BIOGEOKEMIJSKI CIKLUSI

1. BIOGEOKEMIJSKI CIKLUSI Prof.dr.sc. Stjepan Krčmar Odjel za biologiju, Sveučilište J.J. Strossmayera u Osijeku

2. Biogeokemijski ciklusi • kružni procesi kemijskih elemenata u biosferi nazivaju se biogeokemijskim ciklusima • kemijski elementi, koji ulaze u sastav živih organizama, kruže kroz biosferu, od anorganskih oblika, do živih organizama i obrnuto i u tom procesu prolaze kroz različite kemijske transformacije

3. za organizme su najvažniji biogeni elementi kojih ima 66 • vodik, ugljik, kisik i dušik - makroelementi • mangan, molidben, bakar - mikroelementi • plinski tip kruženja: C, O2, N (atmosfera) • sedimentacijski tip: P, S (tlo)

4. Kruženjeugljika C • ugljikje temelj svih organskih spojeva u organizmima • 49%suhetvariorganizmačiniugljik • jedan je od elemenata koji ima potpuniji ciklus, zbog veće brzine kojom kruži kroz neživo i živo, posredovanjem hranidbenih lanaca • temeljni je njegov oblik CO2, koji se kruženjem uključuje u sve komponente biosfere

5. izmjena CO2 između hidrosfere, atmosfere i litosfere temelji se na • sklopu reakcija: • CO2 (u atmosferi) ↔ CO2 (otopljen u vodama) • CO2+ H2O ↔ H2CO3 ↔ H+ + HCO3 ↔ 2H+ + CO 2-3 • ugljična kiselina u kopnenim vodama razara karbonatne stijene, • pretvarajući ih u topljiv oblik CO2+ H2O + CaCO3 , Ca 2+ + 2HCO 3 - • koji odnosi u mora i oceane • velika količina karbonatnih stijena nastala je ugradnjom karbonata u • kosture različitih životinja te poslije uginuća taloženjem karbonata • na dnu

6. u procesu fotosintezeCO2sekoristi za izgradnju primarne organske • tvari, a disanjem svih organizama i razgradnjom različitih organskih • ostataka vraća se biotopima • godišnje se procesom fotosinteze fiksira od 5 do 10 x 1010 tona ugljika • nadoknađuje se sagorijevanjem, koje može biti biološko (respiracija, • truljenje) i nebiološko (sagorijavanje fosilnih goriva) • CO2je primarni rezervoar C u biosferi, u atmosferi je zastupljen s • 0,11 gr/cm3, a otopljenog u vodiima 5,5gr/cm3

7. hidrosferaima40.000 GtC, atmosfera sadrži 750 GtC , a • kopnena biosferaitlosadrže 2190 GtC • u posljednjih 150 godina atmosfera je obogaćena s210 GtC, • (1 GtC =milijardutona C ili3,67 milijardetona CO2) • u procesu kruženja ugljika u biosferi određeni dio se isključuje • u fosiliziranom obliku (kameni ugljen, lignit, nafta, zemni plin)

8. http://www.ffst.hr/odsjeci/uciteljski/nastava/Prirodoslovlje/prirodoslovlje%202011_2012/11.%20Ekologija.pdfhttp://www.ffst.hr/odsjeci/uciteljski/nastava/Prirodoslovlje/prirodoslovlje%202011_2012/11.%20Ekologija.pdf Slika 39. Kruženje ugljika

9. Slika 40. GlobalnokruženjeugljikanaZemlji u GtC/godišnje

10. Kruženjedušika N • dušik je važan biogeni element, u organizmu ga ima 2.5%, sastavni je dio aminokiselina, proteina, enzima inukleinskihkiselina • atmosfera sadrži79% dušika, u zemlji je prisutan u oblikuanorganskihspojeva (nitrati, nitriti, soli amonijaka) iorganskihspojeva(urea, aminokiseline) • biljke koriste dušik u obliku nitrata pretvarajući ga u aminokiseline u procesu asimilacije nitrata , iz aminokiselina nastaju specifični proteini, koje životinje preko hrane koriste za sintezu specifičnih animalnih proteina

11. životinje izlučuju dušik iz organizma uobliku mokraće (sisavci) ili • mokraćne kiseline • amonijak u biosferi nastaje razgradnjom uginulih organizama • prevođenje atmosferskog dušika u nitrate i amonijak naziva se • nitrogenom fiksacijom ili fiksacijom dušika • u iskorištavanju atmosferskog dušika u tlu sudjeluju simbiotske • dušikove bakterije iz roda Rhizobium, koje žive u gomoljima • korijenja nekih lepirnjača; u biljkama se sintetiziraju aminokiseline, • proteini i spojevi bogati dušikom • drugu skupinu fiksatora dušika čine neke bakterije i modrozelene • alge u tlu i vodi (Nitrobacter, Cyanobacteria, Clostridium), koje vežu • atmosferski dušik i prevode ga u amonijak

12. daljnim procesom nitrifikacije amonijak oksidira u nitrite uz bakterije tla iz roda Nitrosomonas, nadalje bakterije roda Nitrobacter oksidiraju nitritnu u nitratnu kiselinu • nitratna kiselina u vodi tla disocira u nitrat, dušikovu sol, koju koristi najveći broj biljaka • iz tla ili vode biljke ugrađuju dušik, njima se hrane biljojedi, mesojedi, svejedi, kruženje dušika završava uginućem životinja i smrću ljudi te njihovom mikrobiološkom razgradnjom nastaje ponovo amonijak (proces amonifikacije)

13. djelovanjem denitrifikacijskih bakterija (Pseudomonas i dr.) moguće • je razgraditi nitrate u tlu i vodi, pri čemu nastaju međuspojevi • dušikovi oksidi,od kojih bakterije koriste kisik te se u atmosferu • vraća slobodni plin dušik (proces denitrifikacije) • antropogeni unos N2u biosferu iznosi 210 Mtgodišnje, uporabom • gnojiva 80 Mt, fosilnihgoriva20 Mt, spaljivanjembiomase 40 Mt • iz prirodnihizvora potječe samo 140 Mg godišnje • čovjek otpušta godišnje 60% više dušičnih spojeva u biosferu, nego • što to čini priroda biološkom, elektrokemijskom ili fotokemijskom • fiksacijom

14. http://www.ffst.hr/odsjeci/uciteljski/nastava/Prirodoslovlje/prirodoslovlje%202011_2012/11.%20Ekologija.pdfhttp://www.ffst.hr/odsjeci/uciteljski/nastava/Prirodoslovlje/prirodoslovlje%202011_2012/11.%20Ekologija.pdf Slika 41. Kruženje dušika

15. Slika 42. Globalno kruženje dušika u biosferi u megatonama

16. Kruženjefosfora P • fosforje važan biogeni element, sudjeluje u svim metaboličkim procesima organizma u kojima se oslobađa ili nakuplja energija te je osnovnielement u izgradnji DNA, RNA, ADP, ATP • najveća količina fosfora u litosferi dolazi u obliku slabo topljivih željeznih i kalcijevih fosfata • iz podlogebiljke crpe fosfor u obliku ortofosfata PO 3-4 te se putem hranidbenih lanaca prenosi do konzumenata ireducenata

17. izvori fosfora su : • fosfatnestijene, • naslageguanina (ptičjiizmet,JužnaAmerika), • naslagefosilnihživotinjai • deterdženti za pranje rublja • velike količine fosfata ispiru se erozijom i talože se na dnu rijeka i • oceana , djelomično se vraćaju u proces kruženja putem • organizama, koje ptice i ljudi koriste u prehrani

18. Slika 43. Globalno kruženje fosfora na Zemlji

19. Kruženje sumpora S • sumpor je značajan biogeni element za stvaranje disulfidnih veza, bez kojih nema tercijarne strukture proteina, ni diobenog vretena • sudjeluje u izgradnji aminokiselina (cistein, cistin, metionin), proteina, enzima • sumpor ulazi u žive organizme u obliku sulfata i sulfida, koje biljke apsorbiraju i dalje, nakon redukcije uključuju u sintezu aminokiselina i proteina • u prirodi dolazi u obliku sumporovodika, sulfita, sulfata, ferosulfata, kalcijsulfata • sagorjevanjem fosilnih goriva oslobađa se(SO2) • gljiveiz rodova AspergillusiNeurosporate bakterije iz roda Thiobacillus sudjeluju u razgradnji i mineralizaciji biološki ugrađenog sumpora

20. bakterije iz rodovaEscherichiaiProteusuanaerobnimuvjetima • reduciraju sulfate do vodikova sulfida H2S • bakterijeiz rodaDesulfavibriou anaerobnim uvjetimareduciraju • sulfate do elementarnog sumpora • bakterijeiz rodaBegiatoaoksidiraju H2S do elementarnog sumpora • sedimentacijom u obliku netopljivih soli ferosulfata (FeS), ferisulfata • (Fe2S2) i kalcijsulfata (CaSO4) jedan dio sumpora se isključuje iz • kružnog toka • prisutnost sumpora u ekološkom sustavu pokazatelj je brze razgradnje • proteina

21. Slika 44. Kruženje sumpora

22. Kruženje vode • u proces kruženja vode uključeni su svi živiorganizmi • voda isparava (evaporacija) sa tla, s površine vodenih ekosustava, oslobađa se transpiracijom vegetacije, nakuplja se u oblacima i putem oborina dospijeva na kopno • voda u prirodi dolazi u tri agregatna stanja: para, led i tekućina • na razini planete Zemlje proces kruženja vode izražava se u razmjeni vode između oceana i kopna • kruženje vode u biosferi je jedan od glavnih uvjeta njenih mehaničkih procesa, dok se biološkim kruženjem ostvaruju uglavnom kemijski procesi

23. kruženje vode u biosferi izaziva i procese erozijetla, kao i prijenose igomilanja mehaničkih ikemijskihtalogau oceanimaikopnu • sunčeva energija također uzrokuje planetarne poremećaje zračnih masa, na osnovi toga nastaju veliki procesi atmosferskih cirkulacija, koji se odlikuju ritmičkim sezonskim karakteristikama • za dobivanje 1 t svježe biljne mase potrebno je oko 100 t vode • za proizvodnju 1 kg pšenice potrebno je oko 1500 l, za 1 l mlijeka oko 4000 l, a za 1 kg mesa oko 40.000 l vode • u ukupnim odnosima između volumena oborina i volumena evaporirane i transpirirane vode na Zemlji postoji određena ravnoteža • u nekim sušnim područjima nema dovoljno vode (pustinja), dok su neka područja opterećena viškom oborina, što uzrokuje poplave

24. Slika 45. Kruženje vode

25. Slika 46. Kruženje vode

26. Kruženje kisika O • kisik je u ljudskom tijelu prisutan sa 62,8% , dok je ugljik prisutan samo sa 19,4% • kisik se u biosferi koristi u procesima disanja živih organizama i u procesima oksidacije mineralnih tvari u prirodi • nadoknađuje se fotosintetičkom aktivnošću zelenih biljaka • kruženje kisika povezano je s kruženjem ugljika • gomilanje kisika započelo je u kambriju prije 600 milijuna godina • sadašnja količina kisika iznosi 1.5 x 1015 gr , koju bi zelene biljke mogle stvoriti za 10.000 godina

27. listopadno stablo s 1000 m2 površine lišća proizvede fotosintezom oko 370 l kisika na sat, odnosno oko 3 milijuna litara godišnje • 1 ha listopadne šume oslobađa u atmosferu godišnje oko 15 t kisika • godišnja proizvodnja svih autotrofnih organizama na Zemlji iznosi oko 500 milijardi t kisika • za obnavljanje cjelokupne količine kisika u atmosferi potrebno je oko 2000 godina, a za obnavljanje cjelokupne količine ugljikova dioksida u atmosferi potrebno je oko 300 godina

28. Literatura: • Glavač V. 1999. Uvod u globalnu ekologiju. Duzpo i Hrvatske šume. Zagreb, 211 pp. • Krohne D.T. 2000. General ecology. Second Edition. Brooks/Cole, 512pp. • Springer O.P. i Springer D. 2008. Otrovani modrozeleni planet. Biblioteka Geographia Croatica. Knjiga 31, 291pp. • http://www.ffst.hr/(20.9.2012). • http://ga.water.usgs.gov/edu/(20.9.2012). • http://www.ffst.hr/odsjeci/uciteljski/nastava/Prirodoslovlje/prirodoslovlje%202011_2012/11.%20Ekologija.pdf(2.2.2012.).