EKOLOGIA OGÓLNA WBNZ 884. Wykład 5 Obieg pierwiastków (Biogeochemia)

Transkrypt

1 EKOLOGIA OGÓLNA WBNZ 884 Wykład 5 Obieg pierwiastków (Biogeochemia)

2 2007

3

4 Skład chemiczny organizmów Pierwiastki Związki chemiczne Zawartość w organizmach Bakteria Roślina grzyb ryba świnia H O Woda C H O N S Białka C H O Tłuszcze C H O C H O N P Węglowodany DNA,RNA, ATP

5 SUBSTRATY ŻYCIA Budowa biomasy DONOR ELEKTRONóW (REDUKTOR LUB SUBSTRAT ENERGETYCZNY) (CH O), H, NH, H S AKCEPTOR ELEKTRONóW (UTLENIACZ) - -- O,NO,SO,CO Energia (praca)

6 Przeciętny skład chemiczny wszystkich organizmów żywych Pierwiastek Zawartość [% masy] O C H N Ca K Si Mg S Al P Cl Fe Mn Na 0.190

7 Życie biosfery = cykl redoks węgla DEPOZYCJA (ocean, osady) energia CO 2 energia REDUKCJA tylko żywe organizmy UTLENIANIE organizmy: szybko procesy abiotyczne: powoli (CH O) 2 n DEPOZYCJA (złoża paliw)

8 SPRZĘŻENIE CYKLI REDOKS W BIOSFERZE NH 3 O 2 CO 2 H 2 O CH 2 O H 2 S SO 4 -- NO 3 - Fotosynteza podtrzymuje potencjał redoks w biosferze, napędzając obieg wielu pierwiastków

9 AZOT

10 Cykl redox azotu N 2 O nitryfikacja warunki tlenowe NH 4 + dezaminacja NO 3 - wiązanie N 2 N 2 asymilacja R-NH w białkach NO 2-85% N 2 O

11 OBIEG AZOTU

12

13 Brodawki korzeniowe na łubinie

14 Frankia sp. Olcha Alnus glutinosa

15 Azolla sp. Anabaena sp.

16 Trichodesmium sp. Wolnożyjąca sinica morska

17 WIĄZANIE AZOTU PRZEZ SYMBIONTY ROŚLINA W SYMBIOZIE kg N ha -1 rok -1 Lucerna Groch Inne motylkowe Olcha (symbiont:frankia) Kazuaryna [Senegal] 52 Inne drzewa Rokitnik [wydmy] 2-58 Azolla (symb.: Anabaena) [pola ryżowe] Dryas drummondi [tundra] 12 Sinica wolna Trichedesmium [oceany]

18 WIĄZANIE AZOTU ATMOSFERYCZNEGO W BIOSFERZE mln t/rok PRZEMYSŁ, NAWOZY SPALANIE 20 WYŁADOWANIA ATMOSFERYCZNE 10 RAZEM NIE-BIOLOGICZNE NATURALNE PROCESY NA UPRAWACH 89 LASY I TERENY NIELEŚNE MORZA I OCEANY 36 RAZEM BIOLOGICZNE RAZEM

19 BILANS AZOTU mln t/rok

20 SUMARYCZNY BILANS AZOTU

21 PODZIAŁ PULI AZOTU NA LĄDACH Gdzie jest azot biosfery? mln ton Zwierzęta Mikroby Rośliny Biomasa Nieorganiczne Organiczne W MORZACH 2, mln ton Nieorganiczna Organiczna Biomasa 0,1 Inne N2

22 POWIĄZANIE OBIEGU AZOTU Z OBIEGIEM WĘGLA I TLENU 85% Chromidium Bacillus Spirillum Vibrio DENITRYFIKACJA Fe, Mo O 2 15% 10% C ENERGIA ZE SPALANIA CH 2 O, ZUŻYTA NA PRACĘ UTLENIACZ: NO 3 - HETEROTROFY REDUKCJA ASYMILACYJNA W ROZTWORZE NH 4 + CO 2 CH 2 O -NH 2 NO 3 - W FAZIE GAZOWEJ Mo +energia! N 2 O N 2 +energia! Chlorobium Azotobacter Fe, Mo, Co Nitrosomonas Nitrobacter Nitrococcus ENERGIA ZE SPALANIA NH 4, ZUŻYTA NAPRODUKCJĘ AUTOTROFY O 2 NITRYFIKACJA

23 AZOT

24 BILANS WĘGLA A ZMIANY GLOBALNE (jeszcze raz)

25 Nauka, pseudonauka, ideologia: Bilans węgla w biosferze i zmiany klimatu Wzrost zawartości CO 2 w atmosferze: poza dyskusją Zmiana parametrów efektu cieplarnianego: poza dyskusją Udział człowieka w zwiększeniu zawartości CO 2 w atmosferze: dobrze udokumentowany Długotrwała tendencja do ocieplenia globalnego : dobrze udokumentowana Ilościowy udział człowieka w obecnych zmianach klimatu: problem nadal otwarty Prognozy zmian klimatu: hipotetyczne Możliwość zahamowania zmian klimatu:???????? Co robić? Pytanie spoza domeny nauki!

26 Nauka, pseudonauka, ideologia: Bilans węgla w biosferze i zmiany klimatu Co robić? Pytanie spoza domeny nauki! Odpowiedź: Dotyczy wartości: etycznych, ekonomicznych, estetycznych Polega na dokonaniu wyborów wg wartości Nauka daje podstawy do przewidywania skutków tych wyborów daje narzędzia do realizacji wybranych opcji Nauki nie wolno zakłamywać w celu uzasadnienia wyborów wg wartości

27

28 mln t SIARKA

29 H 2 S S warunki tlenowe sulfuryzacja SO 4 2- R-SH w białkach S Cykl redoks siarki

30 LOTNE ZWIĄZKI SIARKI W ATMOSFERZE SO 2 H 2 S CS 2 osmoza (CH 3 ) 2 S Siarczek dwumetylu (DMS) COS Siarczek karbonylu najbardziej rozpowszechniony lotny związek siarki w atmosferze

31 mln ton/rok

32 Obieg siarki w biosferze mln t, mln t/rok Roczny przepływ rzędu 10 8 t (podobny jak N)

33 Termofile, chemoautotrofy Sulfolobus (Archaea), Thiobaccillus thiooxidans Thiobaccilus denitrificans - utlenia siarkowodór redukując azot

34

35 Mikroorganizmy redukujące siarkę (desulfuryzacja) różne bakterie Archaeoglobus (Archaea) termofil

36

37 SIARCZAN ROZPUSZCZONY W OCEANIE Bakterie desulfur. dyskryminują 34 S CH 2 O CO 2 Fotoautotrofy siarkowe Dyskryminacja izotopów siarki przez bakterie desulfuryzacyjne wykorzystujące siarczan jako utleniacz SIARCZAN OSAD (gips) δ 34 S=+17 SIARCZEK OSAD (piryt) δ 34 S= -18

38 Mln lat Współczesny ocean Sygnał izotopowy siarki w osadach morskich (siarczany) fanerozoiku wysoka aktywność morskich beztlenowców wysoka aktywność fotoautotrofów

39 WYBUCH WULKANU NYIRAGONGO

40 WPŁYW AEROZOLU SIARCZANOWEGO NA LOKALNE ZMIANY TEMPERATURY SPOWODOWANE EFEKTEM CIEPLARNIANYM Efekt cieplarniany (CO 2 ): 2.1 W/m 2 efekt albedo (SO 2 ) W/m 2 Bilans: W/m 2 Pinatubo (1991) 20 mln t SO 2 Globalne ochłodzenie o 0,6 o C

41 Źródła hydrotermalne Ryftia sp.

42

43 ŻYWE ORGANIZMY 2600 MARTWA MATERIA ORGANICZNA atmosfera 3,6-9,3? 0, ryby, guano ,3? ŻYWE ORGANIZMY MARTWA MATERIA ORGANICZNA Obieg fosforu mln t mln t/rok nawożenie 160 PO 4 NIEORG. W GLEBIE ZŁOŻA KOPALNE wietrzenie 12,6 P GŁĘBINOWY OSADY GŁĘBOKOMORSKIE 8400 mld ton Brak fazy gazowej! Wg. Pierron 1979 Schlesinger 1991

44 ŚWIATOWE ZŁOŻA FOSFORU ZOSTANĄ WKRÓTCE WYCZERPANE Zapas: t

45 GLOBALNY ZAPAS FOSFATÓW Σ = t Nature 461,8 Oct. 2009

46 P

47 P

48 FOSFOR JAKO CZYNNIK OGRANICZAJĄCY PRODUKCJĘ BIOMASY Współzależność między letnim poziomem cząsteczek chlorofilu (wskaźnik obfitości fitoplanktonu), a całkowitym stężeniem fosforu w różnych jeziorach. Skala logarytmiczna. [Wg Moss, 1988, z Andrews et al. 1999]

49 Eksperyment ze sztucznym nawożeniem jeziora fosforem i azotem (górna część) lub samym azotem (dolna część). Widać zakwit glonów

50

51 Fe ŻELAZO

52

53 Pyły przenoszone na Morze Śródziemne

54

55 Średnie tempo depozycji pyłów (g m -2 rok -1 )

56 Korelacja opadu pyłu (Fe) i zawartości chlorofilu

57

58 EKSPERYMENT Z NAWOŻENIEM OCEANU ŻELAZEM

59