Cykle biogeochemiczne

Grupa. 1B

Kierunek: Ochrona Środowiska

Rok: I
Cykl biogeochemiczny – krążenie pierwiastka lub związku chemicznego w obrębie całej ekosfery, łącznie z biosferą. W każdym cyklu dość łatwo można wyróżnić dwie części zasobów danego pierwiastka:

• pulę zasobów (stanowi ją podstawowa część całkowitej ilości pierwiastka, która znajduje się w formie nieorganicznej poza ciałami organizmów żywych: przemiany w tej puli mają charakter abiotyczny)

• pulę wymienną (stanowi ją ta część pierwiastka, która znajduje się w żywych organizmach i ich bezpośrednim środowisku: pulę tę cechują znacznie szybsze przemiany o charakterze biotycznym).

Największe znaczenie mają następujące cykle:

• cykl azotowy

• cykl węgla

• cykl siarki

• cykl fosforu

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. Producentem wolnego azotu atmosferycznego są bakterie denitryfikacyjne, które uwalniają azot z azotanów. Jest to ostatnie ogniwo rozpadu białek protoplazmatycznych. Cały proces redukcji białek przebiega w czterech etapach, w każdym z nich inne grupy bakterii biorą udział w procesie redukcji. Azot atmosferyczny z kolei wchodzi w obieg biologiczny poprzez przejście w azotany. Proces ten zachodzi głównie w skutek symbiozy bakterii z roślinami motylkowymi. Dodatkowym źródłem azotanów w glebie jest powstanie ich z azotu atmosferycznego w trakcie wyładowań atmosferycznych. Azotany pobierane są przez rośliny w postaci roztworów wodnych i wbudowywane w aminokwasy. Przechodząc przez ogniwa troficzne zostają rozłożone do azotanów, następnie wracają do obiegu.

Obieg węgla

Drugi z podstawowych cykli biochemicznych to obieg węgla. Bierze w nim udział węgiel w postaci atomowej lub w różnych związkach. Obieg ten polega na wymianie głównie dwutlenku węgla z atmosferą ziemską Zaskakujące jest to, że prawie 90% przemian, związanych z oddychaniem, jest z udziałem glonów żyjących w oceanach. Ogółem roślin, wiążąc 160 mld ton węgla, wytwarzają 400 mld ton tlenu w ciągu roku na obszarze całego globu.

Mechanizm łańcuchów pokarmowych powoduje przejmowanie zasobów węgla zgromadzonych w roślinach przez organizmy zwierzęce. Procesy metaboliczne, towarzyszące procesom życiowym roślin i zwierząt, powodują usuwanie pewnych ilości związków węgla. Natomiast szczątki jednych i drugich, podlegają procesom mineralizacji, są źródłem powstawania dwutlenku węgla. W tego typu procesach powstaje kompost, próchnica użyźniająca glebę, a także złoża torfu. Podobne przemiany, lecz w innych okresach i warunkach geologicznych, towarzyszyły powstawaniu złóż węgla kamiennego oraz brunatnego, jak również ropy naftowej.

Obieg siarki

Siarka uwolniona do atmosfery utlenia się szybko do jonów siarczanowych (SO 4 ) i osadza na powierzchni lądów lub w oceanach. Do globalnego cyklu siarki przyczynia się emisja wulkanów. Jednak największym źródłem emisji siarki jest człowiek. Huty metali i elektrownie w ciągu ostatnich 100 lat zwiększyły wielkość emisji Aby rozwiązać problem lokalnych zanieczyszczeń budowano wyższe kominy w tych zakładach przemysłowych, co zmniejszało zanieczyszczenie na poziomie gruntu. Wysokie kominy (powyżej 300 m) są obecnie standardem , co wpływa jednak na przenoszenie zanieczyszczeń przez wiatr na dalsze odległości. Szczególnie wrażliwe są ekosystemy słodkowodne z miękką wodą. Brak wapnia, który powodowałby buforowanie jest przyczyną zakwaszenia. Jednym ze skutków dla środowiska lądowego jest degradacja lasów. Powodem jest zakwaszenie gleby, jak i też osiadanie SO 2 na liściach i bezpośrednie działanie. Zakwaszenie powoduje też niedostępność związków potrzebnych roślinom (np. magnezu i wapnia).

Obieg fosforu

Obieg fosforu w przyrodzie jest związany z dwoma biogeochemicznymi cyklami przebiegającymi głównie w zbiornikach wód morskich i oceanicznych oraz na lądzie w glebie.

Fosfor znajdujący się w glebie jest przyswajany przez bakterie fosforowe, przetwarzające związki organiczne fosforu, i w ten sposób udostępniany roślinom i zwierzętom. Z kolei głównym źródłem tych związków są rozkładające się tkanki roślinne i zwierzęce oraz dostające się do gleby produkty wydalania.

Zbliżoną rolę do tej, którą w obiegu glebowym spełniają bakterie, w obiegu wodnym spełnia plankton, znajdujący się w łańcuchu pokarmowym ryb i innych organizmów wodnych. Około 1% fosforu z obiegu wodnego dostaje się do obiegu glebowego wraz z rybami odławianymi przez człowieka i ptactwo wodne. Tu znaczną rolę spełnia odchody ptactwa wodnego, gdyż np. u wybrzeży Peru ptactwo odławia tysiąckrotnie więcej ryb niż rybacy.

Produkty rozpadu organizmów morskich opadają na dno zbiornika, wypadając w ten sposób w znacznej masie z obiegu. Produkty procesu osadzania, mającego już miejsce od kilkuset milionów lat (osady fosforytów występują w warstwach paleozoiku oraz w bardziej nam współczesnych skałach osadowych z okresu kredy i trzeciorzędu), były również wykorzystywane przez człowieka jako naturalne nawozy fosforowe. Obecnie służą głównie do uzyskiwania kwasu fosforowego jako surowca do produkcji fosforowych nawozów sztucznych. Te z kolei uzupełniają straty fosforu w glebie powodowane uprawami - co można uznać za świadomą ingerencję człowieka w celu uzupełnienia łańcucha pokarmowego w cyklu glebowym.

Brak umiaru w nawożeniu może jednak powodować wymywanie nadmiaru nawozów sztucznych z gleb do wód. Kierowanie przez przemysł i gospodarstwa domowe do ścieków związków fosforu (również fosforanów z proszku do prania) dodatkowo daje znaczny nadmiar fosforu w wodach. Cykle obiegu tego pierwiastka muszą zatem być świadomie sterowane i wspomagane dodatkową działalnością człowieka.