Krótkie uwagi o cyklu węglowym, cyklu azotowym i cyklu siarkowym (2158 słów)
Krótkie notatki o cyklu węglowym, cyklu azotowym i cyklu siarkowym!
Różne materiały, w tym różne składniki odżywcze i metale, poruszają się w ekosystemie w cykliczny sposób. Główne rezerwy lub pomieszczenie magazynowe materiałów znane są jako zbiorniki. Gdy główny rezerwuar substancji odżywczej znajduje się w atmosferze, jest znany jako cykl gazowy, np. Cykl azotu, który ma swój zbiornik w postaci gazowego azotu (N2) stanowiący około 78% atmosfery.
Kiedy zbiornik znajduje się w skorupie ziemskiej lub osadach, jest znany jako cykl osadowy, np. Cykl fosforu - który ma swoją rezerwę jako skały fosforowe. Cykl siarki jest przykładem typu pośredniego, który ma rezerwuar zarówno w glebie, jak i atmosferze.
Przemieszczanie materiałów z jednego zbiornika do drugiego może być sterowane przez czynniki fizyczne, takie jak wiatr lub energia grawitacyjna. Może to również być spowodowane energią chemiczną, np. Gdy ciało wodne osiągnie nasycenie - zbiornik jest chemicznie pełny i dlatego nie może już dłużej go trzymać.
Następnie materiał zazwyczaj wytrąca się. Średni czas, przez jaki materiał (cząsteczka substancji) pozostaje w zbiorniku, określany jest jako czas przebywania.
Substancje odżywcze, takie jak węgiel, azot, siarka, tlen, wodór, fosfor itp. Poruszają się okrężnymi ścieżkami przez składniki biotyczne i abiotyczne i są znane jako cykle biogeochemiczne.
Woda porusza się także w cyklu nazywanym cyklem hydrologicznym. Składniki odżywcze, aby przejść przez łańcuch pokarmowy i ostatecznie dotrzeć do przedziału detrytusu (zawierającego martwą materię organiczną), w którym rozkładają się różne mikroorganizmy.
Różne organicznie związane składniki odżywcze martwych roślin i zwierząt są przekształcane w substancje nieorganiczne poprzez rozkład drobnoustrojów, które są chętnie wykorzystywane przez rośliny (pierwotni producenci), a cykl rozpoczyna się od nowa.
1. Cykl węglowy:
Cykl węglowy to cykl biogeochemiczny, w którym następuje wymiana węgla między biosferą, pedosferą, geosferą, hydrosferą i atmosferą Ziemi. Jest to jeden z najważniejszych cykli na Ziemi i pozwala na recykling i ponowne wykorzystanie węgla w biosferze i wszystkich jej organizmach.
Cykl węglowy to złożona seria procesów, w których obracają się wszystkie istniejące atomy węgla. 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.
Bez prawidłowego funkcjonowania cyklu węglowego każdy aspekt życia mógłby się radykalnie zmienić. Rośliny, zwierzęta i gleba wchodzą w interakcje, tworząc podstawowe cykle natury. W obiegu węgla rośliny pochłaniają dwutlenek węgla z atmosfery i wykorzystują go w połączeniu z wodą, którą pobierają z gleby, aby uzyskać substancje, których potrzebują do wzrostu. Proces fotosyntezy włącza atomy węgla z dwutlenku węgla do cukrów.
Zwierzęta, takie jak królik, jedzą rośliny i wykorzystują węgiel do budowy własnych tkanek. Inne zwierzęta, takie jak lis, jedzą królika, a następnie wykorzystują węgiel do własnych potrzeb. Zwierzęta te zwracają dwutlenek węgla do powietrza podczas oddychania, a gdy umierają, ponieważ węgiel zawraca do gleby podczas rozkładu. Atomy węgla w glebie można następnie wykorzystać w nowej roślinie lub małych mikroorganizmach. Następujące główne rezerwuary węgla połączone przez drogi wymiany:
ja. Atmosfera.
ii. Biosfera naziemna, którą zwykle definiuje się jako obejmującą systemy słodkiej wody i nieożywiony materiał organiczny, taki jak węgiel w glebie.
iii. Oceany, w tym rozpuszczony węgiel nieorganiczny oraz żywa i nieożywiona fauna morska.
iv. Osady, w tym paliwa kopalne
v. Wnętrze Ziemi, węgiel z płaszcza Ziemi i skorupy ziemskiej uwalnia się do atmosfery i hydrosfery przez wulkany i systemy geotermalne.
Roczne ruchy węgla, wymiany węgla między zbiornikami, występują z powodu różnych procesów chemicznych, fizycznych, geologicznych i biologicznych. Ocean zawiera największą aktywną pulę węgla w pobliżu powierzchni Ziemi, ale głębinowa część tej puli nie ulega szybkiej wymianie z atmosferą w przypadku braku wpływu zewnętrznego, takiego jak niekontrolowany wyciek ropy z głębokiej wody.
Globalny budżet emisji dwutlenku węgla to bilans wymiany (dochodu i strat) węgla między złożami węgla lub między jedną określoną pętlą a cyklem węglowym.
Węgiel uwalniany jest do atmosfery na kilka sposobów:
ja. Poprzez oddychanie wykonywane przez rośliny i zwierzęta. Jest to reakcja egzotermiczna i polega na rozkładaniu glukozy (lub innych cząsteczek organicznych) na dwutlenek węgla i wodę.
ii. Poprzez rozkład materii zwierzęcej i roślinnej. Grzyby i bakterie rozkładają związki węgla w martwych zwierzętach i roślinach i przekształcają węgiel w dwutlenek węgla, jeśli obecny jest tlen, lub metan, jeśli nie.
iii. Poprzez spalanie materiału organicznego, który utlenia węgiel, który zawiera, wytwarzając dwutlenek węgla (i inne rzeczy, takie jak para wodna). Spalanie paliw kopalnych, takich jak węgiel, produkty ropopochodne uwalniają dwutlenek węgla. Płonące paliwa agro uwalniają również dwutlenek węgla
iv. Erupcje wulkaniczne i metamorfizm uwalniają gazy do atmosfery. Gazy wulkaniczne to przede wszystkim para wodna, dwutlenek węgla i dwutlenek siarki.
v. Węgiel jest przenoszony w biosferze, ponieważ heterotrofy żywią się innymi organizmami lub ich częściami (np. owocami). Obejmuje to pobieranie martwego materiału organicznego (detrytus) przez grzyby i bakterie w celu fermentacji lub rozkładu.
vi. Większość węgla opuszcza biosferę poprzez oddychanie. Gdy tlen jest obecny, występuje oddychanie tlenowe, które uwalnia dwutlenek węgla do otaczającego powietrza lub wody, po reakcji C6H12O6 + 602 -> 6CO2 + 6H2O. W przeciwnym razie dochodzi do oddychania beztlenowego i uwalnia metan otaczające środowisko, które ostatecznie przedostaje się do atmosfery lub hydrosfery (np. jako gaz bagienny lub wzdęcia).
Cyrkulacja dwutlenku węgla:
ja. Rośliny pochłaniają dwutlenek węgla z atmosfery.
ii. Podczas procesu fotosyntezy rośliny włączają atomy węgla z dwutlenku węgla do cukrów.
iii. Zwierzęta, takie jak królik, jedzą rośliny i wykorzystują węgiel do budowy własnych tkanek, wiążą zawartość węgla
iv. Poprzez łańcuch pokarmowy węgiel jest przenoszony na lisy, lwy itp.
v. Zwierzęta zwracają dwutlenek węgla do powietrza podczas oddychania, a gdy umierają, ponieważ węgiel zawraca do gleby podczas rozkładu
W przypadku oceanu:
W regionach oceanicznego upwellingu węgiel uwalniany jest do atmosfery. Odwrotnie, regiony dolnego odwiertu przenoszą węgiel (CO 2 ) z atmosfery do oceanu. Kiedy CO 2 wchodzi do oceanu, bierze udział w szeregu reakcji, które są lokalnie w równowadze:
ja. Przekształcenie CO 2 (atmosferycznego) w CO 2 (rozpuszczony).
ii. Konwersja CO 2 (rozpuszczonego) do kwasu węglowego (H 2 CO 3 ).
iii. Konwersja kwasu węglowego (H 2 CO 3 ) do jonu wodorowęglanowego.
iv. Konwersja jonu wodorowęglanowego do jonu węglanowego.
W oceanach rozpuszczony węglan może łączyć się z rozpuszczonym wapniem, aby wytrącić stały węglan wapnia, CaCO 3, głównie w postaci skorup mikroskopijnych organizmów. Kiedy te organizmy giną, ich muszle toną i gromadzą się na dnie oceanu. Z biegiem czasu osady węglanowe tworzą wapień, który jest największym rezerwuarem węgla w cyklu węglowym.
Rozpuszczony wapń w oceanach pochodzi z chemicznego wietrzenia skał wapniowo-krzemianowych, podczas których węgiel i inne kwasy w wodzie gruntowej reagują z minerałami niosącymi wapń, uwalniając jony wapnia do roztworu i pozostawiając resztki nowo powstałych minerałów glinowych bogatych w gliny i nierozpuszczalne minerały, takie jak kwarc.
Na strumień lub absorpcję dwutlenku węgla do oceanów świata wpływa obecność w wodzie oceanicznej szeroko rozprzestrzenionych wirusów, które zakażają wiele gatunków bakterii. W wyniku śmierci bakterii pojawia się sekwencja zdarzeń, które prowadzą do znacznie zwiększonego oddychania dwutlenkiem węgla, zwiększając rolę oceanów jako pochłaniacza dwutlenku węgla.
2. Cykl azotu :
Cykl azotowy to zbiór procesów biogeochemicznych, w których azot ulega reakcjom chemicznym, zmienia się i przemieszcza poprzez zbiorniki różnicowe na Ziemi, w tym organizmy żywe.
Azot jest niezbędny do życia i wzrostu wszystkich organizmów, ponieważ jest niezbędnym składnikiem DNA, RNA i białka. Jednak większość organizmów nie może używać azotu atmosferycznego, największego zbiornika. Pięć procesów w cyklu azotowym
ja. Nałożenie azotu
ii. Pobór azotu
iii. Mineralizacja azotu
iv. Nitryfikacja
v. Odnitryfikacja
Ludzie wpływają na globalny cykl azotowy, głównie poprzez stosowanie nawozów na bazie azotu.
I. Utrwalanie azotu: N 2 -> NH 4 +
Utrwalanie azotu jest procesem, w którym N 2 przekształca się w amon, niezbędny, ponieważ jest to jedyny sposób, w jaki organizmy mogą osiągnąć azot bezpośrednio z atmosfery. Niektóre bakterie, na przykład te z rodzaju Rhizobium, są jedynymi organizmami, które wiążą azot w procesach metabolicznych.
Bakterie wiążące azot często tworzą symbiotyczne związki z roślinami żywicielskimi. Ta symbioza jest dobrze znana w rodzinie roślin strączkowych (np. Fasola, groch i koniczyna). W związku tym bakterie wiążące azot zamieszkują guzki korzeni roślin strączkowych i otrzymują węglowodany oraz sprzyjające warunki z rośliny żywicielskiej w zamian za część azotu, które utrwalają. Istnieją również bakterie wiążące azot, które występują bez gospodarzy roślinnych, znane jako wolno-aktywne utrwalacze azotu. W środowiskach wodnych niebiesko-zielone algi (tak naprawdę bakterie o nazwie cyjanobakterie) to ważny wolny od czynnika utrwalacz azotu.
II. Pochłanianie azotu: NH 4 + -> Organiczne N
Amoniak wytwarzany przez bakterie wiążące azot jest zwykle szybko włączany do białka i innych organicznych związków azotu, albo przez roślinę gospodarza, samą bakterię, albo przez inny organizm glebowy.
III. Mineralizacja azotu: Organiczny N -> NH 4 +
Po wprowadzeniu azotu do materii organicznej, często jest on przekształcany z powrotem w nieorganiczny azot w procesie zwanym mineralizacją azotu, znanym również jako rozpad. Kiedy organizmy giną, rozkładacze (takie jak bakterie i grzyby) zużywają materię organiczną i prowadzą do procesu rozkładu.
Podczas tego procesu znaczna ilość azotu zawartego w martwym organizmie przekształca się w amon. Raz w postaci amonu, azot jest dostępny do wykorzystania przez rośliny lub do dalszej przemiany w azotan (NO 3 - ) w procesie zwanym nitryfikacją.
IV. Nitryfikacja: NH 4 + -> NO 3 -
Część amonu wytworzonego w wyniku rozkładu przekształca się w azotan w procesie zwanym nitryfikacją. Bakterie, które przeprowadzają tę reakcję, czerpią z niej energię. Nitryfikacja wymaga obecności tlenu, dlatego nitryfikacja może zachodzić tylko w środowiskach bogatych w tlen, takich jak cyrkulujące lub płynące wody oraz bardzo powierzchniowe warstwy gleb i osadów. Proces nitryfikacji ma pewne ważne konsekwencje.
Jony amonowe są naładowane dodatnio, a zatem przyklejają się (są sorbowane) do ujemnie naładowanych cząstek gliny i materii organicznej gleby. Dodatni ładunek zapobiega wymywaniu azotu amonowego z gleby (lub ługu) przez opady deszczu.
W przeciwieństwie do tego ujemnie naładowany jon azotanowy nie jest zatrzymywany przez cząstki gleby, a zatem można go spłukać profilem gleby, co prowadzi do zmniejszenia żyzności gleby i wzbogacenia azotowego w dolną powierzchnię i wody gruntowe.
V. Dezynnizacja: NO 3 - -> N 2 + N 2 O
W wyniku denitryfikacji utlenione formy azotu, takie jak azotany i azotyny (NO 2 ), przekształca się w dwutlenek azotu (N2) i, w mniejszym stopniu, gazowy tlenek azotu. De-nitryfikacja jest procesem beztlenowym, który prowadzi się przez denitryfikację bakterii, które przekształcają azotan w azot w następującej kolejności:
NO 3 - -> NO 2 - -> NO -> N 2 O -> N 2
Tlenek azotu i tlenek azotu są gazami o znaczeniu ekologicznym. Tlenek azotu (NO) przyczynia się do powstawania smogu, a podtlenek azotu (N 2 O) jest ważnym gazem cieplarnianym, przyczyniając się w ten sposób do globalnej zmiany klimatu.
3. Cykl siarki:
Siarka jest jednym ze składników, które składają się z białek i witamin. Białka składają się z aminokwasów zawierających atomy siarki. Siarka jest ważna dla funkcjonowania białek i enzymów w roślinach, a także dla zwierząt zależnych od roślin dla siarki.
Wchodzi w atmosferę zarówno ze źródeł naturalnych, jak i ludzkich. Naturalne źródła mogą być na przykład erupcjami wulkanicznymi, procesami bakteryjnymi, parowaniem z wody lub rozkładającymi się organizmami. Gdy siarkę przedostaje się do atmosfery przez działalność człowieka, jest to głównie konsekwencja procesów przemysłowych, w których gazy dwutlenku siarki (SO 2 ) i siarkowodoru (H2S) emitowane są na szeroką skalę.
Kiedy dwutlenek siarki przedostanie się do atmosfery, będzie reagował z tlenem, tworząc gazowy trójtlenek siarki (SO3) lub z innymi chemikaliami w atmosferze, wytwarzając sole siarki. Dwutlenek siarki może również reagować z wodą w celu wytworzenia kwasu siarkowego (H2SO4). Kwas siarkowy można również wytwarzać z siarczku demetylu, który jest emitowany do atmosfery przez gatunki planktonu.
Wszystkie te cząstki osadzą się ponownie na ziemi lub zareagują deszczem i opadną na ziemię w postaci osadzania się kwasów. Cząstki zostaną ponownie wchłonięte przez rośliny i zostaną uwolnione z powrotem do atmosfery, aby cykl siarki zaczął się od nowa.
ja. Paliwa kopalne, takie jak węgiel i ropa naftowa, są niezwykle ważnymi zasobami energetycznymi, które wyczerpują się.
ii. Zasoby oparte na paliwie węglowodorowym powodują zanieczyszczenie i gazy cieplarniane. Zarządzanie nimi wiąże się z ulepszoną technologią i znalezieniem alternatywnych źródeł energii, biorąc to pod uwagę.
iii. Ogólne rozważne i zrównoważone wykorzystanie zasobów zarówno na poziomie indywidualnym, jak i zbiorowym może przynieść korzyści szerokiemu kręgowi społeczeństwa, a także spotkać przyszłe pokolenia.
