Cykle materiałowe: składnik odżywczy, węgiel, azot i cykl siarki

Cykle materiałowe: Składnik odżywczy, węgiel, azot i cykl siarki!

Cykl składników odżywczych:

Dostarczanie substancji odżywczych innych niż dwutlenek węgla do systemu ekologicznego pochodzi głównie z gleby, ale także w mniejszym stopniu z powietrza, deszczu i śniegu oraz pyłu.

Podaż wielu składników odżywczych jest dość ograniczona, ponieważ brakuje ich w glebie i innych źródłach. Substancje odżywcze ulegają cyklizacji w taki sposób, że oba są włączane do roślin i zwierząt, lub są udostępniane do pobierania roślin przez rozkład martwych roślin i resztek zwierzęcych.

Ścieżki od źródeł do zlewów iz powrotem do źródeł są nazywane cyklami elementarnymi i różnią się między różnymi elementami. Rozważamy pokrótce trzy najważniejsze cykle: węgla, azotu i siarki.

Obieg węgla:

Węgiel jest podstawą wszystkich cząsteczek organicznych. Tworzy nasz materiał genetyczny (DNA i RNA) oraz białka, które są niezbędne do życia. Węgiel jest tak wyjątkowy, ponieważ ma zdolność wiązania się z prawie każdą inną cząsteczką. Głównym elementem naszego ciała jest węgiel.

Cykl węglowy jest procesem, w którym węgiel ulega cyklowi poprzez powietrze, ziemię, rośliny, zwierzęta i paliwa kopalne. Duże ilości węgla występują w atmosferze jako dwutlenek węgla (CO ₂ ). Dwutlenek węgla jest cyklowany przez zielone rośliny podczas procesu zwanego fotosyntezą w celu wytworzenia cząsteczek organicznych (glukozy, czyli pożywienia).

To stąd pochodzi pożywienie każdego organizmu heterotroficznego. Zwierzęta robią przeciwieństwo roślin - uwalniają dwutlenek węgla z powrotem do powietrza jako produkt odpadowy z oddychania. (Uwaga: rośliny również przechodzą proces oddychania w celu wytworzenia pożywienia, ale większość dwutlenku węgla w powietrzu pochodzi z oddychania heterotroficznego). Decomposers, kiedy rozkładają martwą materię organiczną, uwalniają również dwutlenek węgla do powietrza.

Decomposers są niezbędne, ponieważ bez nich cały węgiel na planecie zostanie ostatecznie zamknięty w martwych tuszach i innych odpadkach. Rozpad pozwala na uwolnienie węgla z powrotem do sieci pokarmowej. Węgiel jest również magazynowany w paliwach kopalnych, takich jak węgiel, ropa naftowa i gaz ziemny.

Po spaleniu dwutlenek węgla jest również uwalniany z powrotem do powietrza. Wulkany i pożary uwalniają również duże ilości CO2 do atmosfery. Dwutlenek węgla może rozpuszczać się w wodzie, a część z nich wraca z powrotem do atmosfery. Reszta może być wzięta do tworzenia węglanu wapnia, który buduje muszle, skały i szkielety pierwotniaków i koralowców.

Cykl węglowy to złożona seria procesów, w których obracają się wszystkie istniejące atomy węgla. Te same atomy węgla w twoim ciele są dziś używane w niezliczonych innych molekułach od samego początku. Drewno spalone zaledwie kilka dekad temu mogło wytworzyć dwutlenek węgla, który w procesie fotosyntezy stał się częścią rośliny.

Kiedy jesz tę roślinę, ten sam węgiel z drewna, które zostało spalone, może stać się częścią ciebie. Cykl węgla jest wielkim naturalnym recyklerem atomów węgla. Niestety, jej znaczenie rzadko jest wystarczająco stresujące. Bez prawidłowego funkcjonowania cyklu węglowego każdy aspekt życia mógłby się radykalnie zmienić.

Wykorzystując energię słoneczną, cykl węglowy natury obraca się od atmosfery do lasu iz powrotem. Oto jak to działa. Drzewa absorbują dwutlenek węgla z powietrza podczas wzrostu. W rzeczywistości około połowa ich suchej masy to pochłonięty węgiel. Gdy stare drzewa giną i rozpadają się lub są pożerane w pożarze lasu, ich węgiel jest ponownie uwalniany do powietrza jako dwutlenek węgla. To jest cykl węglowy natury.

Kiedy drewno opałowe jest wykorzystywane jako źródło energii, część naturalnego cyklu węglowego trafia do naszych domów, aby je ogrzewać. Pożar w kominku uwalnia energię słoneczną zgromadzoną przez drzewo w miarę wzrostu. Jeśli rozważymy cały cykl paliwowy, czysty kominek ogrzeje Twój dom bardziej efektywnie i przy mniejszym wpływie na środowisko niż jakakolwiek inna opcja paliwa.

Inne opcje paliwowe - ropa naftowa, gaz i węgiel - są paliwami kopalnymi, a kiedy są spalane, stary węgiel, który został zakopany głęboko w ziemi, zostaje uwolniony do atmosfery. Rosnąca koncentracja dwutlenku węgla z paliw kopalnych jest związana z globalnym ociepleniem, zmianą klimatu i niezwykłą pogodą, którą obserwowaliśmy w ostatnich latach.

Pożar drewna nie przyczynia się do globalnego ocieplenia, ponieważ nie wydobywa się więcej dwutlenku węgla niż uwolniłby las naturalny, jeśli pozostanie nietknięty. Wykorzystanie drewna do ogrzewania oznacza mniejsze spalanie paliw kopalnych, mniej emisji gazów cieplarnianych i zdrowsze środowisko.

Cykl azotu:

Kolejnym ważnym cyklem odżywczym jest azot. Azot jest niezwykle istotnym elementem w całym życiu. Białka, które są składnikami wszystkich żywych komórek, zawierają średnio 16% wagowych azotu. Inne złożone azotowe substancje ważne do życia to kwasy nukleinowe i aminocukry. Bez ciągłego dostarczania azotu życie na ziemi ustałoby.

Cykl azotowy jest podobny do cyklu węglowego, ale z szeregiem krytycznych różnic. Chociaż 79% atmosfery ziemskiej składa się z pierwiastkowego azotu (N2), ten gaz obojętny jest całkowicie niedostępny dla wychwytu większości roślin i zwierząt. Stanowi to wyraźny kontrast w stosunku do niewielkiej ilości dwutlenku węgla (0, 03%) w atmosferze, która jest łatwo dostępna dla poboru roślin.

Stosunkowo niewiele drobnoustrojów jest w stanie utrwalać atmosferyczny azot z postaci nieorganicznej do organicznej. Takie mocowanie mikrobiologiczne wynosi średnio od 140 do 700 mg / m ² rok. W bardzo żyznych obszarach rolniczych może przekroczyć 20000 mg / m ² rok.

Wiadomo, że wiele bakterii, grzybów i niebiesko-zielonych alg jest zdolnych do wiązania azotu. Utrwalanie azotu wiąże się z bezpośrednim wprowadzeniem atmosferycznego azotu do organicznego organizmu utrwalacza. Utrwalacze azotu stanowią jedynie bardzo niewielką część tych grup.

Można je podzielić na:

1. symbiotyczne utrwalacze azotu, które są w dużej mierze bakteriami, i które są związane z korzeniami roślin strączkowych (członków rodziny grochu i fasoli) i niektórymi innymi roślinami kwiatowymi, oraz

2. Darmowe żyjące utrwalacze azotu. Rodzaj Rhizobium obejmuje te bakterie, które zamieszkują guzki, które rozwijają się na korzeniach członków rodziny grochu i fasoli. Są obecne w glebie i zakażają drobne korzenie, gdy rosną sadzonki. Korzenie wytwarzają specjalny guzek, w którym znajduje się rizobia, w której bakterie przekształcają atmosferyczny azot w organiczne azotowe składniki własnych komórek.

Ponieważ komórki bakteryjne giną bardzo szybko, ten azot staje się dostępny dla wyższych roślin. Uprawy koniczyny i fasoli faktycznie dodają azotu do gleby, w której rosły i eliminują potrzebę drogich nawozów. W wielu krajach trwają duże wysiłki naukowe mające na celu znalezienie bakterii, które mogą tworzyć podobne związki z roślinami zbożowymi.

Symbiotyczne utrwalacze azotu wydają się być ograniczone do ekosystemów lądowych i nie zostały znalezione w siedliskach wodnych, z jednym wyjątkiem robakiem morskim atakującym zanurzone drewno. Wśród nie-symbiotycznych środków utrwalających azot są zarówno tlenowe, jak i beztlenowe, żywe bakterie, jak również cyjanobakterie.

Występują one w glebach oraz w wodach morskich i słodkich i mogą znacznie zwiększyć zawartość azotu w tych środowiskach. Dodatkowym, ale generalnie mniejszym źródłem azotu atmosferycznego do gleby i wód są burze z piorunami, w których zachodzi konwersja elektrochemicznego azotu.

Azot wchodzi do producenta - łańcucha pokarmowego konsumenta, gdy rośliny pobierają go z roztworu glebowego w postaci azotanów lub jonu amonowego. Azotan można również przekształcić w amoniak poprzez denitryfikację bakterii w glebie, zwłaszcza przez bakterie i grzyby w glebach z wodą. Taka konwersja występuje również w warunkach niskiego stężenia tlenu w jeziorach. Proces ten nazywa się denitryfikacją. Z kolei bakterie nitryfikujące mogą wykorzystywać azot amonowy jako źródło energii do syntezy własnej protoplazmy.

Proces ten zachodzi powoli, jeśli w ogóle, w warunkach kwaśnych. Najpierw amoniak przekształca się w azotyn przez bakteryjny rodzaj Nitrosomonas, a azotyn następnie przekształca się w azotan innego rodzaju, Nitrobacter. Ten dwuetapowy proces nazywa się nitryfikacją. Obie grupy bakterii uzyskują energię z tego procesu utleniania, a następnie wykorzystują część energii do przekształcenia dwutlenku węgla w węgiel komórkowy.

Wreszcie, po wzięciu azotanów i przekształceniu ich przez wyższe rośliny i mikroorganizmy w białka i kwasy nukleinowe, jest on metabolizowany i zawracany do większej części cyklu jako produkty odpadowe tego metabolizmu (nieożywiony azot organiczny).

Wiele heterotroficznych bakterii i grzybów w glebie i wodzie wykorzystuje ten organiczny materiał bogaty w azot, przekształcając go i uwalniając go w postaci nieorganicznego amoniaku w procesie zwanym amonifikacją. Inne części cyklu obejmują uwalnianie gazowego azotu i tlenków azotu z powrotem do atmosfery, chociaż mają one ograniczone znaczenie

Cykl siarki:

Siarka jest ważnym składnikiem odżywczym dla organizmów, będąc kluczowym składnikiem niektórych aminokwasów, białek i innych związków biochemicznych. Rośliny zaspokajają swoje potrzeby pokarmowe dla siarki poprzez asymilację prostych związków mineralnych ze środowiska.

Dzieje się tak głównie, gdy siarczan rozpuszcza się w wodzie gruntowej, która jest pobierana przez korzenie, lub jako gazowy dwutlenek siarki, który jest pochłaniany przez liście w środowiskach, w których atmosfera jest nieco zanieczyszczona tym gazem. Zwierzęta uzyskują potrzebną im siarkę poprzez jedzenie roślin lub innych zwierząt oraz trawienie i asymilację ich organicznych form siarki, które są następnie wykorzystywane do syntezy niezbędnych biochemicznych związków siarki.

W pewnych sytuacjach, szczególnie w intensywnie zarządzanym rolnictwie, dostępność biologicznie użytecznych form siarki może być czynnikiem ograniczającym produktywność roślin, a zastosowanie nawozu zawierającego siarczan może okazać się korzystne. Związki siarki mogą również wiązać się z poważnymi szkodami środowiskowymi, np. Gdy dwutlenek siarki uszkadza wegetację, lub gdy kwasowe drenaże związane z minerałami siarczkowymi degradują ekosystemy.

Siarka (S) może występować w wielu formach chemicznych w środowisku. Obejmują one formy organiczne i mineralne, które można chemicznie przekształcać zarówno w procesach biologicznych, jak i nieorganicznych. Dwutlenek siarki jest gazem, który może być toksyczny dla roślin w stężeniach znacznie mniejszych niż jedna część na milion w atmosferze i dla zwierząt w większych stężeniach.

Istnieje wiele naturalnych źródeł emisji SO2 do atmosfery, takich jak erupcje wulkanów i pożary lasów. Duże emisje SO2 są również związane z działalnością człowieka, zwłaszcza ze spalaniem węgla i przetwarzaniem niektórych rud metali.

W atmosferze SO2 utlenia się do siarczanu, anionu, który występuje jako drobny pył, w którym ładunki ujemne są równoważone elektrochemicznie dodatnimi ładunkami kationów, takimi jak amon (NH ⁺ 4), wapń (Ca ²⁺ ), lub jon wodorowy (H ⁺ ). Te drobne cząstki mogą służyć jako jądra kondensacji do tworzenia kryształów lodu, które mogą osiadać z atmosfery

Najważniejszym podstawowym materiałem życia jest woda, jeden z panchabltutów jive. Jest to w ograniczonej ilości. Żywe formy na obszarach lądowych są zależne od wody wolnej od soli - "czystej wody". Z powodu ciepła słonecznego woda wyparowuje z oceanów i wzrasta w postaci pary wodnej, a gdy przemieszcza się przez obszary lądowe, osiągając znaczną wysokość, para schładza się, aby wytrącić się w postaci wody lub śniegu. Z całkowitej szacowanej wody w ziemi i jej atmosfery.