Biogeochemické procesy lPůvod prvků, složení Země lKoloběh kyslíku lKoloběh uhlíku lOkyselování oceánů lKoloběh dusíku lKoloběh fosforu lEutrofizace l„Planetární hranice“ Původ prvků lVesmír je starý 13,7±0,2 miliard let lPrvní hvězdy tvořeny pouze vodíkem a heliem lV nitrech hvězd dochází k syntéze atomových jader, vznikají těžší prvky. lPři výbuchu nov a supernov je vzniký materiál vyvržen do prostoru. lStáří sluneční soustavy a Země je 4,6 miliard let Složení zemské atmosféry http://rst.gsfc.nasa.gov/Sect19/Sect19_2a.html Kyslík Stromatolity Koloběh kyslíku je biogeochemický cyklus mezi třemi rezervoáry tohoto prvku na zemi - atmosférou, biosférou a litosférou. Hlavní pohonnou silou tohoto cyklu je fotosyntéza, která je rovněž zodpovědná za složení současné zemské atmosférou. Vznik volného kyslíku Největším rezervoárem kyslíku na Zemi jsou oxidy v zemské kůře a zemském plášti (99,5 %). Pouze 0,01 % je volný kyslík v biosféře a 0,36 % v atmosféře. Hlavním zdrojem kyslíku v biosféře a atmosféře je fotosyntéza, při níž se mimo jiné rozkládá oxid uhličitý na kyslík: 6CO2 + 6H2O + energie → C6H12O6 + 6O2 Mezi fotosyntetizující organismy patří zelené rostliny a fytoplankton v oceánech. Kyslík může vznikat i při biologickém zvětrávání. Při tomto procesu organismy získávají živiny z oxidů a přebytečný kyslík vypouští. Dalším zdrojem O2 je proces zvaný fotolýza, při němž UV záření rozkládá molekuly vody a dusitanů. Volné atomy dusíku a vodíku odchází do vesmíru, zatímco kyslík zůstává v atmosféře. 2H2O + energie → 4H + O2 2N2O + energie → 4N + O2 Ztráty volného kyslíku z atmosféry l Respirací (dýcháním) a dekompozicí (rozkladem organických látek). Při těchto dějích živočichové a bakterie pohlcují kyslík a vypouští oxid uhličitý. l Chemickým zvětráváním hornin 4FeO + 3O2 → 2Fe2O3 Kyslík se přenáší také mezi biosférou a litosférou. Mořské organismy v biosféře tvoří schránky z uhličitanu vápenatého (CaCO3), který je bohatý na kyslík. Když organismy uhynou, schránky se uloží na dně moře a postupem času tvoří minerál vápenec. Atmosféra CO2 – stav r. 1990 (+ 0,002 % / rok) Charles David Keeling od r. 1958 měření CO2 http://green.yahoo.com/blog/climate411/134/how-we-know-humans-cause-global-warming-part-2-of-5-chem istry.html http://kfrserver.natur.cuni.cz/globe/materialy/01Pestujte_rostliny/PestujteRostliny_Manual.pdf lJoseph Priestley (1733 – 1804) anglický chemik, filozof, duchovní a pedagog. Proslavil se jako objevitel oxidu uhličitého a spoluobjevitel kyslíku. http://environment.nationalgeographic.com/environment/global-warming/missing-carbon/ http://kfrserver.natur.cuni.cz/globe/others-CZ.htm Rezervoáry uhlíku l sedimenty (uhličitany, látky s obsahem uhlíku, včetně fosilních paliv) l hydrosféra (rozpuštěný oxid uhličitý a organická hmota) - cca 38000 Gt l biosféra (organická živá i neživá hmota) - cca 1900 Gt l atmosféra (CO2) - 750 Gt Uhlíkový cyklus Uhlík existuje v atmosféře hlavně jako oxid uhličitý (cca 0,04 %). Uhlík se z atmosféry dostává pryč: * Fotosyntézou * Rozpuštěním ve vodě, zejména oceánu * V oceánu plankton ukládá oxid uhličitý ve svých tkáních a schránkách. Schránky pak klesají ke dnu a ukládají se jako sedimenty. Uhlík se do atmosféry dostává několika způsoby: * Respirací živočichů a rostlin * Rozkladem biomasy * Spalováním organického materiálu. Při spalování fosilních paliv (uhlí, ropa, zemní plyn) se rozpadají organické látky, které se po miliony let ukládaly v biosféře. * Při sopečných erupcích se uvolňují plyny, které obsahují oxid uhličitý. Okyselování oceánů Pohlcováním CO2 ve vodě vzniká kyselina uhličitá H2CO3. CO2 + H2O ↔ H2CO3 http://fieldquestions.com/2011/06/09/why-we-eat-so-much-meat-beef-bombs-and-convenience/ Využití minerálních hnojiv při produkci kukuřice v USA http://www.enviwiki.cz/wiki/Kolob%C4%9Bh_dus%C3%ADku Dusíkový cyklus Dusíkový cyklus lPřirozené ukládání dusíku: fixace atmosférického dusíku do organických a anorganických sloučenin působením půdních bakterií. lČlověk: výroba dusíkatých hnojiv a pěstování plodin, na jejichž kořenech jsou bakterie fixující dusík - těmito procesy je poutáno v globálním měřítku přibližně stejné množství dusíku jako procesy přirozenými. lVázaný dusík se ve formě dusičnanů rozptyluje atmosférickým a vodním transportem. Sloučeniny dusíku jsou důležitým činitelem eutrofizace neboli obohacování živinami. Pokud jsou živinami obohaceny půdy, mění se výrazně složení vegetace. Ve vodách pak nastává výrazná degradace ekosystémů spojená s hnitím velkého množství vodních organismů. Dusíkatá hnojiva Dusíkatá hnojiva jsou látky, které se rostlinám dodávají, aby rostly rychleji. Rostliny dusík nevylučují a plně ho využívají k růstu. Rostliny, které byly hnojeny dusíkatými hnojivy poznáme podle velkého vzrůstu, velkých listů, ale takovéto rostliny se lehce ve větru lámou a jsou málo celkově odolné. Haber-Boschův proces l 1908 Fritz Haber objevil principy syntézy amoniaku. K syntéze dochází za přítomnosti železného katalyzátoru při vysokém tlaku a teplotě. l 1913 Carl Bosch, chemik společnosti BASF, proces zkomercionalizoval zavedením první vysoce moderní průmyslové výroby. Tento průmyslový proces umožnil expanzi zemědělské výroby i lidské populace v průběhu 20. století. Jako zdroj vodíku pro H-B proces se využívá zemní plyn. http://www.chemgeneration.com/cz/milestones/potraviny-a-zem%C4%9Bd%C4%9Blstv%C3%AD.html Hlízkovité bakterie (rhizobia) žijící na kořenech bobovitých rostlin dovedou vázat přímo vdušný dusík a měnit ho na organickou formu (tzv. vazači dusíku) http://www.fao.org/DOCREP/006/AD228E/AD228E04.htm Agrolesnictví Fosforový cyklus http://www.enviroliteracy.org/article.php/480.html Fosforový cyklus lLidé těží fosfátové horniny a vyrábějí fosforečná hnojiva. (Bez fosforečných hnojiv si dnes nedovedeme představit zajištění výživy lidstva) lFosfor je také obsažen v různých průmyslových výrobcích, například v pracích prášcích. lFosfor je i ve výkalech lidí a hospodářských zvířat. lPostupně se dostává do řek a vodních nádrží a je nejdůležitější složkou při jejich eutrofizaci. http://www.dailyyonder.com/forget-oil-worry-about-phosphorus/2010/09/08/2929 http://www.sunkarresources.com/en/pages/fertilizer_industry Eutrofizace lzrychlená tvorba organické hmoty (řas, sinic) lNadměrné šíření mikroskopických rostlinných organismů povzbuzuje vyšší aktivitu bakterií a vede k rychlejšímu spotřebovávání kyslíku ve vodě. l=> Hypoxie - nedostatek kyslíku pro tělesný metabolizmus http://cs.wikipedia.org/wiki/Eutrofizace Eutrofizace http://earthobservatory.nasa.gov/IOTD/view.php?id=44677 Mrtvé zóny http://www.sciencemag.org/content/321/5891/926 http://zahranicni.eurozpravy.cz/amerika/12814-zona-bez-zivota-v-mexickem-zalivu-je-velka-jako-morav a/ http://veda.sme.sk/c/5606813/ohrozuje-nas-dusikova-bomba.html V r. 2008 již zasaženo více než 400 ekosystémů o celkové rozloze více než 240 000 km2 http://www.lidovky.cz/s-uhlim-vypoustime-dzina-z-lahve-rika-svedsky-ekolog-pcs-/ln_veda.asp?c=A1005 10_114257_ln_veda_ev http://www.lidovky.cz/s-uhlim-vypoustime-dzina-z-lahve-rika-svedsky-ekolog-pcs-/ln_veda.asp?c=A1005 10_114257_ln_veda_ev http://www.lidovky.cz/s-uhlim-vypoustime-dzina-z-lahve-rika-svedsky-ekolog-pcs-/ln_veda.asp?c=A1005 10_114257_ln_veda_ev