3 Składnik wszystkich białek i kwasów nukleinowych.
Wapń Ca 1.5 Obecny w kościach, zębach, mięśniach.
Fosfor P 1 Składnik kwasów nukleinowych, tworzy ATP  bierze udział w
przekazywaniu energii wewnątrz komórek.
Potas K 0.4 Główny jon dodatni (kation) w komórkach.
Siarka S 0.3 Składnik większości białek.
Sód Na 0.2 Główny jon dodatni płynów poza komórkowych.
Magnez Mg 0.1 Obecny w krwi tkankach ciała; składnik układów enzymatycznych.
Chlor Cl 0.1 Tworzy główny jon ujemny płynów pozakomórkowych.
Żelazo Fe śladowe ilości Składnik hemoglobiny, niektórych enzymów.
Jod J śladowe ilości Składnik hormonów tarczycy.
Inne śladowe pierwiastki w ciele ludzkim to: mangan (Mn), miedz
(Cu), cynk (Zn), kobalt (Co), fluor (F),
molibden (Mo) selen (Se).
Szerokie spektrum rozmaitych przemian związków organicznych i nieorganicznych, związanych
z istnieniem i funkcjonowanie żywych organizmów, powoduje powstanie bardzo istotnych
mikroobiegów biologicznych/biochemicznych pierwiastków. Produkty wytworzone w jednym cyklu
są substratami dla następnego. Część związków jest jednak przetwarzana w formy nieprzydatne dla
żywych organizmów. Uczestniczą one jednak wtedy w dalszym ciągu w obiegu nieorganicznym,
biorąc udział w reakcjach chemicznych oraz i przemianach fizycznych np. występujących w procesach
geologicznych. Obieg pierwiastków powodowany przez życie organiczne w kontekście procesów
geologicznych i chemicznych nazywany jest zwykle cyklem lub obiegiem biogeochemicznym.
1
Obiegom mikrobiologicznym oraz globalnym obiegom biogeochemicznym towarzyszy przepływ
energii. W procesach metabolicznych pozyskiwana lub oddawane jest energia konieczna do
podtrzymania życia i zachodzenia niezbędnych reakcji chemicznych i biochemicznych. We
wszystkich organizmach żywych zachodzą reakcje chemiczne i przemiany energetyczne niezbędne do
wzrostu i odnawiania się komórek oraz wiązanie energii w postać biologicznie użyteczną. Sumę tych
wszystkich procesów chemicznych przebiegających w organizmie żywym nazywa się metabolizmem
lub przemianą materii. Ażeby procesy metaboliczne mogły przebiegać w sposób ściśle określony w
organizmie żywym oraz ażeby organizm mógł rosnąć, rozwijać się, rozmnażać oraz podtrzymywać
ciągłość życia, zarówno osobniczego jak i gatunkowego musi posiadać zdolność do przekazywania
informacji w obrębie organizmu, pomiędzy organizmami i z pokolenia na pokolenie.
Naturalny biogeochemiczny cykl jest zakłócany w wyniku działalności człowieka. Do tego
zjawiska nawiązuje jedna z definicji skażenia środowiska. Wg niej, za skażenie uważa się substancję
wyprodukowaną przez człowieka, która przerywa jeden lub więcej biogeochemicznych cykli
pierwiastków.
Życie spotykane jest wszędzie na Ziemi: pod lodami, w wulkanach, gejzerach, bardzo stężonych
solankach (30%), przy pH zbliżającym się do 1,5 oraz do 10,0, w temperaturach od -40 do 130�C. Te
ekstremalne warunki dotyczą oczywiście życia na poziomie mikroorganizmów. Ale też one pełnią
największą rolę w obiegu pierwiastków CHONSP.
Tablica 3.2. Wybrane procesy związane z obiegiem pierwiastków w środowisku.
redukowany
Pierwiastek
C H O N S
Spalania,
C Fermentacja Denitryfikacja
Oddychanie
Fermentacja
H Denitryfikacja
metanowa
Redukcja
O Fotosynteza
siarczanów
Utlenianie grup
N Nitryfikacja
amoniowych
Oddychanie Utlenianie Denitryfikacja,
S
beztlenowe siarczków utlenianie siarki
W tablicy 3.3 podano przegląd wybranych związków organicznych i nieorganicznych tworzonych
przez wymieniane wcześniej pierwiastki w procesach biologicznych, chemicznych i geologicznych.
W dalszej części przedstawiono krótkie charakterystyki podstawowych 6 pierwiastków,
rozwijające informacje pokazane w przedstawionych tabelach.
Tabela 3.3. Wybrane związki organiczne i nieorganiczne, biorące udział w globalnych cyklach
Wybrane związki chemiczne istotne dla procesów metabolicznych
Pierwiastek
Inne pierwiastki C H O N S P
Węglany wapnia i Chlorofil, , Materia organiczna , Kwasy,
Materia Węglowodany,
magnezu (skały Grafit, diament aminokwasy, białka, siarczki organiczne, nukleinowe
C
organ. tłuszcze, CO2,
wapienne) kwasy nukleinowe białka ATP
Paliwa kopalne; Amoniak, jon
Siarkowodór
ropa naftowa, gaz Wodór amoniowy, aminy,
woda Siarczki org. Tiole,
H
ziemny, węgiel gazowy białka, kwasy
białka
kamien i brunat. nukleinowe
SO2, siarczany,
Węglany (skały Azotyny azotany, Fosforany,
Krzemiany Woda Tlen atmosf, ozon siarczyny
O
min.), CO2 tlenki azotu, organiczne
Azotany (minerały Azotany (minerały
Geoporfiryny Azot atmosferyczny
N
naturalne) naturalne
Siarczki żelaza (piryt), Bogata w siarkę Siarczany, skały
Materia Siarka
siarczany wapnia materia mineralne, gips,
S
organ. pierwiastkowa
(gips) organiczna anhydryty
Fosfor
Fosforany, apatyty pierwiastko
P
Fosforany, (apatyty)
wy
2
utleniany
Zasoby na Ziemi
Węgiel
Symbol C, (carboneum), liczba atomowa 6, masa atomowa 12,011; jest niemetalem; ciałem
stałym, nierozpuszczalnym w wodzie tworzy odmiany alotropowe: diament, grafit oraz fulereny (tych
ostatnich nie wykryto dotychczas w środowisku naturalnym na Ziemi). Znanych jest kilka izotopów
węgla. Promieniotwórczy nietrwały izotop węgla 14C jest stosowany jako wskaz
nik izotopowy.
Węgiel jest czternastym pierwiastkiem pod względem rozpowszechnienia na Ziemi (0,08%).
Większość węgla w biosferze występuje w postaci skał wapiennych (kalcytu CaCO3), dolomitów
(CaCO3,�MgCO3), magnezytu (MgCO3), które zostały wyprodukowane przez żywe organizmy jako
ich szkielety a także syderytu (FeCO3) oraz dwutlenku węgla stanowiącego ok. 0,3% obj. atmosfery.
W skorupie ziemskiej węgiel występuje też w postaci czystej jako grafit, diament (w niewielkich
ilościach), w węglu kamiennym, węglu brunatnym, ropie naftowej, gazie ziemnym. Powstanie złóż
kopalin jest wynikiem połączenia procesów biochemicznych, fizykochemicznych i geologicznych.
W atmosferze i oceanie, węgiel znajduje się w postaci dwutlenku węgla, metanu, jonów węglanowych
i wodorowęglanowych. Około 75% węgla na Ziemi znajduje się złożach związków nieorganicznych a
około 25% w złożach związków organicznych (rozproszonych).
W organizmach żywych większość związków chemicznych ma strukturę zawierającą szkielet
utworzony z atomów węgla połączonych wiązaniami kowalencyjnymi. Związki te wyodrębniono
(historycznie) w chemii w grupę nazwaną związkami organicznymi, ponieważ sądzono niegdyś, że
mogą być wytwarzane jedynie przez struktury ożywione. Szybko okazało się, że pogląd taki jest
całkowicie nieuprawniony. W 1824 roku W�hler otrzymał jako pierwszy w laboratorium ze związku
nieorganicznego (był to izocyjanian amonu - NH4NCO) związek organiczny, z tym, że dopiero po
czterech latach (w 1828) stwierdził, że jest to mocznik  (H2N)2CO, to znaczy ta sama substancją, jaką
uzyskiwał on z moczu psa. Spowodowało to wyłom w panującej wówczas teorii witalistycznej (vis
vitalis).
Wyjątkowa pozycja węgla związana jest z jego bardzo wysoką reaktywnością. Atom węgla
posiada 6 elektronów: dwa na pierwszym poziomie energetycznym i 4 na drugim,. Oznacza to, że
liczba elektronów walencyjnych równa jest 4. Mogą one tworzyć wiązania kowalencyjne z innymi
atomami węgla (pojedyncze podwójne i potrójne). Struktura cząsteczki o szkielecie węglowym może
być prosta, rozgałęziona, cykliczna i pierścieniowa (w ramce 3.1 pokazano wzory strukturalne oraz
budowę wybranych związków organicznych). Charakter cząsteczki i jej kształt oraz rodzaj atomów
innych pierwiastków, które tworzą wiązania z węglem określają jej własności fizyczne i chemiczne
oraz funkcje, które pełnią w procesach metabolicznych (np. że przenoszą energię lub służą
przenoszeniu informacji). Obecnie znanych jest ponad 5 milionów związków organicznych opartych o
szkielet węglowy. Część z nich stanowi podstawowe, strukturalne składniki, z których zbudowane są
komórki, tkanki, narządy i na końcu organizmy żywe. Duża ich część została zsyntetyzowana przez
człowieka. Związki organiczne, które składają się wyłącznie z atomów węgla i wodoru nazywane są
węglowodorami. Paliwa kopalne, takie jak węgiel kamienny, węgiel brunatny, ropa naftowa i gaz
ziemny są mieszaninami głownie węglowodorów. Wszystkie one powstały z obumarłych organizmów,
które żyły na Ziemi przed milionami lat. Są, więc nie tylko magazynem całej gamy związków
organicznych służących jako surowiec w procesach przetwórczych, ale są przede wszystkim
magazynem energii słonecznej, która dotarła do Ziemi w postaci promieniowania świetlnego i została
przekształcona (dzięki fotosyntezie) w energię chemiczną (energię wiązań). Będzie o tym mowa w
dalszej części rozdziału. Atomy wodoru w związkach organicznych w reakcjach chemicznych,
tworzących procesy metaboliczne, zastępowane są przez atomy innych pierwiastków lub grupy
atomów, nazywane podstawnikami lub grupami funkcyjnymi. W związkach organicznych, z węglem
oprócz wodoru, najczęściej tworzą wiązania: tlen, azot, siarka i fosfor. W różnych wzajemnych
stosunkach do siebie, są one obecne w węglowodanach, lipidach, białkach, kwasach nukleinowych.
Najczęściej występujące grupy funkcyjne w związkach organicznych pokazano w tablicy 3.4.
Tablica 3.4. Wybrane grupy funkcyjne występujące w związkach organicznych.
Grupa funkcyjna Wzór Charakter Związki, w których występuje
strukturalny
Aminowa RNH2 Jonowy Aminy, aminokwasy
Estrowa RCOOR Polarny Estry
3
Fosforanowa Jonowy Fosforany organiczne, ATP
Karboksylowa RCOOH Jonowy Kwasy organiczne
Karbonylowa RCOH Polarny Aldehydy,
RCOR ketony
Sufhydrylowa RSH - Tiole
Bardzo skrótową charakterystykę czterech podstawowych grup związków organicznych mających
największe znaczenie dla życia i obiegu mikrobiologicznego pierwiastków zamieszczono w tablicy 3.5.
Wiele cząsteczek występujących w środowisku naturalnym składa się z tysięcy atomów. Są one
nazywane makrocząsteczkami. Najczęściej są to polimery, czyli związki zbudowane z mniejszych
takich samych chemicznie cząsteczek nazywanych monomerami lub merami. Naturalnymi polimerami
są, kauczuk naturalny, celuloza, skrobia, białka (tworzone przez aminokwasy), czy bardzo specyficzne
polimery jakimi są kwasy nukleinowe: DNA oraz RNA (Ville i inni). W środowisku naturalnym
występują już także polimery wytworzone przez człowieka, czyli polimery syntetyczne np.: polietylen
(PE), polipropylen (PP), polistyren (PS), politeraftalan etylu (PET), polichlorek winylu (PCW),
Polimetakrylan metylu (znany także pod nazwą Plexiglasu lub szkła organicznego), kauczuki
syntetyczne oraz wiele innych.
Tablica 3.5. Wybrane grupy związków organicznych istotnych dla procesów metabolicznych.
Grupa Pierwiastki Opis Podstawowa rola
składowe
Węglowodany C, H, O C : H : O = 1 : 2 : 1 Magazyn energii składnik innych
Występują w postaci związków: np. kwasów
cukrów prostych (np. nukleinowych, składnik strukturalny
ryboza, pentoza, glukoza, ścian komórkowych.
fruktoza), disacharydów
(np. sacharoza, maltoza),
polisacharydów (np.
glikogen, celuloza).
Lipidy C, H, O Występują w postaci Najbardziej ekonomiczna forma
tłuszczów obojętnych magazynowania energii, paliwo
(właściwych), fosfolipidów, komórkowe, zapewniają izolację
sterydów, kartenoidów, termiczną organizmów, składniki
wosków. strukturalne komórek i błon
plazmatycznych, barwniki roślinne
niektóre są hormonami, tworzą
cholesterol, witaminy lub z
ródła
witamin (D, A).
Białka C, H, O, N i Tworzone z aminokwasów. Służą jako enzymy, elementy
na ogół S strukturalne.
Kwasy nukleinowe C, H, O, N, DNA, RNA. Przechowywanie, przekazywanie i
P ekspresja informacji (genetycznej) w
procesach życiowych.
Wodór
Symbol H, (hydrogenium), liczba atomowa. 1, masa atomowa 1,00794; posiada 3 izotopy: wodór
1 2 3
lekki H ; deuter H oraz tryt H . Jest gazem. bezwonnym, bezbarwnym, słabo rozpuszczalnym w
1 1 1
wodzie. Powstawanie wodoru zauważył już szesnastowieczny chemik (alchemik) Paracelsus, ale
dopiero Cavendish w 1766 roku wyizolował wodór, zbadał i określił jego niektóre właściwości;
dopiero jednak Lavoisier stwierdził, że jest on składnikiem wody.
We wszechświecie wodór jest najbardziej rozpowszechnionym pierwiastkiem. (drugim pod
względem rozpowszechnienia w Kosmosie jest hel). Chociaż na Ziemi wodór należy do pierwiastków
także o największym rozpowszechnieniu, jego zawartość procentowa wśród innych pierwiastków jest
4
wielokrotnie mniejsza niż we Wszechświecie. Jego zawartość we wszystkich sferach wynosi H"0,87%
mas. (w skorupie ziemskiej  0,22% mas., w oceanach i wodach słodkich)  11% mas., w atmosferze
(jako wolny H2)  0,5 ppm). Praktycznie, wodór na Ziemi występuje prawie wyłącznie w związkach.
W stanie wolnym w śladowych ilościach pojawia się w gazach wulkanicznych i gazie ziemnym.
Większość wodoru niezbędnego do tworzenia materii organicznej dostarcza woda. Ponadto związany
jest on w materii organicznej oraz głównie w paliwach kopalnych (węglu kamiennym i brunatnym,
ropie naftowej oraz gazie ziemnym). Innymi bardzo istotnymi związkami biorącymi udział w obiegu
wodoru jest amoniak i jego pochodne w tym szczególnie jon amoniowy (amonowy). Jon amoniowy
+
( NH ) jest także niezwykle istotny w obiegu azotu, ponieważ stanowi jedną z najłatwiej
4
przyswajalnych form azotu przez organizmy żywe.
Technicznie, wodór otrzymywany jest w wyniku reakcji konwersji pary wodnej z węglowodorami
Tak wytwarzane jest 80% wodoru na świecie. Najczęściej jest to reakcja pary wodnej z paliwem
stałym (np. koksem), lub metanem, biegnąca w temperaturze 1000�1000�C w wyniku, czego
otrzymuje się gaz wodny: mieszaninę tlenku węgla (40%), wodoru (ok. 50%) oraz innych gazów:
ditlenku węgla, węglowodorów i azotu. Reakcje te można zapisać równaniami:
�ł
CH + H O(g ) �ł CO( g ) + 3 H (3.1)
�!
�ł�ł
4( g ) 2 2(g )
�ł
CO( g ) + H O(g ) �ł CO2(g ) + H (3.2)
�!
�ł�ł
2 2(g )
�ł
C(s) + H O( g ) �ł CO( g ) + H (3.3)
�!
�ł�ł
2 2( g )
Obecnie wodór zużywany jest w 60% do produkcji amoniaku (głównie w celu produkcji
nawozów sztucznych) w syntezie Habera, w 23% do procesów hydrokrakingu, uwodorniania i
odsiarczania paliw w przemyśle petrochemicznym, w 8% do uwodorniania tłuszczów nienasyconych
w przemyśle spożywczym oraz jako gaz redukcyjny w metalurgii. Energetyczne znaczenie wodoru
objawia się jedynie w procesach petrochemicznych, w syntezie metanolu (jako szeroko pojętego
surowca energetycznego) z gazu syntezowego (CO+H2), oraz syntezie Fischera-Tropscha (produkcji
paliw płynnych także z gazu syntezowego). Ocenia się jednak, że znaczenie wodoru będzie rosło i w
niedługim czasie 80% wodoru będzie zużywane do celów energetycznych. Nadzieję budzi
zastosowania w przyszłości wodoru jako tzw. czystego paliwa, np. w ogniwach paliwowych, co
będzie miało znacznie dla poprawy stanu środowiska naturalnego.
Fosfor
Symbol P, (phosphorus) liczba atomowa 15, masa atomowa 30,9738; niemetal; tworzy odmiany
alotropowe: fosfor biały, fosfor czerwony, fosfor fioletowy, fosfor czarny, zw. metalicznym.
Otrzymany w 1669 roku przez Brandt.
Jest jednym z bardziej pospolitych pierwiastków występujących w przyrodzie. W skorupie
ziemskiej jest go około 0,12%. Jedyną stabilną mineralną formą fosforu są fosforany. Jest to główna
forma występowania fosforu w przyrodzie. Podstawowymi minerałami są: apatyty
3Ca3(PO4)2�"Ca(F,Cl)2 oraz fosforyt Ca3(PO4)2. Pokłady apatytów stanowią naturalne z
ródło nawozów
mineralnych. Jest to praktycznie jedyne z
ródło fosforu umożliwiające jego asymilację przez
organizmy żywe i uzyskania organicznych związków fosforu takich jak DNA, RNA, ATP, białka.
Występuje także w muszlach, kościach, zębach w postaci apatytu węglanowego 3Ca3PO4�"CaCO3�"H2O)
lub apatytu hydroksylowego 3Ca3(PO4)2�"Ca(OH)2. Fosfor związany organicznie stanowi, więc ważny
składnik organizmów żywych.
Cykl biogeochemiczny
Cykl biogeochemiczny opisuje drogę pierwiastka w trakcie jego przemian we wszystkich
procesach geologicznych, fizycznych, chemicznych i biochemicznych uwzględniając wszystkie formy
i stany, w jakich występuje w atmosferze, hydrosferze oraz litosferze. Szczególnie ważne są procesy i
reakcje, dzięki którym pierwiastki są pobierane, asymilowane a następnie wydzielane przez organizmy
żywe a także czas, przez jaki one przebywają w biosferze i uczestniczą w tych procesach. Opis takiego
cyklu pierwiastka wymaga dokładnej znajomości i zrozumienia własności związków zawierających
pierwiastek oraz praw rządzących opisywanymi procesami fizykochemicznymi, biochemicznymi i
5
geologicznymi. Wymaga umiejętności opisania równowagi termodynamicznej (fazowej i chemicznej),
kinetyki procesu, bilansu procesu. Opisywanie i analizowanie biologicznych przemian węgla, azotu i
siarki wymaga badania aktywność mikroorganizmów (wszechobecnych we wszystkich sferach),
przede wszystkim, dlatego że odpowiadają za większość procesów biochemicznych zawartych w
globalnych cyklach biogeochemicznych.
Najpierwotniejszymi i najbardziej podstawowymi potrzebami życiowymi każdej komórki lub
ustroju jest akumulacja energii oraz asymilacja, czyli przyswajanie z otoczenia związków
chemicznych i pierwiastków, koniecznych do odtwarzania strukturalnych i funkcjonalnych
składników, które zużywają się w procesach metabolicznych. Procesy asymilacji, związane są z
procesami dysymilacji, czyli procesami wydalania produktów metabolizmu w taki sposób, ażeby
zachować stan równowagi dynamicznej.
W przeciwieństwie do obiegu pierwiastków, przepływ energii w ekosystemach nie jest cykliczny,
ponieważ ani ekosystemy ani organizmy nie są zdolne do utrzymywania zamkniętego jej obiegu.
Podczas każdej przemiany energetycznej część energii ulega rozproszeniu.
Zdolności do akumulacji energii i asymilacji nie są jednakowe dla wszystkich organizmów. Jedne
mogą czerpać energię i materię wyłącznie z rozkładu związków organicznych inne mogą
wykorzystywać energię pochodzenia nieorganicznego. Z sześciu podstawowych pierwiastków jedynie
wodór, tlen i fosfor mogą być przyswajane w postaci prostych nieorganicznych związków, takich jak
woda, fosforany oraz tlen atmosferyczny. Pozostałe: siarka, azot i węgiel mogą być asymilowane ze
związków nieorganicznych jedynie przez niektóre organizmy. W związku z tym można dokonać
jednego z podziałów organizmów żywych na dwa główne typy:
Organizmy autotroficzne (producenci). Należą do nich rośliny, glony i niektóre bakterie. Ich
Metabolizm pozwala im przyswajać węgiel nieorganiczny (dwutlenek węgla lub rozpuszczone jony
węglanowe) a z
ródłem energii do syntezy organicznych związków węgla jest:
a) Światło  mówi się wtedy o organizmach fototroficznych (fotosyntetyzujące).
b) Reakcje chemiczne (reakcje redoks)  mówi się o organizmach chemotroficzych
(chemosyntetyzujących).
Organizmy heterotroficzne (konsumenci  cudzożywne). Należą do nich np. wszystkie zwierzęta
(w tym człowiek), które nie potrafią przyswajać węgla nieorganicznego i do podtrzymywania swoich
procesów życiowych, oraz do budowy swoich organizmów wykorzystują materię organiczną
wyprodukowane przez inne organizmy żywe  autotroficzne, heterotroficzne oraz reducentów).
Częścią świata heterotrofów są reducenci (destruenci). Należą do nich grzyby oraz większość bakterii.
Środki do życia zdobywają, rozkładając odpady organiczne i obumarłą materię organiczną, uwalniając
do środowiska składniki zawarte w resztkach, umożliwiając w ten sposób ponowne ich wykorzystanie
przez inne organizmy.
Zachodząca pomiędzy producentami oraz konsumentami wymiana gazowa w środowisku
nieożywionym i za jego pośrednictwem powoduje utrzymanie w całym ekosystemie stanu równowagi
wyrażającej się między innymi poprzez zachowanie stałości składu atmosfery sprzyjającemu życiu.
Należy bardzo mocno podkreślić, że obie grupy organizmów są niezbędne do utrzymania tego
stanu równowagi. Należy jedynie starać się, ażeby jeden z uczestników (w tym przypadku człowiek)
tej swoistej  gry , swoją  zachłannością; nie spowodował trwałego naruszenia tej wytworzonej
równowagi.
Biogeochemiczny cykl węgla
Niech na początku niech zostaną podkreślone i przypomniane pewne podstawowe fakty:
1. � węgla występującego w zewnętrznych warstwach Ziemi występuje w postaci
nieorganicznej.
2. Całkowita ilość biomasy w oceanach jest 200 razy mniejsza niż na powierzchni lądów
stałych.
3. Głównym z
ródłem tlenu w oceanach jest węgiel nieorganiczny. Jest to związane z
rozpuszczaniem ditlenku węgla w wodzie.
4. Podstawowymi procesami w obiegu węgla są: proces fotosyntezy i proces
spalania/oddychania). Obieg węgla jest nierozerwalnie związany na Ziemi z obiegiem
węgla  głównie poprzez procesy fotosyntezy oraz spalania (oddychania). Dlatego też obieg
6
tlenu nie będzie odrębnie omawiany a przemiany te w wystarczającym stopniu, dla tego
podręcznika są omówione w tej części rozdziału.
Rysunek 3.1. Globalny obieg węgla w przyrodzie.
Rysunek 3.1 przedstawia obieg węgla. Liczby w owalach oznaczają ilości węgla zmagazynowane
w poszczególnych sferach; liczby przy strzałkach odpowiadają wielkości rocznych strumieni w
przeliczeniu na pierwiastek. Rysunek przedstawia z konieczności bardzo przybliżony bilans masowy
obiegu pierwiastków, w formie graficznej.
Procesy przyswajania węgla mogą przebiegać warunkach:
a) Tlenowych  w reakcji fotosyntezy:
n CO2 + n H �łUV
�ł {CH O} (3.4)
2 2
n
b) Beztlenowych, np. w reakcji chemosyntezy:
n CO2 + n H S �ł {CH O} + n S (3.5)
�ł
2 2
n
Główna uwaga w rozważaniach, tego rozdziału, zostanie skoncentrowana przede
wszystkim na procesie fotosyntezy. Jej znaczenie jest wielostronne. Jest ona:
- z
ródłem tlenu cząsteczkowego  ditlenu, który jest niezbędny dla procesów
życiowych większości organizmów żywych na Ziemi, w tym organizmów wyższych,
- przemianą, w której syntetyzowane są 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 to będzie proces spalania paliw kopalnych czy oddychanie
komórkowe.
Fotosynteza jest procesem endotermicznym  energia dostarczana jest w formie kwantów
energii promieniowania (słonecznego). Oddychanie jest procesem egzotermicznym  energia
jest w nim wydzielana. Schematyczny obraz związku procesu fotosyntezy (tlenowej) z
oddychaniem (tlenowym) przedstawia równanie:
�ł
�ł
n CO2 + n H {CH O} + n O2 ą energia (8.6)
2 �! 2
�ł�ł n
Szczegółowe mechanizmy procesu fotosyntezy a także oddychania są bardziej złożone niż
przedstawiony schemat reakcji fotosyntezy i nie będą tutaj omawiane. Są to procesy wieloetapowe o
skomplikowanym mechanizmie z udziałem różnych związków chemicznych, z których najważniejsze
to: barwniki asymilujące światło (np. chlorofil), ATP (adenozynotrójfosforan), ADP
7
(adenozynodifosforan), koenzymy: NAD+, NADH+H+, NADP+, acetylokoenzym A (acetylo-CoA),
pochodne kwasów organicznych oraz wiele innych związków. Reakcje są procesami oksydacyjno
redukcyjnymi (typu redoks). Pewne ogólne podsumowanie reakcji fotosyntezy zawarte jest w tabeli
3.6. Uwypukla one rolę niektórych przemian cząstkowych i substratów, w tym energii słonecznej.
Tablica 3.6. Zestawienie wybranych przemian dla procesu fotosyntezy.
Najważniejsze
Substraty i inne niezbędne
reakcja Opis przemiany produkty
czynniki
przemiany
I. zależne od Energia niesiona przez kwanty światłoa
światła słonecznego powoduje rozkład wody,
wyprodukowanie ATP (adezynotrifosforanu) i
redukcji koenzymu NADP+.
a) reakcje Wzbudzenie chlorofilu, przekazanie Kwant światła, barwnik np. Elektrony
fotochemiczne wzbudzonego elektronu. chlorofil.
b)transport Przenoszenie elektronu do akceptorów w Elektrony, koenzymu NADP+, NADPH+H+, O2
elektronów chloroplastach, rozkład wody. Powstawanie woda, akceptory elektronów.
gradientu H+w błonie chloroplastu ATP
c) chemiosmoza Przemieszczanie się H+ w chloroplaście, Gradient stężenia H+, ADP
powstawanie ATP w wyniku uwalniania się (adezynodiifosforan).
energii w tym procesie.
II. niezależne od Asymilacja węgla, synteza cukrów prostych. CO2, ATP, enzymy, Węglowodany,
światła rybulozo-bis-fosforan ADP
Równanie, które jest zwykle pisane jako przykładowe dla procesu oddychania tlenowego:
C6H12O6 + 6O2 �ł 6 H O + 6CO2 + energia (ATP) (3.7)
�ł
2
oddaje także tylko w pewnej mierze sumaryczny jej przebieg; sam proces można podzielić na 4 etapy:
a) Glikolizę - proces przemiany glukozy w cząsteczki pirogronianu z wytworzeniem
(CH3COCOOH  kwas pirogronowy) z wytworzeniem min. ATP jako nośnika energii.
Ogólny schemat glikolizy można przybliżyć równaniem
D-glukoza + 2HPO4 2- + 2ADP- + 2NAD 2CH3CH(OH)COO- + 2 H2O + 2ATP + 2NADH + 2H+
b) Tworzenie Aceytlo-CoA  w którym uwalniany jest ditlenek węgla.
c) Cykl kwasu cytrynowego  także z uwalnianiem CO2.
d) Transport elektronów i chemiosmozę.
Powyższe procesy nie będą omawiane tutaj.
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 związany jest także proces mikrobiologicznego jego utleniania). 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. W fermentacji taką rolę pełnią związki organiczne (a nie związek nieorganiczny). Procesy
fermentacji są także bardzo skomplikowane i wieloetapowe (pierwszy etap także stanowi glikoliza). Nie
będą także bliżej opisane. Ogólny schemat fermentacji (etanolowej) można natomiast przybliżyć
równaniem:
C6H12O6 + 2ADP + fosforan nieorganiczny 2C2H5OH + 2CO2 + 2ATP (3.9)
W warunkach beztlenowych może zachodzić, z udziałem bakterii metanogennych, fermentacja
metanowa. Procesy takie zachodzą min. w nie natlenionych wodach stojących, bagnach, wodach
bagiennych, ściekach. Procesy mogą być także wykorzystywane do utylizacji osadów ściekowych w
celu odzyskanie części energii (w postaci metanu). Proces może przebiegać wg dwóch schematów:
8
a) w przypadku braku z
ródła elektronów następuje rozkład różnych związków organicznych np.
kwasów alifatycznych lub alkoholi, tłuszczy. Powstające produkty gazowe stanowią mieszaninę
różnych związków, w których może być także wodór (powstający w towarzyszących procesach): Dla
kwasu octowego reakcja fermentacji może być zapisana w najprostszy sposób równaniem (dla tzw.
fermentacji kwaśnej):
CH3COOH �ł CH + CO2 (3.10)
�ł
4
b) W przypadku istnienia z
ródła elektronów w środowisku w postaci wodoru następuje redukcja
ditlenku węgla z wytworzeniem metanu i wody.
CO2 + 4 H �ł CH + 2 H O (3.11)
�ł
2 4 2
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). Do tych ostatnich należą również
procesy rozpuszczania ditlenku węgla w wodach oceanów i wód śródlądowych oraz procesy
rozpuszczania skał wapiennych (węglanów) w wodzie. Ich fizykochemia została pokazana w rozdziale
4, przy omawianiu równowagi fazowej i chemicznej.
Istotny wkład w obieg węgla wnoszą również procesy związane z działalnością człowieka:
procesy eksploatacji paliw kopalnych i ich spalanie w celach energetycznych. Także wykorzystanie
biomasy jako surowca energetycznego. Istnieje jednak pewna różnica w wykorzystaniu biomasy oraz
paliw kopalnych i wpływu ich spalania na środowisko naturalne obecnie. 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 w tych celach
rośliny a nawet spalenie odpadów organicznych (trocin, kory, osadów ściekowych), powoduje oddanie
środowisku ditlenku węgla zasymilowanego rok, dwa lata a w najgorszym razie kilkadziesiąt lat
wcześniej. Można więc mówić w takim przypadku o  zerowej emisji CO2. Dokonuje się, bowiem
jedynie obieg węgla w krótkim lub bardzo krótkim horyzoncie czasowym: CO2  asymilacja 
spalenie  CO2.
Biogeochemiczny cykl azotu
Uważa się, że drugim, co do ważności cyklem pierwiastkowym jest obieg azotu. Azot
atmosferyczny, który stanowi 78 % objętości atmosfery ziemskiej występuje, jak już wspomniano, w
postaci cząsteczki dwuatomowej, która charakteryzuje się niską reaktywnością. Wynika to z trwałości
potrójnego wiązania Na"N. Do jego rozerwania potrzeba 950 kJ/ mol.
Rysunek 3.2 Globalny obieg azotu w środowisku.
Globalny obieg azotu pokazano na rysunku 3.2, który także jest pewnym przybliżonym bilansem
masowym azotu w przyrodzie, bardzo przybliżonym.
9
Obieg azotu jest zdominowany przez reakcje biegnące z udziałem mikroorganizmów. Ogólny
zarys mikrobiologicznych procesów przemian azotu pokazany jest z kolei na rysunku 3.3.
Rysunek 3.3. Mikrobiologiczny obieg azotu
Obieg azotu, może być pokazany także w innej postaci graficznej, uwzględniającej stopień
utlenienia azotu oraz trwałości związku, w którym azot występuje w przyrodzie (Rysunek 3.4).
Rysunek 3.4. Przemiany związków azotu z pokazaniem stopnia jego utlenienia.
Poniżej przedstawiono wybrane, najważniejszych reakcje z mikrobiologicznego obiegu azotu.
Wiązanie azotu
Reakcja wiązania azotu jest niekorzystna energetycznie, gdyż wymaga dostarczenia energii.
Ponadto jest to reakcja ze zmianą stopnia utlenienia azotu z  0 na  -3 a więc jest to połówkowa
reakcja redukcji, która wymaga drugiej reakcji  reakcji utleniania, w której elektrony są dostarczane.
Taką reakcją jest utlenianie węglowodanów do ditlenku węgla. Równania obu reakcji można zapisać
w postaci uproszczonej w następujący sposób:
+
CH O + 5 H O �ł CO2 + 4 H3 O + 4 e "G = - 47 kJ (mol e) �" 3 (3.12)
�ł
2 2
+ +
N2 + 8 H O + 6 e �ł 2 NH + 8 H O "G = 27 kJ (mol e) �" 2 (3.13)
�ł
3 4 2
co daje sumaryczne równanie reakcji:
+ +
3CH O + 2 N2 + 4 H3 O �ł 3CO2 + 4 NH + H O "G = - 87kJ /(mol e) (8.14)
�ł
2 4 2
W wyniku powiązań między obiegami w tym przypadku obiegiem węgla i azotu możliwy jest
przebieg niekorzystnych energetycznie reakcji połówkowych.
10
Ponad 100 lat temu w rozwoju rolnictwa pojawiła się bariera nawozowa - okazało się, że ilość wiązanego azotu w
procesach naturalnych jest zbyt mała ażeby można było tradycyjnymi metodami (nawet z wykorzystaniem naturalnych
pokładów nawozów mineralnych) zwiększyć plony upraw. Intensywne prace badawcze doprowadziły do tego, że
opracowano proces syntetycznego wytwarzania amoniaku a więc i nawozów sztucznych (mocznika (NH ) CO z azotu
2 2
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 około 80�"106Mg/rok tego produktu. Ilość
azotu wiązanego przez mikroorganizmy na Ziemi wynosi 50�150�106Mg/rok (w pod normalnym ciśnieniem i w niskiej
temperaturze). Ilości azotu wiązanego przez mikroorganizmy i nawozów sztucznych w przeliczeniu na amoniak są
porównywalne. W ogólny obieg azotu na Ziemi prawie od stu lat wchodzi już więc także proces syntezy Habera, który jest
dziełem człowieka Synteza przemysłowa jest bardzo energochłonna. Proces realizowany był początkowo w temperaturze
500�550�C i ciśnieniu 30�35MPa w obecności katalizatora niklowego. Obecnie w wynku postępu w technologii te
drastyczne warunki zostały złagodzone. Synteza opisywana jest sumarycznie prostym równaniem reakcji
�ł
�ł
N2 + 3 H 2 NH3 + 94,1kJ / mol (3.15)
�!
�ł�ł
2
Proces wiązania azotu (przebudowy azotu atmosferycznego w jony amonowe a następnie jony azotanowe) jest
niedostępny dla większości organizmów w tym dla roślin zielonych (i glonów). Dla roślin z
ródłem azotu mogą być jedynie
mineralne sole azotu rozpuszczone w wodzie. Proces chemicznego wiązania azotu przebiega w procesach przemysłowych,
o czym byłą mowa w ramce 8.2 oraz podczas wyładowań atmosferycznych (możliwe jest wtedy dostarczanie dużej energii
umożliwiającej rozbicie wiązania w cząsteczce azotu Na"N. Przebiega także w łagodnych warunkach w procesach
biologicznych, które biegną 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 Na"N używany jest enzym nazwany nitrogenazą. Nitrogenaza może być
aktywna jedynie w warunkach beztlenowych, co określa warunki, w których się to odbywa. Równania reakcji (3.13) oraz
(3.14) określają sumaryczny przebieg procesu wiązania 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. Na przykład w reakcji:
+
�ł
�ł
2CH3NHCOOH + 3O2 + 2 H3O+ �! 2 NH + 4CO2 + 4 H O (3.16)
�ł�ł
4 2
Nitryfikacja
Proces nitryfikacji jest to proces 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 one tam niezbędne, ponieważ azot występujący w tej formie jest łatwo
przyswajany przez rośliny. Jony amonowe znajdują się w glebie jako produkt procesu amonifikacji
oraz są także dostarczane z nawozami (w tym mineralnymi). Reakcja przebiega dwustopniowo
zgodnie z równaniami z udziałem bakterii tlenowych z rodzaju Nitrosomonas i Nitrococcus w
pierwszym etapie oraz z rodzaju Nitrobacter w drugim etapie.
+ - +
�ł
�ł
2 NH + 3O2 + 2 H O 2 NO2 + 4H O Nitrosomon as (3.17)
�!
�ł�ł
4 2 3
- -
�ł
�ł
2 NO2 + O2 2 NO3 Nitrobacter (3.18))
�!
�ł�ł
Reakcje ta przebiegają także w procesach oczyszczania ścieków zarówno w warunkach
naturalnych jak i w biologicznych oczyszczalniach ścieków.
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. Denitryfikacja jest
jednym z etapów realizowanych w procesie biologicznego oczyszczania ścieków. Sumaryczna reakcja
może być zapisana równaniem:
-
5CH O + 4 NO3 �ł 2 N2 + 5CO2 + 7 H O (3.19)
�ł
2 2
Podsumowując część rozdziału dotyczącą mikrobiologicznego obiegu azotu należy podkreślić, że
zaangażowane są w nim cztery grupy bakterii biorących udział w: (1) wiązaniu azotu  przemianie
azotu nieorganicznego w organiczny, (2) amonifikacji  czyli rozkładzie związków organicznych
11
azotu, (3) nitryfikacji  przemianie azotu amonowego w azotanowy, (4) denitryfikacji  redukcji
azotanów z powrotem do azotu atmosferycznego (nieorganicznego).
W całkowitym obiegu azotu oprócz procesów biologicznych zachodzą inne procesy: chemiczne,
fizyczne i geologiczne (np. procesy rozpuszczania, i osadzania się skał osadowych), erozji gleby i skał
oraz wiele innych. Istotną rolę odgrywają reakcje dotyczące przemian tlenków azotu i ich
powstawania zachodzące w górnych warstwach atmosfery  w tym szczególnie reakcje fotochemiczne
(także z udziałem tlenu (O2 oraz O3). Reakcje te omawiane są w innych rozdziałach książki.
Istotny wkład w obieg azotu ma współczesny człowiek. Wkład ten wnoszony jest na wiele
sposobów, z których najważniejsze odbywają się poprzez:
1) Produkcję nawozów azotowych w wyniku stosowania syntezy Habera (ramka 3.2).
Szacowana ilość związanego azotu w procesie przemysłowym jest równoważna ilości azotu
wiązanego w środowisku naturalnym przez mikroorganizmy. Produkcja ta daje także emisję
tlenków azotu.
2) 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.
3) Spalanie ropy naftowej (benzyn) silnikach spalinowych pojazdów mechanicznych (z
ródło
tlenków azotu takie samo jak przy spalaniu paliw w energetyce).
Wymienione procesy geologiczne i fizykochemiczne, w tym także związane z działalnością człowieka
zostały uwzględnione na rysunku 3.2.
Biogeochemiczny cykl siarki
Rys.3.5. Globalny obieg siarki w środowisku naturalnym.
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. Istnieje znaczne podobieństwo
między obiegiem siarki i azotu. Objawia się ono w kilku aspektach. Reakcje z udziałem siarki mają
także charakter procesów redukcyjno-oksydacyjnych. Siarka na różnych etapach występuje na wielu
stopniach utlenienia. Zarówno siarka jak i azot w związkach organicznych dążą do występowania w
swojej najbardziej zredukowanej postaci (azot na 3 stopniu utlenienia  w grupach aminowych  NH2
a siarka na  2 stopniu utlenienia  w grupach  SH) W obu przypadkach istotną rolę odgrywają
procesy biologiczne z udziałem mikroorganizmów.
12
Najważniejsze strumienie dla obiegu biogeochemicznego siarki przedstawiono na rysunku. 3.5,
który jest również graficznym obrazem bilansu masowego siarki w środowisku naturalnym.
Dwa przykłady procesów i reakcji związanych z mikrobiologicznym obiegiem siarki podane są
poniżej.
Rozkład materii organicznej
W trakcie rozkładu związków organicznych siarka ulga uwolnieniu w postaci siarkowodoru (z
powierzchni lądów) bądz
siarczku dwumetylu (w przypadku procesów przebiegających w wodach
morskich). Możliwe jest także wytwarzanie siarki pierwiastkowej przez niektóre mikroorganizmy
występujące na bagnach
Schemat przykładowej reakcji rozkładu aminokwasu może być przedstawiona równaniem:
- +
NH COOH - CH CH - SH + H O �łenzymy CH3CO - COOH + HS + NH (3.20)
�ł�ł
2 2 2 2 4
Redukcja siarczanów
Redukcja siarki może przebiegać w różny sposób, także przy udziale mikroorganizmów. Może
przebiegać przy niskim pH do siarkowodoru (jonów HS-) lub do siarki w stanie wolnym przy
wyższym pH (powyżej 5,5). Zamiast do siarkowodoru lub HS- redukcja może przebiegać również do
siarczku dimetylu. Reakcja połówkowa redukcji siarczanów jest energetycznie niekorzystna, dlatego
mikroorganizmy łącza ją z reakcją utleniania węglowodanów. Sumaryczne reakcje redukcji
siarczanów mogą być przedstawione równaniami:
2- + mikrorgani -
SO4 + 2{CH O} + H �ł�ł�ł�łzmy HS + 2CO2 + 2 H O (3.21)
�ł
2 2
2- + mikrorgani
2 SO4 + 3{CH O} + 4 H �ł�ł�ł�łzmy 2 S + 3CO2 + 5 H O (3.22)
�ł
2 2
Rysunek 3.6. Obieg siarki z pokazaniem zmiany stopnia utlenienia siarki.
Obieg siarki został znacznie zintensyfikowany szczególnie przy powierzchni Ziemi wskutek
działalności człowieka w ciągu ostatnich 100�150 lat. Wynika to z bardzo dużego rozwoju przemysłu
wydobywczego, hutniczego wzrostu ilości spalanych paliw, co spowodowało wzrost ilości emitowanej
siarki w postaci dwutlenku siarki. W ciągu ostatnich lat człowiek jednak podjął także działania
zapobiegawcze budując instalacje odsiarczania. Należy zwrócić uwagę, że w wyniku działalności
13
człowieka następuje wzrost stopnia utlenienia siarki, podczas gdy siarka uczestnicząca w naturalnych
procesach w większości występuje w postaci zredukowanej. Na rysunku 3.6 pokazano reakcje
przebiegające z udziałem siarki w odniesieniu do stopnia utlenienia oraz z wyróżnieniem tych reakcji,
które przebiegają z udziałem mikroorganizmów.
W latach siedemdziesiątych XX wieku, emisja ditlenku siarki ze z
ródeł antropogenicznych była
trzykrotnie większa niż ze z
ródeł naturalnych. Problemy związane z niekorzystnym oddziaływaniem
SO2 na organizmy żywe oraz materię nieożywioną a także podjęte działania i opracowane technologie
zmniejszające wielkość emisji związków siarki ze z
ródeł przemysłowych poruszane są w innych
rozdziałach książki. Dlatego reakcje i procesy z udziałem ditlenku siarki nie są omawiane w tym
rozdziale, chociaż wnoszą duży udział w obieg siarki na Ziemi.
Obieg fosforu
Rozpuszczalność związków fosforu występujących naturalnie, jest mała bądz
bardzo mała.
Dlatego cykl geochemiczny obiegu fosforu jest w porównaniu z rozważanymi poprzednio inny a
strumienie wielokrotnie mniejsze. Geochemiczne strumienie przemieszczania się tego pierwiastka
związane są głównie z transportem stałych zawiesin i osadów w wodach oceanów i wodach
powierzchniowych oraz pyłów w atmosferze. W postaci jonów fosforanowych wypłukiwany jest z
powierzchni lądowej do wód. Fosfor dosyć łatwo wypada ze swojego obiegu właśnie z powodu słabej
rozpuszczalności jego związków w wodzie.
Rysunek 3.7. daje obraz cyklu obiegu fosforu na kuli ziemskiej. W olbrzymiej większości
przypadków 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 wspominany ATP a także przekazujących informację
genetyczną ja kwasy DNA i RNA. Wynika z tego, że jest on niezbędny dla życia i prawidłowego
rozwoju wszystkich organizmów. Dlatego może być pewnym wskaz
nikiem lub miarą żyzności
ekosystemu. Często także takim wskaz
nikiem jest stosunek do siebie węgla azotu i fosforu C:N:P.
Rysunek 3.7. Globalny obieg fosforu.
Człowiek wnosi także w obieg fosforu swój istotny wkład, podobnie jak przypadku innych
omawianych pierwiastków. Dzieje się to na kilka sposobów, z których dwa są najważniejsze: poprzez
produkcję nawozów sztucznych (fosforanowych) oraz poprzez produkcję środków piorących, w skład
5-
których wchodzą związki fosforu. Właśnie polifosforany (takie jak np. jon trifosforanowy P3O10 )
dodawane do detergentów (z zadaniem wiązania jonów magnezowych Mg2+ oraz wapniowych Ca2+).
Charakteryzują się one zwiększoną rozpuszczalnością i dlatego są odpowiedzialne za zwiększenie
stężenia fosforu w wodach powierzchniowych. Usunięcie ich w procesie oczyszczania ścieków
komunalnych nie jest sprawą prostą i tanią. Wzbogacenie z kolei wód powierzchniowych w substancje
pokarmowe (eutrofizacja), w sposób sztuczny poprzez wprowadzenie do nich nie oczyszczonych
14
ścieków lub oczyszczonych w niedostatecznym stopniu powoduje gwałtowny rozwój glonów (wzrost
ich biomasy)  czyli tzw. zakwity wód obserwowane w postaci zmiany barwy wody na zieloną.
Podsumowanie
Rysunek 3.8. Występujące powiązania między obiegami węgla, azotu i siarki \\
Wszystkie cykle pierwiastków są ze sobą powiązane i żaden nie może być realizowany bez
udziału reakcji z obiegu pozostałych. Na rysunku 3.8 pokazano strukturalne powiązanie obiegów
pierwiastków poprzez zachodzące reakcje. Zwraca uwagę centralne miejsce procesu fotosyntezy oraz
związków organicznych.
W rozdziale przedstawiono podstawowe problemy związane z obiegiem najważniejszych dla
życia na Ziemi pierwiastków. Szczególną uwagę przywiązano do węgla, azotu, siarki i fosforu. Obiegi
tlenu i wodoru są związane z nimi nierozerwalnie, dlatego nie omawiano ich oddzielnie. Obieg
wodoru jest związany ściśle także z obiegiem wody, a problemy związanym z udziałem wody w
procesach naturalnych i przemysłowych omawiane są w rozdziale dotyczącym procesom i zjawiskom
występującym w hydrosferze.
Szczególną uwagę przywiązano do udziału organizmów żywych w obiegu pierwiastków i ich
asymilacji ze związków nieorganicznych w materię organiczną. Podkreślono szczególnie rolę
fotosyntezy w trakcie, której absorbowana i magazynowana jest energia słoneczna w wiązaniach
syntetyzowanych związków organicznych oraz produkowany jest tlen.
Wyraz
nie podkreślono fakt, że reakcje związane z obiegiem pierwiastków mają charakter
oksydacyjno-redukcyjny, część jest egzotermiczna a część endotermiczna i dlatego musi istnieć ścisły
związek między obiegami wszystkich pierwiastków.
Pokazano także wpływ działalności człowieka na naturalne cykle wytworzone w trakcie rozwoju
biogeochemicznego Ziemi uwzględniając jednocześnie fakty świadczące o tym, że zmienność
przyrody na naszym globie jest oczywistym zjawiskiem.
15