CYKLE
BIOGEOCHEMICZNE
Krążenie pierwiastków
biogennych w ekosystemie
CYKLE
BIOGEOCHEMICZNE
Krążenie pierwiastków
biogennych w ekosystemie
• Organizmy
składają
się
z
pierwiastków
chemicznych
i
jednym
ze
sposobów
opisu
ekosystemu
jest
prześledzenie
procesów wymiany pierwiastków
między
częścią
biotyczną
i
abiotyczną ekosystemu. Pierwiastki
biogenne
(a
właściwie
ich
niedobór)
stwarzają
pewne
ograniczenia produkcji pierwotnej i
wtórnej populacji czy biocenozy.
PULA PIERWIASTKÓW
BIOGENNYCH I ICH
KRĄŻENIE
• Pierwiastki
biogenne
mogą
być
wykorzystane w badaniach ekosystemów
jako element porządkujący nasze rozumienie
ekosystemu. Można patrzeć na biocenozę jak
na skomplikowany procesor, w którym
osobniki
przemieszczają
pierwiastki
z
jednego miejsca ekosystemu w drugie. To
biologiczne krążenie pierwiastków współgra
z krążeniem fizycznym i również z tego
powodu obiegi pierwiastków biogennych
nazywane jest cyklami biogeochemicznymi.
• Pierwiastki, które są wbudowywane w tkanki
organizmów w pewnych fazach cyklu
biogeochemicznego,
są
nazywane
pierwiastkami biogennymi lub biogenami.
Ogólny schemat krążenia
pierwiastków biogennych w skali
globalnej.
• Ekosystemy nie są izolowane i dzięki
meteorologicznym,
geologicznym
lub
biologicznym
mechanizmom
transportu
dostają się do nich i opuszczają je
pierwiastki
biogenne.
Dopływ
meteorologiczny
obejmuje
związki
rozpuszczone w wodzie deszczowej i
śniegu,
gazy
atmosferyczne
i
pyły
przemieszczane
przez
wiatr,
dopływ
geologiczny
stanowią
pierwiastki
transportowane
przez
spływ
powierzchniowy i podziemny, natomiast
dopływ
biologiczny
obejmuje
przemieszczanie
się
zwierząt
między
ekosystemami.
• 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,
siarka, azot, tlen i wodór, w mniejszym stopniu fosfor,
który
wykazuje
obieg
sedymentacyjny.
Cykl
biogeochemiczny jest to ciągle zachodząca przemiana
materii organicznej w nieorganiczną i odwrotnie - pod
wpływem organizmów żywych. Proces ten zachodzi,
gdy do organizmów żywych dostarczona jest energia
(głównie energia słoneczna).
• Obieg substancji możemy podzielić na:
• -sedymentacyjny, gdy pierwiastek nie przechodzi w
postać gazową a jest jedynie osadzany w glebie czy na
dnie oceanów na skutek ciążenia. W takim przypadku
jest to cykl lokalny.
• -gazowy jest w przypadku, gdy substancja przechodzi
w postać gazową i może przemieszczać się na większe
odległości. W takim przypadku jest to cykl globalny.
Obieg węgla
• Węgiel (C) to podstawowy pierwiastek budulcowy
związków organicznych. W żywą materię organiczną
zostaje wbudowany w postaci CO
2
asymilowanego przez
autotrofy (rośliny zielone, bakterie samożywne). Dzięki
istniejącym łańcuchom pokarmowym węgiel przedostaje
się w postaci roślinnych związków organicznych do
konsumentów I rzędu (roślinożerców), a następnie do
konsumentów II rzędu (zwierzęta mięsożerne). Ze
związków organicznych węgiel wraca do obiegu jako CO
2
,
powstający w procesie oddychania heterotrofów i
autotrofów.
Rośliny i zwierzęta składają się przede wszystkim z
węgla, a jego globalny cykl jest odzwierciedleniem
produkcji pierwotnej i wtórnej. Wpływ człowieka na
globalny cykl węgla jest niemal tak duży jak na cykl siarki.
Największy przepływ globalny cyklu węgla odbywa się
pomiędzy atmosferą a roślinnością lądową oraz między
atmosferą a oceanami. Te dwa strumienie węgla są niemal
równe, a średni czas przebywania atomu węgla w
atmosferze wynosi około 3 lat. Wahania zawartości CO
2
atmosferycznego są związane z sezonowością jego poboru
przez rośliny oraz sezonowością użytkowania paliw i
wymiany CO
2
z oceanami. W atmosferze znajduje się
2350 mld ton CO
2
, czyli ok. 641 mld czystego węgla.
• Biogeochemiczny obieg węgla opisuje się na podstawie
cyklu obiegu podstawowego związku, w którym ten
pierwiastek się znajduje - dwutlenku węgla. Obieg
dwutlenku węgla jest regulowany głównie przez procesy
jego wiązania ( fotosynteza, chemosynteza, rozpuszczanie
się w wodzie ) i uwalniania ( oddychanie, uwalnianie z
gleby i procesów geologicznych zachodzących w skorupie
ziemskiej, spalanie paliw ). Obieg ten jest utrzymywany
głównie przez ustalenie się równowagi pomiędzy dwoma
podstawowymi procesami zachodzącymi na Ziemi -
fotosyntezą i chemosyntezą a oddychaniem. Zasadniczą
część węgla wiązana jest przez rośliny zielone mórz lądów.
Zasoby dostępnego dwutlenku węgla zostałyby szybko
wyczerpane, gdyby nie uwalnianie tego gazu w procesach
oddychania. Rośliny wydalają do środowiska dwutlenek
węgla w ilości 1% swojej masy na dobę, ssaki - 3%, ptaki -
25%, a mikroorganizmy aż 500%.Część tego gazu
pochodzi z procesów rozkładu materii organicznej i
procesów
wulkanicznych
oraz
spalania
paliw
organicznych.
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.
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.
• W obiegu azotu można wyróżnić cztery oddzielne procesy:
• 1. Wiązanie azotu polega na przekształcaniu azotu
cząsteczkowego N
2
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.