OCHRONA ÅšRODOWISKA
LEKCJA 3
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
PIERWIASTKI NA ZIEMI
Na Ziemi wszystko jest zbudowane:
z atomów
pierwiastków
i cząsteczek związków chemicznych
tworzonych z pierwiastków.
Katedra Termodynamiki
2
PIERWIASTKI NA ZIEMI
Zachodzące w środowisku procesy
metaboliczne i towarzyszÄ…ce im
przemiany fizyczne,
chemiczne
i procesy geologiczne
przebiegają z udziałem pierwiastków.
Pierwiastki dzięki tym procesom krążą w
środowisku.
Katedra Termodynamiki
3
PIERWIASTKI NA ZIEMI
" Materia wszechświata jest złożona z 92
naturalnie występujących pierwiastków
dotychczas odkrytych (w laboratoriach
wytworzono kilkanaście dalszych).
Katedra Termodynamiki
4
pierwiastki na Ziemi
" Do życia na Ziemi najważniejszymi
pierwiastkami sÄ…, jak siÄ™ powszechnie
uważa, węgiel, wodór, azot, tlen, siarka i
fosfor.
Katedra Termodynamiki
5
pierwiastki na Ziemi
" pierwiastki C, H, N, O, S, P sÄ…
podstawowymi składnikami komórek
organizmów żywych począwszy od
jednokomórkowych bakterii, a skończywszy
na ssakach,
Katedra Termodynamiki
6
pierwiastki na Ziemi
" masa ciała ludzkiego w 99,1 procentach
jest utworzona ze związków zawierających
11 pierwiastków.
Katedra Termodynamiki
7
pierwiastki na Ziemi
" Obieg pierwiastków będący następstwem
życia organicznego w kontekście
procesów geologicznych i chemicznych
jest nazywany cyklem lub obiegiem
biogeochemicznym.
" Obiegom mikrobiologicznym i globalnym
obiegom biogeochemicznym towarzyszy
przepływ energii.
Katedra Termodynamiki
8
pierwiastki na Ziemi
" We wszystkich organizmach żywych
zachodzÄ… reakcje chemiczne i przemiany
energetyczne niezbędne do wzrostu i
odnawiania się komórek, którym
towarzyszy wiÄ…zanie energii w formÄ™
biologicznie użyteczną.
Katedra Termodynamiki
9
pierwiastki na Ziemi
" Sumę tych wszystkich procesów chemicznych
przebiegających w organizmach żywych
nazywa siÄ™ metabolizmem lub przemianÄ…
materii.
Katedra Termodynamiki
10
pierwiastki na Ziemi
" Pierwiastki, z których jest zbudowany organizm człowieka
Katedra Termodynamiki
11
pierwiastki na Ziemi
Aby procesy metaboliczne w organizmie żywym
mogły przebiegać w sposób ściśle określony i
aby mógł on rosnąć, rozwijać się, rozmnażać
oraz podtrzymywać ciągłość życia zarówno
osobniczego, jak i gatunkowego, każdy organizm
musi wykazywać zdolność do przekazywania
informacji w obrębie organizmu, między
organizmami i z pokolenia na pokolenie.
Katedra Termodynamiki
12
pierwiastki na Ziemi
" Naturalny cykl biogeochemiczny jest zakłócany
w wyniku działalności człowieka.
" Do tego zjawiska nawiÄ…zuje jedna z definicji
skażenia środowiska:
" Za skażenie uważa się substancję
wyprodukowaną przez człowieka, która
przerywa jeden lub więcej biogeochemicznych
cykli pierwiastków.
Katedra Termodynamiki
13
pierwiastki na Ziemi
" Wybrane
zwiÄ…zki
organiczne i
nieorganiczne
biorące udział w
cyklach
globalnych
Katedra Termodynamiki
14
pierwiastki na Ziemi
" Życie na Ziemi występuje wszędzie:
" pod lodami, w wulkanach, gejzerach,
bardzo stężonych solankach (30%), w
szerokim zakresie pH od 1,5 do 10,0
" w temperaturach od -40 do 130°C.
Katedra Termodynamiki
15
pierwiastki na Ziemi
" Wybrane procesy zwiÄ…zane z obiegiem
pierwiastków w środowisku
Katedra Termodynamiki
16
Krótka charakterystyka węgla
" 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 Ziemi).
" Węgiel jest czternastym pierwiastkiem pod
względem rozpowszechnienia na Ziemi
(0,08%).
Katedra Termodynamiki
17
Krótka charakterystyka węgla
" Większość węgla w biosferze występuje w
postaci skał wapiennych (kalcytu CaCO3),
dolomitów (CaCO3MgCO3), magnezytu
(MgCO3), które zostały wyprodukowane przez
żywe organizmy jako ich szkielety, a także
syderytu (FeCO3)
" oraz ditlenku węgla stanowiącego ok. 0,03%
obj. atmosfery.
Katedra Termodynamiki
18
Krótka charakterystyka węgla
" W skorupie ziemskiej węgiel występuje też
w postaci czystej, jako grafit, diament (w
niewielkich ilościach),
" w węglu kamiennym,
" węglu brunatnym,
" ropie naftowej,
" gazie ziemnym.
Katedra Termodynamiki
19
Krótka charakterystyka węgla
" Około 75% węgla na Ziemi znajduje się w
złożach związków nieorganicznych, a ok.
25% w złożach związków organicznych
(rozproszonych).
" Zawartość węgla w poszczególnych
sferach jest następująca:
" w skorupie ziemskiej - ok. 200 ppm,
" hydrosferze - ok. 30 ppm,
" atmosferze ok. 360 ppm.
Katedra Termodynamiki
20
Krótka charakterystyka węgla
" Wyjątkowa pozycja węgla jest związana z jego
dużą reaktywnością.
" Charakter cząsteczki i jej kształt oraz rodzaj
atomów innych pierwiastków, które tworzą
wiązania z węglem określają jej własności
fizyczne i chemiczne oraz funkcje, które pełni w
procesach metabolicznych (np. przenoszenie
energii lub informacji).
" Obecnie znanych jest ponad 5 milionów
związków organicznych zawierających szkielet
węglowy
Katedra Termodynamiki
21
Krótka charakterystyka węgla
" Związki organiczne, które składają się
wyłącznie z atomów węgla i wodoru są
nazywane węglowodorami.
" Paliwa kopalne, takie jak węgiel kamienny,
węgiel brunatny, ropa naftowa i gaz
ziemny są mieszaninami głównie
węglowodorów.
" Wszystkie one powstały z obumarłych
organizmów, które żyły na Ziemi przed
milionami lat
Katedra Termodynamiki
22
Krótka charakterystyka węgla
" Węglowodory więc nie tylko magazynem całej
gamy związków organicznych służących jako
surowiec w procesach przetwórczych, ale
przede wszystkim magazynem energii
słonecznej, która dotarła do Ziemi w postaci
promieniowania świetlnego i została
przekształcona (dzięki fotosyntezie) w energię
chemiczną (energię wiązań).
Katedra Termodynamiki
23
Krótka charakterystyka węgla
" Wybrane grupy funkcyjne występujące
w zwiÄ…zkach organicznych
Katedra Termodynamiki
24
Krótka charakterystyka węgla
" Bardzo skrótową charakterystykę czterech
podstawowych grup związków organicznych
mających największe znaczenie dla życia i
obiegu mikrobiologicznego pierwiastków
przedstawia tablica 1
Katedra Termodynamiki
25
Krótka charakterystyka węgla
Katedra Termodynamiki
26
Krótka charakterystyka węgla
" Wiele cząsteczek występujących w środowisku
naturalnym składa się z tysięcy atomów. Nazwano je
makrocząsteczkami. Najczęściej są to polimery, czyli
zwiÄ…zki zbudowane z mniejszych takich samych
cząsteczek chemicznych określanych mianem
monomerów lub merów. Naturalnymi polimerami są:
kauczuk naturalny, celuloza, skrobia, białka (tworzone
przez aminokwasy), a także bardzo swoiste polimery
jakimi sÄ… kwasy nukleinowe DNA oraz RNA.
" W środowisku naturalnym występują także polimery
wytworzone przez człowieka, czyli polimery
syntetyczne, np.: polietylen (PE), polipropylen (PP),
polistyren (PS), politetraftalan etylu (PET), polichlorek
winylu (PCW), polimetakrylan metylu (znany także pod
nazwą Pletiglasu lub szkła organicznego), kauczuki
syntetyczne oraz wiele innych.
Katedra Termodynamiki
27
Katedra Termodynamiki
28
Katedra Termodynamiki
29
Katedra Termodynamiki
30
Skład pierwiastkowy wybranych paliw
Katedra Termodynamiki
31
Krótka charakterystyka wodoru
" Symbol H (hydrogenium),
" liczba atomowa 1,
" masa atomowa 1,00794;
" ma 3 izotopy: wodór lekki .
" Jest gazem bezwonnym, bezbarwnym, słabo
rozpuszczalnym w wodzie.
Katedra Termodynamiki
32
Krótka charakterystyka wodoru
" We wszechświecie wodór jest najbardziej
rozpowszechnionym pierwiastkiem (drugim jest
hel).
" Chociaż na Ziemi wodór jest pierwiastkiem
powszechnym, to jego występowanie jest
wielokrotnie mniejsze niż we wszechświecie.
Katedra Termodynamiki
33
Krótka charakterystyka wodoru
" Jego zawartość we wszystkich sferach wynosi
ok. 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
wyłącznie w związkach.
" Większość wodoru niezbędnego do tworzenia
materii organicznej dostarcza woda.
Katedra Termodynamiki
34
Krótka charakterystyka wodoru
" Wodór jest związany w materii organicznej, w
paliwach kopalnych (węglu kamiennym i
brunatnym, ropie naftowej oraz gazie ziemnym).
" Innym bardzo istotnym zwiÄ…zkiem biorÄ…cym
udział w obiegu wodoru jest amoniak i jego
pochodne, w tym szczególnie jon amoniowy.
" Jon amoniowy (NH4+) jest niezwykle istotny w
obiegu azotu, ponieważ stanowi jedną z najłatwiej
przyswajalnych form azotu przez organizmy
żywe.
Katedra Termodynamiki
35
Krótka charakterystyka wodoru
" Technicznie, wodór jest otrzymywany w wyniku
reakcji konwersji pary wodnej z
węglowodorami. Tak jest wytwarzane 80%
wodoru na świecie.
" Najczęściej jest to reakcja pary wodnej z
paliwem stałym (np. koksem) lub metanem,
przebiegajÄ…ca w temperaturze 1000 1100°C,
Katedra Termodynamiki
36
Krótka charakterystyka wodoru
" Obecnie wodór jest zużywany w 60% do
produkcji amoniaku (głównie do 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.
Katedra Termodynamiki
37
Krótka charakterystyka wodoru
" Energetyczne znaczenie wodoru objawia
siÄ™ obecnie 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).
Katedra Termodynamiki
38
Krótka charakterystyka fosforu
" Symbol P (phosphorus), liczba atomowa
15, masa atomowa 30,9738; niemetal;
tworzy odmiany alotropowe: fosfor biały,
fosfor czerwony, fosfor fioletowy, fosfor
czarny, zw. metalicznym.
Katedra Termodynamiki
39
Krótka charakterystyka fosforu
" Jest jednym z bardziej pospolitych
pierwiastków występujących w przyrodzie.
W skorupie ziemskiej jest go ok. 0,12%.
Katedra Termodynamiki
40
Krótka charakterystyka fosforu
" JedynÄ… stabilnÄ… mineralnÄ… formÄ… fosforu sÄ… 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
uzyskanie związków organicznych fosforu, takich jak
DNA, RNA, ATP, białka.
Katedra Termodynamiki
41
Krótka charakterystyka fosforu
" ATP
(adenozynotrifosforan) -
jeden z
najważniejszych
nukleotydów w
komórce, pełniący
funkcjÄ™ uniwersalnego
przenośnika energii
Katedra Termodynamiki
42
CYKL BIOGEOCHEMICZNY
" Cykl biogeochemiczny opisuje drogÄ™
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.
Katedra Termodynamiki
43
CYKL BIOGEOCHEMICZNY
" ważne są procesy i reakcje, dzięki którym
pierwiastki sÄ…
" pobierane,
" asymilowane,
" a następnie wydzielane przez organizmy
żywe,
" a także czas ich przebywania w biosferze i
uczestniczenia w tych procesach.
Katedra Termodynamiki
44
CYKL BIOGEOCHEMICZNY
" Opis cyklu biogeochemiczego pierwiastka
wymaga dokładnej znajomości i zrozumienia
właściwości związków zawierających
pierwiastek oraz praw rzÄ…dzÄ…cych opisywanymi
procesami fizykochemicznymi, biochemicznymi
i geologicznymi.
" Wymaga także umiejętności opisania
równowagi termodynamicznej (fazowej i
chemicznej), kinetyki procesu, bilansowania
procesu.
Katedra Termodynamiki
45
CYKL BIOGEOCHEMICZNY
" Najpierwotniejszymi i najbardziej podstawowymi
potrzebami życiowymi każdej komórki lub organizmu
sÄ…: akumulacja energii oraz asymilacja, czyli
przyswajanie z otoczenia związków chemicznych i
pierwiastków koniecznych do odtwarzania
strukturalnych i funkcjonalnych składników, które są
zużywane w procesach metabolicznych.
" Procesy asymilacji sÄ… zwiÄ…zane z procesami
dysymilacji, czyli procesami wydalania produktów
metabolizmu w taki sposób, który pozwala zachować
stan równowagi dynamicznej.
Katedra Termodynamiki
46
CYKL BIOGEOCHEMICZNY
" Zdolność do akumulacji energii i asymilacji
nie jest jednakowa dla wszystkich
organizmów.
" Jedne mogą czerpać energię i materię
wyłącznie z rozkładu związków
organicznych,
" inne mogą wykorzystywać energię
pochodzenia nieorganicznego.
Katedra Termodynamiki
47
CYKL BIOGEOCHEMICZNY
" Organizmy autotroficzne (producenci). Należą
do nich rośliny, glony i niektóre bakterie. Ich
metabolizm pozwala im przyswajać węgiel
nieorganiczny (ditlenek węgla lub rozpuszczone
jony węglanowe), a z
ródłem energii do syntezy
organicznych związków węgla są:
" światło - w przypadku organizmów
fototroficznych, (fotosyntetyzujÄ…cych);
" reakcje chemiczne (reakcje redoks) - w
organizmach chemotroficznych (che-
mosyntetyzujÄ…cych).
Katedra Termodynamiki
48
CYKL BIOGEOCHEMICZNY
" 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
wykorzystujÄ… materiÄ™ organicznÄ…
wyprodukowaną przez inne organizmy żywe:
" - autotroficzne, heterotroficzne oraz reducentów.
Katedra Termodynamiki
49
CYKL BIOGEOCHEMICZNY
" Należy bardzo mocno podkreślić, że obie
grupy organizmów są niezbędne do
utrzymania tego stanu równowagi w całym
ekosystemie.
" Należy jedynie się starać o to, ażeby jeden
z uczestników (w tym przypadku człowiek)
tej swoistej  gry", nie zakłócał swoją
 zachłannością", tym samym nie
spowodował trwałego naruszenia
wytworzonej równowagi.
Katedra Termodynamiki
50
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
51
CYKL BIOGEOCHEMICZNY
Katedra Termodynamiki
52
Przykładowy widok natury
Katedra Termodynamiki
53
Katedra Termodynamiki
54