C1200 Úvod do studia biochemie 4.2 Velké cykly prvků
OpVK CZ.1.07/2.2.00/15.0233
Petr Zbořil
Biochemické cykly prvků Velké cykly prvků jako zobecnění přeměn látek při popisu jejich koloběhu Země jako superorganismus či bioreaktor Vlastnosti bioreaktoru Země
Biochemické cykly prvků • Energetická a látková bilance – Uzavřený systém – Výměna energie • Celkově ze Slunce – – – – – –
173 100 TW 100%
Albedo Absorpce v atmosféře Absorpce zemským povrchem Přeměna do chemické formy 40 TW Příspěvek geotermální energie 32 TW Vyzáření prostřednictvím atmosféry
32% 18% 50% 0,02% 68%
Velké (globální) cykly • Povaha cyklů – Globální a lokální – Geologické, fysikální, chemické … – Látková a energetická bilance
• Bio(geo)chemické cykly - Velké cykly prvků – Zobecnění komplikovaného souboru pochodů – Cykly C, N, P, S – Klíčový význam živých organismů – Globální charakter v současné době
Superorganismus Země • Země jako biochemický reaktor – Homogenní x heterogenní systém – Vzájemné vztahy dílčích pochodů – Míchání a regulace
Cyklus uhlíku • Anorganické formy – CO2, uhličitany, uhlí – obsaženy v atmo-, hydro- i litosféře
• Organické formy – biomolekuly, ropa, CH4 – obsaženy v biosféře i ostatních prostředích
• Přechody (geo)chemické a fysikální • Přechody biochemické
Cyklus uhlíku • Biochemické přeměny (zahrnují i cykly kyslíku a vodíku) • Primární asimilační pochody – fixace CO2 – asimilace do organických sloučenin • Další přeměny – bílkoviny, lipidy, nukleové kyseliny • Disimilační pochody – dekomposice organických sloučenin • Výrazným znakem je spojitost s přeměnami energie
Cyklus uhlíku • Asimilace – fixace CO2 (zejména fotosyntéza) cesta z anorganické do organické formy • 6 CO2 + 6 H2O = C6H12O6 + 6 O2 + 672 kJ/mol • Primární význam fixace CO2 pro rovnováhu parametrů na Zemi • Vývojové aspekty, vznik kyslíkaté atmosféry • Energetický význam – přímý (relativně malý vzhledem k celkovému toku) – nepřímý ovlivněním tepelné propustnosti atmosféry
Cyklus uhlíku • Typické znaky fixace CO2 – složitý proces zahrnující řadu dílčích kroků, vlastní fixace pomocí enzymu RUBISCO, nejvíce syntezovaným enzymem na Zemi – limitována nedostatkem CO2, při nadbytku světla je využívána specifická energeticky náročná přípravná cesta
Cyklus uhlíku • Disimilační pochody – potravní řetězce a pyramidy – dekomposice pro získání energie – zejména oxidační pochody – kvantitativně převažují – dekomposice přijatých látek a syntéza vlastních – kvantitativně zaostávají, intensita závisí na typu a metabolickém (fysiologickém) stavu organismu
Cyklus uhlíku • Vyrovnaná bilance asimilačních a disimilačních pochodů – stacionární stav • Porušení rovnováhy následkem nevyrovnané bilance – převaha fixace uhlíku – tvorba deposit – převaha dekomposice – mobilisace deposit
Cyklus uhlíku • Vznik deposit cestou – asimilace a anaerobní dekomposice organických sloučenin do stabilní formy – ropa, uhlí, metan • vznik ložisek fosilních paliv
– biogenní anorganické fixace CO2 • vznik vápencových ložisek
• Snížení množství uhlíku v koloběhu (množství CO2 v atmosféře)
Cyklus uhlíku • Mobilisace deposit – Přirozenou cestou málo pravděpodobné – Významné množství se přivádí zpět do koloběhu industriální činností člověka • Těžba a využívání fosilních paliv - oxidační pochody a zisk energie • Těžba a využívání vápencových deposit
• Zvýšení množství uhlíku v koloběhu (množství CO2 v atmosféře)
Cyklus uhlíku
Cyklus uhlíku
Cyklus uhlíku • Problémy – snížení tepelné vodivosti atmosféry – zvýšení teploty (skleníkový efekt) – vyčerpání deposit – zdrojů energie a vápenců
• Řešení – Samočinná kompensace (funguje u vápenců, možnost zvýšení intensity fotosyntézy) – Aktivní příspěvek ze strany člověka (snižování produkce CO2, nová energetická politika, genetické manipulace)
Cyklus dusíku • Anorganické formy – N2 v atmosféře, NH4+ a dusičnany v hydro- a litosféře (i biosféře)
• Organické formy – Aminosloučeniny (typicky bílkoviny), zejména v biosféře
• Přechody abiogenní • Přechody biogenní
Cyklus dusíku • Abiogenní přeměny dusíkatých látek – Přirozené • Oxidace N2 elektrickými výboji v atmosféře – N2 + n O2 = NxOy - význam spíše v evoluci
– Industriální • Katalytická redukce N2
– N2 + 3 H2 = 2 NH3 + 91,2 kJ/mol – (Fe, 500 oC, 30 MPa) – 1% celosvětové produkce energie
• Tvorba NxO jako vedlejších produktů spalovacích procesů (automobilové motory)
Cyklus dusíku • Biogenní přechody primární asimilace – Fixace N2, produkce NH4+ – Nitrogenázovým systémem katalysovaný pochod, nízkoteplotní analogie průmyslové výroby – Vlastní omezenému okruhu mikroorganismů
• Další asimilační pochody – Vznik aminokyselin a další cesty dusíku v organických molekulách
Cyklus dusíku • Další biogenní procesy – Disimilační • dekomposice dusíkatých biomolekul – produkce NH4+ • Oxidace NH4+ na NO3- (nitrifikace) – zisk energie • Redukce NO3- až na N2 (nitrátová respirace) – zisk energie
– Asimilační • Redukce NO3- na NH4+ (denitrifikace – na rozdíl od nitrogenázové dráhy vlastní více organismům i rostlinám) následovaná jeho inkorporací do organických sloučenin
– Cyklus přeměn uzavřen produkcí N2 (nitrátová respirace)
Cyklus dusíku
Cyklus dusíku
Cyklus dusíku • Problémy – Produkce NH4 biogenní a industriální – Produkce NxO
• Řešení – Konverse toxických produktů na inertní N2 – Inovace technologií a snížení jejich produkce
Cyklus síry • Formy a výskyt síry – Anorganické – volná, sulfáty a sulfidy • Především v litosféře (elementární, nerozpustné sulfidy a sulfáty), též hydrosféra a biosféra • Ekologicky významné anorganické formy biogenního původu ve fosilních palivech
– Organické – sulfo- a merkaptosloučeniny • Biosféra (bílkoviny, polysacharidy)
Cyklus síry • Přeměny sloučenin síry – Abiogenní • spontánní (sopečná činnost) • industriální (oxidace síry při spalování fosilních paliv, výroba H2SO4 a další)
– Biogenní přeměny • Katabolické – disimilační • Anabolické - asimilační
Cyklus síry anaerobní aerobní
S2-
S0
S2O32-
Hlavní depositní formy
Biosféra
SO32-
SO42-
Cyklus síry • Problémy – Aktivace depositních forem industriální činností – Biogenní produkce kyselých vod jako nepřímý důsledek industriální činnosti
• Řešení – Technologické způsoby nápravy (odsiřování) – Biotechnologická opatření prevence
Cyklus fosforu • Formy a výskyt – Anorganické sloučeniny – fosfáty, polyfosfáty • Litosféra a hydrosféra i biosféra (kosti)
– Organické sloučeniny – fosforečné estery a další biomolekuly • Biosféra (nukleové kyseliny)
• Vzájemné přeměny – Jednoduché – vratné pochody, malá pestrost
Cyklus fosforu • Porušení rovnovážného stavu – Hromadění reserv a jejich uvolňování
• Depositní a cyklující formy – Nerozpustné fosfáty v litosféře – ložiska apatitu – Rozpustné fosfáty produkované industriální činností člověka
Cyklus fosforu • Problémy – Významný pro růst, eutrofisace vod
• Řešení – Omezení aplikace fosfátů a jejich úniku do vod – Odstraňování z odpadních vod
Cykly kovů • Forma a výskyt – Anorganické, elementární, sloučeniny (i amfotery) • Přirozeného původu • Umělé vyrobené
– Organické, organokovové sloučeniny • Většinou přirozené
– Lito- a hydrosféra, biosféra
Cykly kovů • Přeměny, jejich zvláštnosti – Jednoduché chemické reakce, změna vlastností • Oxidoredukční pochody • Soli (většinou jako kationty) • Změna rozpustnosti event. toxicity – deposita, usazeniny
– Asimilace a disimilace (biogenní kovy) • Forma kovů v biomase • Konverse omezená, v podstatě se nemění
Cykly kovů • Problémy – Toxicita, těžké kovy (Hg, Cd, Pb) – Salinita
• Řešení – Vhodné výrobní technologie – Promyšlené nakládání s odpady, bioremediace
Biochemické cykly prvků • Závěr – Současný stav je následkem dosavadního vývoje – Jsme adaptováni na dané podmínky – Výrazné odchylky mohou být fatální – Nutnost prognózy založené na poznání – Problém je komplexní, vyčerpání deposit může být závažnější než produkce odpadů
Děkuji Vám za pozornost
