Madde Döngüleri-1 C Biyo - Jeo -Kimyasal Döngüler

1. Madde Döngüleri-1CBiyo-Jeo-Kimyasal Döngüler PROF. DR. AYTEN NAMLI

2. Döngülerde; • Mineralizasyon: organik formdan inorganik forma dönüştürme • Asimilasyon (immobilizasyon): inorganik formdan organik forma dönüştürme • Oksidasyon (yükseltgenme): bir bileşikten elektronların verilmesi • Redüksiyon (indirgenme): bir bileşiğe elektron ilave edilmesi

3. Mineralizasyon Mineralizasyon organik bileşikleri inorganik bileşiklere çeviren süreçtir. • Organik bileşikler C ve H içerir. • C6H12O6 glukoz • CH3COOH asetik asit • CH4 metan • Organik bileşikler • CO2 • CO32- • HCO3- • H2CO3 • Organik değil

4. Organik bileşikler Temel inorganik bileşenlerine tamamen mineralizeolurlar. • H2O, CO2, NH4+, NO3-, NO2-, HPO42-, H2PO4, SO42-, H2S ve iz elementler Bu bileşikler, • gaz olarak atmosfere verilir, • toprak çözeltisinde çözünür veya • toprağın katyon ve anyon değişim komplekslerinde adsorbeedilirler.

5. İmmobilizasyon • Bir bitki veya toprak organizması bir organik molekülü toprak bileşenlerinden bünyesine çekip aldığında asimile ettiği söylenir.

6. Oksidasyon-Yükseltgenme • Oksidasyon bir bileşiğin elektron kaybetmesidir. • Oksijen genellikle oksidasyon reaksiyonları için gereklidir. • CH4 CO2 • NH4+ NO3- • H2S SO42- • Ferrus (Fe2+) ferrik (Fe3+) oksitlenir.

7. Oksidasyon durumları için genel kurallar • Serbest elementlerin oksidasyon durumu sıfırdır. Elementel S ve O2 =0 • Elementel iyonların oksidasyon durumu iyonun yüküne eşittir. Ca2+ ve Mg2+=+2 • H +1 ve O -2 • Bütün oksidasyon durumlarının toplamı bileşiklerin net yüklerine eşittir. • H ve O dışında eğer bileşik pozitif değere sahipse yükseltgenmiş eğer negatif değere sahipse indirgenmiş denilir.

8. İndirgenme-Redüksiyon • Redüksiyon oksidasyonun tersidir. • CH4, NH4+, H2S indirgenmiş bileşikler • A İndirgenmiş A yükseltgenmiş + e- • B yükseltgenmiş + e- B indirgenmiş

9. Karbon Döngüsü toprak organik maddesi toplam organik C toprak mikrobiyal biyokütle C mineral C

10. C döngüsü • Karbon canlı hücrenin en önemli yapı taşlarından birisi ve biyolojik sistemin en önemli elementidir. • Bitki ve mikroorganizma %40-50 C içerir. • Dünyada C için dört temel kaynak vardır: • Toprak (1500 x 1012 kg) • Su (38000 x 1012 kg) • Hava (750 x 1012 kg) • Biyokütle (560 x 1012 kg) • Yeryüzü 1020 kg C içerir (sedimentel kayalar ve karbonat)

12. Trofik düzey Birincil üreticiler I. CO2 otlayan Birincil tüketici II. predator III. İkincil tüketici Ayrıştırıcılar IV. Üçüncül tüketici predator En yüksek C çevirimi aerobik koşullarda gerçekleşir.

13. İnorganik ve organik • İnorganik: CO2, H2CO3, HCO3-, CO32- • Organik: karbonhidrat (CH2O)n • hidrokarbon CnH2n+2

14. Küresel karbon döngüsü

15. Organik polimerler Proteinler nükleik asitler polisakkaritler lignin yağlar fotosentez CO2/HCO3 mineralizasyon Toprak organik maddesi solunum Ölü/dekompozisyon ölü Ölü/dekompozisyon Monomerler şekerler aminoasitler yağ asitleri fenolik bileşikler Mikrobiyel biyokütle asimilasyon

16. Karbon, bütün organik maddelerde mutlaka bulunan bir maddedir. • Karbonun toprağın içinde ve dışında çeşitli değişmelere uğradıktan sonra tekrar karbona dönüşmesine karbon döngüsüdenilmektedir. • Biyolojik bakımdan karbon döngüsü, yeşil bitkilerin CO2 'i fotosentetik olarak redükte etmesi ve bunun daha sonra bitki, mikroorganizma ve daha az olmak üzere hayvan solunumu ile atmosfere geri bırakılmasıdır.

17. KARBON ATMOSFERE HANGİ YOLLARLA YAYILIR?

18. Karbon atmosfere birçok yolla yayılabilir; • 1. hayvanların,insanların ve bitkilerin solunum yapmasıyla • 2. Ölü hayvan ve bitkilerin bakteriler tarafından parçalanmasıyla • 3. Doğal gaz, motorin , kömür gibi organik yakıtların yakılmasıyla • 4. Okyanusların üst katmandaki ısınan sudaki çözünen CO2 atmosfere yayılır. • 5. Çimento üretiminde de atmosfere büyük oranda CO2 salınır. • 6. Nadir yaşansa da Volkanik patlamalar atmosfere ciddi miktarda CO2 yayılmasına neden olur. • Volkan patlaması sonucunda oluşan gazlar : Su buharı, CO2 ve sülfürdiyoksittir.

19. Toprak ekosisteminde C döngüsü • CO2 ‘in bitkiler tarafından fiksasyonu • Bitkisel materyalin birincil tüketicilere aktarılması • Birincil tüketicilerden ikincil tüketicilere ve daha üst düzey tüketicilere aktarılması • Dışkı ve kadavraların mikroorganizmalarca ayrıştırılması • Tekrar CO2 şeklinde atmosfere verilmesi

20. Topraklar yaklaşık 1500 Gt. karbonla karasal ekosistemin en büyük karbon deposunu oluşturur • Yeryüzünde karasal ekosistemde toprağın 1 m’lik kısmında depolanan organik karbon miktarı yaklaşık 1200-1600 Gt C (Giga ton C) • Toprak bitkilerin yapısındaki karbondan 2.5 kat daha fazla (560 Gt C) ve atmosferdeki karbondan ise yaklaşık iki kat fazla C içerir. • Bu dinamik depo ile atmosfer arasındaki yıllık CO2 değişimi, fosil yakıtlar tarafından atmosfere salınan karbonun yaklaşık on katıdır. • Tarım toprakları başlangıç karbonunun %50-66 kaybetmiş durumda olup bu da 42 ila 78 Gt. C eşdeğerdir

21. Toprakta yaşayan canlılar için en önemli işlev enerji ve karbon sağlamaktır • Çoğu mikroorganizma hücreleri, yaklaşık % 50 oranında C içerirler. • Karbon elementinin kaynağı klorofilli bitkiler için CO2olmasına karşın, toprak mikroorganizmaları büyük ölçüde karbonlu maddeleri ana kaynak olarak kullanırlar. • Bu substrat karbonunun protoplazmik karbona çevrimi olayına "karbon özümlemesi” (asimilasyon) adı verilmektedir.

22. Toprak Organik Maddesi • Topraktaki karbonun büyük bir kısmı organik maddenin yapısında bulunur. • Bununla birlikte kurak ve yarı kurak iklim bölgelerinde kireçli ana materyal üzerinde oluşmuş topraklarda CO3-C önemli bir yer tutar

23. Karbon doğada • mineral biçimde (kömür, elmas, gaz olarak veya suda çözünmüş durumda karbon dioksit olarak ) • organik biçimde bulunur. • Organik karbonun bir bölümü, kömür, petrol gibi fosil yakıtlarda birikmiştir.

24. Organik maddeden değişik süreçler sonucunda 3 humus şekli oluşur; 1. Mull: Orman ekosisteminde uygun iklimde döküntü katmanının ayrışarak toprağa karışmasıyla oluşur. 2. Moder/Moor:Orta derecede m.organizma aktivitesi bulunup, toprağa karışması yavaştır. 3. Ham humus:Toprakta ayrışmadan duran kalın organik döküntü. Toprağa karışma yoktur, minerallerce zengindir.

25. Soğuk iklimlerde ham humus formu çoğunluktadır. • Mull oluşumunda makrofauna etkisi çoktur • Moder oluşumunda mantar florası etkin • OM ayrışmasında Simojen mikroflora etkin

26. ORGANİK MADDENİN İÇERİĞİ?

27. Organik maddenin içermiş olduğu • organik asitler, • polisakkaritler, • ligninler, • aromatik ve alifatik hidrokarbonlar, • şekerler, • alkoller, • amino asitler, • pürinler, • primidinler, • proteinler, • yağ ve nükleik asitler bir veya daha fazla populasyonun etkisi ile temel bileşenlerine kadar ayrıştırılır.

28. BİTKİNİNORGANİK BİLEŞENLERİ?

29. Bitkilerin organik bileşenleri : • 1. Selüloz, en yaygın bitki bileşeni olup, kuru ağırlığın % 15 ile % 60'ını oluşturur. • 2. Hemiselülozlar, dokuların % 10 ile %30 'unu oluştururlar. • 3. Lignin, karmaşık yapılı ve ayrışmaya dirençli olan bitki bileşeni olup, dokuların % 5 ile % 30'unu oluşturur. • 4. Suda çözünebilir maddeler, basit şekerler, amino asitler ve alifatik asitler, doku ağırlığının % 5 ile % 30'unu oluştururlar. • 5. Eter ve alkol çözünür bileşenler. Bunlar yağlar, mumlar, reçineler ve pigmentler olarak gruplanabilir. • 6. Proteinler, yapılarında bitki azot ve kükürdünün çoğunu içerirler. Genellikle kül tayini ile belirlenen mineral maddeler toplam dokunun % 1 ile % 13'ünü oluşturur. • Bitki yaşı ile birlikte • suda çözünür maddeler, proteinler ve mineral maddelerin miktarı ……………………………………………….. • selüloz, hemiselüloz ve lignin'in yüzdesi …………………………………..

30. Suda çözünebilir maddeler (basit şekerler, aminoasitler, alifatik asitler)Dokuların % 5 ile %30’unu oluşturur. Proteinler • %1-%13 Selüloz ve hemiselülozlar, suda çözünebilir maddeler hızlı ayrışmakta ve çok fazla dirençli değil Lignin ayrışmaya çok dirençli yavaş ayrışırlar.

31. Selüloz: • En yaygın bitki bileşeni olup kuru ağırlığın %15 ile %60’ını oluşturur. Hemiselüloz: • Dokuların % 10 ile %30’unu oluşturur.

32. selüloz • Selüloz dünyada en fazla bulunan biyopolimerdir.selülozlar β-1-4 bağlantılı glukoz moleküllerinden oluşur. • Her molekülde 2000 ile 15000 glukoz ünitesi vardır. • Bitki kalıntılarının hububat saplarının sonbaharda dökülen yaprakların büyük kısmını selüloz oluşturur.

33. Selüloz ayrışmasını yönlendiren faktörler • Yarayışlı azot düzeyi • Sıcaklık • Toprak havalanması • Toprak ve bitki kalıntı yığınlarının nem düzeyi • pH • Diğer karbonhidratların varlığı • Lignin oranı

34. Selüloz ayrıştıran mikroorganizmalar:BakteriMantarAktinomiset • Aerob bakteriler selülozu iki ürüne çevirir: • 1. Karbondioksit • 2. Hücre maddeleri

35. Selüloz ayrıştıran bazı mikroorganizma cinsleri

36. Hemiselülozu ayrıştıran organizmalar

37. Lignin • Karmaşık yapılı ve ayrışmaya dirençli olan bitki bileşeni olup, dokuların % 5 ile %30’unu oluşturur. • Yapısında aromatik halka ve AZOT İÇERMEMESİ nedeniyle ayrışması çok yavaştır. • Pseudomonas • Flavibacterium • Fusarium • Aspergillus • Penicillum

38. Mantarlar • Aspergillus • Fomes • Fusarium • Polyporus rhizopus • Bakteriler • Bacillusflavobacterium • Chromobacteriummicrococcus • Clostridiumpseudomonas • Cytophaga Aktinomisetler • Micromonospora • Nocardia • Streptomyces Nişasta ayrıştıran:

39. TOPRAK SOLUNUMU

40. OM’ nin ayrışması sonucunda • Büyük ölçüde karbondioksit açığa çıkar. • Aerobik ayrışma koşullarının son ürünü olarak CO2 çıktığından, belirli bir biyokütle içeren toprak kütlesinin oksijen tüketimi ve CO2 oluşturması"toprak solunumu" olarak tanımlanır. • Toplam solunum olayı fotosentezin karşıtı olarak tanımlanabilir.

41. Toprak Solunumu/toprakların toplam biyolojik aktivitesi • Organik madde ayrışması bütün heterotrofların bir özelliği olduğundan, mikrobiyal aktivitenin göstergesi olarak değerlendirilebilir. Organik madde ayrışma oranlarını belirlemek için çeşitli teknikler geliştirilmiştir: • CO2 oluşumunun veya O2 tüketiminin ölçülmesi, • Organik maddede ağırlık kaybı veya kimyasal değişimlerin saptanması, • Selüloz, lignin, hemiselüloz gibi özel bileşiklerin gideriminin gözlenmesidir.

42. Doğal koşullar ile tarla koşullarındaki ayrışmaya bağlı CO2 oluşum miktarları farklıdır. • Doğal koşullarda C- mineralizasyonuna bağlı CO2 çıkışı 25 mg CO2 / gün düzeyinin altında bulunurken, • Tarım topraklarında bu değer 5-50 mg CO2 gün-1 toprak-1 düzeylerinde bulunmaktadır. • Daha önce tarım yapılmamış toprakların kültüre alınması ile organik fraksiyonun başlangıçta hızla mineralize olduğu ve daha sonra ayrışma ve mineralizasyon hızının azaldığı saptanmıştır.

43. Humus ayrışmasını yöneten temel faktörler?

44. Humus ayrışmasını yöneten temel faktörler: • Toprağın organik madde düzeyi • Toprak işleme • Sıcaklık • Nem • pH • Kil miktarı • Derinlik ve havalanma • C/N • O2 temini, • İnorganik besin maddeleri,

45. Toprağın C/N oranı onun karakteristik denge değerlerinden birisidir. • Humus için C/N 10/1 • Ayrışmaya dirençli fraksiyonların birikimi, humusun C/N denge değerini değiştirebilir. • Toprağa geniş C/N oranlı kalıntıların karışması sonucu, mikroflora ayrışmayı ve gelişmeyi sağlamak amacı ile ortamdaki inorganik formdaki yarayışlı azotu kullanır ve organik kompleksler halinde bağlar.

46. Toprak Organik Maddesi Koyu renkli HUMİN maddesi HUMİK OLMAYANLAR (Ayrışmamış artıklar) Alkali ile muamele Çözünebilir fraksiyon Çözünemez humus HUMİN Asit ile muamele Çökmeyenler FULVİK ASİT Çökenler HUMİK ASİT Toprak organik maddesinin fraksiyonlanması

47. C özümlemesi Organik maddenin ayrışması mikroflora için iki farklı işlev görmektedir: • Birincisi mikrobiyal gelişme için enerji sağlamak • İkincisi yeni hücre maddelerini oluşturmak için C sağlamak • Mikrobiyal metabolizma sonucu açığa çıkan CO2, metan, organik asitler ve alkoller metabolik artıklar olup mikrobiyal gelişme için çok kullanılır nitelikli ürünler değildir.

48. Karbonlu maddelerin toprağa karıştırılmasından sonra • Toprak havasındaki CO2 düzeyi artmakta, • O2 miktarı azalmakta, • Toprağın oksidasyon-redüksiyon potansiyeli (Eh) daha redüktif koşullara doğru kaymaktadır. • Aerob C mineralizasyonunun esas ürünleri CO2, su, hücreler ve humus bileşenleridir. • Oksijenin yokluğunda, organik karbon tamamlanmamış bir şekilde metabolize olur. Bunların yakınında ara ürünler birikir ve önemli miktarlarda metan (CH4) ve daha az olmak üzere hidrojen (H2) oluşur.

49. Optimum tarımsal karbon yönetim sistemleri, • minimum toprak işleme • işlemesiz tarım, • münavebe • organik atıkların (bitkisel ve hayvansal) kullanımı • nadasa bırakmanın terk edilerek bitkisel üretimin bütün bir yıla yayılması, • erozyonun önlenmesi, • hasat atığı fazla olan bitkilerin yetiştirilmesi, • karbon depolama yeteneği yüksek olan hibritlerin kullanılması ve • tarıma uygun olmayan alanların otlak ve orman alanı olarak kullanılması .

50. Geleneksel sürüm sisteminden sürümsüz tarıma geçmekle, toprağın ilk 8 cm kısmında önemli miktarda karbon depolanmakta, 8-15 cm de ise depolanan karbon miktarındaki artış ise daha azdır. • Tarımsal ekosistemde karbon depolanmasıyla atmosferdeki CO2 konsantrasyonu % 20 azalacaktır.