Cykle biogeochemiczne w biosystemach

Co to są cykle biogeochemiczne?
Cykle biogeochemiczne wynikają z potrzeb biologicznych żywych organizmów. Około 40 biogenów wykazuje obieg przyrodniczy. Jednak najważniejsze z nich, które to wykazują obieg globalny są: węgiel, siarka, azot, tlen i wodór, w mniejszym stopniu fosfor, który wykazuje obieg sedymentacyjny. Cykl biogeochemiczny jest to ciągle zachodząca przemiana materii organicznej w nieorganiczną i odwrotnie - pod wpływem organizmów żywych. Proces ten zachodzi, gdy do organizmów żywych dostarczona jest energia (głównie energia słoneczna).
Obieg substancji możemy podzielić na:
-sedymentacyjny, gdy pierwiastek nie przechodzi w postać gazową a jest jedynie osadzany w glebie czy na dnie oceanów na skutek ciążenia. W takim przypadku jest to cykl lokalny.
-gazowy jest w przypadku, gdy substancja przechodzi w postać gazową i może przemieszczać się na większe odległości. W takim przypadku jest to cykl globalny.
Obieg węgla:
Węgiel (C) to podstawowy pierwiastek budulcowy związków organicznych. W żywą materię organiczną zostaje wbudowany w postaci CO2 asymilowanego przez autotrofy (rośliny zielone, bakterie samożywne). Dzięki istniejącym łańcuchom pokarmowym węgiel przedostaje się w postaci roślinnych związków organicznych do konsumentów I rzędu (roślinożerców), a następnie do konsumentów II rzędu (zwierzęta mięsożerne). Ze związków organicznych węgiel wraca do obiegu jako CO2, powstający w procesie oddychania heterotrofów i autotrofów.
Rośliny i zwierzęta składają się przede wszystkim z węgla, a jego globalny cykl jest odzwierciedleniem produkcji pierwotnej i wtórnej. Wpływ człowieka na globalny cykl węgla jest niemal tak duży jak na cykl siarki. Największy przepływ globalny cyklu węgla odbywa się pomiędzy atmosferą a roślinnością lądową oraz między atmosferą a oceanami. Te dwa strumienie węgla są niemal równe, a średni czas przebywania atomu węgla w atmosferze wynosi około 3 lat. Wahania zawartości CO 2 atmosferycznego są związane z sezonowością jego poboru przez rośliny oraz sezonowością użytkowania paliw i wymiany CO 2 z oceanami. W atmosferze znajduje się 2350 mld ton CO 2 , czyli ok. 641 mld czystego węgla.
Biogeochemiczny obieg węgla opisuje się na podstawie cyklu obiegu podstawowego związku, w którym ten pierwiastek się znajduje - dwutlenku węgla. Obieg dwutlenku węgla jest regulowany głównie przez procesy jego wiązania ( fotosynteza, chemosynteza, rozpuszczanie się w wodzie ) i uwalniania ( oddychanie, uwalnianie z gleby i procesów geologicznych zachodzących w skorupie ziemskiej, spalanie paliw ). Obieg ten jest utrzymywany głównie przez ustalenie się równowagi pomiędzy dwoma podstawowymi procesami zachodzącymi na Ziemi - fotosyntezą i chemosyntezą a oddychaniem. Zasadniczą część węgla wiązana jest przez rośliny zielone mórz lądów. Zasoby dostępnego dwutlenku węgla zostałyby szybko wyczerpane, gdyby nie uwalnianie tego gazu w procesach oddychania. Rośliny wydalają do środowiska dwutlenek węgla w ilości 1% swojej masy na dobę, ssaki - 3%, ptaki - 25%, a mikroorganizmy aż 500%.Część tego gazu pochodzi z procesów rozkładu materii organicznej i procesów wulkanicznych oraz spalania paliw organicznych.

Rys. Obieg węgla w przyrodzie
Obieg azotu:
Azot jest zawarty w wolnej postaci w atmosferze, w litosferze występuje w solach mineralnych, głównie w azotanach, azotynach i solach amonowych. W organizmach azot stanowi ważny składnik białek. Największą zawartość azotu (około 78%) ma powietrze. Organiczne szczątki są rozkładane przez reducentów. Produktem rozkładu są między innymi związki: azotany III ( azotyny ), azotany V ( azotany ) i siarkowodór. Powstały w procesie amonifikacji amoniak wchodzi w cykl nitryfikacyjny. Olbrzymim rezerwuarem azotu jest powietrze. Gazowy azot może być zamieniony na przyswajalne azotany i sole amonowe podczas wyładowań atmosferycznych. Tą drogą do gleby w ciągu roku dostaje się 4-10 kg/ha. Dużą część wolnego azotu wiążą mikroorganizmy ( bakterie, glony ), wprowadzając do gleby przyswajalne azotany w ilości ok.25 kg/ha/rok oraz symbiotyczne bakterie brodawkowe, które mogą dostarczyć aż 150-400 kg azotu przyswajalnego na 1 ha w ciągu roku. Dlatego urodzajność pól uprawnych podwyższa się przez wprowadzenie do zmianowania roślin motylkowych. Ilość związanego azotu pochodzenia atmosferycznego wynosi średnio dla całej biosfery 140-700 mg/cm/rok. W zbiornikach wodnych odbywa się wiązanie dużych ilości tego pierwiastka przez sinice. Dzięki burzą możliwe jest przechodzenie wolnego azotu ze zbiornika, jaki stanowi atmosfera do produktywnego obiegu, ponieważ energia wyzwalająca się podczas wyładowań atmosferycznych umożliwia utlenianie się części azotu gazowego. Obieg azotu wykazuje częściowo sedymentacyjny charakter, ponieważ część tego pierwiastka może wypadać z obiegu na skutek opadania oraz gromadzenia się w głębinach oceanów i na dnie zeutrofizowanych jezior, gdzie na skutek braku tlenu osady denne nie ulegają mineralizacji i kumulują się. Warunki beztlenowe panujące przy dnie sprzyjają procesowi denitryfikacji, co dodatkowo zmniejsza ilość dostępnego, przyswajalnego azotu. Część azotu zostaje przed przedostaniem się w głębiny wyłapywana przez plankton i wchodzi w łańcuch pokarmowy ryb a potem ptaków i ssaków morskich. Dzięki ptakom znaczna część azotu i fosforu oraz potasu zostaje przeniesiona wraz z odchodami na ląd, gdzie częściowo osadza się w postaci guana.

W obiegu azotu można wyróżnić cztery oddzielne procesy:
1. Wiązanie azotu polega na przekształcaniu azotu cząsteczkowego N2 z atmosfery, który wraz z opadami atmosferycznymi przedostaje się do gleby i wody, tworząc jony amonowe, azotynowe i azotanowe, w amoniak przez pewne rodzaje bakterii (gł. Azotobacter i Clostridium) i sinic (Nostoc).

2. Przyswajanie azotu w postaci azotanów i amoniaku (jonów azotanowych i amonowych) przez rośliny zielone następuje po wprowadzeniu ich w aminokwasy i białka roślinne. Rośliny motylkowate wykorzystują azot atmosferyczny przy współudziale bakterii nitryfikacyjnych (nitryfikatory).

3. Azot w postaci białek roślinnych wykorzystywany jest następnie przez konsumentów, czyli pobierany przez zwierzęta roślinożerne. Zwierzęta drapieżne pobierają go z białkami innych zwierząt. Po obumarciu roślin i zwierząt zawarte w nich białka są rozkładane do jonów amonowych (amonifikacja) lub utleniane w procesie nitryfikacji przez bakterie nitryfikujące do przyswajalnych przez rośliny azotanów. Taki sam proces ma miejsce w przypadku mocznika lub kwasu moczowego, wydalanych przez zwierzęta w wyniku przemiany białek. Powstałe jony amonowe są ponownie wykorzystywane przez rośliny oraz bakterie nitryfikacyjne i wracają do obiegu azotu.

4. Azotany nie wykorzystane przez rośliny mogą gromadzić się w glebie (np. złoża saletry chilijskiej) albo ulec denitryfikacji, polegającej na przekształceniu przez bakterie denitryfikacyjne, w beztlenowym procesie oddychania, jonów azotanowych w jony amonowe (zostające w glebie) i wolny azot, który wraca do atmosfery.



Literatura :
Ekologia, środowisko, przyroda – Tomasz Umiński
Ekologia biochemiczna - Harborne J.B