Materiaalcycli: nutriënt, koolstof, stikstof en zwavelcyclus

Materiaalcycli: nutriënt, koolstof, stikstof en zwavelcyclus!

Voedingsstof cyclus:

De toevoer van voedingsstoffen anders dan koolstofdioxide naar een ecosysteem komt voornamelijk van de grond, maar ook in mindere mate vanuit de lucht, in regen en sneeuw en als stof.

De toevoer van veel voedingsstoffen is vrij beperkt omdat ze schaars zijn in de bodem en in andere bronnen. Voedingsstoffen worden zodanig gefietst dat ze allebei in planten en dieren worden opgenomen, of anders beschikbaar worden gemaakt voor opname door de plant door de afbraak van dode planten- en dierenresten.

De paden van bronnen naar putten en terug naar bronnen worden elementaire cycli genoemd en ze verschillen tussen de verschillende elementen. We beschouwen kort de drie belangrijkste cycli, die van koolstof, stikstof en zwavel.

Koolstof cyclus:

Koolstof is de basis van alle organische moleculen. Het vormt ons genetische materiaal (DNA en RNA) en eiwitten, die essentieel zijn voor het leven. Koolstof is zo speciaal vanwege zijn vermogen om zich aan bijna elk ander molecuul te hechten. Het belangrijkste element in ons lichaam is koolstof.

De koolstofcyclus is het proces waarbij koolstof door de lucht, grond, planten, dieren en fossiele brandstoffen wordt gefietst. Grote hoeveelheden koolstof bestaan ​​in de atmosfeer als koolstofdioxide (CO ₂ ). Koolstofdioxide wordt door groene planten gefietst tijdens het proces dat bekend staat als fotosynthese om organische moleculen te maken (glucose, dat is voedsel).

Dit is waar de voeding van elk heterotroof organisme vandaan komt. Dieren doen het tegenovergestelde van planten - ze geven kooldioxide terug in de lucht als een afvalproduct van de ademhaling. (Opmerking: planten ondergaan ook ademhaling om voedsel te maken, maar het grootste deel van de koolstofdioxide in de lucht is afkomstig van heterotrofe ademhaling). Afbrekers, wanneer ze dode organische stoffen afbreken, maken ook koolstofdioxide de lucht in.

Decomposers zijn essentieel omdat zonder hen alle koolstof op de planeet uiteindelijk zou worden opgesloten in dode karkassen en ander afval. Door bederf kan koolstof weer in het voedselweb vrijkomen. Koolstof wordt ook opgeslagen in fossiele brandstoffen, zoals steenkool, aardolie en aardgas.

Wanneer deze worden verbrand, komt koolstofdioxide ook weer vrij in de lucht. Vulkanen en branden vrijkomen ook grote hoeveelheden CO2 in de atmosfeer. Koolstofdioxide kan oplossen in water, waarvan een gedeelte later wordt teruggegeven aan de atmosfeer. De rest kan worden genomen om calciumcarbonaat te vormen, dat schelpen, stenen en skeletten van protozoa en koraal opbouwt.

De koolstofcyclus is een complexe reeks processen waarbij alle bestaande koolstofatomen roteren. Dezelfde koolstofatomen in uw lichaam van vandaag zijn sinds de tijd in talloze andere moleculen gebruikt. Het hout dat enkele decennia geleden was verbrand, had mogelijk koolstofdioxide kunnen produceren dat door fotosynthese onderdeel werd van een plant.

Als je die plant eet, kan dezelfde koolstof uit het hout dat is verbrand, deel van je worden. De koolstofcyclus is de grote natuurlijke recycler van koolstofatomen. Helaas wordt de omvang van het belang ervan zelden genoeg benadrukt. Zonder de juiste werking van de koolstofcyclus zou elk aspect van het leven drastisch kunnen worden veranderd.

Met behulp van energie van de zon, gaat de koolstofcyclus van de natuur rond, van de atmosfeer naar het bos en terug. Hier is hoe het werkt. Bomen nemen kooldioxide uit de lucht op terwijl ze groeien. In feite is ongeveer de helft van hun droog gewicht deze geabsorbeerde koolstof. Terwijl oude bomen afsterven en vergaan of in een bosbrand worden verbruikt, wordt hun koolstof weer als koolstofdioxide in de lucht vrijgegeven. Dit is de koolstofcyclus van de natuur.

Wanneer brandhout wordt gebruikt als energiebron, wordt een deel van de natuurlijke koolstofcyclus in onze huizen gebracht om ze te verwarmen. Een vuur op de haard maakt de zonne-energie vrij die door de boom werd opgeslagen toen deze groeide. Als de gehele splijtstofcyclus wordt overwogen, zal een schone open haard uw huis efficiënter en met minder milieu-impact verwarmen dan enige andere brandstofoptie.

De andere brandstofopties - olie, gas en steenkool - zijn fossiele brandstoffen en wanneer ze worden verbrand, wordt oude koolstof die diep in de aarde werd begraven, vrijgegeven aan de atmosfeer. De toenemende concentratie van koolstofdioxide door gebruik van fossiele brandstoffen is gekoppeld aan het broeikaseffect, de klimaatverandering en het ongewone weer dat we de afgelopen jaren hebben gezien.

Een houtvuur draagt ​​niet bij aan het broeikaseffect, omdat er geen koolstofdioxide meer vrijkomt dan het natuurlijke bos zou vrijgeven als het niet wordt aangeraakt. Hout gebruiken voor warmte betekent minder verbrande fossiele brandstoffen, minder uitstoot van broeikasgassen en een gezonder milieu.

Stikstof cyclus:

Een andere belangrijke voedingscyclus is die van stikstof. Stikstof is een cruciaal belangrijk element voor alle leven. Eiwitten, die bestanddelen zijn van alle levende cellen, bevatten gemiddeld 16% stikstof per gewicht. Andere complexe stikstofhoudende stoffen die belangrijk zijn voor het leven zijn nucleïnezuren en aminosuikers. Zonder een continue toevoer van stikstof zou het leven op aarde stoppen.

De stikstofcyclus lijkt enigszins op de koolstofcyclus, maar met een aantal kritische verschillen. Hoewel 79% van de aardatmosfeer bestaat uit elementaire stikstof (N ₂ ), is dit inerte gas volledig onbeschikbaar voor opname door de meeste planten en dieren. Dit staat in schril contrast met de kleine hoeveelheid koolstofdioxide (0, 03%) in de atmosfeer, die gemakkelijk beschikbaar is voor opname door de plant.

Een relatief klein aantal microben is in staat om atmosferische stikstof te binden van de anorganische naar de organische vorm. Een dergelijke microbiologische fixatie is gemiddeld 140 tot 700 mg / m ² jaar. In zeer vruchtbare landbouwgebieden kan deze meer dan 20000 mg / m ² jaar bedragen.

Van een aantal bacteriën, schimmels en blauwgroene algen is bekend dat ze stikstof kunnen vastmaken. Stikstoffixatie omvat de directe opname van atmosferische stikstof in het organische lichaam van de fixerende organismen. De stikstoffixers vormen slechts een zeer klein deel van deze groepen in het algemeen.

Ze kunnen worden onderverdeeld in:

1. symbiotische stikstoffixers, die grotendeels bacteriën zijn en die geassocieerd zijn met wortels van peulvruchten (leden van de familie van erwten en bonen) en enkele andere bloeiende planten, en

2. Vrij levende stikstoffixers. Het geslacht Rhizobium omvat die bacteriën die de knobbeltjes bewonen die zich ontwikkelen op de wortels van leden van de erwten- en bonenfamilie. Ze zijn aanwezig in de bodem en infecteren de fijne wortels terwijl zaailingen groeien. De wortels produceren een speciale knobbel die de rhizobia huisvest, waarin bacteriën atmosferische stikstof omzetten in de organische stikstofbestanddelen van hun eigen cellen.

Omdat bacteriecellen zeer snel afsterven, komt deze stikstof beschikbaar voor de hogere planten. Gewassen van klaver en bonen voegen eigenlijk stikstof toe aan de bodem waarin ze groeien en elimineren de behoefte aan dure meststoffen. In veel landen is een grote wetenschappelijke inspanning gaande om bacteriën te vinden die een vergelijkbare associatie met de graangewassen kunnen vormen.

De symbiotische stikstoffixers lijken beperkt te zijn tot terrestrische ecosystemen en zijn niet gevonden in aquatische habitats, met als enige uitzondering een mariene worm die ondergedompeld hout aanvalt. Onder de niet-symbiotische stikstoffixers bevinden zich zowel aërobe als anaerobe, vrijlevende bacteriën, evenals cyanobacteriën.

Deze komen voor in de bodem en in zowel zee- als zoet water en kunnen substantieel bijdragen aan het stikstofgehalte van deze omgevingen. Een extra maar over het algemeen minder belangrijke bron van atmosferische stikstof in de bodem en in het water zijn bliksemstormen waarbij elektrochemische stikstofomzettingen plaatsvinden.

Stikstof komt in de voedselketen van producenten en consumenten terecht wanneer planten het uit de bodemoplossing opnemen, hetzij als nitraat, hetzij als het ammoniumion. Nitraat kan ook worden omgezet in ammoniak door denitrificerende bacteriën in de bodem, met name door bacteriën en schimmels in waterhoudende bodems. Een dergelijke omzetting vindt ook plaats in zuurstofarme omstandigheden in meren. Het proces wordt denitrificatie genoemd. De nitrificerende bacteriën kunnen op hun beurt ammoniakstikstof gebruiken als energiebron om hun eigen protoplasma te synthetiseren.

Dit proces vindt slechts langzaam plaats, of helemaal niet, onder zure omstandigheden. Eerst wordt de ammoniak door het bacteriële genus Nitrosomonas in nitriet omgezet en het nitriet wordt vervolgens door een ander geslacht, Nitrobacter, in nitraat omgezet. Dit proces in twee stappen wordt nitrificatie genoemd. Beide bacteriegroepen halen hun energie uit dit oxidatieproces en gebruiken dan een deel van de energie om kooldioxide in cellulaire koolstof om te zetten.

Uiteindelijk, nadat nitraat is opgenomen en omgezet door hogere planten en microben in eiwitten en nucleïnezuren, wordt het gemetaboliseerd en teruggevoerd naar het grootste deel van de cyclus als afvalproducten van dat metabolisme (levenloze organische stikstof).

Veel heterotrofe bacteriën en schimmels in zowel grond als water gebruiken dit organische stikstofrijke materiaal, het omzetten en vrijmaken als anorganische ammoniak in een proces dat ammonificatie wordt genoemd. Andere delen van de cyclus omvatten het vrijkomen van gasvormige stikstof en stikstofoxiden, terug in de atmosfeer, hoewel deze van beperkt belang zijn

Zwavelcyclus:

Zwavel is een belangrijke voedingsstof voor organismen, omdat het een belangrijk bestanddeel is van bepaalde aminozuren, eiwitten en andere biochemische stoffen. Planten voldoen aan hun voedingsbehoeften voor zwavel door eenvoudige minerale verbindingen uit de omgeving te assimileren.

Dit gebeurt meestal als sulfaat opgelost in grondwater dat wordt opgenomen door wortels, of als gasvormig zwaveldioxide dat wordt geabsorbeerd door gebladerte in omgevingen waar de atmosfeer enigszins vervuild is met dit gas. Dieren verkrijgen de zwavel die ze nodig hebben door planten of andere dieren te eten en hun organische vormen van zwavel te verteren en te assimileren, die vervolgens worden gebruikt om de noodzakelijke zwavelhoudende biochemische stof te synthetiseren.

In bepaalde situaties, met name in intensief beheerde landbouw, kan de beschikbaarheid van biologisch bruikbare vormen van zwavel een beperkende factor zijn voor de productiviteit van planten, en de toepassing van een sulfaathoudende meststof kan nuttig zijn. Zwavelverbindingen kunnen ook in verband worden gebracht met belangrijke milieuschade, zoals wanneer zwaveldioxide vegetatie beschadigt, of wanneer zure drainages die samenhangen met sulfidemineralen ecosystemen degraderen.

Zwavel (S) kan in veel chemische vormen in de omgeving voorkomen. Deze omvatten organische en minerale vormen, die chemisch kunnen worden getransformeerd door zowel biologische als anorganische processen. Zwaveldioxide is een gas dat giftig kan zijn voor planten in concentraties die veel kleiner zijn dan één deel per miljoen in de atmosfeer, en voor dieren in grotere concentraties.

Er zijn veel natuurlijke bronnen van uitstoot van SO2 in de atmosfeer, zoals vulkaanuitbarstingen en bosbranden. Grote SO2-emissies houden ook verband met menselijke activiteiten, met name het verbranden van steenkool en de verwerking van bepaalde metaalertsen.

In de atmosfeer wordt SO2 geoxideerd tot sulfaat, een anion dat voorkomt als een klein deeltje waarin de negatieve ladingen elektrochemisch worden uitgebalanceerd door de positieve ladingen van kationen, zoals ammonium (NH ⁺ 4), calcium (Ca ²⁺ ), of waterstofion (H ⁺ ). Deze fijne deeltjes kunnen dienen als condensatiekernen voor de vorming van ijskristallen, die uit de atmosfeer kunnen neerslaan

Het belangrijkste basismateriaal van het leven is water, een van de jive panchabltutas. Dit is beperkt aanbod. Levende vormen op terrestrische gebieden zijn afhankelijk van water dat vrij is van zoutwater. Vanwege het zonnewarmte verdampt het water uit de oceanen en stijgt op als waterdamp, en terwijl het land doorkruist naar gebieden op het land en een aanzienlijke hoogte bereikt, koelt de damp af en precipiteert als water of sneeuw. Van het totaal geschatte water in de aarde en zijn atmosfeer.