1. Cykle geochemiczne:

Obieg materii często określany jako obieg pierwiastków, odgrywa ogromną rolę w środowisku przyrodniczym. Dzięki niemu możliwe jest wielokrotne wykorzystanie składników środowiska przez organizmy i podtrzymywanie życia na Ziemi. Globalne cykle geochemiczne można rozpatrywać jako przemieszczanie się pierwiastków między różnymi systemami przyrodniczymi, np. oceanami, osadami, atmosferą.

W cyklach geochemicznych kluczową rolę odgrywają organizmy, wyznaczając obieg materii, szczególnie jej składników odżywczych w ekosystemach. Jednym z przykładów jest wiązanie węgla i azotu atmosferycznego przez biomasę, a następnie powrót tych pierwiastków w procesie rozkładu do związków nieorganicznych. Z wyjątkiem ekosystemów smokersów, cykle biogeochemiczne są napędzane głównie przez energię słoneczną oraz energię wytwarzaną przez organizmy. Swoistym „taśmociągiem” rozprowadzającym biopierwiastki między poszczególnymi ekosystemami jest cykl hydrologiczny. Obieg pierwiastków w biosferze obejmuje cykle endogeniczne i egzogeniczne, czyli cykle przebiegające w odpowiednio głębokich i powierzchniowych partiach Ziemi.

OBIEG WODY:

Globalny obieg wody jest jednym z najważniejszych cykli geochemicznych na powierzchni Ziemi, w którym woda jest zarówno środkiem transportu i substancji, która reaguje chemicznie z minerałów i gazów w skorupie ziemskiej i atmosferze. Oceany są zdecydowanie największym zbiornikiem ciekłej wody na powierzchni Ziemi i są głównym źródłem pary wodnej w atmosferze. transportu wody z oceanu do atmosfery jest spowodowany przede wszystkim ciepła i pary wodnej jest głównym gazem cieplarnianym w atmosferze sprawia, że klimat Ziemi jest dużo cieplejszy niż można było oczekiwać jedynie od promieniowania słonecznego otrzymywane przez Ziemię. Kondensacja pary wodnej w atmosferze nad oceanami zwraca je bezpośrednio do źródła, a jego kondensacji na rachunkach gruntów spływu powierzchniowego, naładuje formacji wodonośnych wody, życia roślin i zwierząt. Lodowce i lądolody wzrosły w przeszłości, ponieważ warunki klimatyczne opadów atmosferycznych gromadziły się jak lód w chłodniejszych regionach. Dziś, około 2 procent objętości wody w oceanach jest zablokowana lodem Antarktydy. Wody Oceanu krążą w strefie rozprzestrzeniania się litosfery oceanicznej, gdzie nowy materiał jest dodawany do dna oceanicznego, gdzie woda reaguje ze skałami i topią się w wysokich temperaturach. Jest to ważny mechanizm transportu chemicznych między litosferą i oceanem.

CYKL SODU:

Jest jednym z głównych składników skorupy ziemskiej, osadów i wód oceanu Sód i chlor to dwa najbardziej powszechne składniki w roztworze w wodzie morskiej i soli mineralnych które wytrąca się przez odparowanie wody morskiej. Jednakże obszary silnego parowania i wytrącania się soli w pobliżu wybrzeży morskich są rozproszone po całym świecie i nie możemy łatwo zaobserwować wzrost mineralnych reakcji na dnie oceanu, gdzie sód usuwa się z roztworu do minerałów ilastych. Sód jest usuwany z wody morskiej w drodze reakcji chemicznych w minerały osadowe na dnie oceanu, w bazaltu w strefach smarowania, i przez wytrącenie halitu mineralnych w regionach silne parowanie; ostatecznie powraca sód z osadów oceanicznych i oceanów w głębszych warstwach skorupy ziemskiej. Najdłuższymi ścieżkami w tym procesie jest czas podróży z osadu do wnętrza Ziemi przez subdukcjię dna oceanicznego i czas, w którym sód znajduje się w skorupie ziemskiej

CYKL WĘGLA:

Dwutlenek węgla, wody i innych substancji lotnych, został odgazowany od Ziemi w jej wczesnej historii powstawania i chłodzenia. Masa węgla przechowywane w wapienie i zawartości materii organicznej w osadach jest bardzo duże: około 2000 razy większa niż wszystkie węgla w wodzie morskiej i atmosfery razem. Dzisiejsze rośliny lądowe zawierają mniej więcej tyle samo dwutlenku węgla w atmosferze. Bilans ten wskazuje, że zmiany w globalnej dystrybucji roślinności na lądzie, prawdopodobnie spowodowane przez czynniki naturalne oraz działalności człowieka, może silnie wpływają na masę dwutlenku węgla w atmosferze. Masa węgla z fotosyntezy roślin żyjących w powierzchniowej warstwie oceanu jest tylko niewielką część swojej masy w roślinach lądowych, ale z powodu znacznie szybszego wzrostu roślin oceanicznych przepływów dwutlenku węgla z atmosfery do zbiorników roślin ziemi, w wodach oceanu powierzchni nie są zbyt różne. Każda cząsteczka dwutlenku węgla przekształca materię organiczną w procesie fotosyntezy zwalnia jedną cząsteczkę tlenu. W rzeczywistości, występowanie gazu tlenu w atmosferze jest bezpośrednio w wyniku działalności organizmów żywych w fotosyntezie ich organicznych z dwutlenku węgla i wody. Gdy rośliny umierają, ich utlenianie węgla jest ostatecznie z powrotem do dwutlenku węgla. Zbiorników biologicznych roślin na lądzie i w oceanie utrzymuje bliskie połączenie pomiędzy cyklem geochemicznym z czterech elementów życia istotne: węgla, azotu, fosforu i siarki. W procesie fotosyntezy, ziemi i roślin wodnych wziąć te elementy w niektórych prawie ustalonych proporcjach z różnych środowisk.

OBIEG AZOTU:

Minerały azotu należą do rzadkości i tworzą się w specyficznych środowiskach geochemicznych. ATMOSFERA: Azot występuje we wszystkich elementach środowiska przyrodniczego, ale największe jego zasoby są w atmosferze. Cząsteczki N₂ są bardzo trwałe dlatego ich rozpad na atomy jest zjawiskiem dość rzadkim. Oprócz azotu cząsteczkowego w atmosferze występują liczne jego związki: a) związki N utlenionego: NO_x (NO i NO₂), HNO₂, HNO₃ b) związki N zredukowanego: NH_x (NH₃ i NH₄⁺). Spalanie paliw kopalnych w przemyśle i transporcie uwalnia do atmosfery znaczne ilości tlenków azotu. BIOSFERA: Azot stanowi obok węgla i tlenu składnik biosfery, szczególnie białek. Atomy azotu są wbudowane w związki chemiczne głównie w wyniku procesów biochemicznych: N₂ + 6e^- + 8H⁺ ---- 2 NH₄⁺. Reakcja rozpadu aminokwasów na przykładzie glicyny:2COOH - CH₂ - NH₂ + 3O₂ ---- 4CO₂ + 2H₂O + 2NH₃ Amoniak pochodzący z biochemicznego rozkładu zostaje w obecności bakterii utleniony do azotanów (III) i (V) : 2NH₄⁺ + 3O₂ ---- 2NO₂^- + 4H⁺ + 2H₂O ; 2NO₂^- + O₂ ---- 2NO₃^-. Dwutlenek azotu najbardziej atakuje wewnętrzne partie płuc i powoduje ich obrzęk. HYDROSFERA: W warunkach naturalnych największe stężenia związków azotu występują na obszarach podmokłych, bagiennych lub leśnych.

OBIEG FOSFORU:

SKAŁY I GLEBY: W skorupie ziemskiej podstawowymi minerałami fosforu są apatyty fosforowe. Apatyty są odporne na wietrznie. W osadach ilastych i piaszczystych dochodzi do kumulacji apatytu węglanowego w postaci cementów. W glebie fosfor występuje w postaci nierozpuszczalnych fosforanów wapnia i żelaza : Fe₃²⁺[PO₄]₂*8H₂O. BIOSFERA: W ekosystemach naturalnych występuje deficyt fosforu. Rozpuszczalne jony fosforanowe są pobierane przez rośliny, jako składnik kwasów nukleinowych. HYDROSFERA: Głównym źródłem fosforu w ciekach powierzchniowych i zbiornikach wodnych są: procesy rozkładu szczątków roślinnych lub zwierzęcych, odpływy z pól, zrzuty bezpośrednie, np. ścieków. W wodach o pH <6 przeważają jony H₂PO₄^-, o pH 6 -9 jony HPO₄^2-, o pH > 9 jony PO₄^3-. Ilość fosforu maleje z biegiem rzeki na skutek wiązania biochemicznego. W osadach wodnych występuje on w postaci nierozpuszczalnego fosforanu (V) żelaza (III). W wyniku redukcji Fe³⁺ do Fe²⁺ fosfor może powrócić do słupa wody ponad osadem. Procesy wymiany fosforu między wodą i osadem zależą od: temperatury, odczynu, zawartości tlenu, potencjału redoks i powierzchni czynnej osadów dennych.

OBIEG SIARKI:

Jest dość złożony, biorą w nim udział formy gazowe, rozpuszczalne oraz minerały nierozpuszczalne. Siarka występuje w przyrodzie jako S^2-, S⁰, S3⁺, S⁴⁺, S⁵⁺, S⁶⁺. SKAŁY I GLEBY: W skałach magmowych siarka należy do pierwiastków rozproszonych: 2H₂S + O₂ ---- 2S + 2H₂O ; 2H₂S + SO₂ ---- 3S +2H₂O. W strefie wietrzenia siarka przechodzi w siarczany o różnym stopniu rozpuszczalności. Niektóre z nich dostają się do strefy cementacji, gdzie ulegają redukcji I tworzą wtórne siarczki. Słabo rozpuszczalne siarczany pozostają na miejscu, wchodząc w skład czapy żelaznej. Najłatwiej rozpuszczalne siarczany pierwiastków z grupy potasowców i wapniowców są przenoszone na znaczne odległości. Ulegają one wytrąceniu w zbiornikach morskich oraz lądowych bezodpływowych - powstają pokłady sole siarczanowe - gipsu Ca[SO₄]*2H₂O. W glebach siarka występuje głównie w postaci związków organicznych, z wyjątkiem gleb zasolonych czy kwaśnych siarczanowych. Siarka występuje w glebie głównie w wyniku rozkładu materii organicznej, emisji atmosferycznych, wietrzenia minerałów zawierających siarkę. ATMOSFERA: Związki siarki w atmosferze pochodzą zarówno ze źródeł naturalnych (wybuch wulkanu), jak i antropogenicznych (przemysł hutniczy). Najbardziej rozpowszechnionym związkiem siarki w atmosferze jest SO₂. Dwutlenek siarki może ulegać depozycji suchej i mokrej, utlenianiu. Procesy utleniania są związane z obecnością silnych utleniaczy, np. H₂O₂, O₃. Siarka w atmosferze występuje w trzech stanach skupienia: a) gazowym - w postaci SO₂, H₂SO₄, CH₃SCH, COS, CS₂ b) ciekłym - H₂SO₃, H₂SO₄, aerozoli SO₄^2-, SO₃^2- c) stałym - S⁰ w pyłach. Z powietrza siarka w postaci aerozolu SO₄^2- może być bezpośrednio pobierana przez rośliny. Wraz z opadami i cząstkami pyłów związki siarki dostają się do wód i gleb. BIOSFERA: Siarka odgrywa ważną rolę w metabolizmie roślin, gdyż wchodzi w skład różnych związków organicznych: aminokwasów, biotyny, witaminy B. Głównym źródłem siarki dla roślin są siarczany z gleby. Są one pobierane przez korzenie i dostarczane do różnych tkanek. Emisje atmosferyczne SO₂ i H₂S stanowią również zagrożenie dla zwierząt i ludzi. Dwutlenek siarki działa drażniąco na oczy, skórę, błonę śluzową i przewód pokarmowy. W powietrzu utlenia się do SO₃, który reagując z wodą, daje kwas siarkowy (VI). Ten ostatni wraz z kwasem azotowym (V) powstałym w wyniku reakcji wody z tlenkami azotu (NO₂, N₂O₅) jest głównym składnikiem „kwaśnych opadów”. W wodach podziemnych po usunięciu zawiesiny i koloidów, siarka występuje najczęściej w postaci H₂S i HS^-. Największą zawartość siarczanów zarejestrowano w wodach naturalnych ze stref wietrzenia pirytu: SO₄^2- + 2{CH₂O} ---- H₂S + 2 HCO₃^-. Bakterie wywołują również redukcję minerałów siarczanowych, np. gipsu: 2CaSO₄ * 2H₂O + 3{CH₂O} ---- 2 CaCO₃ + 2S + CO₂ + 7H₂O. Proces redukcji gipsów przez gaz ziemny prowadzi do powstania złóż siarki rodzimej: CaSO₄ * 2H₂O + CH₄ ---- CaCO₃ + H₂S↑ + 3H₂O. Siarkowodór pochodzi z rozkładów szczątków organicznych przy ograniczonym dostępie powietrza. Proces ten przebiega w słabo przewietrzanych zbiornikach morskich, gdzie powstaje H₂S.

OBIEG TLENU:

SKAŁY I GLEBY: W skorupie ziemskiej tlen wchodzi w skład krzemianów i glinokrzemianów. Obieg tlenu obejmuje wymianę formy pierwiastkowej między O₂, CO₂, H₂O, minerałami i substancją organiczną. Tlen jest wiązany przez różne pierwiastki w procesach egzotermicznych, np. spalania. Omawiany pierwiastek jest uwalniany w trakcie fotosyntezy. Tlen wiąże (i utlenia) inne pierwiastki, np. wodór w czasie spalania paliw kopalnych, takich jak metan: CH₄ + 2O₂ ---- CO₂ + 2H₂O. tlen uczestniczy w różnych procesach wietrzenia, utleniając między innymi substancje nieorganiczne, jak np. Fe²⁺ w minerałach: 4FeO + O₂ ---- 2 Fe₂O_3. ATMOSFERA: Największe zasoby tlenu występują w atmosferze. Szczególnie ważnym aspektem obiegu tlenu jest ozon atmosferyczny (O₃). Stężenie ozonu na wysokości do25 - 30 km dochodzi do 10 mg * kg^-1. Czasie fotosyntezy kończy się obieg tlenu, który uwolniony powraca do atmosfery. BIOSFERA: Obieg tlenu jest ściśle związany z obiegami innych biopierwiastków, zwłaszcza węgla. W organizmie człowieka ozon powoduje uszkodzenia błon komórkowych na skutek tworzenia się nadtlenku wodoru. HYDROSFERA: tlen jest podstawowym składnikiem cząsteczki wody i uczestniczy w cyklach hydrologicznych. Wody powierzchniowe zawierają tlen rozpuszczony, pochodzący z atmosfery lub z procesu fotosyntezy wodnych autotrofów. Występuje on także w cząsteczkach soli kwasów tlenowych lub jonach SO₄^2-, NO₃^-, NO₂^-, PO₄^3-.

OBIEG WĘGLA:

SKAŁY I GLEBY: Najwięcej węgla jest uwięzione w skorupie ziemskiej, gdzie występuje on w postaci minerałów, np. kalcytu CaCO₃, dolomitu CaMg[CO₃]₂. W wyniku długotrwałych procesów biogeochemicznych, w sprzyjających warunkach geologicznych, związany przez glony węgiel podlega konwersji w węglowodorowy kerosen, stanowiący produkt wyjściowy tworzenia się węgli algowych, rop naftowych lub gazu ziemnego. W zależności od zawartości pierwiastka C i części lotnych wyróżnia się torfy, węgle brunatne oraz węgle kamienne. ATMOSFERA: Węgiel występuje głównie w postaci CO₂, będącego głównym gazem szklarniowym. Gazowy składnik atmosfery CO₂ stanowi tylko 5% ogólnego bilansu węgla na Ziemi, w którym dominuje węgiel jako składnik biomasy. W cyklu biogeochemicznym węgla zachodzi ciągła wymiana tego pierwiastka między lądami i oceanami a atmosferą oraz między lądami a oceanami. BIOSFERA: W procesie fotosyntezy dochodzi do asymilacji CO₂ z atmosfery, a następnie przekształcenia węgla nieorganicznego w organiczny. W cyklu obiegu węgla następuje jednocześnie przejście energii słonecznej do systemów biologicznych a następnie do litosfery w postaci kaustobiolitów. Węgiel organiczny występuje w wysokoenergetycznych cząsteczkach mających zdolność reagowania z tlenem. W wyniku reakcji powstaje CO₂, H₂O i energia. Najbardziej toksyczny ze związków węgla jest CO. Długie przebywanie w atmosferze o małym stężeniu CO powoduje zaburzenia w układzie oddechowym oraz w pracy serca. HYDROSFERA: Znacznie mniejsza ilość węgla jest rozpuszczona w wodach powierzchniowych i podziemnych głównie w postaci jonu HCO₃^-. Układ dwutlenek węgla - wodorowęglany - węglany jest podstawowym mechanizmem regulującym pH wód naturalnych. Dużą rolę w obiegu węgla w przyrodzie odgrywają mikroorganizmy.

OBIEG WODORU:

SKAŁY I GLEBY: Znaczne ilości wodoru są uwięzione w minerałach krzemianowych, w których jest składnikiem różnych grup strukturalnych, np. [OH^-], [H₃O⁺], H₂O. Największa ilość wodoru występuje w różnych minerałach uwodnionych, np. w gipsie CaSO₄ * 2H₂O. Największe koncentracje wodoru notuje się w paliwach kopalnych w postaci węglowodorów alifatycznych.

ATMOSFERA: Znikome ilości wodoru występują w postaci gazów HCl, HF, H₂S i NH₃. Dużą ilość węglowodorów syntetycznych wytwarzają różne gałęzie przemysłu. BIOSFERA: Omawiany pierwiastek jest składnikiem organizmów żywych, gdzie występuje w związkach organicznych w soku żołądkowym w postaci HCl. Wodór jest także wytwarzany przez niektóre organizmy w procesach fermentacji beztlenowej. HYDROSFERA: Znaczna część wodoru na Ziemi jest ściśle związana z wodą i tym samym z jej obiegiem geochemicznym. W zbiornikach wodnych występuje jon H⁺ pochodzący z dysocjacji kwasów, wpływa on na pH wód. Szkodliwymi składnikami wód są węglowodory, które mogą negatywnie oddziaływać na organizmy wodne. Wodór wchodzi także w skład jonu amonowego NH₄⁺, który jest powszechnym składnikiem wód powierzchniowych.

---