Pierwiastki biogenne - biopierwiastki
Wszystkie pierwiastki układu okresowego biorą udział w procesach zachodzących w przyrodzie, ale tylko niektóre z nich są konieczne do życia organizmów żywych, inne są przez organizmy jedynie tolerowane, a niektóre działają toksycznie.
makroelementy: C, O, H, N, Na, K, Mg, Ca, P, S, Cl
mikroelementy (pierwiastki śladowe) : Cu, Zn, Fe, Cr, Mo, V, Mn, Co, Si, B, Sn, Se, F, J, Li, Ni, Al.
Wśród nich są pierwiastki konieczne do:
• budowy organizmu:
węgiel, tlen, wodór, azot, siarka, i fosfor oraz wapń (budowa kości) i Si (szkielety roślin, np. okrzemków, gąbek, skrzypów, zbóż);
Z nich syntetyzowane są białka, cukry, tłuszcze i kwasy nukleinowe DNA i RNA przenoszące kod genetyczny materii żywej.
• utrzymania odczynu i ciśnienia osmotycznego płynów ustrojowych i równowagi jonowej organizmów:
kationotwórcze: sód, potas, wapń, magez
anionotwórcze: chlor, siarka, fosfor, azot -jako NH4+ lub NO3-
• sterowania procesami metabolicznymi organizmu -
pierwiastki śladowe: żelazo, cynk, miedź, chrom, bor, mangan, jod, cyna, selen, , fluor, lit, glin
lub ultraśladowe: nikiel, molibden, kobalt, wanad;
wchodzą w skład enzymów, koenzymów, hormonów, białek transportowych, regulatorów wzrostu itp.
Pierwiastki dostają się do organizmów z pożywieniem i w wyniku kumulacji ze środowiska (gleby, wód lub atmosfery). Ich rozmieszczenie w organizmach jest nierównomierne.
Niedobory składników mineralnych, ale też ich nadmiar lub niewłaściwy wzajemny stosunek mogą mieć szkodliwy wpływ na organizm żywy.
W przyrodzie pierwiastki ulegają przemianom, które są nazywane cyklami bio-geo-chemicznymi.
skutki przemian chemicznych mają charakter ekologiczny
Podstawowym budulcem wszystkich organizmów są organiczne związki węgla, m.in. polisacharydy, lipidy, białka.
Cząsteczki te są bogatsze w energię niż cząsteczki nieorganicznych związków węgla, np. CO2, i jej nadmiar oddają w procesach utleniania. Do takich należy np. spalanie, oddychanie, fermentacja.
Odwrotna reakcja tworzenia związków organicznych z nieorganicznych - reakcja fotosyntezy:
6 CO2 + 6 H2O + energia (hν) → C6H12O6 + 6O2
wymaga dostarczenia energii z zewnątrz i zachodzi, przy współudziale chlorofilu, dzięki wykorzystaniu energii słonecznej.
Podstawowym warunkiem zachowania życia na Ziemi są zasilane energią słoneczną cykliczne reakcje utlenienia i redukcji związków węgla zachodzące w biosferze.
+ hν + chlorofil
Obieg węgla w przyrodzie
Rośliny zielone w procesie fotosyntezy zużywają z atmosfery więcej CO2 niż produkują w procesie oddychania- wiążą rocznie ok. 50-80 bilionów kg CO2 !!!
W wodzie CO2 asymilują okrzemki, glony i plankton.
Najważniejsze składniki materii żywej - węgiel i tlen podlegają wspólnemu cyklowi przemian.
Obieg węgla w przyrodzie
Obieg tlenu w przyrodzie
obieg wody w przyrodzie
Obieg azotu w przyrodzie:
Siarka w materii organicznej stanowi budulec białka, wiązanie S-S pełni kluczową rolę w podtrzymywaniu trzeciorzędowej struktury białka; jest pobierana przez organizmy żywe głównie z nieorganicznych siarczanów, powstających z siarki rodzimej (wolnej) dzięki bakteriom utleniającym.
Obieg siarki w przyrodzie jest spowodowany przez wyspecjalizowane bakterie :
zasiarczony
węgiel i paliwa kopalne
Fosfor
w organizmach żywych występuje głównie pod postacią połączeń nieorganicznych. Nierozpuszczalne fosforany są budulcem kości i zębów, a rozpuszczalne - są mineralnym składnikiem kwasów nukleinowych, nukleotydów, fosfatydów, fosfoprotein, fosfolipidów i fityny.
Rośliny
Bardzo powoli Powolna mineralizacja
Odpady zwierzęce i roślinne
OH- Al3+ Ca2+ H3O+
H2O
Wymywanie - do wód powierzchniowych
Obieg fosforu w glebie
Potas, sód, wapń, magnez - pobierane z pożywieniem
Potas - uczestniczy w systemie buforowym regulującym pH krwi, w przemianie węglowodanów i w syntezie białka; jest niezbędny do rozwoju roślin (dostarcza się go w postaci nawozów sztucznych);
Sód - bardzo ważny dla organizmów zwierzęcych (mniej dla roślin), jako NaCl wspomaga utrzymywanie pH krwi i właściwe ciśnienie osmotyczne komórek;
Wapń - wraz z reszta fosforanowa jest budulcem układu kostnego i zębów, jony wapniowe uczestniczą w kontrolowaniu funkcji układu nerwowego; nierozpuszczalne sole wapnia rozpuszczają się w kwasie żołądkowym, przyswajanie jonów Ca2+ zależy od obecności innych składników pożywienia;
Magnez - w organizmie ludzkim występuje głównie w tkance kostnej, ale też w mięśniach i innych tkankach; jest aktywatorem różnych enzymów, bierze udział w przemianie cukrów, reguluje działanie układu nerwowego, działa przeciw miażdżycowo obniżając poziom cholesterolu w krwi, w roślinach jest składnikiem chlorofilu decydującym o fotosyntezie;
magnez wykazuje działanie swoiste i nie może być zastąpiony innym pierwiastkiem,
jest antagonistą ołowiu (zapobiega odkładaniu się tego pierwiastka w glebie), rakotwórczego chromu i glinu wywołującego chorobę Altzheimera; do nadmiernego wydalania magnezu z organizmu przyczyniają się stresy, alkohol, wysoka temperatura otoczenia, antybiotyki i leki odwadniające, uspakajające i antykoncepcyjne.
Do życia roślin niezbędnych jest 18 pierwiastków: C, O, H, N, S, P, Na, K, Mg, Ca, Mn, Fe, Cu, Zn, B, Si, Mo i Cl.
Do życia zwierząt (i człowieka) konieczne są 24 pierwiastki, które dzieli się na:
Obecność różnorodnych substancji chemicznych, masowo produkowanych i używanych, może powodować zakłócenie naturalnego obiegu poszczególnych pierwiastków w biosferze (ekosystemie) i tym samym być przyczyną skażenia środowiska.
Konieczna jest wszechstronna edukacja pozwalająca na poznanie właściwości substancji chemicznych i wielorakich skutków ich stosowania!!
Fosforany rozpuszczalne w wodzie H2PO4-
Fosforany zaadsorbowane Al3+/PO3-4
Fosforany strącone Ca2+/PO3-4
Fosforany w skałach (apetyty) Ca2+/PO43-
Fosforany organiczne
Fosforany zaokludowane Fe3+/PO3-4
paliwa kopalne:torf, ropa naftowa, węgiel, gaz ziemny