BIOGEOCHEMIA dla Ochrony Środowiska Ch-OLo dla Studiów Biologiczno-Geograficznych WBNZ-407

Transkrypt

1 BIOGEOCHEMIA dla Ochrony Środowiska Ch-OLo dla Studiów Biologiczno-Geograficznych WBNZ-407 Prowadzący: prof. dr hab. January Weiner dr Anna RoŜen dr Łukasz Sobczyk Instytut Nauk o Środowisku UJ, wydz. BiNoZ strona kursu:

2 CZAS I MIEJSCE: ŚRODY wykład: (wszyscy) godz , Sala P 1.1. konwersatorium: Biol.-Geo. Grupa I: godz , sala Biol.-Geo. Grupa II: godz , sala Ochr. Śr. Grupa I: godz , sala P 1.1. Ochr. Śr. Grupa II: godz , sala P 1.1.

3 ZALICZENIE: Test pisemny w sesji (75%; próg dst = 50% pkt) Prezentacja i aktywność na zajęciach (25%) Pozytywnie oceniona prezentacja jest warunkiem zaliczenia kursu

4 Obowiązuje regulamin Dwa (2) terminy egzaminu: pierwszy (I) i poprawkowy. W razie nieprzystąpienia w I terminie z waŝnych powodów, przywrócić I termin moŝe Dziekan (Dyrektor Instytutu); podpisaną decyzję trzeba przedstawić przed przystąpieniem do egzaminu w II terminie. Innych terminów nie ma.

5 PROWIZORYCZNY HARMONOGRAM ZAJĘĆ 2012 data Temat wykładu konwersatorium kto Sprawy organizacyjne; wstęp do biogeochemii (biosfera, metodologia) Sprawy organizacyjne; źródła informacja naukowej JW Biogeneza; metabolizm biosfery Metodologia naukowa JW Cykl węgla (Produkcja-dekompozycja) Biogeneza, metabolizm JW Pierwiastki biogenne: cykl azotu Bilans węgla w biosferze AR Biogeny: cykl siarki Cykl azotu AR Biogeny: P, Fe, Ca Cykl siarki AR Mikroelementy Biogeny AR Metale cięŝkie Mikroelementy AR Cykle biogeochemiczne w ekosystemach lądowych Metale cięŝkie AR 1.05 WOLNE Cykle biogeochemiczne w e. wilgotnych i wodnych Ekosystemy lądowe AR Stechiometria ekologiczna Ekosystemy wodne JW Biosfera jako zintegrowany ekosystem Stechiometria JW Biogeochemia a klimat; zmiany globalne Integracja biosfery JW Biosfera zintegrowana, hipoteza Gai Bilans węgla a klimat JW 15???? Termin zajęty zajęcia terenowe Ochr. Środ.

6 Na kaŝdych zajęciach 1) Konwersatorium Prezentacje studentów (2 lub 3), dyskusja 2) Wykład + wskazówki do przygotowania się do następnego konwersatorium; Tematy prelekcji zostaną zaproponowane z odpowiednim wyprzedzeniem

7 DO ZAJĘĆ PRZYGOTOWUJĄ SIĘ WSZYSCY (NIE TYLKO PRELEGENCI)! materiały pomocnicze: Nazwa uŝytkownika: **** Hasło: ****

8 Samodzielne poszukiwanie źródeł: Biblioteka (ksiąŝki, czasopisma, po polsku i po angielsku) INTERNET: OSTROśNIE! Bazy danych SCOPUS, ISI Web of Science Czasopisma w wolnym dostępie MoŜna korzystać z Wikipedii (!), najlepiej po angielsku Pozostałe źródła internetowe wymagają starannej weryfikacji!

9

10 ? Pytania?

11 ZałoŜenia podstawowe Uniwersytet Jagielloński jest uniwersytetem Biogeochemia = część ekologii Ekologia = biologia Biologia = nauka (science) Nauka: metoda

12 Uniwersytet WyŜsza Szkoła Zawodowa im. Władysława Jagiełły?? NIE!!! Aktywne dowiadywanie się: Ze źródeł (biblioteka: czasopisma, ksiąŝki, bazy danych) Od rzeczywistości (badania) Od siebie wzajemnie (wykłady, seminaria, pogawędki) Zaliczanie: formalność. Studia są dla ciekawych.

13 Zagadnienia A. Mechanizmy (jak to się dzieje) Geochemia a biogeochemia śycie jako reakcja redoks B. Cykle biogeochemiczne (co się dzieje) Cykl globalny węgla i tlenu Pierwiastki biogenne (N, P, K, Ca, Mg, Fe i in.) Cykl globalny azotu. Cykl globalny siarki Mikroelementy, metale cięŝkie w biosferze. Cykle biogeochemiczne w wybranych środowiskach Interakcje międzygatunkowe: stechiometria ekologiczna C. Integracja: efekty globalne Biogeochemia biosfery Biogeochemia a klimat

14 Podręcznik: dedykowanego podręcznika biogeochemii w jęz. polskim brak. J. Weiner, "śycie i ewolucja biosfery", NOWE WYDANIE PWN (2003)

15 1.2. O metodzie naukowej 2.4. Planeta Ziemia 2.5. Ziemia pod nogami 2.6. Cyrkulacja atmosferyczna i cykl hydrologiczny 3. Biogeneza i historia biosfery 4. Metabolizm biosfery 5. Produkcja pierwotna biosfery 6. Dekompozycja, czyli rozkład biomasy 7. Cykle biogeochemiczne RAZEM OK. 170 str.

16 W.J.H. Kunicki- Goldfinger. śycie bakterii (wyd. najnowsze) Rozdział 12.

17 Paul E.A., Clark F.E. Mikrobiologia i biochemia gleb Wyd. UMCS, Lublin 2000

18 Andrews JE et al.: Wprowadzenie do chemii środowiska Biogeochemia środowisk Ziemi; ogólne zasady, mało biologii

19 Peter O Neil: Chemia środowiska. PWN, Monografia, z naciskiem na problemy zanieczyszczeń, mało biologii

20 DuŜo abiotycznej geochemii, nacisk na ochronę środowiska; rozdział 9: Globalne cykle biogeochemiczne 2007

21 Craig J.R.. Vaughan D.J. Skinner B.J. Zasoby Ziemi PWN Warszawa 2003

22 Schneider S.F. Laboratorium Ziemia CIS Warszawa 1998 [zintegrowana biosfera, zmiany globalne]

23 Literatura popularno-naukowa Postgate J., Granice Ŝycia. CIS 1997 Świat Nauki (miesięcznik)!!! Wiedza i śycie (miesięcznik) Wszechświat (miesięcznik)

24 KLASYCZNY PODRĘCZNIK EKOLOGII KREBSA (pwn 1998) BIOGEOCHEMII POŚWIĘCA 30 STR. (4% OBJĘTOŚCI)

25 PODSTAWOWY PODRĘCZNIK EKOLOGII (pwn 2000) BIOGEOCHEMII POŚWIĘCA 8 STR. (2% OBJĘTOŚCI)

26 MoŜna znaleźć wiadomości podstawowe i uzupełniające o obiegu pierwiastków w ekosystemach lądowych Wydawnictwo Naukowe Uniwersytetu Toruńskiego

27 PODRĘCZNIKI GEOCHEMII JESZCZE W LATACH 1980/90 IGNOROWAŁY ISTNIENIE śycia NA ZIEMI...

28 TU JEST WSZYSTKO OSOBNO

29

30 POJĘCIE BIOSFERY SUESS (1875): STATYCZNE, TOPOLOGICZNE (WARSTWA NA POWIERZCHNI GLOBU) VERNADSKIJ (1926): DYNAMICZNE, FUNKCJONALNE (EKOSYSTEM)

31 DOMENA BIOGEOCHEMII: BIOSFERA Biosfera: ekosystem globalny System dynamiczny (przepływ energii, przemieszczanie mas, praca) Procesy abiotyczne (fizykochemiczne) Procesy biologiczne (ścisła integracja) Chemizm biosfery wpływ organizmów Biosfera: naturalne środowisko człowieka Ekologia: nauka o Ŝyciu biosfery Ochrona środowiska: zastosowanie ekologii

32 PALEO MIKROBIOLOGIA PALEO KLIMATOLOGIA PALEO OCEANOLOGIA GEOMIKROBIOLOGIA PALEOBIOLOGIA GEOCHEMIA PALEO EKOLOGIA BIOGEOCHEMIA EKOLOGIA GLOBALNA PALEO GEOFIZJOLOGIA EARTH SYSTEM SCIENCE

33 GEO- MIKRO- BIOLOGIA: JAK MIKROORGANIZMY KSZTAŁTUJĄ PROCESY GEOCHEMICZNE (Newman & Banfield, 2002)

34 Przykłady geochemicznych procesów mikrobiologicznych w głębi ziemi Science 296, Maj 2002

35 BIOGEOCHEMIA nauka zajmująca się rozmieszczeniem i przemieszczaniem się pierwiastków chemicznych w biosferze, przy udziale Ŝywych organizmów. wyjaśnia mechanizmy funkcjonowania biosfery w skali globalnej i ekosystemów w skali lokalnej znaczenie: ochrona środowiska, gospodarka zasobami naturalnymi

36 PREKURSORZY Justus Liebig ( ), chemik ( prawo minimum ) W.I. Wiernadski ( ), geochemik (pojęcie biosfery, 1929) S.N. Winogradski ( ), mikrobiolog (chemosynteza, wiązanie azotu, udział bakterii w krąŝeniu pierwiastków) J. Lovelock i Hipoteza Gai Współczesna ekologia globalna ( geofizjologia )

37 METODA NAUKOWA

38 Metoda naukowa Nauki eksperymentalne (przyrodnicze, ścisłe) hipotetyczne, ale maksymalnie wiarygodne! Obserwacja powtarzalne wzorce Hipotezy wyjaśniające (modele) Testowanie hipotez Hipotezy umocnione Uogólnione hipotezy: teorie Umocniona teoria: paradygmat Testowanie teorii: Program badawczy Zastosowania

39 Na przykład: kulistość Ziemi Obserwacja: płasko! Wyjaśnienie ad hoc: Ŝółw na 4 słoniach itd. Ale: kolisty horyzont! HIPOTEZA: ograniczony promień widzenia HIPOTEZA ALTERNATYWNA: kula TESTY: Daleki widok okrętów PodróŜ dookoła świata PROGRAM BADAWCZY: Pomiar promienia PARADYGMAT: Ziemia jest kulą PROGRAM BADAWCZY: Dokładny kształt Ziemi

40 Na przykład: ocieplenie globalne Obserwacja: ociepla się (?) Obserwacja: wzrasta zawartość CO 2 Hipoteza: efekt cieplarniany! Wyjaśnienie ad hoc: człowiek powoduje zmianę klimatu TESTY: w toku Hipotezy umocnione, ogólna teoria, zastosowania praktyczne NIEPRĘDKO!

41 WYMAGANIA METODOLOGII NAUK: POWTARZALNOŚĆ OBSERWACJI TESTOWALNE HIPOTEZY EKSPERYMENT LUB KONTROLOWANA OBSERWACJA RZECZYWISTOŚĆ BIOGEOCHEMII: TYLKO JEDEN OBIEKT SKALA PRZESTRZENNA OGROMNA SKALA CZASOWA ZJAWISK POZA ZASIĘGIEM BADAŃ RATUNEK: WZORCE POWTARZALNE W CZASIE [PALEO... (...BIOLOGIA...EKOLOGIA...BIOGEOCHEMIA)] WZORCE POWTARZALNE W PRZESTRZENI [GLOBALNE... ZMIANY... PODEJŚCIE BADAWCZE]

42 Pragmatyka naukowa Konkurs projektów badawczych (recenzje) Konkurs publikacji naukowych (recenzje) Czasopismo naukowe Krytyka naukowa Uogólnianie: monografie, podręczniki Alternatywa nauki: Ekspertyzy na zlecenie (z zadanym wnioskiem) Biuletyn wewnętrzny KsiąŜka nierecenzowana (wydawnictwo garaŝowe) Artykuły w gazetach, komentarze w telewizji

43 Nauki podstawowe, stosowane i technika: Ekologia (w tym: biogeochemia): Nauka podstawowa o funkcjonowaniu biosfery; nauka stosowana w ochronie środowiska i ochronie przyrody Ochrona środowiska: Praktyka ochrony środowiska człowieka Ochrona przyrody Praktyka ochrony róŝnorodności biologicznej biosfery

44 śycie na Ziemi widać z daleka

45 Dynamika biogeochemiczna: praca zasilana energią Dynamika geosfery (tektonika) - energia jądrowa Dynamika hydrosfery (prądy morskie; obieg wody) Dynamika atmosfery Dynamika biosfery - energia termojądrowa (słoneczna)

46 PRZEKRÓJ ZIEMI 1. Skorupa ziemska: km 2. Płaszcz: 2900 km Jądro 3470 km -272 o C 1. Skorupa 2. Płaszcz 3700 o C 3. Jądro zewnętrzne 4. Jądro wewnętrzne 5. Prądy konwekcyjne

47 TW U Wg. Winogradowa, 1960 Razem Energia cieplna wytwarzana w płaszczu Ziemi wskutek rozpadu pierwiastków radioaktywnych napędza procesy tektoniczne K Th 238 U TW = W Miliardy lat wg. Winogradowa, 1960, zmienione

48 Całkowity przepływ ciepła geotermalnego: 30 to 44 TW W tym z rozpadów promieniotwórczych 19 to 31 TW * Inne źródła ciepła: resztkowe (5-10%) grawitacyjne (5-10%) *Nowe dane (2011) rejestracja antyneutrin ( geoneutrin ) z rozpadu 238 U i 232 Th: 24 ±8 TW

49 Energia geotermalna

50 Energia geotermalna

51 Wczesny kambr mln lat

52 Późny karbon mln lat

53 Koniec permu mln lat

54 Kreda/Trzeciorzęd mln lat

55

56 ENERGIA SŁONECZNA Stała słoneczna (poza Ziemią): 1360 W/m 2 Średnio na powierzchnię kuli: 1/4 Odbicie od atmosfery: ok. 1/3 Pochłanianie atmosferyczne: ok. 1/3 Średnio na powierzchni Ziemi: ok. 113 W/m 2 Rozkład nierównomierny

57 Spektrum promieniowania słonecznego Stała słoneczna: 1360 W/m 2

58 Energia promieniowania słonecznego

59 Obieg wody, tys. km 3 /rok ATMOSFERA 14 lodowce gleba 65 jeziora 46 rzeki 1,2 wody podziemne OCEAN

60 ABIOTYCZNA DYNAMIKA PLANETY: CYKLE TEKTONICZNE CYKL HYDROLOGICZNY WYPIĘTRZANIE I EROZJA WULKANIZM I SEDYMENTACJA itd [GŁÓWNIE PRACA MECHANICZNA] [PRZEMIANY CIEPLNE]

61 CYKL TEKTONICZNO-METAMORFICZNO-SEDYMENTACYJNY SKAŁY MAGMOWE WIETRZENIE I EROZJA OSADY LITYFIKACJA TOPNIENIE WZROST TEMPERATURY SKAŁY OSADOWE SKAŁY METAMORFICZNE REKRYSTALIZACJA WZRASTAJĄCA TEMPERATURA I CIŚNIENIE

62 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)

63 Funkcja ekosystemu: cykl redox CO 2 Redukcja (produkcja) Utlenianie (oddychanie) (CH 2 O) n

64 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

65 Lektury dodatkowe: energetyka biosfery śieb: rozdz. 2.4., 2.5, 2.6 metodologia nauk śieb: rozdz. 1.2; Wikipedia; A. F. Chalmers, Czym jest to, co zwiemy nauką?. Siedmioróg, 1993 ( fragmenty udostępnione na stronie kursu)

66