2.2. Základní biogeochemické pochody. Ing. Petr Stloukal Ústav ochrany životního prostředí Fakulta technologická Univerzita Tomáše Bati Zlín

Transkript

1 2.2. Základní biogeochemické pochody Ing. Petr Stloukal Ústav ochrany životního prostředí Fakulta technologická Univerzita Tomáše Bati Zlín

2 Obsah přednášky 1. Biogeochemický cyklus obecně 2. Cykly nejdůležitějších biogenních prvků v biosféře - uhlík - kyslík - dusík - fosfor - síra 2

3 1) Biogeochemický cyklus 3

4 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

5 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

6 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

7 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

8 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

9 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

10 Metabolismus Dělení dle přítomnosti kyslíku: aerobní metabolismus: - potřebuje kyslík anaerobní metabolismu: - bez přítomnosti kyslíku 10

11 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

12 Biogeochemický cyklus 12

13 2) Cykly nejdůležitějších biogenních prvků v biosféře 13

14 Cykly biogenních prvků v biosféře 1. Cyklus C 2. Cyklus O 3. Cyklus N 4. Cyklus P 5. Cyklus S 14

15 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 HCO 3-, CO 3 2-, CO 2 (aq), rozp. i nerozp. org. látky. Obsah cca 60* větší než v atmosféře!!! Atmosféra 0,035% CO 2 (předindustriální období %), CH 4, CO (3 sloučeniny C nejčastěji znečisťující atmosféru). 15

16 Cyklus uhlíku Biochemický cyklus (20 let) Zahrnuje fotosyntézu a dýchání živých organismů vyrovnané stálý obsah CO 2 v atmosféře. Biogeochemický cyklus ( let) Pomalejší, 0,5 % z ročně vyprodukované biomasy se dostává do sedimentů (moří i sladkovodních nádrží), organicky vázaný C se oxiduje na CO 2 a to zvětráváním. Geochemický cyklus (200 mil. let) Zahrnuje vznik nerozpustného CaCO 3 a jeho ukládání v sedimentech na dně mořských pánví a proces jeho zvětrávání 16

17 Cyklus uhlíku nejvýznamnějším stavebním prvkem živé hmoty na Zemi. do potravních řetězců - vstupuje při fotosyntéze rostlin v molekule CO 2 - opouští je procesem opačným respirací (dýcháním). fotosyntéza dýchání 6 CO H 2 O C 6 H 12 O O 2 rozklad mrtvé organické hmoty aerobní rozklad CH 2 O + O 2 CO 2 + H 2 O anaerobní rozklad 2 CH 2 O CO 2 + CH 4 17

18 Cyklus uhlíku Dělení organismů dle vztahu k uhlíku: Autotrofní organismy - získávají uhlík z anorganických látek (CO 2 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

19 Fotosyntéza Biochemický proces, při kterém se mění přijatá energie světelného záření na energii chemických vazeb. 6 CO H 2 O C 6 H 12 O O H 2 O 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

20 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

21 Fotosyntéza Dvě fáze: primární procesy (dříve nazývány jako světelná fáze) - zachycení světelné energie. Vytváří se ATP a NADPH a O 2 sekundární procesy (dříve nazývány jako temnostní fáze) - Reakce nezávislá na světle(calvinův cyklus): fixace uhlíku (CO 2 ). Používá energii z ATP a NADPH k syntéze cukrů (C 6 H 12 O 6 ) 21

22 Zjednodušený biochemický cyklus Begon aj. (1997) 22

23 Cyklus uhlíku 23

24 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

25 Cyklus kyslíku úzce souvisí s cyklem uhlíku Vznik volného kyslíku Hlavním zdrojem kyslíku v biosféře a atmosféře je fotosyntéza, 6CO 2 + 6H 2 O + C 6 H 12 O 6 + 6O 2 Ztráty volného kyslíku - respirace (dýchání živočichů) - dekompozice (rozklad organických látek). - chemické zvětrávání hornin kyslíkem (4FeO + 3O 2 2Fe 2 O 3 ), schránky korýšů v moři 25

26 Cyklus kyslíku 2 CO + O 2 = 2 CO 2 kyslík spotřebovaný na oxidaci vulkanických plynů CO 2 O 2 O 2 CO 2 CO 2 O 2 O 2 C + O 2 = CO 2 kyslík spotřebovaný na spalování fosilních paliv (CH 2 O) + O 2 = CO 2 + H 2 O dýchání rostliny a živoč. oxidační zvětrávání např. O FeO = 2 Fe 2 O 3 CO 2 + H 2 O = (CH 2 O) + O 2 fotosyntéza Ca 2+ + CO 3 2- = CaCO 3 kyslík obsažený v sedimentech 26

27 Cyklus dusíku Ovzduší - N 2 (78,08%) znečištění NO X, NH 3 relativně reaktivní. NO, NO 2, N 2 O, NH 3 (sloučeniny N nejčastěji znečisťující atmosféru) Hydrosféra - ve vodách se vyskytují především sloučeniny dusíku ve formě NO 3-, NO 2-, NH 3 resp. NH 4+ Litosféra - jen 0,002 % N Biosféra - stavba organismů - aminokyseliny skupina -NH 2 Biogeochemický cyklus 27

28 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

29 Cyklus dusíku Hlavní mikrobiální přeměny dusíku: - fixace, mineralizace, nitrifikace, denitrifikace fixace atmosféra N 2 (NO X, NH 3 ) organicky vázaný N využití denitrifikace - N 2 (NO X, NH 3 ) využití mineralizace NH 3 resp. NH 4 + nitrifikace (přes NO 2 - ) NO 3-29

30 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

31 Cyklus dusíku V kg/rok 31

32 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

33 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

34 Cyklus fosforu 34

35 Cyklus fosforu srovnání s cyklem N 35

36 Cyklus síry Litosféra - na zemském povrchu jako sírany (sádrovec), hlouběji jako sulfidy (pyrit) 0,03 0,09 % Atmosféra - H 2 S, SO 2 - Postupná oxidace v atmosféře H 2 S SO 2 SO 3 H 2 SO 4 HSO 4- SO 4 2- Hydrosféra - především jako kyselé sírany. Biosféra - rostliny asimilují S ve formě rozpustných síranů. 36

37 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

38 Cyklus síry 38

39 Děkuji Vám za pozornost Dotazy? 39