Material Cycles: Næringsstoff, karbon, nitrogen og svovelsyklus

Material Cycles: Næringsstoff, karbon, nitrogen og svovelsyklus!

Næringssyklus:

Tilførselen av andre næringsstoffer enn karbondioksid, til et øko-system kommer hovedsakelig fra jorda, men også i mindre grad fra luften, i regn og snø og som støv.

Tilførselen av mange næringsstoffer er ganske begrenset fordi de er mangelfulle i jord og i andre kilder. Næringsstoffer sykles på en slik måte at de begge er innarbeidet i planter og dyr, eller ellers blir gjort tilgjengelig for planteopptak ved nedbrytning av døde plante- og dyrerester.

Banene fra kilder til vasker og tilbake til kilder, kalles elementære sykluser, og de varierer mellom de ulike elementene. Vi vurderer kort de tre viktigste syklusene, karbon, nitrogen og svovel.

Karbon syklus:

Karbon er grunnlaget for alle organiske molekyler. Det utgjør vårt genetiske materiale (DNA og RNA) og proteiner, som er essensielle for livet. Karbon er så spesiell på grunn av sin evne til å binde seg til nesten alle andre molekyler. Hovedelementet i kroppen vår er karbon.

Kullsyklusen er prosessen gjennom hvilken karbon sykles gjennom luft, jord, planter, dyr og fossile brensler. Store mengder karbon finnes i atmosfæren som karbondioksid (CO ₂ ). Kuldioksid sykles av grønne planter under prosessen kjent som fotosyntese for å lage organiske molekyler (glukose, som er mat).

Det er her næringen av hver heterotrofe organisme kommer fra. Dyr gjør det motsatte av planter - de frigjør karbondioksid tilbake i luften som avfallsprodukt fra åndedrettsvern. (Merk: Planter gjennomgår også respirasjon for å lage mat, men flertallet av karbondioksid i luften kommer fra heterotrofisk respirasjon). Dekomponerende stoffer, når de bryter ned døde organiske stoffer, slipper også karbondioksid i luften.

Dekomponatorer er essensielle fordi uten dem ville alt karbon på planeten til slutt bli låst opp i døde kropper og annet søppel. Forfallet tillater at karbon frigjøres tilbake i matbanen. Karbon lagres også i fossile brensler, som kull, petroleum og naturgass.

Når disse blir brent, slippes også karbondioksid tilbake i luften. Vulkaner og branner slipper også store mengder CO2 inn i atmosfæren. Karbondioksid kan oppløses i vann, hvor noe av det senere kommer tilbake til atmosfæren. Resten kan tas for å danne kalsiumkarbonat, som bygger opp skjell, bergarter og skjeletter av protozoer og koraller.

Kullsyklusen er en kompleks serie prosesser hvor alle karbonatomer som eksisterer roterer. De samme karbonatomene i kroppen din i dag har blitt brukt i utallige andre molekyler siden tiden begynte. Vedet brente bare noen tiår siden kunne ha produsert karbondioksid som gjennom fotosyntese ble en del av en plante.

Når du spiser den planten, kan det samme kullet fra brannen bli en del av deg. Karbon syklusen er den store naturlige resirkulatoren av karbonatomer. Dessverre er omfanget av dens betydning sjelden stresset nok. Uten at karbon syklusen fungerer, kan alle aspekter av livet forandres dramatisk.

Ved å bruke energi fra solen går naturens karbon syklus rundt, fra atmosfæren til skogen og tilbake. Slik fungerer det. Trær absorberer karbondioksid fra luften mens de vokser. Faktisk er omtrent halvparten av deres tørre vekt dette absorberte karbon. Som gamle trær dør og forfall, eller blir konsumert i en skogbrann, blir deres karbon igjen frigjort til luften som karbondioksid. Dette er naturens karbon syklus.

Når brensel brukes som energikilde, blir en del av den naturlige karboncyklusen innført i hjemmet for å varme dem. En brann på ilden frigjør solenergi lagret av treet som det vokste. Hvis hele drivstoffsyklusen vurderes, vil en ren brennende peis varme ditt hjem mer effektivt og med lavere miljøpåvirkning enn noe annet brenselalternativ.

De andre drivstoffalternativene - olje, gass og kull - er fossile brensler, og når de blir brent, blir gammelt karbon som ble begravet dypt inne i jorden, sluppet ut i atmosfæren. Den stigende konsentrasjonen av karbondioksid fra bruk av fossilt brensel er knyttet til global oppvarming, klimaendringer og det uvanlige været vi har sett de siste årene.

En trebrann bidrar ikke til global oppvarming fordi det ikke frigjøres mer karbondioksid enn den naturlige skogen vil frigjøre hvis den blir uberørt. Ved å bruke tre til varme betyr mindre fossile brensler brent, mindre klimagassutslipp og et sunnere miljø.

Nitrogenoksid:

En annen viktig næringssyklus er den av nitrogen. Kväve er et kritisk viktig element for hele livet. Proteiner, som er bestanddeler i alle levende celler, inneholder i gjennomsnitt 16 vekt% nitrogen. Andre komplekse nitrogenholdige stoffer som er viktige for livet er nukleinsyrer og aminosukker. Uten kontinuerlig tilførsel av nitrogen vil livet på jorden opphøre.

Nitrogen syklusen er noe som karbon syklusen, men med en rekke kritiske forskjeller. Selv om 79% av jordens atmosfære består av elementært nitrogen (N ₂ ), er denne inerte gassen helt utilgjengelig for opptak av de fleste planter og dyr. Dette står i sterk kontrast til den lille mengden karbondioksid (0, 03%) i atmosfæren, som er lett tilgjengelig for planteopptak.

En relativt få mikrober er i stand til å fikse atmosfærisk nitrogen fra det uorganiske til den organiske form. Slike mikrobiologiske fikseringer er i gjennomsnitt 140 til 700 mg / m ² år. I svært fruktbare landbruksområder kan det overstige 20000 mg / m ² år.

En rekke bakterier, sopp og blågrønne alger er kjent for å kunne fikse nitrogen. Nitrogenfiksering innebærer direkte inkorporering av atmosfærisk nitrogen i organisk kropp av fikseringsorganismer. Nitrogenfiksere, utgjør kun en svært liten del av disse gruppene samlet.

De kan deles inn i:

1. Symbiotiske nitrogenfiksere, som i stor grad er bakterier, og som er forbundet med røtter av belgfrukter (medlemmer av ert- og bønnefamilie) og noen andre blomstrende planter, og

2. Fritt levende nitrogenfiksere. Slekten Rhizobium inneholder de bakteriene som bor i knuter som utvikler seg på røttene til medlemmer av ert- og bønnefamilien. De er til stede i jord og smitter de fine røttene etter hvert som frøplanter vokser. Røttene produserer en spesiell knute som huser rhizobia, hvor bakterier omdanner atmosfærisk nitrogen til de organiske nitrogenbestanddelene i egne celler.

Siden bakterielle celler dør veldig raskt, blir dette nitrogen tilgjengelig for de høyere plantene. Beskjær av kløver og bønner tilsetter faktisk nitrogen til jordene der de vokste og eliminerer behovet for dyre gjødsel. En stor vitenskapelig innsats er i gang i mange land for å finne bakterier som kan danne en lignende tilknytning til kornavlinger.

De symbiotiske nitrogenfiksere synes å være begrenset til terrestriske økosystemer og har ikke blitt funnet i vannlevende habitater, det ene unntaket er en marine orm som angriper nedsenket tre. Blant de ikke-symbiotiske nitrogenfiksere er både aerobic og anaerobe fri levende bakterier samt cyanobakterier.

Disse forekommer i jord og i både marint og ferskvann og kan legge vesentlig til nitrogeninnholdet i disse miljøene. En ytterligere, men generelt liten kilde til atmosfærisk nitrogen til jord og vann er lynstormer hvor elektrokjemiske nitrogenomdannelser finner sted.

Nitrogen går inn i produsenten - næringsmiddelkjeden når planter tar det opp fra jordløsningen enten som nitrater eller som ammoniumion. Nitrat kan også omdannes til ammoniakk ved denitrifiserende bakterier i jorda, spesielt av bakterier og sopp i vannet. Slike omdannelser forekommer også i lavt oksygenforhold i innsjøer. Prosessen kalles denitrifisering. De nitrifiserende bakteriene kan i sin tur bruke ammoniakknitro som energikilde for å syntetisere sin egen protoplasma.

Denne prosessen skjer bare sakte, om i det hele tatt, under sure forhold. Først blir ammoniakken omdannet til nitritt av bakteriegenet Nitrosomonas, og nitrittet omdannes deretter til nitrat av et annet slekt, Nitrobacter. Denne to-trinns prosessen kalles nitrifikasjon. Begge bakteriegruppene får sin energi fra denne oksidasjonsprosessen og bruker så litt energi til å omdanne karbondioksid til cellulært karbon.

Etter at nitrat har blitt tatt opp og omdannet av høyere planter og mikrober til protein og nukleinsyrer, metaboliseres det og returneres til hoveddelen av syklusen som avfallsprodukter av den metabolisme (livløs organisk nitrogen).

Mange heterotrofiske bakterier og sopp i både jord og vann bruker dette organiske nitrogenrike materialet, konverterer det og frigjør det som uorganisk ammoniakk i en prosess som kalles ammoniakk. Andre deler av syklusen innebærer utslipp av gassformig nitrogen og nitrogenoksider, tilbake i atmosfæren, selv om disse er av begrenset betydning

Svovelsyklus:

Svovel er et viktig næringsstoff for organismer, som er en nøkkelbestanddel av visse aminosyrer, proteiner og andre biokjemiske. Planter tilfredsstiller deres ernæringsmessige behov for svovel ved å assimilere enkle mineralforbindelser fra miljøet.

Dette skjer hovedsakelig som sulfat oppløst i jordvann som tas opp av røtter, eller som gassformig svoveldioksid som absorberes av løvverk i miljøer der atmosfæren er noe forurenset med denne gassen. Dyr får det svovel de trenger ved å spise planter eller andre dyr, og fordøye og assimilere deres organiske former av svovel, som deretter brukes til å syntetisere nødvendig svovelholdig biokjemisk.

I visse situasjoner, spesielt i intensivt styrt landbruk, kan tilgjengeligheten av biologisk nyttige former for svovel være en begrensende faktor for planteproduktiviteten, og bruk av en sulfatholdig gjødsel kan vise seg å være gunstig. Svovelforbindelser kan også være forbundet med viktige miljøskader, som når svoveldioksid skader vegetasjonen, eller når sure avløp forbundet med sulfidmineraler nedbryter økosystemene.

Svovel (S) kan forekomme i mange kjemiske former i miljøet. Disse inkluderer organiske og mineralske former, som kan transformeres kjemisk av både biologiske og uorganiske prosesser. Svoveldioksid er en gass som kan være giftig for planter i konsentrasjoner som er mye mindre enn en del per million i atmosfæren, og til dyr i større konsentrasjoner.

Det er mange naturlige kilder til utslipp av SO2 til atmosfæren, som vulkanutbrudd og skogbranner. Store utslipp av SO2 er også forbundet med menneskelige aktiviteter, særlig kullforbrenning og bearbeiding av visse metallmalmer.

I atmosfæren oksideres SO2 til sulfat, en anion som oppstår som et lite partikkelformet, hvor de negative ladningene er elektrokemisk balansert av de positive ladningene av kationer, for eksempel ammonium (NH ⁺ 4), kalsium (Ca ²⁺ ) eller hydrogen ion (H ⁺ ). Disse fine partiklene kan tjene som kondenskjerner for dannelse av iskrystaller, som kan avgjøre seg fra atmosfæren

Det viktigste grunnleggende materialet i livet er vann, en av jive panchabltutas. Dette er i begrenset tilgang. Levende former på terrestriske områder er avhengige av vann fri for salter-ferskvann. På grunn av solvarmevannet fordampes fra havene og går opp som vanndamp, og når den beveger seg over til landområder, får den en betydelig høyde, og dampen avkjøles for å utfelle som vann eller snø. Av det totale anslåtte vannet i jorden og dets atmosfære.