2.2. Základní biogeochemické pochody
Ing. Petr Stloukal Ústav ochrany životního prostředí Fakulta technologická Univerzita Tomáše Bati Zlín
Obsah přednášky 1. Biogeochemický cyklus – obecně
2. Cykly nejdůležitějších biogenních prvků v biosféře - uhlík - kyslík - dusík - fosfor - síra
2
1) Biogeochemický cyklus
3
Biogeochemický cyklus Země je otevřený systém
přijímá elektromagnetické záření - Sluneční záření: hustota energie (1326 W m-2), proud elektromagnetických částic (elektrony, protony)
- Kosmické záření přijímá hmotu z vesmíru - dopad meteoru: cca 400 tun/rok
zisk energie a minimálně hmoty ztráta energie a hmoty - infračervené záření - nejlehčí prvky helium a vodík
4
Biogeochemický cyklus Biogeochemický cyklus (též koloběh látek) cyklus určitého chemického prvku či molekuly, který probíhá živým (biosféra) i neživým prostředím. Atmosféra
Hydrosféra
Litosféra
Biosféra
Na rozdíl od energie, která vstupuje do ekosystému zvenčí a protéká jím jedním směrem, nevratně, základní živiny se ekosystémem pohybují opakovaně (cyklicky). 5
Biogeochemický cyklus Tři základní látkové oběhy (cykly):
Geochemický cyklus
- tektonický - sedimentační
Hydrologický
Biotický cyklus
- výměna látek mezi živými organismy a okolím - fotosyntéza – dýchání – potravní vztahy mezi organismy
6
Biogeochemický cyklus V každém cyklu se vyskytují 2 hlavní skupiny, tzv. zásobníky:
základní zásobník: Látky zde jsou často velmi pevně vázány a jen obtížně se dostávají přirozenou cestou do zásobníku kolujícího, výměnného (př. uhlí, ropa, dřevní hmota, horniny).
výměnný, kolující zásobník: Menší část zásoby příslušného prvku, která se různě pohybuje mezi organismy a prostředím.
7
Biogeochemický cyklus Ovlivňuje:
V abiotické části prostředí - vliv chemicko-fyzikálních vlastností látky (rozpustnost, adsorpce v půdě..)
V biotické části - transformace (metabolizace) a distribuce v potravních řetězcích - důležité vlastnosti – perzistence, kumulace
8
Metabolismus Přeměna látek a energií v buňkách a v živých organismech 1. KONZUMACE Difuzní absorpce nebo pohlcení (tj. lokalizovaným vniknutím pomocí specializovaných orgánů.
2. ASIMILACE (anabolismus) Skladné procesy, syntéza složitých organických molekul, z jednoduchých látek se vytvářejí látky složitější, děje endergonické (energie se spotřebovává)
3. DISIMILACE (katabolismus) Rozkladné procesy, ze složitějších sloučenin vznikají látky jednodušší, jsou to děje exergonické (energie se uvolňuje), např. anaerobní glykolýza, ß-oxidace.
4. SEPARACE Výdej zplodin metabolismu do okolního prostředí, působí na základě enzymů a jsou řízeny horm.sekrecí. 9
Metabolismus Dělení dle přítomnosti kyslíku:
aerobní metabolismus: - potřebuje kyslík
anaerobní metabolismu: - bez přítomnosti kyslíku
10
Biogenní prvky Prvky v biosféře využívané organismy Dělení: makrobiogenní prvky (s průměrným zastoupením nad 1%) - vodík, uhlík, kyslík, dusík, fosfor, vápník
oligobiogenní prvky (0.5 a 1%) - sodík, draslík, hořčík, železo, chlór, síra
mikrobiogenní prvky (stopové) - mangan, kobalt, měď, jód, molybden, brom, křemík, fluór, zinek, lithium 11
Biogeochemický cyklus
12
2) Cykly nejdůležitějších biogenních prvků v biosféře
13
Cykly biogenních prvků v biosféře 1. Cyklus C
2. Cyklus O 3. Cyklus N
4. Cyklus P 5. Cyklus S
14
Cyklus uhlíku
nejvýznamnějším stavebním prvkem živé hmoty na Zemi. V zemské kůře - většinou v sedimentech (uhličitany vápenatý, hořečnatý – vápenec, magnezit, dolomit), - méně ve fosilních palivech (uhlí, ropa, zemní plyn a hydráty methanu)
Hydrosféra – HCO3-, CO32-, CO2(aq), rozp. i nerozp. org. látky. Obsah cca 60* větší než v atmosféře!!!
Atmosféra – 0,035% CO2 (předindustriální období 0.028 %), CH4, CO (3 sloučeniny C nejčastěji znečisťující atmosféru).
15
Cyklus uhlíku
Biochemický cyklus (20 let) Zahrnuje fotosyntézu a dýchání živých organismů – vyrovnané – stálý obsah CO2 v atmosféře.
Biogeochemický cyklus (20 000 let) Pomalejší, 0,5 % z ročně vyprodukované biomasy se dostává do sedimentů (moří i sladkovodních nádrží), organicky vázaný C se oxiduje na CO2 a to zvětráváním.
Geochemický cyklus (200 mil. let) Zahrnuje vznik nerozpustného CaCO3 a jeho ukládání v sedimentech na dně mořských pánví a proces jeho zvětrávání
16
Cyklus uhlíku
nejvýznamnějším stavebním prvkem živé hmoty na Zemi.
do potravních řetězců - vstupuje při fotosyntéze rostlin v molekule CO2 - opouští je procesem opačným – respirací (dýcháním). fotosyntéza dýchání 6 CO2 + 6 H2O C6H12O6 + 6 O2
rozklad mrtvé organické hmoty aerobní rozklad CH2O + O2 CO2 + H2O anaerobní rozklad 2 CH2O CO2 + CH4 17
Cyklus uhlíku Dělení organismů dle vztahu k uhlíku:
Autotrofní organismy - získávají uhlík z anorganických látek (CO2 z atmosféry) - fotosyntézou jej fixují do organických látek (cukrů, tuků, bílkovin nebo celulosy) - v živé i mrtvé biomase (humus) jsou největším rezervoárem uhlíku
Heterotrofní organismy - zdrojem uhlíku organické látky vytvořené jinými organismy
18
Fotosyntéza Biochemický proces, při kterém se mění přijatá energie světelného záření na energii chemických vazeb.
6 CO2 + 12 H2O → C6H12O6 + 6 O2 + 6 H2O
Vstupním zdrojem energie při fotosyntéze je sluneční záření. Z oxidu uhličitého a vody za přítomnosti organických katalyzátorů (enzymů, chlorofilu) a světelné energie vzniká značné množství organické hmoty 19
Fotosyntéza U rostlin probíhá v chloroplastech. Každý den dopadne na Zemi sluneční energie množstvím odpovídající miliónu „hirošimských“ atomových bomb asi 1 % této energie je zachyceno v rámci fotosyntézy
20
Fotosyntéza Dvě fáze: primární procesy (dříve nazývány jako světelná fáze) - zachycení světelné energie. Vytváří se ATP a NADPH a O2 sekundární procesy (dříve nazývány jako temnostní fáze) - Reakce nezávislá na světle(Calvinův cyklus): fixace uhlíku (CO2).
Používá energii z ATP a NADPH k syntéze cukrů (C6H12O6)
21
Zjednodušený biochemický cyklus
Begon aj. (1997) 22
Cyklus uhlíku
23
Cyklus kyslíku nejhojnější prvek na Zemi (spolu se železem) základní stavební prvek v litosféře – vazba v silikátech a aluminosilikátech tvoří 2. hlavní složku zemské atmosféry - oxidy uhlíku, vodíku, dusíku a síry - volný kyslík - ozón základní biogenní prvek - hlavním zdrojem – fotosyntéza 99,5%
Oxidy v zemské kůře a plášti
0,36 %
V atmosféře
0,01 %
V biosféře 24
Cyklus kyslíku úzce souvisí s cyklem uhlíku
Vznik volného kyslíku Hlavním zdrojem kyslíku v biosféře a atmosféře je fotosyntéza, 6CO2 + 6H2O + → C6H12O6 + 6O2
Ztráty volného kyslíku - respirace (dýchání živočichů) - dekompozice (rozklad organických látek). - chemické zvětrávání hornin kyslíkem (4FeO + 3O2 → 2Fe2O3), schránky korýšů v moři 25
Cyklus kyslíku 2 CO + O2 = 2 CO2 kyslík spotřebovaný na oxidaci vulkanických plynů O2
CO2
O2
CO2
CO2
O2
O2 (CH2O) + O2 = CO2 + H2O dýchání C + O2 = CO2 kyslík spotřebovaný na spalování fosilních paliv
rostliny a živoč.
CO2 + H2O = (CH2O) + O2 fotosyntéza
Ca2+ + CO32- = CaCO3 kyslík obsažený v sedimentech
oxidační zvětrávání např. O2 + 4 FeO = 2 Fe2O3 26
Cyklus dusíku
Ovzduší - N2 (78,08%) – znečištění NOX, NH3 relativně reaktivní. NO, NO2, N2O, NH3 (sloučeniny N nejčastěji znečisťující atmosféru)
Hydrosféra - ve vodách se vyskytují především sloučeniny dusíku ve formě NO3-, NO2-, NH3 resp. NH 4+
Litosféra - jen 0,002 % N
Biosféra - stavba organismů - aminokyseliny skupina -NH2
Biogeochemický cyklus 27
Cyklus dusíku
Málo reaktivní prvek. Aby vstoupil do metabolismu organismů, je třeba jej hydrogenovat na amoniak.
Složitý biochemický cyklus, v němž živé organismy mají významné postavení.
Zásobárnou dusíku je atmosféra (cca 80 % N), která zásobuje cyklus mnoha způsoby.
Jde především o: - elektrické výboje (blesky), - biofixací bakteriemi - sinice,aktinomycéty - při rozkladných procesech. 28
Cyklus dusíku Hlavní mikrobiální přeměny dusíku: - fixace, mineralizace, nitrifikace, denitrifikace atmosféra N2 (NOX, NH3) fixace
organicky vázaný N
využití
mineralizace využití
denitrifikace - N2 (NOX, NH3)
NO3nitrifikace (přes NO2-)
NH3 resp. NH4+
29
Cyklus dusíku Hlavní mikrobiální přeměny dusíku: - fixace, mineralizace, nitrifikace, denitrifikace
Posloupnost: vzdušný dusík - amoniak - organické látky (nukleové kyseliny, nukleotidy) - amoniak - dusitany - dusičnany - vzdušný dusík.
30
Cyklus dusíku V 1012 kg/rok
31
Cyklus fosforu
Litosféra– 0,1% (apatit)
Hydrosféra – velmi málo, málo rozpustný (fosforečnany hliníku, vápníku a železa)
Atmosféra – pouze ve stopách v podobě aerosolů
Biosféra - obsažen v každé buňce - množství do 2 % hmotnosti rostlinné sušiny - ATP - klíčová funkce při přeměně energií, oxidativní fosforylace 32
Cyklus fosforu
Hlavní rezervoár - sedimenty a horniny - fosfáty (apatit)
Fosfor uvolňován zvětráním a činností mikroorganismů.
Do ekosystému vstupuje většinou v podobě rozpuštěných fosforečnanů.
Rostliny získávají rozpustné ionty kořenovým systémem. Dekompozicí je uvolňován zpět do půdy.
Cyklus „půda-organismus-půda“ 33
Cyklus fosforu
34
Cyklus fosforu – srovnání s cyklem N
35
Cyklus síry
Litosféra - na zemském povrchu jako sírany (sádrovec), hlouběji jako sulfidy (pyrit) 0,03–0,09 %
Atmosféra - H2S, SO2 - Postupná oxidace v atmosféře H2S SO2 SO3 H2SO4 HSO4- SO42-
Hydrosféra - především jako kyselé sírany.
Biosféra - rostliny asimilují S ve formě rozpustných síranů. 36
Cyklus síry Průběh:
Asimilace (redukce) síranů a zakomponování do -SH skupin v proteinech.
Vylučování organických sloučenin s obsahem -SH, rozkladu těl a následné desulfurylace (vznik sulfanu).
Oxidace sirovodíku – vznik síry a síranů.
Rozklad a redukce síranů metodou anaerobního dýchání bakterií. 37
Cyklus síry
38
Děkuji Vám za pozornost Dotazy?
39
