1

GLOBALNE BIOGEOCHEMICZNE CYKLE: W GLA, SIARKI, AZOTU I FOSFORU 

Wprowadzenie 

Na Ziemi wszystko jest zbudowane z atomów pierwiastków i cz steczek zwi zków chemicznych 

tworzonych  przez  pierwiastki  a  zachodz ce  w  rodowisku  procesy  metaboliczne  i  towarzysz ce  im 

przemiany  czysto  fizyczne,  chemiczne  i  procesy  geologiczne  dziej   si   z  ich  udziałem.  Pierwiastki 

dzi ki  tym  procesom  kr

  w  rodowisku.  Materia  Wszech wiata  zło ona  jest  z  92  naturalnie 

wyst puj cych  pierwiastków  –  dotychczas  odkrytych  (w  laboratoriach  wytworzono  kilkana cie 

dalszych). Dla  ycia na Ziemi najwa niejszymi pierwiastkami s , jak si  powszechnie uwa a: w giel, 

wodór, tlen, azot, siarka i fosfor, chocia  powstanie  ycia w takiej formie, w jakiej ono powstało, bez 

udziału  innych  pierwiastków  byłoby  prawdopodobnie  niemo liwe.  Wymienione  pierwiastki  

(CHNSOP)  s   jednak  podstawowymi  składnikami  komórek  ywych  organizmów  pocz wszy  od 

jednokomórkowych  bakterii  do  ssaków.  Na  przykład  masa  ciała  ludzkiego  w  99,1  procentach 

tworzona jest przez zwi zki zawieraj ce tylko 11 pierwiastków, które pokazano w tablicy 3.1.  

 

Tablica 3.1. Pierwiastki, z których zbudowany jest organizm człowieka. 

Nazwa 

Symbol 

Przybli ona 

zawarto , (%) 

Znaczenie, funkcja. 

 

Tlen 

 

 

W giel 

 

 

Wodór 

 

Azot 

 

Wap  

 

Fosfor 

 

 

Potas 

 

Siarka 

 

Sód 

 

Magnez 

 

Chlor 

 

elazo 

 

Jod 

 

O 

 

 

C 

 

 

H 

 

N 

 

Ca 

 

P 

 

 

K 

 

S 

 

Na 

 

Mg 

 

Cl 

 

Fe 

 

J 

 

65 

 

 

18 

 

 

10 

 

3 

 

1.5 

 

1 

 

 

0.4 

 

0.3 

 

0.2 

 

0.1 

 

0.1 

 

ladowe ilo ci 

 

ladowe ilo ci 

 

Oddychanie komórkowe, w wi kszo ci zwi zków organicznych, 

tworzy wod . 

 

Podstawowy składnik zwi zków organicznych, na nim oparte jest 

ycie na Ziemi. 

 

Podstawowy składnik zwi zków organicznych, tworzy wod . 

 

Składnik wszystkich białek i kwasów nukleinowych. 

 

Obecny w ko ciach, z bach, mi niach. 

 

Składnik kwasów nukleinowych, tworzy ATP – bierze udział w 

przekazywaniu energii wewn trz komórek. 

 

Główny jon dodatni (kation) w komórkach. 

 

Składnik wi kszo ci białek. 

 

Główny jon dodatni płynów poza komórkowych. 

 

Obecny w krwi tkankach ciała; składnik układów enzymatycznych. 

 

Tworzy główny jon ujemny płynów pozakomórkowych. 

 

Składnik hemoglobiny, niektórych enzymów. 

 

Składnik hormonów tarczycy. 

 

Inne  ladowe pierwiastki w ciele ludzkim to: mangan (Mn), mied  (Cu), cynk (Zn), kobalt (Co), fluor (F), 

molibden (Mo) selen (Se). 

 

Szerokie spektrum rozmaitych przemian zwi zków organicznych i nieorganicznych, zwi zanych 

z  istnieniem  i  funkcjonowanie  ywych  organizmów,  powoduje  powstanie  bardzo  istotnych 

mikroobiegów  biologicznych/biochemicznych  pierwiastków.  Produkty  wytworzone  w  jednym  cyklu 

s   substratami  dla  nast pnego.  Cz

  zwi zków  jest  jednak  przetwarzana  w  formy  nieprzydatne  dla 

ywych  organizmów.  Uczestnicz   one  jednak  wtedy  w  dalszym  ci gu  w  obiegu  nieorganicznym, 

bior c udział w reakcjach chemicznych oraz i przemianach fizycznych np. wyst puj cych w procesach 

geologicznych.  Obieg  pierwiastków  powodowany  przez  ycie  organiczne  w  kontek cie  procesów 

geologicznych  i  chemicznych  nazywany  jest  zwykle  cyklem  lub  obiegiem  biogeochemicznym. 

 

2

Obiegom  mikrobiologicznym  oraz  globalnym  obiegom  biogeochemicznym  towarzyszy  przepływ 

energii.  W  procesach  metabolicznych  pozyskiwana  lub  oddawane  jest  energia  konieczna  do 

podtrzymania  ycia  i  zachodzenia  niezb dnych  reakcji  chemicznych  i  biochemicznych.  We 

wszystkich organizmach  ywych zachodz  reakcje chemiczne i przemiany energetyczne niezb dne do 

wzrostu i odnawiania si  komórek oraz wi zanie energii w posta  biologicznie u yteczn . Sum  tych 

wszystkich procesów chemicznych przebiegaj cych w organizmie  ywym nazywa si  metabolizmem 

lub  przemian   materii.  A eby procesy metaboliczne mogły przebiega  w sposób  ci le okre lony w 

organizmie  ywym  oraz  a eby  organizm  mógł  rosn ,  rozwija   si ,  rozmna a   oraz  podtrzymywa  

ci gło   ycia,  zarówno  osobniczego  jak  i  gatunkowego  musi  posiada   zdolno   do  przekazywania 

informacji w obr bie organizmu, pomi dzy organizmami i z pokolenia na pokolenie. 

Naturalny  biogeochemiczny  cykl  jest  zakłócany  w  wyniku  działalno ci  człowieka.  Do  tego 

zjawiska nawi zuje jedna z definicji ska enia  rodowiska. Wg niej, za ska enie uwa a si  substancj  

wyprodukowan   przez  człowieka,  która  przerywa  jeden  lub  wi cej  biogeochemicznych  cykli 

pierwiastków. 

ycie spotykane jest wsz dzie na Ziemi: pod lodami, w wulkanach, gejzerach, bardzo st onych 

solankach (30%), przy pH zbli aj cym si  do 1,5 oraz do 10,0, w temperaturach od -40 do 130

°C. Te 

ekstremalne  warunki  dotycz   oczywi cie  ycia  na  poziomie  mikroorganizmów.  Ale  te   one  pełni  

najwi ksz  rol  w obiegu pierwiastków CHONSP.  

 

Tablica 3.2. Wybrane procesy zwi zane z obiegiem pierwiastków w  rodowisku. 

redukowany 

Pierwiastek 

C 

H 

O 

N 

S 

C 

 

Fermentacja 

Spalania, 

Oddychanie 

Denitryfikacja 

 

H 

Fermentacja 

metanowa 

 

 

Denitryfikacja 

 

O 

Fotosynteza  

 

 

 

Redukcja 

siarczanów 

N 

Nitryfikacja 

 

Utlenianie grup 

amoniowych 

 

 

ut

le

ni

an

y 

S 

Oddychanie 

beztlenowe 

 

Utlenianie 

siarczków 

Denitryfikacja, 

utlenianie siarki 

 

 

W tablicy 3.3 podano przegl d wybranych zwi zków organicznych i nieorganicznych tworzonych 

przez wymieniane wcze niej pierwiastki w procesach biologicznych, chemicznych i geologicznych. 

W  dalszej  cz ci  przedstawiono  krótkie  charakterystyki  podstawowych  6  pierwiastków, 

rozwijaj ce informacje pokazane w przedstawionych tabelach. 

 

Tabela 3.3. Wybrane zwi zki organiczne i nieorganiczne, bior ce udział w globalnych cyklach  

Wybrane zwi zki chemiczne istotne dla procesów metabolicznych 

Pierwiastek 

Inne pierwiastki 

C 

H 

O 

N 

S 

P 

C 

W glany wapnia i 

magnezu (skały 

wapienne) 

Grafit, diament 

Materia 

organ. 

W glowodany, 

tłuszcze, CO

2

,  

Chlorofil, , 

aminokwasy, białka, 

kwasy nukleinowe 

Materia organiczna , 

siarczki organiczne, 

białka 

Kwasy, 

nukleinowe 

ATP 

H 

 

Paliwa kopalne; 

ropa naftowa, gaz 

ziemny, w giel 

kamien i brunat. 

Wodór 

gazowy 

woda 

Amoniak, jon 

amoniowy, aminy, 

białka, kwasy 

nukleinowe 

Siarkowodór 

Siarczki org. Tiole, 

białka 

 

O 

Krzemiany 

W glany (skały 

min.), CO

2

 

Woda 

Tlen atmosf, ozon 

Azotyny azotany, 

tlenki azotu, 

SO

2

, siarczany, 

siarczyny 

 

Fosforany, 

organiczne 

N 

Azotany (minerały 

naturalne) 

Geoporfiryny 

 

Azotany (minerały 

naturalne 

Azot atmosferyczny 

 

 

S 

Siarczki  elaza (piryt), 

siarczany wapnia 

(gips) 

Bogata w siark  

materia 

organiczna 

Materia 

organ. 

Siarczany, skały 

mineralne, gips, 

anhydryty 

 

Siarka 

pierwiastkowa 

 

Z

as

ob

y 

na

 Z

ie

m

i 

P 

 

Fosforany, (apatyty) 

 

 

 

Fosforany, apatyty 

 

 

 

Fosfor 

pierwiastko

wy 

 

 

3

W giel 

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  rodowisku naturalnym na Ziemi). Znanych jest kilka izotopów 

w gla. Promieniotwórczy nietrwały izotop w gla 

14

C jest stosowany jako wska nik izotopowy. 

W giel  jest  czternastym  pierwiastkiem  pod  wzgl dem  rozpowszechnienia  na  Ziemi  (0,08%). 

Wi kszo   w gla  w  biosferze  wyst puje  w  postaci  skał  wapiennych  (kalcytu  CaCO

3

),  dolomitów 

(CaCO

3

,·MgCO

3

),  magnezytu  (MgCO

3

),  które  zostały  wyprodukowane  przez  ywe  organizmy  jako 

ich szkielety a tak e syderytu (FeCO

3

) oraz dwutlenku w gla stanowi cego ok. 0,3% obj. atmosfery. 

W  skorupie  ziemskiej  w giel  wyst puje  te   w  postaci  czystej  jako  grafit,  diament  (w  niewielkich 

ilo ciach),  w  w glu  kamiennym,  w glu  brunatnym,  ropie  naftowej,  gazie  ziemnym.  Powstanie  złó  

kopalin  jest  wynikiem  poł czenia  procesów  biochemicznych,  fizykochemicznych  i  geologicznych.  

W atmosferze i oceanie, w giel znajduje si  w postaci dwutlenku w gla, metanu, jonów w glanowych 

i wodorow glanowych. Około 75% w gla na Ziemi znajduje si  zło ach zwi zków nieorganicznych a 

około 25% w zło ach zwi zków organicznych (rozproszonych).  

W  organizmach  ywych  wi kszo   zwi zków  chemicznych  ma  struktur   zawieraj c   szkielet 

utworzony  z  atomów  w gla  poł czonych  wi zaniami  kowalencyjnymi.  Zwi zki  te  wyodr bniono 

(historycznie)  w  chemii  w  grup   nazwan   zwi zkami  organicznymi,  poniewa   s dzono  niegdy ,  e 

mog   by   wytwarzane  jedynie  przez  struktury  o ywione.  Szybko  okazało  si ,  e  pogl d  taki  jest 

całkowicie nieuprawniony. W 1824 roku Wöhler otrzymał jako pierwszy w laboratorium ze zwi zku 

nieorganicznego  (był  to  izocyjanian  amonu  -  NH

4

NCO)  zwi zek  organiczny,  z  tym,  e  dopiero  po 

czterech latach (w 1828) stwierdził,  e jest to mocznik – (H

2

N)

2

CO, to znaczy ta sama substancj , jak  

uzyskiwał  on  z  moczu  psa.  Spowodowało  to  wyłom  w  panuj cej  wówczas  teorii  witalistycznej  (vis 

vitalis). 

Wyj tkowa  pozycja  w gla  zwi zana  jest  z  jego  bardzo  wysok   reaktywno ci .  Atom  w gla 

posiada  6  elektronów:  dwa  na  pierwszym  poziomie  energetycznym  i  4  na  drugim,.  Oznacza  to,  e 

liczba  elektronów  walencyjnych  równa  jest  4.  Mog   one  tworzy   wi zania  kowalencyjne  z  innymi 

atomami w gla (pojedyncze podwójne i potrójne). Struktura cz steczki o szkielecie w glowym mo e 

by   prosta,  rozgał ziona,  cykliczna  i  pier cieniowa  (w  ramce  3.1  pokazano  wzory  strukturalne  oraz 

budow   wybranych  zwi zków  organicznych).  Charakter  cz steczki  i  jej  kształt  oraz  rodzaj  atomów 

innych  pierwiastków,  które  tworz   wi zania  z  w glem  okre laj   jej  własno ci  fizyczne  i  chemiczne 

oraz  funkcje,  które  pełni   w  procesach  metabolicznych  (np.  e  przenosz   energi   lub  słu  

przenoszeniu informacji). Obecnie znanych jest ponad 5 milionów zwi zków organicznych opartych o 

szkielet w glowy. Cz

 z nich stanowi podstawowe, strukturalne składniki, z których zbudowane s  

komórki, tkanki, narz dy i na ko cu organizmy  ywe. Du a ich cz

 została zsyntetyzowana przez 

człowieka. Zwi zki organiczne, które składaj  si  wył cznie z atomów w gla i wodoru nazywane s  

w glowodorami.  Paliwa  kopalne,  takie  jak  w giel  kamienny,  w giel  brunatny,  ropa  naftowa  i  gaz 

ziemny s  mieszaninami głownie w glowodorów. Wszystkie one powstały z obumarłych organizmów, 

które  yły  na  Ziemi  przed  milionami  lat.  S ,  wi c  nie  tylko  magazynem  całej  gamy  zwi zków 

organicznych  słu cych  jako  surowiec  w  procesach  przetwórczych,  ale  s   przede  wszystkim 

magazynem energii słonecznej, która dotarła do Ziemi w postaci promieniowania  wietlnego i została 

przekształcona  (dzi ki  fotosyntezie)  w  energi   chemiczn   (energi   wi za ).  B dzie  o  tym  mowa  w 

dalszej  cz ci  rozdziału.  Atomy  wodoru  w  zwi zkach  organicznych  w  reakcjach  chemicznych, 

tworz cych  procesy  metaboliczne,  zast powane  s   przez  atomy  innych  pierwiastków  lub  grupy 

atomów, nazywane podstawnikami lub grupami funkcyjnymi. W zwi zkach organicznych, z w glem 

oprócz  wodoru,  najcz ciej  tworz   wi zania:  tlen,  azot,  siarka  i  fosfor.  W  ró nych  wzajemnych 

stosunkach  do  siebie,  s   one  obecne  w  w glowodanach,  lipidach,  białkach,  kwasach  nukleinowych. 

Najcz ciej wyst puj ce grupy funkcyjne w zwi zkach organicznych pokazano w tablicy 3.4. 

 

Tablica 3.4. Wybrane grupy funkcyjne wyst puj ce w zwi zkach organicznych. 

Grupa funkcyjna  

Wzór 

strukturalny 

Charakter  

Zwi zki, w których wyst puje 

 

Aminowa 

Estrowa 

 

RNH

2

 

RCOOR 

 

Jonowy 

Polarny 

 

Aminy, aminokwasy 

Estry 

 

4

Fosforanowa 

Karboksylowa 

Karbonylowa 

 

Sufhydrylowa 

 

RCOOH 

RCOH 

RCOR 

RSH 

Jonowy 

Jonowy 

Polarny 

 

- 

Fosforany organiczne, ATP 

Kwasy organiczne 

Aldehydy,  

ketony 

Tiole 

 

Bardzo skrótow  charakterystyk  czterech podstawowych grup zwi zków organicznych maj cych 

najwi ksze znaczenie dla  ycia i obiegu mikrobiologicznego pierwiastków zamieszczono w tablicy 3.5. 

Wiele cz steczek wyst puj cych w  rodowisku naturalnym składa si  z tysi cy atomów. S  one 

nazywane  makrocz steczkami.  Najcz ciej  s   to  polimery,  czyli  zwi zki  zbudowane  z  mniejszych 

takich samych chemicznie cz steczek nazywanych monomerami lub merami. Naturalnymi polimerami 

s , kauczuk naturalny, celuloza, skrobia, białka (tworzone przez aminokwasy), czy bardzo specyficzne 

polimery  jakimi  s   kwasy  nukleinowe:  DNA  oraz  RNA  (Ville  i  inni).  W  rodowisku  naturalnym 

wyst puj  ju  tak e polimery wytworzone przez człowieka, czyli polimery syntetyczne np.: polietylen 

(PE),  polipropylen  (PP),  polistyren  (PS),  politeraftalan  etylu  (PET),  polichlorek  winylu  (PCW), 

Polimetakrylan  metylu  (znany  tak e  pod  nazw   Plexiglasu  lub  szkła  organicznego),  kauczuki 

syntetyczne oraz wiele innych.  

 

Tablica 3.5. Wybrane grupy zwi zków organicznych istotnych dla procesów metabolicznych. 

Grupa 

Pierwiastki 

składowe 

Opis  

Podstawowa rola 

 

W glowodany 

 

 

 

 

 

 

 

 

Lipidy 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Białka 

 

 

Kwasy nukleinowe  

 

 

C, H, O 

 

 

 

 

 

 

 

 

C, H, O 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

C, H, O, N i 

na ogół S 

 

C, H, O, N, 

P  

 

C : H : O = 1 : 2 : 1 

Wyst puj  w postaci 

cukrów prostych (np. 

ryboza, pentoza, glukoza, 

fruktoza), disacharydów 

(np. sacharoza, maltoza), 

polisacharydów (np. 

glikogen, celuloza). 

 

Wyst puj  w postaci 

tłuszczów oboj tnych 

(wła ciwych), fosfolipidów, 

sterydów, kartenoidów, 

wosków. 

 

 

 

 

 

Tworzone z aminokwasów. 

 

 

DNA, RNA. 

 

Magazyn energii składnik innych 

zwi zków: np. kwasów 

nukleinowych, składnik strukturalny 

cian komórkowych. 

 

 

 

 

 

Najbardziej ekonomiczna forma 

magazynowania energii, paliwo 

komórkowe, zapewniaj  izolacj  

termiczn  organizmów, składniki 

strukturalne komórek i błon 

plazmatycznych, barwniki ro linne 

niektóre s  hormonami, tworz  

cholesterol, witaminy lub  ródła 

witamin (D, A). 

 

Słu  jako enzymy, elementy 

strukturalne. 

 

Przechowywanie, przekazywanie i 

ekspresja informacji (genetycznej) w 

procesach  yciowych. 

 

Wodór 

Symbol H, (hydrogenium), liczba atomowa. 1, masa atomowa 1,00794; posiada 3 izotopy: wodór 

lekki  H

1

1

; deuter H

2

1

 oraz tryt  H

3

1

. Jest gazem. bezwonnym, bezbarwnym, słabo rozpuszczalnym w 

wodzie.  Powstawanie  wodoru  zauwa ył  ju   szesnastowieczny  chemik  (alchemik)  Paracelsus,  ale 

dopiero  Cavendish  w  1766  roku  wyizolował  wodór,  zbadał  i  okre lił  jego  niektóre  wła ciwo ci; 

dopiero jednak Lavoisier stwierdził,  e jest on składnikiem wody. 

We  wszech wiecie  wodór  jest  najbardziej  rozpowszechnionym  pierwiastkiem.  (drugim  pod 

wzgl dem rozpowszechnienia w Kosmosie jest hel). Chocia  na Ziemi wodór nale y do pierwiastków 

tak e o najwi kszym rozpowszechnieniu, jego zawarto  procentowa w ród innych pierwiastków jest 

 

5

wielokrotnie mniejsza ni  we Wszech wiecie. Jego zawarto  we wszystkich sferach wynosi 

≈0,87% 

mas. (w skorupie ziemskiej – 0,22% mas., w oceanach i wodach słodkich) – 11% mas., w atmosferze 

(jako wolny H

2

) – 0,5 ppm). Praktycznie, wodór na Ziemi wyst puje prawie wył cznie w zwi zkach. 

W  stanie  wolnym  w  ladowych  ilo ciach  pojawia  si   w  gazach  wulkanicznych  i  gazie  ziemnym. 

Wi kszo  wodoru niezb dnego do tworzenia materii organicznej dostarcza woda. Ponadto zwi zany 

jest  on  w  materii  organicznej  oraz  głównie  w  paliwach  kopalnych  (w glu  kamiennym  i  brunatnym, 

ropie naftowej oraz gazie ziemnym). Innymi bardzo istotnymi zwi zkami bior cymi udział w obiegu 

wodoru jest amoniak i jego pochodne w tym szczególnie jon amoniowy (amonowy). Jon amoniowy 
(

+

4

NH )  jest  tak e  niezwykle  istotny  w  obiegu  azotu,  poniewa   stanowi  jedn   z  najłatwiej 

przyswajalnych form azotu przez organizmy  ywe.  

Technicznie, wodór otrzymywany jest w wyniku reakcji konwersji pary wodnej z w glowodorami 

Tak  wytwarzane  jest  80%  wodoru  na  wiecie.  Najcz ciej  jest  to  reakcja  pary  wodnej  z  paliwem 
stałym  (np.  koksem),  lub  metanem,  biegn ca  w  temperaturze  1000

÷1000°C  w  wyniku,  czego 

otrzymuje  si   gaz  wodny:  mieszanin   tlenku  w gla  (40%),  wodoru  (ok.  50%)  oraz  innych  gazów: 

ditlenku w gla, w glowodorów i azotu. Reakcje te mo na zapisa  równaniami: 

)

(

2

)

(

)

(

2

)

(

4

3

g

g

g

g

H

CO

O

H

CH

+



←→



+

 

 

 

 

(3.1) 

)

(

2

)

(

2

)

(

2

)

(

g

g

g

g

H

CO

O

H

CO

+



←→



+

   

 

 

 

(3.2) 

)

(

2

)

(

)

(

2

)

(

g

g

g

s

H

CO

O

H

C

+



←→



+

 

 

 

 

 

(3.3) 

Obecnie  wodór  zu ywany  jest  w  60%  do  produkcji  amoniaku  (głównie  w  celu  produkcji 

nawozów  sztucznych)  w  syntezie  Habera,  w  23%  do  procesów  hydrokrakingu,  uwodorniania  i 

odsiarczania paliw w przemy le petrochemicznym, w 8% do uwodorniania tłuszczów nienasyconych 

w  przemy le  spo ywczym  oraz  jako  gaz  redukcyjny  w  metalurgii.  Energetyczne  znaczenie  wodoru 

objawia  si   jedynie  w  procesach  petrochemicznych,  w  syntezie  metanolu  (jako  szeroko  poj tego 

surowca energetycznego) z gazu syntezowego (CO+H

2

), oraz syntezie Fischera-Tropscha (produkcji 

paliw płynnych tak e z gazu syntezowego). Ocenia si  jednak,  e znaczenie wodoru b dzie rosło i w 

niedługim  czasie  80%  wodoru  b dzie  zu ywane  do  celów  energetycznych.  Nadziej   budzi 

zastosowania  w  przyszło ci  wodoru  jako  tzw.  czystego  paliwa,  np.  w  ogniwach  paliwowych,  co 

b dzie miało znacznie dla poprawy stanu  rodowiska naturalnego. 

  

Fosfor 

Symbol P, (phosphorus) liczba atomowa 15, masa atomowa 30,9738; niemetal; tworzy odmiany 

alotropowe:  fosfor  biały,  fosfor  czerwony,  fosfor  fioletowy,  fosfor  czarny,  zw.  metalicznym. 

Otrzymany w 1669 roku przez Brandt. 

Jest  jednym  z  bardziej  pospolitych  pierwiastków  wyst puj cych  w  przyrodzie.  W  skorupie 

ziemskiej jest go około 0,12%. Jedyn  stabiln  mineraln  form  fosforu s  fosforany. Jest to główna 

forma  wyst powania  fosforu  w  przyrodzie.  Podstawowymi  minerałami  s :  apatyty 
3Ca

3

(PO

4

)

2

⋅Ca(F,Cl)

2

 oraz fosforyt Ca

3

(PO

4

)

2

. Pokłady apatytów stanowi  naturalne  ródło nawozów 

mineralnych.  Jest  to  praktycznie  jedyne  ródło  fosforu  umo liwiaj ce  jego  asymilacj   przez 

organizmy  ywe  i  uzyskania  organicznych  zwi zków  fosforu  takich  jak  DNA,  RNA,  ATP,  białka. 
Wyst puje tak e w muszlach, ko ciach, z bach w postaci apatytu w glanowego 3Ca

3

PO

4

⋅CaCO

3

⋅H

2

O) 

lub apatytu hydroksylowego 3Ca

3

(PO

4

)

2

⋅Ca(OH)

2

. Fosfor zwi zany organicznie stanowi, wi c wa ny 

składnik organizmów  ywych. 

 

Cykl biogeochemiczny 

Cykl  biogeochemiczny  opisuje  drog   pierwiastka  w  trakcie  jego  przemian  we  wszystkich 

procesach geologicznych, fizycznych, chemicznych i biochemicznych uwzgl dniaj c wszystkie formy 

i stany, w jakich wyst puje w atmosferze, hydrosferze oraz litosferze. Szczególnie wa ne s  procesy i 

reakcje, dzi ki którym pierwiastki s  pobierane, asymilowane a nast pnie wydzielane przez organizmy 

ywe a tak e czas, przez jaki one przebywaj  w biosferze i uczestnicz  w tych procesach. Opis takiego 

cyklu  pierwiastka  wymaga  dokładnej  znajomo ci  i  zrozumienia  własno ci  zwi zków  zawieraj cych 

pierwiastek  oraz  praw  rz dz cych  opisywanymi  procesami  fizykochemicznymi,  biochemicznymi  i 

 

6

geologicznymi. Wymaga umiej tno ci opisania równowagi termodynamicznej (fazowej i chemicznej), 

kinetyki procesu, bilansu procesu. Opisywanie i analizowanie biologicznych przemian w gla, azotu i 

siarki  wymaga  badania  aktywno   mikroorganizmów  (wszechobecnych  we  wszystkich  sferach), 

przede  wszystkim,  dlatego  e  odpowiadaj   za  wi kszo   procesów  biochemicznych  zawartych  w 

globalnych cyklach biogeochemicznych.  

Najpierwotniejszymi  i  najbardziej  podstawowymi  potrzebami  yciowymi  ka dej  komórki  lub 

ustroju  jest  akumulacja  energii  oraz  asymilacja,  czyli  przyswajanie  z  otoczenia  zwi zków 

chemicznych  i  pierwiastków,  koniecznych  do  odtwarzania  strukturalnych  i  funkcjonalnych 

składników,  które  zu ywaj   si   w  procesach  metabolicznych.  Procesy  asymilacji,  zwi zane  s   z 

procesami  dysymilacji,  czyli  procesami  wydalania  produktów  metabolizmu  w  taki  sposób,  a eby 

zachowa  stan równowagi dynamicznej.  

W przeciwie stwie do obiegu pierwiastków, przepływ energii w ekosystemach nie jest cykliczny, 

poniewa   ani  ekosystemy  ani  organizmy  nie  s   zdolne  do  utrzymywania  zamkni tego  jej  obiegu. 

Podczas ka dej przemiany energetycznej cz

 energii ulega rozproszeniu.  

Zdolno ci do akumulacji energii i asymilacji nie s  jednakowe dla wszystkich organizmów. Jedne 

mog   czerpa   energi   i  materi   wył cznie  z  rozkładu  zwi zków  organicznych  inne  mog  

wykorzystywa  energi  pochodzenia nieorganicznego. Z sze ciu podstawowych pierwiastków jedynie 

wodór, tlen i fosfor mog  by  przyswajane w postaci prostych nieorganicznych zwi zków, takich jak 

woda, fosforany oraz tlen atmosferyczny. Pozostałe: siarka, azot i w giel mog  by  asymilowane ze 

zwi zków  nieorganicznych  jedynie  przez  niektóre  organizmy.  W  zwi zku  z  tym  mo na  dokona  

jednego z podziałów organizmów  ywych na dwa główne typy: 

Organizmy  autotroficzne  (producenci).  Nale   do  nich  ro liny,  glony  i  niektóre  bakterie.  Ich 

Metabolizm  pozwala  im  przyswaja   w giel  nieorganiczny  (dwutlenek  w gla  lub  rozpuszczone  jony 

w glanowe) a  ródłem energii do syntezy organicznych zwi zków w gla jest: 

a)  wiatło – mówi si  wtedy o organizmach fototroficznych (fotosyntetyzuj ce). 

b)  Reakcje  chemiczne  (reakcje  redoks)  –  mówi  si   o  organizmach  chemotroficzych 

(chemosyntetyzuj cych). 

Organizmy heterotroficzne (konsumenci – cudzo ywne). Nale  do nich np. wszystkie zwierz ta 

(w tym człowiek), które nie potrafi  przyswaja  w gla nieorganicznego i do podtrzymywania swoich 

procesów  yciowych,  oraz  do  budowy  swoich  organizmów  wykorzystuj   materi   organiczn  

wyprodukowane  przez  inne  organizmy  ywe  –  autotroficzne,  heterotroficzne  oraz  reducentów). 

Cz ci   wiata heterotrofów s  reducenci (destruenci). Nale  do nich grzyby oraz wi kszo  bakterii. 

rodki do  ycia zdobywaj , rozkładaj c odpady organiczne i obumarł  materi  organiczn , uwalniaj c 

do  rodowiska składniki zawarte w resztkach, umo liwiaj c w ten sposób ponowne ich wykorzystanie 

przez inne organizmy.  

Zachodz ca  pomi dzy  producentami  oraz  konsumentami  wymiana  gazowa  w  rodowisku 

nieo ywionym i za jego po rednictwem powoduje utrzymanie w całym ekosystemie stanu równowagi 

wyra aj cej si  mi dzy innymi poprzez zachowanie stało ci składu atmosfery sprzyjaj cemu  yciu.  

Nale y  bardzo  mocno  podkre li ,  e  obie  grupy  organizmów  s   niezb dne  do  utrzymania  tego 

stanu równowagi. Nale y jedynie stara  si , a eby jeden z uczestników (w tym przypadku człowiek) 

tej  swoistej  „gry”,  swoj   „zachłanno ci ;  nie  spowodował  trwałego  naruszenia  tej  wytworzonej 

równowagi. 

 

Biogeochemiczny cykl w gla  

Niech na pocz tku niech zostan  podkre lone i przypomniane pewne podstawowe fakty: 

1.  ¾  w gla  wyst puj cego  w  zewn trznych  warstwach  Ziemi  wyst puje  w  postaci 

nieorganicznej. 

2.  Całkowita  ilo   biomasy  w  oceanach  jest  200  razy  mniejsza  ni   na  powierzchni  l dów 

stałych. 

3.  Głównym  ródłem  tlenu  w  oceanach  jest  w giel  nieorganiczny.  Jest  to  zwi zane  z 

rozpuszczaniem ditlenku w gla w wodzie. 

4.  Podstawowymi  procesami  w  obiegu  w gla  s :  proces  fotosyntezy  i  proces 

spalania/oddychania).  Obieg  w gla  jest  nierozerwalnie  zwi zany  na  Ziemi  z  obiegiem 

w gla – głównie poprzez procesy fotosyntezy oraz spalania (oddychania). Dlatego te  obieg 

 

7

tlenu  nie  b dzie  odr bnie  omawiany  a  przemiany  te  w  wystarczaj cym  stopniu,  dla  tego 

podr cznika s  omówione w tej cz ci rozdziału. 

 

 

Rysunek 3.1. Globalny obieg w gla w przyrodzie. 

 

Rysunek 3.1 przedstawia obieg w gla. Liczby w owalach oznaczaj  ilo ci w gla zmagazynowane 

w  poszczególnych  sferach;  liczby  przy  strzałkach  odpowiadaj   wielko ci  rocznych  strumieni  w 

przeliczeniu na pierwiastek. Rysunek przedstawia z konieczno ci bardzo przybli ony bilans masowy 

obiegu pierwiastków, w formie graficznej. 

Procesy przyswajania w gla mog  przebiega  warunkach: 

a)  Tlenowych – w reakcji fotosyntezy: 

{

}

n

UV

O

CH

H

n

CO

n

2

2

2

→



+

   

 

 

 

 

(3.4) 

b)  Beztlenowych, np. w reakcji chemosyntezy: 

{

}

S

n

O

CH

S

H

n

CO

n

n

+

→



+

2

2

2

   

 

 

 

(3.5) 

Główna  uwaga  w  rozwa aniach,  tego  rozdziału,  zostanie  skoncentrowana  przede 

wszystkim na procesie fotosyntezy. Jej znaczenie jest wielostronne. Jest ona: 

- 

ródłem  tlenu  cz steczkowego  –  ditlenu,  który  jest  niezb dny  dla  procesów 

yciowych wi kszo ci organizmów  ywych na Ziemi, w tym organizmów wy szych, 

-  przemian , w której syntetyzowane s  zwi zki organiczne (materia organiczna), 

-  procesem, w którym nast puje magazynowanie energii (słonecznej) w postaci energii 

chemicznej gromadzonej w wi zaniach zsyntetyzowanej materii organicznej; energia 

ta  jest  odzyskiwana  w  procesie  utleniania  powstałych  zwi zków  organicznych, 

niezale nie  od  tego  czy  to  b dzie  proces  spalania  paliw  kopalnych  czy  oddychanie 

komórkowe.  

Fotosynteza jest procesem endotermicznym – energia dostarczana jest w formie kwantów 

energii promieniowania (słonecznego). Oddychanie jest procesem egzotermicznym – energia 

jest  w  nim  wydzielana.  Schematyczny  obraz  zwi zku  procesu  fotosyntezy  (tlenowej)  z 

oddychaniem (tlenowym) przedstawia równanie: 

{

}

energia

O

n

O

CH

H

n

CO

n

n

±

+



←→



+

2

2

2

2

   

 

(8.6) 

Szczegółowe  mechanizmy  procesu  fotosyntezy  a  tak e  oddychania  s   bardziej  zło one  ni  

przedstawiony schemat reakcji fotosyntezy i nie b d  tutaj omawiane. S  to procesy wieloetapowe o 

skomplikowanym mechanizmie z udziałem ró nych zwi zków chemicznych, z których najwa niejsze 

to:  barwniki  asymiluj ce 

wiatło  (np.  chlorofil),  ATP  (adenozynotrójfosforan),  ADP 

 

8

(adenozynodifosforan),  koenzymy:  NAD

+

,  NADH+H

+

,  NADP

+

,  acetylokoenzym  A  (acetylo-CoA), 

pochodne  kwasów  organicznych  oraz  wiele  innych  zwi zków.  Reakcje  s   procesami  oksydacyjno 

redukcyjnymi  (typu  redoks). Pewne ogólne podsumowanie reakcji fotosyntezy zawarte jest w tabeli 

3.6. Uwypukla one rol  niektórych przemian cz stkowych i substratów, w tym energii słonecznej. 

 

Tablica 3.6. Zestawienie wybranych przemian dla procesu fotosyntezy. 

reakcja 

Opis przemiany 

Substraty i inne niezb dne 

czynniki 

Najwa niejsze 

produkty 

przemiany 

 

I. zale ne od 

wiatła 

 

 

 

a) reakcje 

fotochemiczne 

 

b)transport 

elektronów 

 

c) chemiosmoza 

 

Energia niesiona przez kwanty  wiatłoa 

słonecznego powoduje rozkład wody, 

wyprodukowanie ATP (adezynotrifosforanu) i 

redukcji koenzymu NADP

+

. 

 

Wzbudzenie chlorofilu, przekazanie 

wzbudzonego elektronu. 

 

Przenoszenie elektronu do akceptorów w 

chloroplastach, rozkład wody. Powstawanie 

gradientu H

+

w błonie chloroplastu 

 

Przemieszczanie si  H

+ 

w chloropla cie, 

powstawanie ATP w wyniku uwalniania si  

energii w tym procesie. 

 

 

 

 

 

 

 

Kwant  wiatła, barwnik np. 

chlorofil. 

 

Elektrony, koenzymu NADP

+

, 

woda, akceptory elektronów. 

 

Gradient st enia H

+

, ADP 

(adezynodiifosforan). 

 

 

 

 

 

 

Elektrony 

 

 

NADPH+H

+

, O

2

 

 

ATP 

 

II. niezale ne od 

wiatła 

 

 

Asymilacja w gla, synteza cukrów prostych. 

 

CO

2

, ATP, enzymy,  

rybulozo-bis-fosforan 

 

W glowodany, 

ADP 

 

Równanie, które jest zwykle pisane jako przykładowe dla procesu oddychania tlenowego: 

energia

CO

O

H

O

O

H

C

+

+

→



+

2

2

2

6

12

6

6

6

6

(ATP) 

 

 

(3.7) 

oddaje tak e tylko w pewnej mierze sumaryczny jej przebieg; sam proces mo na podzieli  na 4 etapy: 

a) 

Glikoliz   -  proces  przemiany  glukozy  w  cz steczki  pirogronianu  z  wytworzeniem 

(CH

3

COCOOH  –  kwas  pirogronowy)  z  wytworzeniem  min.  ATP  jako  no nika  energii. 

Ogólny schemat glikolizy mo na przybli y  równaniem 

D-glukoza + 2HPO

4

 

2-

 + 2ADP

-

 + 2NAD     2CH

3

CH(OH)COO

-

  + 2 H

2

O + 2ATP + 2NADH + 2H

+

 

b) 

Tworzenie Aceytlo-CoA – w którym uwalniany jest ditlenek w gla. 

c) 

Cykl kwasu cytrynowego – tak e z uwalnianiem CO

2

. 

d) 

Transport elektronów i chemiosmoz . 

Powy sze procesy nie b d  omawiane tutaj. 

Oprócz  procesów  tlenowych  w  obiegu  mikrobiologicznym  w gla  wa n   rol   odgrywaj   tak e 

procesy beztlenowe (mniej wydajne ni  procesy tlenowe), z których podstawowymi s : chemosynteza, 

oddychanie beztlenowe, fermentacja beztlenowa (np. alkoholowa, mleczanowa), fermentacja metanowa 

(z  obiegiem  metanu  zwi zany  jest  tak e  proces  mikrobiologicznego  jego  utleniania).  Porównuj c 

procesy  tlenowe  i  beztlenowe  mo na  zauwa y ,  e  w  oddychaniu  tlenowym  ko cowym  akceptorem 

wodoru  powstaj cego  na  ró nych  jego  etapach  jest  tlen  a  w  oddychaniu  beztlenowym  siarczany  i 

azotany.  W  fermentacji  tak   rol   pełni   zwi zki  organiczne  (a  nie  zwi zek  nieorganiczny).  Procesy 

fermentacji s  tak e bardzo skomplikowane i wieloetapowe (pierwszy etap tak e stanowi glikoliza). Nie 

b d   tak e  bli ej  opisane.  Ogólny  schemat  fermentacji  (etanolowej)  mo na  natomiast  przybli y  

równaniem: 

C

6

H

12

O

6 

+ 2ADP +  fosforan nieorganiczny      2C

2

H

5

OH + 2CO

2 

+ 2ATP  

 

 

(3.9) 

W  warunkach  beztlenowych  mo e  zachodzi ,  z  udziałem  bakterii  metanogennych,  fermentacja 

metanowa.  Procesy  takie  zachodz   min.  w  nie  natlenionych  wodach  stoj cych,  bagnach,  wodach 

bagiennych,  ciekach. Procesy mog  by  tak e wykorzystywane do utylizacji osadów  ciekowych w 

celu odzyskanie cz ci energii (w postaci metanu). Proces mo e przebiega  wg dwóch schematów: 

 

9

a) w przypadku braku  ródła elektronów nast puje rozkład ró nych zwi zków organicznych np. 

kwasów  alifatycznych  lub  alkoholi,  tłuszczy.  Powstaj ce  produkty  gazowe  stanowi   mieszanin  

ró nych zwi zków, w których mo e by  tak e wodór (powstaj cy w towarzysz cych procesach): Dla 

kwasu  octowego  reakcja  fermentacji  mo e  by   zapisana  w  najprostszy  sposób  równaniem  (dla  tzw. 

fermentacji kwa nej): 

2

4

3

CO

CH

COOH

CH

+

→



  

 

 

 

 

 

(3.10) 

b) W przypadku istnienia  ródła elektronów w  rodowisku w postaci wodoru nast puje redukcja 

ditlenku w gla z wytworzeniem metanu i wody. 

O

H

CH

H

CO

2

4

2

2

2

4

+

→



+

 

 

 

 

 

 

(3.11) 

Oprócz procesów mikrobiologicznych w obiegu w gla bior  udział procesy geologiczne (procesy 

wietrzenia  skał  wapiennych,  erozji  gleb  itp.  oraz  chemiczne  i  fizyczne  (w  tego  typu  procesach 

powstały  tak e  z  obumarłej  materii  organicznej  paliwa  kopalne).  Do  tych  ostatnich  nale   równie  

procesy  rozpuszczania  ditlenku  w gla  w  wodach  oceanów  i  wód  ródl dowych  oraz  procesy 

rozpuszczania skał wapiennych (w glanów) w wodzie. Ich fizykochemia została pokazana w rozdziale 

4, przy omawianiu równowagi fazowej i chemicznej. 

Istotny  wkład  w  obieg  w gla  wnosz   równie   procesy  zwi zane  z  działalno ci   człowieka: 

procesy  eksploatacji  paliw  kopalnych  i  ich  spalanie  w  celach  energetycznych.  Tak e  wykorzystanie 

biomasy jako surowca energetycznego. Istnieje jednak pewna ró nica w wykorzystaniu biomasy oraz 

paliw kopalnych i wpływu ich spalania na  rodowisko naturalne obecnie. Spalanie paliw kopalnych 

jest oddawaniem  rodowisku w obecnych czasach, energii i ditlenku w gla zasymilowanego miliony 

lat temu. Spalanie biomasy np. spalanie wierzby, malwy czy innej specjalnie uprawianej w tych celach 

ro liny a nawet spalenie odpadów organicznych (trocin, kory, osadów  ciekowych), powoduje oddanie 

rodowisku  ditlenku  w gla  zasymilowanego  rok,  dwa  lata  a  w  najgorszym  razie  kilkadziesi t  lat 

wcze niej.  Mo na  wi c  mówi   w  takim  przypadku  o  „zerowej  emisji”  CO

2

.  Dokonuje  si ,  bowiem 

jedynie  obieg  w gla  w  krótkim  lub  bardzo  krótkim  horyzoncie  czasowym:  CO

2

  –  asymilacja  – 

spalenie – CO

2

.  

Biogeochemiczny cykl azotu  

Uwa a si ,  e drugim, co do wa no ci cyklem pierwiastkowym jest obieg azotu. Azot 

atmosferyczny, który stanowi 78 % obj to ci atmosfery ziemskiej wyst puje, jak ju  wspomniano, w 

postaci cz steczki dwuatomowej, która charakteryzuje si  nisk  reaktywno ci . Wynika to z trwało ci 

potrójnego wi zania N

≡N. Do jego rozerwania potrzeba 950 kJ/ mol. 

 

Rysunek 3.2 Globalny obieg azotu w  rodowisku. 

 

Globalny obieg azotu pokazano na rysunku 3.2, który tak e jest pewnym przybli onym bilansem 

masowym azotu w przyrodzie, bardzo przybli onym. 

 

10

Obieg  azotu  jest  zdominowany  przez  reakcje  biegn ce  z  udziałem  mikroorganizmów.  Ogólny 

zarys mikrobiologicznych procesów przemian azotu pokazany jest z kolei na rysunku 3.3. 

 

Rysunek 3.3. Mikrobiologiczny obieg azotu 

 

Obieg  azotu,  mo e  by   pokazany  tak e  w  innej  postaci  graficznej,  uwzgl dniaj cej  stopie  

utlenienia azotu oraz trwało ci zwi zku, w którym azot wyst puje w przyrodzie (Rysunek 3.4). 

 

Rysunek 3.4. Przemiany zwi zków azotu z pokazaniem stopnia jego utlenienia. 

 

Poni ej przedstawiono wybrane, najwa niejszych reakcje z mikrobiologicznego obiegu azotu. 

 

Wi zanie azotu  

Reakcja

  wi zania  azotu  jest  niekorzystna  energetycznie,  gdy   wymaga  dostarczenia  energii. 

Ponadto jest to reakcja ze zmian  stopnia utlenienia azotu z „0” na „-3” a wi c jest to połówkowa 

reakcja redukcji, która wymaga drugiej reakcji – reakcji utleniania, w której elektrony s  dostarczane. 

Tak  reakcj  jest utlenianie w glowodanów do ditlenku w gla. Równania obu reakcji mo na zapisa  

w postaci uproszczonej w nast puj cy sposób: 

3

)

(

47

4

4

5

3

2

2

2

⋅

−

=

∆

+

+

→



+

+

e

mol

kJ

G

e

O

H

CO

O

H

O

CH

 

(3.12) 

 

2

)

(

27

8

2

6

8

2

4

3

2

⋅

=

∆

+

→



+

+

+

+

e

mol

kJ

G

O

H

NH

e

O

H

N

 

(3.13)

 

co daje sumaryczne równanie reakcji: 

)

/(

87

4

3

4

2

3

2

4

2

3

2

2

e

mol

kJ

G

O

H

NH

CO

O

H

N

O

CH

−

=

∆

+

+

→



+

+

+

+

 

(8.14) 

W  wyniku  powi za   mi dzy  obiegami  w  tym  przypadku  obiegiem  w gla  i  azotu  mo liwy  jest 

przebieg niekorzystnych energetycznie reakcji połówkowych.  

 

11

Ponad  100  lat  temu  w  rozwoju  rolnictwa  pojawiła  si   bariera  nawozowa  -  okazało  si ,  e  ilo   wi zanego  azotu  w 

procesach  naturalnych  jest  zbyt  mała  a eby  mo na  było  tradycyjnymi  metodami  (nawet  z  wykorzystaniem  naturalnych 

pokładów  nawozów  mineralnych)  zwi kszy   plony  upraw.  Intensywne  prace  badawcze  doprowadziły  do  tego,  e 

opracowano  proces  syntetycznego  wytwarzania  amoniaku  a  wi c  i  nawozów  sztucznych  (mocznika  (NH

2

)

2

CO  z  azotu 

atmosferycznego i wodoru produkowanego z kolei z metanu (z gazu ziemnego). Technologia ta znana pod nazw  syntezy 

Habera  (wynaleziona  przez  Habera  i  udoskonalona  przez  Boscha)  daje  obecnie  około  80

⋅10

6

Mg/rok tego produktu. Ilo  

azotu  wi zanego  przez  mikroorganizmy  na  Ziemi  wynosi  50÷150·10

6

Mg/rok  (w  pod  normalnym  ci nieniem  i  w  niskiej 

temperaturze).  Ilo ci  azotu  wi zanego  przez  mikroorganizmy  i  nawozów  sztucznych  w  przeliczeniu  na  amoniak  s  

porównywalne. W ogólny obieg azotu na Ziemi prawie od stu lat wchodzi ju  wi c tak e proces syntezy Habera, który jest 

dziełem człowieka Synteza przemysłowa jest bardzo energochłonna. Proces realizowany był pocz tkowo w temperaturze 

500

÷550°C  i  ci nieniu  30÷35MPa  w  obecno ci  katalizatora  niklowego.  Obecnie  w  wynku  post pu  w  technologii  te 

drastyczne warunki zostały złagodzone. Synteza opisywana jest sumarycznie prostym równaniem reakcji 

mol

kJ

NH

H

N

/

1

,

94

2

3

3

2

2

+



←→



+

  

(3.15)

 

Proces  wi zania  azotu  (przebudowy  azotu  atmosferycznego  w  jony  amonowe  a  nast pnie  jony  azotanowe)  jest 

niedost pny dla wi kszo ci organizmów w tym dla ro lin zielonych (i glonów). Dla ro lin  ródłem azotu mog  by  jedynie 

mineralne sole azotu rozpuszczone w wodzie. Proces chemicznego wi zania azotu przebiega w procesach przemysłowych, 

o czym był  mowa w ramce 8.2 oraz podczas wyładowa  atmosferycznych (mo liwe jest wtedy dostarczanie du ej energii 

umo liwiaj cej  rozbicie  wi zania  w  cz steczce  azotu  N

≡N.  Przebiega  tak e  w  łagodnych  warunkach  w  procesach 

biologicznych,  które  biegn   zarówno  w  ekosystemach  l dowych  jak  i  wodnych.  W  pierwszym  przypadku  proces  jest 

prowadzony  głównie  przez  bakterie  (Rhizobium  –  zwane  bakteriami  brodawkowymi)  a  w  drugim  przez  sinice;  w  obu 

przypadkach  do  rozbicia  potrójnego  wi zania  N

≡N  u ywany  jest  enzym  nazwany  nitrogenaz .  Nitrogenaza  mo e  by  

aktywna  jedynie  w  warunkach  beztlenowych,  co  okre la  warunki,  w  których  si   to  odbywa.  Równania  reakcji  (3.13)  oraz 

(3.14) okre laj  sumaryczny przebieg procesu wi zania azotu.

 

Amonifikacja  

Wi kszo   azotu  organicznego  jest  zwi zana  w  aminokwasach,  które  s   składnikami  białek. 

Rozkładaj ce  si   ro liny  i  zwierz ta  powoduj   powstawanie  amoniaku  lub  jonów  amoniowych  (w 

zale no ci od pH  rodowiska), czyli przej cie azotu w form  zredukowan . Na przykład w reakcji: 

O

H

CO

NH

O

H

O

NHCOOH

CH

2

2

4

3

2

3

4

4

2

2

3

2

+

+



←→



+

+

+

+

 

(3.16) 

Nitryfikacja 

Proces  nitryfikacji  jest  to  proces  przemiany  azotu  amonowego  w  posta   azotanów.  Azotany  s  

bardzo dobrze rozpuszczalne w wodzie i łatwo ulegaj  wymywaniu z gleby. Dlatego cały czas musz  

by   do  niej  dostarczane.  S   one  tam  niezb dne,  poniewa   azot  wyst puj cy  w  tej  formie  jest  łatwo 

przyswajany  przez  ro liny.  Jony  amonowe  znajduj   si   w  glebie  jako  produkt  procesu  amonifikacji 

oraz  s   tak e  dostarczane  z  nawozami  (w  tym  mineralnymi).  Reakcja  przebiega  dwustopniowo 

zgodnie  z  równaniami  z  udziałem  bakterii  tlenowych  z  rodzaju  Nitrosomonas  i  Nitrococcus  w 

pierwszym etapie oraz z rodzaju Nitrobacter w drugim etapie. 

as

Nitrosomon

O

H

NO

O

H

O

NH

+

−

+

+



←→



+

+

3

2

2

2

4

4

2

2

3

2

  (3.17) 

r

Nitrobacte

NO

O

NO

−

−



←→



+

3

2

2

2

2

   

 

 

(3.18))

 

Reakcje  ta  przebiegaj   tak e  w  procesach  oczyszczania  cieków  zarówno  w  warunkach 

naturalnych jak i w biologicznych oczyszczalniach  cieków. 

Denitryfikacja 

Denitryfikacja  jest  procesem  „odzyskania”  azotu  cz steczkowego  z  azotanów.  Redukcja 

azotanów  do  amoniaku  (denitryfikacja  cz ciowa)  lub  do  azotu  cz steczkowego  (denitryfikacja 

całkowita)  zachodzi  w  warunkach  beztlenowych  pod  wpływem  niektórych  gatunków  bakterii 

glebowych  i  wodnych  Micrococcus  denitrificans,  Thiobacillus  denitrificans.  Denitryfikacja  jest 

jednym z etapów realizowanych w procesie biologicznego oczyszczania  cieków. Sumaryczna reakcja 

mo e by  zapisana równaniem:  

O

H

CO

N

NO

O

CH

2

2

2

3

2

7

5

2

4

5

+

+

→



+

−

 

 

 

 

(3.19) 

Podsumowuj c cz

 rozdziału dotycz c  mikrobiologicznego obiegu azotu nale y podkre li ,  e 

zaanga owane  s   w  nim  cztery  grupy  bakterii  bior cych  udział  w:  (1)  wi zaniu  azotu  –  przemianie 

azotu  nieorganicznego  w  organiczny,  (2)  amonifikacji  –  czyli  rozkładzie  zwi zków  organicznych 

 

12

azotu,  (3)  nitryfikacji  –  przemianie  azotu  amonowego  w  azotanowy,  (4)  denitryfikacji  –  redukcji 

azotanów z powrotem do azotu atmosferycznego (nieorganicznego). 

W całkowitym obiegu azotu oprócz procesów biologicznych zachodz  inne procesy: chemiczne, 

fizyczne i geologiczne (np. procesy rozpuszczania, i osadzania si  skał osadowych), erozji gleby i skał 

oraz  wiele  innych.  Istotn   rol   odgrywaj   reakcje  dotycz ce  przemian  tlenków  azotu  i  ich 

powstawania zachodz ce w górnych warstwach atmosfery – w tym szczególnie reakcje fotochemiczne 

(tak e z udziałem tlenu (O

2

 oraz O

3

). Reakcje te omawiane s  w innych rozdziałach ksi ki.  

Istotny  wkład  w  obieg  azotu  ma  współczesny  człowiek.  Wkład  ten  wnoszony  jest  na  wiele 

sposobów, z których najwa niejsze odbywaj  si  poprzez: 

1)  Produkcj   nawozów  azotowych  w  wyniku  stosowania  syntezy  Habera  (ramka  3.2). 

Szacowana ilo  zwi zanego azotu w procesie przemysłowym jest równowa na ilo ci azotu 

wi zanego w  rodowisku naturalnym przez mikroorganizmy. Produkcja ta daje tak e emisj  

tlenków azotu. 

2)  Spalanie  kopalin  w  celach  energetycznych,  co  powoduje  zwi kszenie  strumienia  tlenków 

azotu  cyrkuluj cego  w  rodowisku.  Tlenki  azotu  produkowane  w  ten  sposób  powstaj   w 

wyniku utlenienia azotu atmosferycznego (w wysokiej temperaturze procesu spalania) oraz 

wyniku spalenia azotu zwi zanego w paliwach. 

3)  Spalanie  ropy  naftowej  (benzyn)  silnikach  spalinowych  pojazdów  mechanicznych  ( ródło 

tlenków azotu takie samo jak przy spalaniu paliw w energetyce). 

Wymienione procesy geologiczne i fizykochemiczne, w tym tak e zwi zane z działalno ci  człowieka 

zostały uwzgl dnione na rysunku 3.2. 

 

Biogeochemiczny cykl siarki 

 

Rys.3.5. Globalny obieg siarki w  rodowisku naturalnym. 

 

Cykl siarki jest nie mniej istotny dla  ycia i  rodowiska na Ziemi ni  cykl azotu, jakkolwiek skala 

cyklu  mikrobiologicznego  siarki  jest,  co  najmniej  o  rz d  mniejsza.  Istnieje  znaczne  podobie stwo 

mi dzy obiegiem siarki i azotu. Objawia si  ono w kilku aspektach. Reakcje z udziałem siarki maj  

tak e charakter procesów redukcyjno-oksydacyjnych. Siarka na ró nych etapach wyst puje na wielu 

stopniach utlenienia. Zarówno siarka jak i azot w zwi zkach organicznych d

 do wyst powania w 

swojej najbardziej zredukowanej postaci (azot na– 3 stopniu utlenienia – w grupach aminowych –NH

2

 

a  siarka  na  –2  stopniu  utlenienia  –  w  grupach  –

SH)

  W  obu  przypadkach  istotn   rol   odgrywaj  

procesy biologiczne z udziałem mikroorganizmów. 

 

13

Najwa niejsze  strumienie  dla  obiegu  biogeochemicznego  siarki  przedstawiono  na  rysunku.  3.5, 

który jest równie  graficznym obrazem bilansu masowego siarki w  rodowisku naturalnym. 

Dwa przykłady procesów i reakcji zwi zanych z mikrobiologicznym obiegiem siarki podane s  

poni ej. 

 

Rozkład materii organicznej 

W  trakcie  rozkładu  zwi zków  organicznych  siarka  ulga  uwolnieniu  w  postaci  siarkowodoru  (z 

powierzchni  l dów)  b d   siarczku  dwumetylu  (w  przypadku  procesów  przebiegaj cych  w  wodach 

morskich).  Mo liwe  jest  tak e  wytwarzanie  siarki  pierwiastkowej  przez  niektóre  mikroorganizmy 

wyst puj ce na bagnach 

Schemat przykładowej reakcji rozkładu aminokwasu mo e by  przedstawiona równaniem: 

+

−

+

+

−



 →



+

−

−

4

3

2

2

2

2

NH

HS

COOH

CO

CH

O

H

SH

CH

CH

COOH

NH

enzymy

  (3.20)

 

Redukcja siarczanów 

Redukcja  siarki  mo e  przebiega   w  ró ny  sposób,  tak e  przy  udziale  mikroorganizmów.  Mo e 

przebiega   przy  niskim  pH  do  siarkowodoru  (jonów  HS

−

)  lub  do  siarki  w  stanie  wolnym  przy 

wy szym pH (powy ej 5,5). Zamiast do siarkowodoru lub HS

−

 redukcja mo e przebiega  równie  do 

siarczku dimetylu

. Reakcja połówkowa redukcji siarczanów jest energetycznie niekorzystna, dlatego 

mikroorganizmy  ł cza  j   z  reakcj   utleniania  w glowodanów.  Sumaryczne  reakcje  redukcji 

siarczanów mog  by  przedstawione równaniami: 

{

}

O

H

CO

HS

H

O

CH

SO

zmy

mikrorgani

2

2

2

2

4

2

2

2

+

+









→



+

+

−

+

−

   

 

(3.21) 

{

}

O

H

CO

S

H

O

CH

SO

zmy

mikrorgani

2

2

2

2

4

5

3

2

4

3

2

+

+









→



+

+

+

−

  

 

(3.22) 

 

 

Rysunek 3.6. Obieg siarki z pokazaniem zmiany stopnia utlenienia siarki. 

Obieg  siarki  został  znacznie  zintensyfikowany  szczególnie  przy  powierzchni  Ziemi  wskutek 

działalno ci człowieka w ci gu ostatnich 100÷150 lat. Wynika to z bardzo du ego rozwoju przemysłu 

wydobywczego, hutniczego wzrostu ilo ci spalanych paliw, co spowodowało wzrost ilo ci emitowanej 

siarki  w  postaci  dwutlenku  siarki.  W  ci gu  ostatnich  lat  człowiek  jednak  podj ł  tak e  działania 

zapobiegawcze  buduj c  instalacje  odsiarczania.  Nale y  zwróci   uwag ,  e  w  wyniku  działalno ci 

 

14

człowieka nast puje wzrost stopnia utlenienia siarki, podczas gdy siarka uczestnicz ca w naturalnych 

procesach  w  wi kszo ci  wyst puje  w  postaci  zredukowanej.  Na  rysunku  3.6  pokazano  reakcje 

przebiegaj ce z udziałem siarki w odniesieniu do stopnia utlenienia oraz z wyró nieniem tych reakcji, 

które przebiegaj  z udziałem mikroorganizmów.  

W latach siedemdziesi tych XX wieku, emisja ditlenku siarki ze  ródeł antropogenicznych była 

trzykrotnie wi ksza ni  ze  ródeł naturalnych. Problemy zwi zane z niekorzystnym oddziaływaniem 

SO

2

 na organizmy  ywe oraz materi  nieo ywion  a tak e podj te działania i opracowane technologie 

zmniejszaj ce  wielko   emisji  zwi zków  siarki  ze  ródeł  przemysłowych  poruszane  s   w  innych 

rozdziałach  ksi ki.  Dlatego  reakcje  i  procesy  z  udziałem  ditlenku  siarki  nie  s   omawiane  w  tym 

rozdziale, chocia  wnosz  du y udział w obieg siarki na Ziemi. 

Obieg fosforu  

Rozpuszczalno   zwi zków  fosforu  wyst puj cych  naturalnie,  jest  mała  b d   bardzo  mała. 

Dlatego  cykl  geochemiczny  obiegu  fosforu  jest  w  porównaniu  z  rozwa anymi  poprzednio  inny  a 

strumienie  wielokrotnie  mniejsze.  Geochemiczne  strumienie  przemieszczania  si   tego  pierwiastka 

zwi zane  s   głównie  z  transportem  stałych  zawiesin  i  osadów  w  wodach  oceanów  i  wodach 

powierzchniowych  oraz  pyłów  w  atmosferze.  W  postaci  jonów  fosforanowych  wypłukiwany  jest  z 

powierzchni l dowej do wód. Fosfor dosy  łatwo wypada ze swojego obiegu wła nie z powodu słabej 

rozpuszczalno ci jego zwi zków w wodzie. 

Rysunek  3.7.  daje  obraz  cyklu  obiegu  fosforu  na  kuli  ziemskiej.  W  olbrzymiej  wi kszo ci 

przypadków fosfor wyst puje w postaci fosforanów – jon fosforanowy – jest zwi zany z kationem w 

zwi zkach nieorganicznych ([Ca

10

(PO

4

)

6

(F,OH)

2

], fosforany wapnia, glinu,  elaza) lub w cz steczkach 

organicznych  przenosz cych  energi   jak  wspominany  ATP  a  tak e  przekazuj cych  informacj  

genetyczn   ja  kwasy  DNA  i  RNA.  Wynika  z  tego,  e  jest  on  niezb dny  dla  ycia  i  prawidłowego 

rozwoju  wszystkich  organizmów.  Dlatego  mo e  by   pewnym  wska nikiem  lub  miar   yzno ci 

ekosystemu. Cz sto tak e takim wska nikiem jest stosunek do siebie w gla azotu i fosforu C:N:P. 

 

 

Rysunek 3.7. Globalny obieg fosforu. 

 

Człowiek  wnosi  tak e  w  obieg  fosforu  swój  istotny  wkład,  podobnie  jak  przypadku  innych 

omawianych pierwiastków. Dzieje si  to na kilka sposobów, z których dwa s  najwa niejsze: poprzez 

produkcj  nawozów sztucznych (fosforanowych) oraz poprzez produkcj   rodków pior cych, w skład 
których  wchodz   zwi zki  fosforu.  Wła nie  polifosforany  (takie  jak  np.  jon  trifosforanowy 

−

5

10

3

O

P

) 

dodawane do detergentów (z zadaniem wi zania jonów magnezowych Mg

2+ 

oraz wapniowych Ca

2+

). 

Charakteryzuj   si   one  zwi kszon   rozpuszczalno ci   i  dlatego  s   odpowiedzialne  za  zwi kszenie 

st enia  fosforu  w  wodach  powierzchniowych.  Usuni cie  ich  w  procesie  oczyszczania  cieków 

komunalnych nie jest spraw  prost  i tani . Wzbogacenie z kolei wód powierzchniowych w substancje 

pokarmowe  (eutrofizacja),  w  sposób  sztuczny  poprzez  wprowadzenie  do  nich  nie  oczyszczonych 

 

15

cieków lub oczyszczonych w niedostatecznym stopniu powoduje gwałtowny rozwój glonów (wzrost 

ich biomasy) – czyli tzw. zakwity wód obserwowane w postaci zmiany barwy wody na zielon . 

 

Podsumowanie 

 

Rysunek 3.8. Wyst puj ce powi zania mi dzy obiegami w gla, azotu i siarki \\ 

 

Wszystkie  cykle  pierwiastków  s   ze  sob   powi zane  i  aden  nie  mo e  by   realizowany  bez 

udziału  reakcji  z  obiegu  pozostałych.  Na  rysunku  3.8  pokazano  strukturalne  powi zanie  obiegów 

pierwiastków poprzez zachodz ce reakcje. Zwraca uwag  centralne miejsce procesu fotosyntezy oraz 

zwi zków organicznych.  

W  rozdziale  przedstawiono  podstawowe  problemy  zwi zane  z  obiegiem  najwa niejszych  dla 

ycia na Ziemi pierwiastków. Szczególn  uwag  przywi zano do w gla, azotu, siarki i fosforu. Obiegi 

tlenu  i  wodoru  s   zwi zane  z  nimi  nierozerwalnie,  dlatego  nie  omawiano  ich  oddzielnie.  Obieg 

wodoru  jest  zwi zany  ci le  tak e  z  obiegiem  wody,  a  problemy  zwi zanym  z  udziałem  wody  w 

procesach naturalnych i przemysłowych omawiane s  w rozdziale dotycz cym procesom i zjawiskom 

wyst puj cym w hydrosferze. 

Szczególn   uwag   przywi zano  do  udziału  organizmów  ywych  w  obiegu  pierwiastków  i  ich 

asymilacji  ze  zwi zków  nieorganicznych  w  materi   organiczn .  Podkre lono  szczególnie  rol  

fotosyntezy  w  trakcie,  której  absorbowana  i  magazynowana  jest  energia  słoneczna  w  wi zaniach 

syntetyzowanych zwi zków organicznych oraz produkowany jest tlen.  

Wyra nie  podkre lono  fakt,  e  reakcje  zwi zane  z  obiegiem  pierwiastków  maj   charakter 

oksydacyjno-redukcyjny, cz

 jest egzotermiczna a cz

 endotermiczna i dlatego musi istnie   cisły 

zwi zek mi dzy obiegami wszystkich pierwiastków.  

Pokazano tak e wpływ działalno ci człowieka na naturalne cykle wytworzone w trakcie rozwoju 

biogeochemicznego  Ziemi  uwzgl dniaj c  jednocze nie  fakty  wiadcz ce  o  tym,  e  zmienno  

przyrody na naszym globie jest oczywistym zjawiskiem.