EKOLOGIA dla BIOTECHNOLOGII BIOGEOCHEMIA

Transkrypt

1 EKOLOGIA dla BIOTECHNOLOGII BIOGEOCHEMIA

2 śycie biosfery = cykl redoks węgla DEPOZYCJA (ocean, osady) energia CO 2 energia REDUKCJA tylko Ŝywe organizmy PRODUKCJA (CH O) 2 n UTLENIANIE organizmy: szybko procesy abiotyczne: powoli DEKOMPOZYCJA DEPOZYCJA (złoŝa paliw)

3 CYKL WĘGLA ZMIANY KLIMATU ( GLOBAL CHANGE )

4 śycie biosfery = cykl redoks węgla DEPOZYCJA (ocean, osady) energia CO 2 energia REDUKCJA tylko Ŝywe organizmy PRODUKCJA (CH O) 2 n UTLENIANIE organizmy: szybko procesy abiotyczne: powoli DEKOMPOZYCJA DEPOZYCJA (złoŝa paliw)

5 ŹRÓDŁA I UJŚCIA METANU Tg/rok % bagna pola ryŝowe przeŝuwacze spalanie prod. gazu 45 8 termity 40 7 RAZEM do gleby 30 +wolne rodn. 500 RAZEM zmierzony przyrost w atmosferze 44 Rośliny zielone? BILANS METANU W BIOSFERZE ambio 1992

6 BILANS METANU W BIOSFERZE Przed rozwojem przemysłu: 233 mln t/rok Mokradła 168 Spalanie biomasy 20 Termity 20 Oceany 15 Hydraty 10 Keppler & Roeckman Świat Nauki, marzec 2007 Nowe dane Obecnie: 600 mln t/rok Produkcja energii 110 PrzeŜuwacze 115 Mokradła 225 Hydraty 10 Oceany 15 Termity 20 Spalanie biomasy 40 Oczyszczalnie ścieków 25 Wysypiska 40 Roślinność 30-60?

7 Hydrat metanu

8 DUśY OBIEG WĘGLA Fotosynteza Wietrzenie krzemianów Zagrzebanie depozycja CaCO 3 C organiczny w osadach Metamorfizm diageneza Wietrzenie Metamorfizm diageneza C węglanowy w osadach Wulkanizm Subdukcja C płaszcza Subdukcja

9 C

10 BILANS WĘGLA W BIOSFERZE 10 9 ton/rok dopływy SPALANIE PALIW KOPALNYCH 6 do 7 DEFORESTACJA I ROLNICTWO 5.5 ± ± 0.6 ujścia ROZPUSZCZANIE WĘGLANÓW 3.2 ± 0.2 W MORZU 50%? ROŚLINNOŚĆ LĄDOWA 10%? MATERIA ORGAN. GLEBY 10%? OSADY MORSKIE ( POMPA CUKROWA ) 30%? AKUMULACJA W POWIETRZU 3.2 ± 0.2 BRAKUJE 1.8 ± 1.3 Dane wg. Siegentaler & Sarmiento (około 2.5?)

11 MAŁY OBIEG WĘGLA HIPOTETYCZNY STAN RÓWNOWAGI

12 STAN NARUSZONEJ RÓWNOWAGI NP. W KARBONIE MAŁY OBIEG WĘGLA

13 OKRESY MASOWEJ DEPOZYCJI WĘGLA ZREDUKOWANEGO W FANEROZOIKU Zgrzebanie węgla Skały z zasobami węgla Globalna depozycja węgla Skały z zasobami węgla (%) Czas (miliony lat)

14 OBECNY STAN NARUSZONEJ RÓWNOWAGI MAŁY OBIEG WĘGLA

15 STĘśENIE CO 2 W ATMOSFERZE (rośnie, przyspiesza)

16

17

18 17 lutego 1993 (Landsat 5) 21 lutego 2000 (Landsat 7)

19

20 Anomalie temperatury w stosunku do średniej wieloletniej

21

22

23

24 Prognoza zmian klimatu wg. raportu IPCC 2007

25 Zmiany zawartości CO 2 i zmiany klimatu: nic nowego pod słońcem

26 Zmiany zawartości CO 2 w atmosferze (ppmv) 400 tys. lat CAŁA HISTORIA CYWILIZACJI Zmiany średniej temperatury

27 Zmiany zawartości atmosferycznego CO 2 w kenozoiku

28 ZMIANY SKŁADU ATMOSFERY W FANEROZOIKU TLEN CO 2 Lane ,03 0,04%

29 Zmiany zawartości CO 2 w atmosferze i zmiany klimatu - Rekonstrukcja dla całego fanerozoiku

30 Wikipedia

31

32 ZMIANY KLIMATU: EPOKA LODOWCOWA I WSPÓŁCZESNOŚĆ

33 Mała epoka lodowa

34 Reakcja biosfery 1. Wpływ zmian klimatu na organizmy i ekosystemy 2. MoŜliwe sprzęŝenia dodatnie i ujemne

35 Znaczenie zmian klimatu Muchołówki Ŝałobne wracają do Holandii o zwykłym czasie (regulacja fotoperiodyczna), ale zmienione warunki klimatyczne w Europie zmuszają je do wcześniejszych lęgów. MoŜe dojść do wymierania gatunków (Both & Visser, Nature 411, )

36

37 MoŜliwe sprzęŝenia dodatnie, sprzyjające dalszemu wzrostowi temperatury 1. Roztopienie lodów polarnych -> zmniejszenie albedo; 2. Uwolnienie CH 4 z wiecznej zmarzliny; 3. Przyspieszenie dekompozycji -> więcej CO 2 ; 4. Przyspieszenie metabolizmu roślin i zwierząt -> więcej CO 2 ; 5. Zwiększenie zawartości H 2 O w atmosferze.

38 MoŜliwe sprzęŝenia zwrotne ujemne, kompensujące wzrost temperatury 1. Szybsza ewaporacja -> chmury -> zwiększenie albedo; 2. Szybsza ewaporacja -> zwiększone opady śniegu -> zwiększenie albedo; 3. Zwiększona zawartość CO 2 -> przyspieszenie fotosyntezy. 4. Wzrost zawartości aerozoli siarczanowych -> zwiększone albedo [?]

39 Zmiany zawartości metanu spowodowane precesją i modyfikowane przez cywilizację

40

41 CO NAS TO OBCHODZI???????????????????????????????????????????

42 CO NAS TO OBCHODZI? Trzeba odróŝniać wpływ człowieka od zjawisk naturalnych. To jest trudniejsze, niŝ sądzono. MoŜemy zapobiegać tylko tym niekorzystnym zmianom, które sami wywołujemy. Zmiany naturalne trzeba umieć przewidywać i zapobiegać ich niekorzystnym skutkom - samych zmian zatrzymać nie potrafimy. Ocena znaczenia zmian globalnych dla człowieka nie naleŝy do domeny nauk przyrodniczych, polega bowiem na przyjęciu uzgodnionego systemu wartości.

43 śycie biosfery = cykl redoks węgla DEPOZYCJA (ocean, osady) energia CO 2 energia REDUKCJA tylko Ŝywe organizmy UTLENIANIE organizmy: szybko procesy abiotyczne: powoli (CH O) 2 n DEPOZYCJA (złoŝa paliw)

44 Fotosynteza podtrzymuje potencjał redoks w biosferze, napędzając obieg wielu pierwiastków ciepło Słońce (CH O) 2 n H S H 2 O NH CO 2 FOTOSYNTEZA O 2 (CH O) 2 n CO 2 BAKTERIE NITRYFIKUJACE NO 3 - (CH O) 2 n CO 2 SO -- 4 BAKTERIE SULFURYZUJACE tryby.cdr

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

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

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

48 Przeciętne proporcje pierwiastków (C, N i P) w składzie ciała organizmów planktonowych C : N : P Zooplankton 103 : 16,5 : 1 Fitoplankton 108 : 15,5 : 1 Plankton łącznie 106 : 16 : 1

49 AZOT

50 OBIEG AZOTU

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

52 Rośliny motylkowe: łubin

53 Rhisobium

54 Azolla Anabaena

55 Olcha (Alnus glutinosa) + Frankia alnae

56 Trichodesmium

57 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 RAZEM BIOLOGICZNE RAZEM

58 SIARKA

59

60 NASA/ MODIS CHMURY SIARKOWODORU WYDZIELANEGO PRZEZ GŁĘBINOWE BAKTERIE ANAEROBOWE ( , PÓŁNOCNA NAMIBIA)

61 Dwutlenek siarki wydzielony w wybuchu Etny (26.X.2002) NASA/EOS/Aqua/AIRS

62 Wulkan Manam, erupcja 27/ DU= l.moli/cm 2 50 DU = ok. 1.5 g SO 2 /m 2

63 Obieg siarki mln t, mln t/rok

64 WPŁYW AEROZOLU SIARCZANOWEGO NA LOKALNE ZMIANY TEMPERATURY SPOWODOWANE EFEKTEM CIEPLARNIANYM 2.2 W/m 2 uwzgl.. SO W/m 2 Wybuch wulkanu Pinatubo (1991): 20 mln t SO 2 Globalne ochłodzenie o 0.6 o C

65 FOSFOR

66 P

67 Szkielety fosforanowe kręgowców

68 FOSFOR JAKO CZYNNIK OGRANICZAJĄCY PRODUKCJĘ BIOMASY

69 Eksperyment ze sztucznym nawoŝeniem jeziora fosforem i azotem (góna część) lub samym azotem (dolna część). Widać zakwit glonów

70 Obieg fosforu Brak fazy gazowej!

71 śelazo

72 ferredoksyna

73 Gleby laterytowe Fe

74 Produktywność oceanów (NASA 2005) [nowa metoda] Wg. zawartości węgla Wg. chlorofilu Obliczona skorygowana produkcja netto

75 Korelacja opadu pyłu (Fe) i zawartości chlorofilu

76

77 Pyły przenoszone na Morze Śródziemne

78 EKSPERYMENT Z NAWOśENIEM PLANKTONU Fe

79 WAPŃ

80 Szkielety wapienne kręgowców

81 Szkielety Wapienne (muszle) bezkręgowców Planktoniczne otwornice z kredy niŝu polskiego MałŜe morskie

82 CYKL WAPNIA Wietrzenie skał krzemianowych CaSiO 3 + CO 2 + H 2 O Ca HCO 3- + SiO 2 biologiczne przyspieszenie o 2 rzędy wielkości Tworzenie osadów morskich Ca 2+ 2HCO 3- CaCO 3 + CO 2 + H 2 O biologiczna kontrola: skorupki, rafy koralowe Procesy magmowe CaCO 3 + SiO 2 CaSiO 3 + CO 2 roczny obieg: 500 mln ton

83

84

85

86