Materialcykler: näringsämne, kol, kväve och svavelcykel

Materialcykler: Näringsämne, kol, kväve och svavelcykel!

Näringscykel:

Tillförseln av andra näringsämnen än koldioxid, till ett ekosystem kommer huvudsakligen från jorden, men också i mindre utsträckning från luften, i regn och snö och som damm.

Tillförseln av många näringsämnen är ganska begränsad eftersom de är bristfälliga i jorden och i andra källor. Näringsämnen cyklas på ett sådant sätt att de båda införlivas i växter och djur, eller görs tillgängliga för växtupptagning genom sönderdelning av döda växt- och djurrester.

Banorna från källor till sänkor och tillbaka till källor, kallas elementära cykler, och de skiljer sig åt bland de olika elementen. Vi behandlar kort de tre viktigaste cyklerna, kol, kväve och svavel.

Kolets kretslopp:

Kol är grunden för alla organiska molekyler. Det utgör vårt genetiska material (DNA och RNA) och proteiner som är viktiga för livet. Kol är så speciellt på grund av dess förmåga att binda till nästan vilken annan molekyl som helst. Huvuddelen i våra kroppar är kol.

Kolcykeln är processen genom vilken kolet cyklas genom luften, marken, växterna, djuren och fossila bränslen. Stora mängder kol finns i atmosfären som koldioxid (CO ₂ ). Koldioxid cyklas av gröna växter under processen kallad fotosyntes för att göra organiska molekyler (glukos, vilket är mat).

Det här är varifrån näring av varje heterotrof organism kommer ifrån. Djur gör motsatsen till växter - de släpper ut koldioxid tillbaka i luften som en avfallsprodukt från andning. (Obs! Växter genomgår även andning för att göra mat, men majoriteten av koldioxiden i luften kommer från heterotrofisk andning). Nedbrytare, när de bryter ner död organiskt material, släpper också koldioxid ut i luften.

Nedbrytare är avgörande, för utan dem skulle allt koldioxid på planeten slutligen bli låst i döda slaktkroppar och annat sopor. Decay tillåter kol att släppas tillbaka i matbanan. Kol lagras också i fossila bränslen, till exempel kol, petroleum och naturgas.

När dessa brinner, släpps även koldioxid tillbaka i luften. Vulkaner och bränder släpper också stora mängder CO2 till atmosfären. Koldioxid kan lösas upp i vatten, där några av det senare återvänder tillbaka till atmosfären. Resten kan tas för att bilda kalciumkarbonat, som bygger upp skal, klippor och skelett av protozoer och koraller.

Kolcykeln är en komplex serie processer genom vilka alla kolatomer som existerar roterar. Samma kolatomer i din kropp idag har använts i oräkneliga andra molekyler sedan tiden började. Veden brände bara några decennier sedan kunde ha producerat koldioxid som genom fotosyntes blev en del av en växt.

När du äter den växten, kan samma kol från träet som brändes bli en del av dig. Koldioxidcykeln är den stora naturliga återvinningen av kolatomer. Tyvärr är omfattningen av dess betydelse sällan stressad nog. Utan att kolcykeln fungerar korrekt kan varje aspekt av livet förändras dramatiskt.

Med hjälp av energi från solen går naturens koldioxidcykel kring, från atmosfären till skogen och tillbaka. Så här fungerar det. Träd absorberar koldioxid från luften när de växer. I själva verket är ungefär hälften av sin torra vikt detta absorberade kol. Som gamla träd dör och sönderfall, eller konsumeras i en skogsbrand, släpps deras kol igen i luften som koldioxid. Detta är naturens koldioxidcykel.

När ved används som en energikälla tas en del av den naturliga kolcykeln in i våra hem för att värma dem. En eld på härden frigör solenergi som lagras av trädet när det växte. Om hela bränslecykeln övervägs kommer en ren eldstråle att värma ditt hem mer effektivt och med lägre miljöpåverkan än något annat bränslealternativ.

De andra bränslealternativen - olja, gas och kol - är fossila bränslen, och när de brinner, släpps gamla kol som begravdes djupt i jorden till atmosfären. Den stigande koncentrationen av koldioxid från användningen av fossila bränslen är kopplat till global uppvärmning, klimatförändringar och det ovanliga väder vi har sett de senaste åren.

En vedbrand bidrar inte till den globala uppvärmningen, eftersom ingen koldioxid frigörs än den naturliga skogen skulle släppa om den lämnas orörd. Att använda trä för värme innebär att mindre fossila bränslen brinner, mindre utsläpp av växthusgaser och en hälsosammare miljö.

Kvävecykel:

En annan viktig näringscykel är den för kväve. Kväve är ett kritiskt viktigt element för hela livet. Proteiner, som är beståndsdelar i alla levande celler, innehåller i genomsnitt 16 viktprocent kväve. Andra komplexa kväveämnen som är viktiga för livet är nukleinsyror och aminosocker. Utan en kontinuerlig tillförsel av kväve skulle livet på jorden upphöra.

Kvävecykeln är ungefär som kolcykeln, men med ett antal kritiska skillnader. Även om 79% av jordens atmosfär består av elementärt kväve (N2), är denna inerta gas helt otillgänglig för upptagning av de flesta växter och djur. Detta står i stark kontrast till den lilla mängden Koldioxid (0, 03%) i atmosfären, som är lätt tillgänglig för växtupptagning.

En relativt få mikrober är kapabla att fixera atmosfäriskt kväve från den oorganiska till den organiska formen. Sådan mikrobiologisk fixering är i genomsnitt 140 till 700 mg / m ² år. I mycket bördiga jordbruksområden kan det överstiga 20000 mg / m ² år.

Ett antal bakterier, svampar och blågröna alger är kända för att kunna fixa kväve. Kvävefixering innebär direkt införlivande av atmosfäriskt kväve i den organiska kroppen hos fixeringsorganismerna. Kvävefixarna utgör endast en mycket liten del av dessa grupper totalt.

De kan delas in i:

1. Symbiotiska kvävefixare, som i stor utsträckning är bakterier och som är förknippade med rötter av baljväxter (medlemmar av ärter och bönfamiljer) och några andra blommande växter, och

2. Fri levande kvävefixare. Släktet Rhizobium innehåller de bakterier som bor i knölarna som utvecklas på rötterna hos medlemmar av ärt- och bönfamiljen. De är närvarande i jord och smittar de fina rötterna som plantor växer. Rötterna ger en speciell nodul som rymmer rhizobien, där bakterier omvandlar atmosfäriskt kväve till organiska kvävebeståndsdelar i sina egna celler.

Eftersom bakterieceller dör mycket snabbt blir detta kväve tillgängligt för de högre plantorna. Växter av klöver och bönor lägger faktiskt kväve till marken där de växte och eliminerar behovet av dyra gödselmedel. En stor vetenskaplig ansträngning pågår i många länder för att hitta bakterier som kan bilda en liknande association med spannmålsgrödorna.

De symbiotiska kvävefixarna tycks vara begränsade till markbundna ekosystem och har inte hittats i vattenlevande livsmiljöer, det enda undantaget är en marinorm som attackerar nedsänkt trä. Bland de icke-symbiotiska kvävefixarna finns både aeroba och anaeroba levande bakterier samt cyanobakterier.

Dessa förekommer i mark och i både marina och färskvatten och kan väsentligt öka kvävehalten i dessa miljöer. En ytterligare men allmänt mindre källa till atmosfäriskt kväve till mark och vatten är åskväder där elektrokemiska kväveomvandlingar äger rum.

Kväve kommer in i producenten - konsumentmatkedjan när växter tar upp den från jordlösningen antingen som nitrater eller som ammoniumjon. Nitrat kan också omvandlas till ammoniak genom att denitrifierande bakterier i jorden, speciellt av bakterier och svampar i vattenloggade jordar. Sådan omvandling sker också vid låga syreförhållanden i sjöar. Processen kallas denitrifiering. De nitrifierande bakterierna kan i sin tur använda ammoniak kväve som energikälla för att syntetisera sin egen protoplasma.

Denna process sker endast långsamt, om överhuvudtaget under sura betingelser. Först omvandlas ammoniak till nitrit av bakteriegenet Nitrosomonas, och nitritet omvandlas sedan till nitrat av ett annat släkt, Nitrobacter. Denna tvåstegsprocess kallas nitrifiering. Båda bakteriegrupperna erhåller energi från denna oxidationsprocess och utnyttjar sedan en del energi för att omvandla koldioxid till cellulärt kol.

Slutligen, efter att nitrat har tagits upp och omvandlats av högre växter och mikrober till protein och nukleinsyror, metaboliseras det och återgår till större delen av cykeln som avfallsprodukter av den metabolismen (livsviktigt organiskt kväve).

Många heterotrofa bakterier och svampar i både mark och vatten använder detta organiska kväverika material, omvandlar det och frigör det som oorganisk ammoniak i en process som kallas ammonifiering. Andra delar av cykeln innebär utsläpp av gasformig kväve och kväveoxider, tillbaka i atmosfären, även om dessa är av begränsad betydelse

Svavelcykel:

Svavel är ett viktigt näringsämne för organismer, som är en nyckelbeståndsdel av vissa aminosyror, proteiner och andra biokemiska. Växter uppfyller deras näringsbehov för svavel genom att assimilera enkla mineralföreningar från miljön.

Detta förekommer oftast som sulfat löst i markvatten som tas upp av rötter eller som gasformigt svaveldioxid som absorberas av löv i miljöer där atmosfären är något förorenad med denna gas. Djur erhåller den svavel som de behöver genom att äta växter eller andra djur och smälta och assimilera sina organiska former av svavel, vilka sedan används för att syntetisera nödvändig svavelhaltig biokemisk.

I vissa situationer, särskilt i intensivt förvaltat jordbruk, kan tillgången på biologiskt användbara former av svavel vara en begränsande faktor för plantornas produktivitet, och applicering av ett sulfathaltigt gödningsmedel kan visa sig vara fördelaktigt. Svavelföreningar kan också vara förknippade med viktiga miljöskador, som när svaveldioxid skadar vegetationen eller när sura avlopp i samband med sulfidmineraler försämrar ekosystemen.

Svavel (S) kan förekomma i många kemiska former i miljön. Dessa inkluderar organiska och mineralformar, som kan transformeras kemiskt av både biologiska och oorganiska processer. Svaveldioxid är en gas som kan vara giftig för växter i koncentrationer som är mycket mindre än en del per miljon i atmosfären och för djur i större koncentrationer.

Det finns många naturliga källor till utsläpp av SO2 i atmosfären, såsom vulkanutbrott och skogsbränder. Stora utsläpp av SO2 är också förknippade med mänskliga aktiviteter, särskilt förbränning av kol och bearbetning av vissa metallmalmer.

I atmosfären oxideras SO2 till sulfat, en anjon som uppträder som ett litet partikelformigt material, i vilket de negativa laddningarna är elektrokemiskt balanserade av de positiva laddningarna av katjoner, såsom ammonium (NH ⁺ 4), kalcium (Ca2 ⁺ ) eller vätejon (H ⁺ ). Dessa fina partiklar kan fungera som kondenskärnor för bildandet av iskristaller, som kan avgå från atmosfären

Det viktigaste grundläggande materialet i livet är vatten, en av jive panchabltutas. Detta är i begränsat utbud. Levande former på markområden är beroende av vattenfritt från salter-fritt vatten. På grund av att solvattnet avdunstar sig från oceanerna och går upp som vattenånga, och när den färdas över till landområdena, uppnår en stor höjd, kyler ångan ned till utfällning som vatten eller snö. Av det totala beräknade vattnet i jorden och dess atmosfär.