CYKLE BIOGEOCHEMICZNE
Łukasz Markowski
gr. 1
Cykle biogeochemiczne wynikają z potrzeb biologicznych żywych organizmów. Około 40 biogenów wykazuje obieg przyrodniczy. Jednak najważniejsze z nich, które to wykazują obieg globalny są: węgiel, azot, tlen, wodór, fosfor, potas. Cykl biogeochemiczny jest to ciągle zachodząca przemiana materii organicznej w nieorganiczną i odwrotnie - pod wpływem organizmów żywych. Proces ten zachodzi, gdy do organizmów żywych jest dostarczona energia (głównie energia słoneczna).
Globalny obieg węgla.
Główne zasobniki węgla to: litosfera, hydrosfera, pedosfera i atmosfera. Największe ilości węgla oraz jego tlenków znajdują się w głębinach Ziemi i jest to podstawowy rezerwuar biosfery. Drugim pod względem wielkości zasobnikiem węgla nieorganicznego jest oceanosfera. Węgiel występuje tam głównie w postaci węglanów. Przy tym w biologicznie aktywnej, dobrze oświetlonej górnej warstwie znajduje się 5580 Gt węgla, a w głębinach 33420 Gt. W atmosferze węgiel występuje głównie w postaci CO2, przy czym 85% CO2 znajduje się w troposferze.
O krążeniu węgla w biosferze decydują dwa szczególnie ważne procesy biologiczne: fotosynteza i oddychanie.
Jest to niewątpliwie najważniejszy cykl biogeochemiczny, ze względu na szczególnie istotną rolę węgla w biosferze.
Szczególnie duże znaczenie ma uwalnianie węgla do atmosfery w trakcie spalania surowców energetycznych wydobywanych z Ziemi. Uwalnianie węgla z tych zasobów jest ok. 300 razy większe niż uzupełnianie zapasów węgla biosfery w postaci złóż torfu.
W cyklu tym bardzo istotny wpływ na istoty żyjące ma dwutlenek węgla. Jego koncentracja w powietrzu atmosferycznym nieustannie rośnie od 280 ppm w 1750 r. do ok. 345 części na milion w 1984r., a do 2050 r., jeżeli ilość spalanego węgla będzie się nadal zwiększać w obecnym tempie, spodziewamy się jej powiększenia do 660 ppm.
Koncentracja tego gazu zmienia się zarówno w ciągu doby, jak i w ciągu roku. W nocy, kiedy nie zachodzi fotosynteza, lecz oddychanie, koncentracja tego gazu w pobliżu ziemi może wynosić nawet 400 części na milion. Koncentracja ta zmniejsza się z chwilą pojawienia się światła. W południe nad koronami drzew może ona być o kilkanaście części na milion mniejsza.
Największy przepływ w globalnym cyklu węgla odbywa się pomiędzy atmosferą a roślinnością lądową oraz między atmosferą a roślinnością lądowa oraz miedzy atmosferą a oceanami. Te dwa strumienie węgla są niemal równe, a średni czas przebywania atomu węgla w atmosferze wynosi ok. 3 lat.
Stopień wiązania dwutlenku węgla zależy od rodzaju roślinności. Szybko rosnący las tropikalny na jednym metrze kwadratowym może w ciągu roku przyswoić 1-2 kg węgla, natomiast tundra arktyczna czy prawie nagie obszary pustyń przyswoją zaledwie setną część tej ilości, którą przyswaja las tropikalny. Leśna szata roślinna świata jest nie tylko głównym konsumentem węgla, ale równocześnie zawiera główne jego zasoby, z wyjątkiem mocno już wyeksploatowanych paliw kopalnych. Obieg węgla w oceanach przebiega inaczej niż na lądach. Rośliny lądowe wykorzystują atmosferyczny dwutlenek węgla jako źródło węgla do fotosyntezy, podczas gdy rośliny wodne wykorzystują rozpuszczone węglany (tj. węgiel z hydrosfery). Są dwa cykle charakteryzujące wymianę CO2 między atmosferą a hydrosferą:
atmosferyczny CO2 = rozpuszczony CO2
CO2 + H2O = H2CO3 (kwas węglowy)
Zaledwie ułamki procentu ogromnej ilości węgla znajdują się w szybkim obiegu w atmosferze, hydrosferze, górnej części powierzchni Ziemi i w samej biomasie. Olbrzymia większość zapasów węgla obejmuje węglany i organiczne pokłady geologiczne: łupki bitumiczne, węgiel kamienny i brunatny oraz ropę naftową, które potrzebowały milionów lat, aby osiągnąć nagromadzone obecnie rozmiary. Począwszy mniej więcej od 1850 r., człowiek rozpoczął na szeroką skalę nowy eksperyment geochemiczny, polegający na spalaniu dużych ilości paliw kopalnych. Obecnie co roku uwalnia się w ten sposób do atmosfery od 5 do 6 mld ton węgla. Ilość ta wystarcza do zwiększania każdego roku o 2,9 części na milion koncentracji dwutlenku węgla w powietrzu atmosferycznym.
Przez wycięcie blisko dwóch, trzech lasów świata i spalanie miliardów ton węgla człowiek doprowadził w ostatnich latach do poważnych zaburzeń w cyklu jego krążenia i spowodował zagrożenia niekorzystnymi zmianami klimatu Ziemi. W następstwie wzrostu temperatury Ziemi spodziewane jest topnienie śniegów i wiecznych lodów, podniesienie poziomu wód w oceanach. Możliwe jest zatopienie znacznych obszarów lądów, niekorzystne zmiany w rolnictwie itd.
Fosfor jest rzadko spotykanym pierwiastkiem w przyrodzie. Brak fosforu wielu ludzi nazywa „nieurodzajnością gleby”. Szczególnie jednak rzadko występuje on w środowisku wodnym. Rozpuszcza się dobrze tylko w środowisku kwaśnym, a w środowisku zasadowym ma on tendencję do występowania w formie trwałej, trudno dostępnej dla roślin, jako fosforan wapnia, żelaza czy manganu. Fosfor nie wchodzi w skład białek, lecz żadna cząsteczka białka nie może być wytworzona bez udziału fosforu.
Fosfor jest ważnym i koniecznym składnikiem protoplazmy. Związki organiczne fosforu są na fosforany łatwo przyswajalne przez rośliny. Głównym rezerwuarem fosforu są skały powstałe w dawnych epokach geologicznych. Skały te stopniowo wietrzeją, a uwolnione związki fosforowe dostają się do ekosystemów. Wiele związków fosforowych dostaje się do mórz i jezior, gdzie przepada osdach dennych i tu praktycznie znika z obiegu. Możliwości ponownego włączenia się w obieg są tu niewspółmierne w stosunku do ilości ubywającej. Powrót odbywa się głównie dzięki organizmom morskim, a szczególnie ptakom.
Człowiek znacznie przyspiesza obieg fosforu, dzięki czemu jego cykl staje się mniej pełny. Rybołówstwo morskie dostarcza z oceanów na ląd rocznie 80 mln ton ryb bogatych w fosfor. Ocenia się, że cała oceaniczna pula fosforu wynosi zaledwie 120 mld ton, co może mieć poważny wpływ na organizmy wodne. Ponad 13 mln ton fosforu rozprzestrzenia się rocznie jako nawozy na polach uprawnych (przy czym pewna część pochodzi z połowów morskich), a ok. 3 mln ton stanowi wybielacz w detergentach. Fosfor z obu tych źródeł trafia do zbiorników wodnych jako skażenia obszarowe lub punktowe, ale wysokie koncentracje mogą przyczyniać się do eutrofizacji wód. Nie ma to natomiast większego wpływu na poprawę ilości fosforu w oceanach. Wylesienia i różne inne formy uprawy roli zwiększają erozję w obszarze zlewni, co również może się przyczynić do spływu związków fosforowych do zbiorników wodnych.
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. Organiczne szczątki są rozkładane przez reducentów. Produktem rozkładu są między innymi związki: azotany III ( azotyny ), azotany V ( azotany ) i siarkowodór. Powstały w procesie amonifikacji amoniak wchodzi w cykl nitryfikacyjny. Olbrzymim rezerwuarem azotu jest powietrze. Gazowy azot może być zamieniony na przyswajalne azotany i sole amonowe podczas wyładowań atmosferycznych. Tą drogą do gleby w ciągu roku dostaje się 4-10 kg/ha. Dużą część wolnego azotu wiążą mikroorganizmy ( bakterie, glony ), wprowadzając do gleby przyswajalne azotany w ilości ok.25 kg/ha/rok oraz symbiotyczne bakterie brodawkowe, które mogą dostarczyć aż 150-400 kg azotu przyswajalnego na 1 ha w ciągu roku. Dlatego urodzajność pól uprawnych podwyższa się przez wprowadzenie do zmianowania roślin motylkowych. Ilość związanego azotu pochodzenia atmosferycznego wynosi średnio dla całej biosfery 140-700 mg/cm/rok. W zbiornikach wodnych odbywa się wiązanie dużych ilości tego pierwiastka przez sinice. Dzięki burzą możliwe jest przechodzenie wolnego azotu ze zbiornika, jaki stanowi atmosfera do produktywnego obiegu, ponieważ energia wyzwalająca się podczas wyładowań atmosferycznych umożliwia utlenianie się części azotu gazowego. Obieg azotu wykazuje częściowo sedymentacyjny charakter, ponieważ część tego pierwiastka może wypadać z obiegu na skutek opadania oraz gromadzenia się w głębinach oceanów i na dnie zeutrofizowanych jezior, gdzie na skutek braku tlenu osady denne nie ulegają mineralizacji i kumulują się. Warunki beztlenowe panujące przy dnie sprzyjają procesowi denitryfikacji, co dodatkowo zmniejsza ilość dostępnego, przyswajalnego azotu. Część azotu zostaje przed przedostaniem się w głębiny wyłapywana przez plankton i wchodzi w łańcuch pokarmowy ryb a potem ptaków i ssaków morskich. Dzięki ptakom znaczna część azotu i fosforu oraz potasu zostaje przeniesiona wraz z odchodami na ląd, gdzie częściowo osadza się w postaci guana.
W obiegu azotu można wyróżnić cztery oddzielne procesy:
1. Wiązanie azotu polega na przekształcaniu azotu cząsteczkowego N2 z atmosfery, który wraz z opadami atmosferycznymi przedostaje się do gleby i wody, tworząc jony amonowe, azotynowe i azotanowe, w amoniak przez pewne rodzaje bakterii (gł. Azotobacter i Clostridium) i sinic (Nostoc).
2. Przyswajanie azotu w postaci azotanów i amoniaku (jonów azotanowych i amonowych) przez rośliny zielone następuje po wprowadzeniu ich w aminokwasy i białka roślinne. Rośliny motylkowate wykorzystują azot atmosferyczny przy współudziale bakterii nitryfikacyjnych (nitryfikatory).
3. Azot w postaci białek roślinnych wykorzystywany jest następnie przez konsumentów, czyli pobierany przez zwierzęta roślinożerne. Zwierzęta drapieżne pobierają go z białkami innych zwierząt. Po obumarciu roślin i zwierząt zawarte w nich białka są rozkładane do jonów amonowych (amonifikacja) lub utleniane w procesie nitryfikacji przez bakterie nitryfikujące do przyswajalnych przez rośliny azotanów. Taki sam proces ma miejsce w przypadku mocznika lub kwasu moczowego, wydalanych przez zwierzęta w wyniku przemiany białek. Powstałe jony amonowe są ponownie wykorzystywane przez rośliny oraz bakterie nitryfikacyjne i wracają do obiegu azotu.
4. Azotany nie wykorzystane przez rośliny mogą gromadzić się w glebie (np. złoża saletry chilijskiej) albo ulec denitryfikacji, polegającej na przekształceniu przez bakterie denitryfikacyjne, w beztlenowym procesie oddychania, jonów azotanowych w jony amonowe (zostające w glebie) i wolny azot, który wraca do atmosfery.
Rys. Obieg azotu w przyrodzie
Literatura :
Ekologia, środowisko, przyroda - Tomasz Umiński Ekologia biochemiczna - Harborne J.B
Ekologia ogólna - S. Wiąckowski
Chemiczne problemy ekologii - W. Isidorow, J. Jaroszyńska
Chemia środowiska - Peter O`neill
4
Wyszukiwarka