Biogeochemické cykly EKOLOGIE MIKROORGANISMŮ 9 •Biogeochemické cykly • • měřítka – habitat, ekosystém, globální měřítko •C, H a O – významné prvky– společné cykly – protichůdné síly fotosyntézy a respirace •malý atmosférický rezervoár CO2 je ovlivňován člověkem • •cykly – pohyb a přeměny materiálů biochemickými aktivitami – atmosféra – hydrosféra – •litosféra • •fyzikální transformace - rozpouštění, srážení, volatilizace, fixace •chemické transformace - biosyntéza, biodegradace, oxidoredukční biotransfromace • •způsobují translokaci materiálů – z vody do sedimentů, z půdy do atmosféry…. •živé organismy se podílí, mikrobi (metabolismus,enzymatická aktivita) jsou rozhodující • •cykly poháněny přímo či nepřímo energií slunce, nebo redukovaných minerálů • absorbována, přeměněna, dočasně skladována a nakonec rozptýlena –teče přes systémy •tok energie je fundamentální pro funkci ekosystémů •materiály se cyklicky přeměňují a mají tendenci v systému zůstat •Biogeochemické aktivity • •změnily během geologických věků podmínky na Zemi •zásadní byl rozklad abio. vytvořené org. hmoty na Zemi - heterotrofní org. • •změna původně redukující atmosféry na oxidativní – 1. kyslík produkující fototrofové •současnosti biogeochemické procesy však majítendenci být cyklické •dynamická rovnováha mezi různými formami „cyklovaných“ materiálů = současná fyziologická diverzita • •ne všechny biogeochemické aktivity připomínají uzavřené cykly •materiály mohou být importovány i exportovány z ekosystémů •fosilní paliva, vápenec -odstraněny z aktivních mikrobiálních cyklů na mnoho mil let • •ekosystémy se liší v účinnosti, kterou si podrží esenciální živiny • •habitaty schopné podržet živiny (korálové útesy, tropický prales) - udržet vysokou intenzitu produktivity i v chudých podmínkách •povrchová vrstva oceánů i přes vhodné podmínky (dostatek světla a vhodná teplota) má malou schopnost podržet esenciální živiny – má nízkou intenzitu PP limitovanou živinami •Biogenní prvky • •esenciálními součástmi živých organismů •nejčastěji zúčastní biogeochemických cyklů •kritéria co do atomové hmotnosti a chemické reaktivity •jsou v jejích prvních pěti periodách PTP • jejich biologická funkce se dá dopředu předpovědět •(ve tom smyslu, že někde v organismu budou potřebné) • •intenzita cyklů každého prvku odpovídá cca množství prvku v biomase • • •makrobiogenní prvky – C, H, O, N, P, S – intenzivní koloběh/cykly •mikrobiogenní – Mg, K, Na, halogeny – nižší intenzita •stopové prvky – B, Co, Cr, Cu, Mo, Ni, Se, Sn, V, Zn – méně intenzivní cykly • • . • Cyklus uhlíku • •nejaktivnější část cyklu C – atmosférický CO2 – 0,034% atmosféry, nebo také 700 miliard tun C •rozpuštěný anorganický C (CO2, H2CO3, HCO3 -, CO3 2-) – v povrchové mořské vodě – 500 mld tun C • •obě složky v rovnováze •plus pomalá výměna s hlubokomořským C •cca 34.500 miliard tun C – vertikální cirkulace mořské vody •živá biomasa – 450-500 miliard tun •mrtvá nefosilní hmota (humus, org. sedimenty) 3700 miliard tun •vše dohromady jsou aktivně cyklované rezervoáry • •fosilní paliva – 10.000 miliard tun •sedimentární horniny – 20.000 miliard tun C •minimální účast na cyklech – ale s průmyslovou revolucí změny!!! • •přirozená intenzita cyklu C v oceánech a na pevnině je blízko stabilnímu stavu •lidstvo narušilo rezervoár C (CO2) v atmosféře – fosilní paliva, lesní biomasa, půdní humus… •lidské přispění by mělo znamenat ještě větší zvýšení koncentrace CO2 v atmosféře, ale část vyprodukovaného CO2 byla zjevně absorbována mořem a i suchozemskou biomasou •Zvýšená koncentrace CO2…? • • bude mít malý přímý efekt na mikrobiální aktivitu •významné nepřímé efekty – zvýšení teploty atd…… •další příspěvek – atmosférický metan – ropné a plynové vrty, produkce ze skládek, dobytek, •rýže - metan pohlcuje teplo (sluneční záření) 4-5x víc jak CO2 •nicméně předpovědi jsou nejisté – zvýšená oblačnost (možný efekt oteplování) může snížit •oteplování •… jak se do cyklu zapojí činnost mikrobů a rostlin – vyšší spotřeba, nebo naopak produkce? https://www.national-geographic.cz/clanky/vedci-zjistili-ze-co2-dela-nasi-planetu-zelenejsi-brzy-al e-prijde-zmena-20160615.html Transfer C přes potravní řetězec •autotrofové • fixace CO2 –fotosyntetické a chemolitotrofní organismy. •řasy, sinice a zelené a purpurové fotosyntetické bakterie • • • •chemolitotrofové •přispívají méně •základní pro fixaci CO2 je Calvinův cyklus •systém fosfoenolpyruvát karboxylázy • • •heterotrofní mikrobi • jen výměna org. C na CO2 • •primární producenti •sami část nafixovaného C prodýchají, zbytek zapracují heterotrofové – nazpět dýcháním •čistá produktivita komunity – to, co se z nafotosyntetizovaného neprodýchá • •+ akumulující se organická hmota •- přísun alochtonní organické hmoty •„stending biomass“ – uložená energie • •intenzita PP– měřením toků kyslíku, nebo CO2 •zanedbává produkci anaerobních a chemolitotrofních bakterií •primární produkce – C m2/rok •méně než 0,1% sluneční energie využito pro fotosyntézu •produkce 150 miliard tun suché hmoty/rok •i v zemědělských ekosystémech je využití jen kolem 1% • •transfer energie v org. hmotě – v trofických úroveních •10-15% biomasy z každé trofické úrovně je přenesena do další úrovně •zbytek/většina se prodýchá, nebo rozloží v potravním řetězci, teplo • Primární produkce (PP) •Čistá prim. produkce • •množství fotosynteticky fixovaného uhlíku, které je dostupné první heterotrofní úrovni ekosystému • (to, co se neprodýchá J) • •střední– heterotrofové nekonzumují veškerou čistou primární produkci •akumulace org. hmoty v ekosystému (čistá produkce ekosystému) v časných fázích sukcese • •nízká – konzumenti využijí veškerou primární produkci – respirace je v rovnováze s pr.produkcí (klimax) • • •terest. a mělkovodních systémů jsou producenty rostliny a dominantní konzumenti herbivoři •mikrobiální primární producenti - významní jen v extrémních habitatech, bez rostlin • • •oceány - cca ½ fotosyntézy na Zemi •mikrobi zodpovědní za většinu primární produkce (kromě pobřeží) •nejmenší plankton je zodpovědný za většinu primární a sekundární produktivity •nanofytoplankton (pod 20um) a pikoplankton (menší než 2 um) – význ. část biomasy • • •adaptace na nedostatek zákl. minerálů– růst blízko maximální rychlosti/intenzitě •větš. org. C přes fytoplankton vstupuje do pelagického potravinového řetězce •jako rozpuštěná a neživá „particulate“ organická hmota (POM) •zabudována do bakterií - fagotrofní bičíkatci (cca100 b/den) • •rozkladný potr. řetězce – mikrobi vodném i terestriálním systému •rozklad nedokonale strávené organické hmoty •rozklad mrtvých ale nekonzumovaných rostlin a živočichů •lesy a slaniska – rozkladná část - až 80-90% celkového toku energie •vodní ekosystémy - grazers/konzumenti spotřebují většinu primární produkce • • •Cyklus uhlíku v rámci habitatu • •degradace a recyklace organické hmoty– uskutečňována heterotrofními makro- a mikroorganismy • •rozklad nedokonale strávené organické hmoty , mrtvých rostlin a živočichů •lesy a slaniska – rozkladná část - až 80-90% celkového toku energie •vodní ekosystémy - konzumenti spotřebují většinu primární produkce • •mikrob. aktivity jsou klíčové jak z hledisky kvantity, tak i kvality •aerobní podmínky - organismy se podílí na biodegradaci org. látek e někt. polymerů • •anaerobní podmínky - mikroorganismy nezastupitelné •recyklace obtížně rozložitelných polymerů – celulózy a ligninu, humus • •transformace C se děje hlavně za aerobních podmínek – biodegradace C-H a ligninu •např. methanogeneze – jen za anaerobních podmínek •…vytváření biogeochemických zón v habitatech • • •respirace dá více energie než fermentace (více organiky k tvorbě stejné biomasy jako respirace) •respirace končí CO2 • •u fermentace se navíc akumulují nízkomolekulární alkoholy a org kys - pak více cest…. •anaerobní podmínky se mohou změnit v aerobní (vyschnutí zaplavené půdy) •pak další využití aerobně • •anaerobní produkty mohou z prostředí difundovat a být posléze využity • (vstřebání kyselin do krve přežvýkavce) •nebo další využití v původním prostředí – redukce nitrátů nebo sulfátů • •Methanogeneze a metylotrofie • • •Metanogenní archea •v anaerobním protředí při redox potenciálu -350 až - 450mV •CO2 využíván jako akceptor elektronů; redukují CO2 vodíkem (z fermentace), i metanol, acetát a metylaminy •koenzymy •přeměna CO2 na buněčný materiál – dráhu acetyl-CoA syntázy (nevyužívá ribulózodifosfátovou dráhu ) • • •Methylotrofní bakterie •plynný metan – koncová redukovaná uhlíkatá sloučenina •umí ho metabolizovat jen specializovaná skupina organismů –obligátní využívají jen metan, metanol, format, CO … •v sedimentech v přechodné zóně mezi produkcí metanu a redukcí sufátů •část metanu do atmosféry – současná koncentrace 1,7ppm stoupá ročně o 1% •Acetogeneze •Fak. chemoautotrofní anaerobové – redukce CO2 s H2 na acetát místo metanu •menší energetický výtěžek., využívají i CO, formát, metanol… • • •Cyklus CO •mikrobi zapojeni v cyklu přímo i nepřímo •produkce CO – 3-4 mld tun /rok (fotochemická oxidace metanu a jiných CH sl. v atmosféře) •stopy produkovány při respiraci, rozkladem hemu a při fotosyntéze •v oceánech cca 0,1mld CO tun/rok (sinice a řasy spolu + fotooxidace org. hm.) •podobně rostliny a půda • z fosilních paliv a pálení biomasy – 1,6 mld tun •doby obratu CO v atmosféře je 0,1 – 0,4 roku •destrukce CO – fotochemické reakce na CO2, oceány a půda •zvláště půda představuje významný sink pro CO (oceány naopak jsou producenti) Limity mikrobiální recyklace/oběhu C •podmínky prostředí (nedostatek O, kyselost, vysoká koncentrace fenolů a tanninů) • mohou zabránit degradaci (rašeliny, někt. vodní sedimenty…) •výsledek - fosilní paliva, odstranění C z oběhu • •tvorba huminových látek je meziproduktem mezi oběhem a depozicí fosilních paliv •huminy v půdě – staré 20 až 2000 let, rašeliniště ještě starší •Mikrobiální degradace polysacharidů • •biodegradace rostlinných polymerů je významný proces •přísun org C do půdy – půdní mikrobi – transformace – CO2 zpět do atmosfery, tvorba huminových materiálů i jednodušších organických molekul pro další populace. • •zažívací trakt býložravců •recyklované polymery – celulóza, hemicelulóza a chitin… • •Celulóza • v půdě rozklad pomocí hub (Aspergillus, Fusarium, Phoma, Trichoderma) •bakterií (Cytophaga, Vibrio, Polyangium, Cellulomonas, Streptomyces, Nocardia) • •pod pH 5,5 převládá degradace vláknitými houbami •pH5,7-6,2 různé houby a Cytophaga •pH 7 -Vibrio a opět houby • •degradace celulózy za aerobních i anaerobních podmínek •aerobně – bakterie a houby (min.) – CO2, voda a biomasa •anaerobně – Clostridium - - nízkomol.mastné kyseliny, CO2, voda a biomasa •Cyklus vodíku • •rezervoár H je voda – cyklus fotosyntézou a respirací – pomalý koloběh •hodně H2 je ve fosilních C-H • •H v organické hmotě – málo, ale rychlá recyklace •H2 je produkován biologicky fermentací •také vedlejší produkt fotosyntézy spojené s diazotrofií • •většina vyprodukovaného H2 je využita anaer. k redukci NO3-, SO4 2-, Fe3+ a Mn4+ •k produkci CH4 •když H2 stoupá přes okysličené prostředí je oxidativně metabolizován na H2O •jen malá část - 7 mil tun – unikne do atmosféry • •oceány vyprodukují cca 4 mil tun H2/ rok •půdy představují sink- konzumenta H2 • •produkce H2 člověkem – spalování fosilních paliv a biomasy a ve výfukových plynech (40mil tun) •v atm. fotochemicky dekompozicí metanu (také 40 mil tun) • •vodík z horních vrstev atmosféry se ztrácí do vesmíru (gravitace ho neudrží) • •aerobní využití H2 – fak. chemolit. „vodíkové“ bakterie (Alcaligenes) • •fotosyntéza a respirace – obvykle neprodukují/nekonzumují H2 •sinice a rhizobia - oddělení fotosyntézy od fixace N2 vyústí v produkci H2 •u sinic toto asi jen v labu •u rhizobií jde o významnou produkci H2 v polních podmínkách •mezidruhový transfer H2 – např. mezi fermentativními a metanogenními složkami • Cyklus kyslíku • •oxická atmosféra – nejvýznamnější biogeochemická přeměna na naší planetě • kyslík z fotosyntézy nejen vytvořil naši atmosféru • •mnoho redukovaných minerálů – Fe a sulfidy •kyslík uložený v železitých sloučeninách a sulfidech výrazně převyšuje ten v atmosféře •minerální rezervoáry se podílejí na koloběhu kyslíku do určité míry •nejaktivnější je atmosferický a rozpuštěný kyslík, CO2 a H2O • •nitráty – malý, ale rychle recyklovaný rezervoár •podobně kyslík v živé a mrtvé organické hmotě • •O2 produkovaný fotosyntézou je z atmosféry odstraňován respirací • produkce CO2 a vody štěpené při fotosyntéze • •Přítomnost/absence O2 v prostředí rozhoduje o metabolických procesech, které zde probíhají •E-zisk aerobní a anaerobní degradace glukózy – 686 kcal-50 kcal. – přednostně aerobní procesy • •někde mikrobiální spotřeba O2 může vytvořit anaerobní podmínky •zde pak kyslík jen v organické hmotě – vodní sedimenty a zaplavené půdy • •obrat CO2, O2 a H2O ve fotosyntéze/respiraci je velice vyvážený •rychlost obratu je díky různé velikosti rezervoárů rozdílná • •CO2 – každá molekula je asimilována 1x za 300 let •O2 – respirována 1x za 2000 let •H2O – je rozložena ve fotosyntéze 1x za 2 mil. let • • Cyklus dusíku • • •v amoniaku, v nitrátech (NO3-) •AK, NK, aminocukry a jejich polymery •v atmosféře 79%, 3,8 x1015 tun •1,4x1016 v magmatických a sedimentárních horninách – zde ale téměř nepřístupný, nevýměnný amoniak •fyz-chem i biologické větrání příliš pomalé, aby ovlivnilo cykly • •přirozená akumulace N – na pobřeží Chile – rozkladem guana – je zde sucho - nedochází k vymývání dusičnanů • •anorganický N – amoniak, nitrity a nitráty – vysoce rozpustné soli – malý a aktivně recyklovaný rezervoár • •živá a mrtvá organická hmota - malý aktivně recyklovaný rezervoár N. •org. hmota, humus, představuje významný a relativně stálý rezervoár N • •v tropech - rychlá mineralizace org. hmoty - akumulace opadu a humusu je omezena •rostliny, živočichové a většina mikrobů vyžaduje kombinované zdroje N •schopnost fixace N2 •prostředí často závislá buď na bakteriální fixaci N2, nebo na přísunu N hnojivy •biogeochemická (re)cyklace N je vysoce závislá na mikrobech • •pohyb dusíku z atmosféry přes terestriální a akvatická prostředí – udává produktivitu • •fixace N2 na souši (135 mil tun) vysoce převyšuje fixaci v oceánech (40 mil.tun) •antropogenický input - - 30mil tun, spalování 19 mil tun • • fixace leguminózami a jinými plodinami - 44 mil tun - to se blíží celkové fixaci travních porostů •lesy (40mil tun) a ostatních terestriálních oblastí •10mil tun a mořskému prostředí - 40mil tun • •abio. fix. N (vulkanická aktivita, ionizující záření, elektrické výboje) - 10-20% biologické fixace •mikroorganismy -návrat molekulárního dusíku do atmosféry – denitrifikace •před vstupem lidstva do cyklů N2fixace a denitrifikace byly v rovnováze... •Fixace molekulárního N • •enzym nitrogenáza, diazotrofové •vysoká citlivost ke O2 •k fixaci je ale zapotřebí i ATP, redukovaný ferredoxin a další cytochromy a koenzymy… • •amoniak je první detekovatelný produkt fixace •asimilován do AK - polymerizovány do proteinů • •symbiotická fixace 2-3 řády vyšší, než u volně žijících •Vojtěška/Rhizobium – 300kg/ha a rok •Azotobacter – 0,5-205 kg/ha a rok • • •mnoho druhů bakterií je za vhodných podmínek schopno fixovat N2 • významný je redox potenciál •Amonifikace • •mnoho rostlin, živočichů a mikrobů – převod organického N na amoniak •významný proces pro kontinuální produktivity ekosystémů •kyselých a neutrálních podmínkách – amoniak existuje jako amonný iont •v alkalických podmínkách může být část uvolněna do atmosféry •amonný iont asimilován mnoha rostlinami a mikroby – do AK a dalších sloučenin •Nitrifikace • •oxidace amoniaku nebo amonného iontu na nitrity a pak nitráty: • •NH4+ + 1a1/2O2= NO2- + 2H+ + H2O •NO2- + 1/2O2= NO3- • •oba kroky jsou oddělené, dělají je jiné skupiny mikrobů •oba procesy jsou těsně propojené a nedochází k akumulaci nitritů •oba procesy uvolňují energii •proces nitrifikace je aerobní •oxidace nitritů - dá málo energie (na fixaci 1 molu CO2 – oxidováno 100 molů nitritů nebo 35 molů amoniaku) •v půdě - oxidace amoniaku na nitrity Nitrosomonas, oxidaci nitritů na nitráty provádí Nitrobacter • (Nitrosospira, Nitrosococcus, Nitrosolobus, Nitrosovibrio….) • •nitrifikace významná v půdách – přeměna amoniaku na nitráty • změna náboje z pozitivního na negativní • pozitivně nabitý amonný iont je vázán na negativně nabité jílové minerály •negativně nabité nitráty volné – mohou být vymyté – ztráty a ekologické důsledky •Redukce nitrátů a denitrifikace • •nitrát může být zabudován mnoha organismy do organických látek • •tzv. asimilační nitrátové redukce – dělá to mnoho mikrobů (bakterie, houby, řasy) •mnoho enzymových systémů včetně nitrát a nitrit reduktázy – vznikne amoniak a ten do AK •normální koncentrace O2 neinhibuje reakci •za nepřítomnosti kyslíku nitráty mohou sloužit jako terminální akceptory elektronů • •respirace nitrátů - tzv. disimilační redukce nitrátů •nitráty jsou přeměněny na celou řadu redukovaných sloučenin a zároveň je oxidována org.hmota mnohem větší zisk energie než fermentace • •dva typy disimilační redukce nitrátů: •Fakultativní anaerobové – Alcaligenes, Escherichia, Aeromonas, Enterobacter, Bacillus, •Flavobacterium, Nocardia, Spirillum, Staphylococcus, Vibrio – redukují nitráty za •anaerobních podmínek na nitrity, ty exkretovány, případně nekteří mikrobi je mohou •redukovat na amoniak (amonifikace nitrátů) . Tyto organismy neprodukují plynné dusíkaté •produkty – tedy nejde o denitrifikaci. Amonifikace nitrátů je významná ve stojaté vodě, •čistírnách odpadních vod a v některých sedimentech, Na rozdíl od asimilační redukce nitrátů, •není disimilační redukce nitrátů inhibována amoniakem; takže amoniak může být exkretován •ve větším rozsahu. Ve srovnání s denitrifikací ale jde z ekologického hlediska o méně •významný proces pro redukční odstranění nitritů a nitrátů. •denitrifikace a nitrifikace v půdě často těsně vedle sebe •významná část NO3- vytvořená •nitrifikací difunduje do anaerobní denitrifikační zóny-redukována na N2. •někt. organismy denitrifikují jen za anaerobních podmínek (Paracoccus denitrificans) •někt. respirují nitráty i za přítomnosti kyslíku (Pseudomonas, Aeromonas, Moraxella, Arthrobacter) •proč (jakou to má výhodu) není jasné…? • •cyklus N a jeho regulace je velice významná v zemědělských oblastech z hlediska zajištění •zemědělské produkce i udržení kvality pitné vody • •přístupnost fixované formy N v půdě je dána rovnováhou fixací N – denitrifikací - dusíkatých hnojiv – •odčerpáním dusíku zemědělskými plodinami •správná aplikace N hnojiv musí vzít v úvahu - rozpustnost a „vyluhování“hnojiva, intenzitu mikrobiálních aktivit •N hnojiva jsou aplikována jako amonná sůl, nebo močovina •tradičně střídání zemědělských •leguminózy – symbiotická fixace dusíku, zaorání • •Vojtěška - 100-280 kgN/ha •Jetel červený – 75-175 kg/ha •Vikev – 60-140 kg/ha •Soja (USA) -60-100 kg/ha • • Cyklus síry • •Síra - reaktivní prvek - valence -2 až +6 •AK a jejich polymery (-SH) • málokdy jde o limitující živinu • •sulfáty (kromě sulfátů Fe a Ca) jsou dobře rozpustné •v mořské vodě – velký pomalu cyklovaný rezervoár • •živá a mrtvá organická hmota – menší, ale rychleji cyklovaný rezervoár •zásoby síry v kovových sulfidech hornin, S a fosilní paliva – spalování fosilních paliv • •organismy - asimilují síru ve formě sulfátů – pro zabudování do cysteinu, methioninu a koenzymů •rozkladem organosulfátů vznikají merkaptany a H2S (desulfurace, podobná amonifikaci ) •v mořském prostředí je hlavním produktem rozkladu organické síry dimethylsulfid (DMS) • DMS je uvolňován během konzumace fytoplanktonu a rozkladu, uniká z oceánů •další významný produkt je H2S, může reagovat s O2 v atmosféře •za anaerobie sloužit jako akceptory elektronů a organické substráty jsou oxidovány Oxidativní transformace síry •oxidace H2S – deposity síry v buňkách •vláknité mikroaerofilní bakterie schopné Beggiatoa, Thioploca, Thiothrix, Thermothrix – gradientové organismy • nacházejí se na rozhraní anaerobního prostředí sedimentů/vody • • •Thiobacillus thiooxidans a T. ferrooxidans – mikrobiální loužení rud •H2S může být v anaerobii oxidován – fotosyntetické sirné bakterie •některé sinice jsou schopné oxigenní i anox. fotosyntézy – podílí se na fototrofní oxidaci H2S • •výjimku tvoří ekosystémy hlubokomořských hydrotermálních průduchů •sráží síra a z kovových sulfidů se vytváří sloupec nazývaný „white or black smokers“ •ekosystém založen na využití chemoautotrofní oxidace redukované síry – především Beggiatoa, Thiomicrospira a další… • •Reduktivní transformace síry • •Voda –H2O- v oxygenní a H2S v anaerobní fototropii mají podobné f-ce •S může být použita k respiraci •Desulfuromonas acetoxidans - roste na acetátu, anaerobně redukuje stechiometrická množství S na H2S: CH3COOH + 2H2O+ S0 = 2Co + 4H2S •zisk volné energie je malý (-5,7kcal/mol)v anaerobních sedimentech bohatých na sulfid a S •konsorcium s Chlorobiaceae - které fotooxidují H2S na S (pak vylučují) •Desulfuromonas regeneruje H2S respirací síry • •hydrotermálních průduchů •archea schopné respirace síry s plynným vodíkem – H2S •Thermoproteus, Pyrobaculum,Pyrodictium •Biogeneze síry • •v některých Libyjských jezerech napájených artézskými prameny s H2S •mikrobiální fotooxidace H2S •redukce sulfátů přispívá k atmosférickému cyklu síry •biogenní sulfát uvolněný do atmosféry – 142 milionů tun( menší polovinu představuje H2S) •těkavé organosirné sloučeniny – dimethylsulfid, karbonsulfid, karbonyl sulfid •hlavní zdroj veškeré těkavé síry je oceán (+ z bažin a jezer) •půda je naopak „sink“ pro tyto sloučeniny • různé thiobacily rychle oxidují tyto sloučeniny na sulfáty • v atmosféře podléhají oxidačním a fotooxidačním reakcím – výsledkem jsou sulfáty • Cyklus fosforu • •biogenní prvek – v živých systémech je především ve formě esterů a NK •fosfátové vazby v NK, fosfát je základní částí ATP ,fosfolipidy v membránách… • •velké pomalu „cyklované“ rezervoáry fosfátů jsou v mořském a i ostatních akvatických sedimentech •malý, ale dost aktivně se podílející na koloběhu jsou rozpuštěné fosfáty v půdě a ve vodě a fosfáty v organické hmotě • •inertní rezervoár – fosfátové horniny – apatit •ten je čím dál více využíván pro hnojení •většina nakonec ztracena v mořském prostředí – sedimenty • •primární fosfáty – např. H2PO4 – dobře rozpustný •sekundarní a terciární fosfáty více a více nerozpustné •na hnojiva jsou terciární fosfáty upravované působením kyselin na „superfosfáty“ •mikrobiální koloběh fosforu většinou nemění oxidační stupeň fosforu •přeměna anorg. na organický fosfát •nebo nerozpustného imobiliz. na rozpustný „mobilni“ fosfát • •fosfát není redukován mikroby, využít fosfát jako terminální akceptor •finálním produktem redukce by byly fosfiny – PH3 •těkavé a při styku s kyslíkem podléhají samovznícení •produkce fosfinů je někdy pozorována poblíž pohřebních míst a mokřadů –dekompozice org. hmoty •fosfiny mohou také zapálit metan produkovaný v těchto prostředích – bludičky, samouhoření…? • • •fosfáty kombinované s vápníkem – pak nerozpustné a nepřístupné •někt. heterotrofní mikroorganismy jsou schopné fosfáty rozpouštět organickými kys. •rostliny a mikroorganismy lehce příjímají rozpustné formy anorganických fosfátů • asimilují je do organických fosfátů • •mikrobi pomáhají rostlinám příjmat fosfáty, mohou ale s nimi také o ně soutěžit •často je produktivita limitována koncentrací fosfátů – ve vodném prostředí •sezónní fluktuace v koncentraci fosfátů – souvisí s rozvojem řas a sinic •srážení v mořském prostředí silně limituje primární produkci •kvetení vod – vysoká koncentrace organických látek – následně jejich dekompozice – anoxigenní podmínky – úhyn ryb • • Cyklus železa • •4. nejrozšířenější prvek v zemské kůře •jen malé množství je k dispozici pro biogeochemické cykly •ty sestávají převážně z oxidačně-redukčních reakcí • •Fe3+ - v alkalickém prostředí se sráží – Fe(OH)3 • v anaerobní prostředí redukován na Fe2+ - rozpustnější • za určitých podmínek - dostatek H2S k vysrážení železa jako sulfid FeS • •org. látkách - připojeno k organickým ligandům chelatací •chelatované ionty mohou podstoupit oxidačně-redukční transformace • využito pro transport elektronů – cytochromy řetězců •téměř všichni mikrobi vyžadují železo- kofaktor mnoha enzymů, regulačních proteinů •železo je ale často limitující prvek (Fe(OH)3 – nerozpustný) •bakterie – produkce tzv. sideroforů •usnadňují rozpouštění a příjem železa •přebytek Fe je pro buňku toxický • •aktivita bakterií oxidujících železo může vést k vytvoření depozitů železa •spodní voda pronikající na povrch rozpouští Fe2+ - na povrchu je oxidováno na Fe3+ •vysráží se jako hydroxid železitý a vytváří depozity železa – ty byli využívány k tavení železa • •většina železa v biosféře - Fe3+ •anaerobní podmínky - může docházek k redukci železa na Fe2+ •(Bacillus, Pseudomonas, Proteus, Alcaligenes, Clostridia, Enterobacteria) • •v půdě je redukce železa spojována s procesem oglejování • anoxygenní podmínky (půda zaplavená vodou, vysoký obsah jílu) •vedou ke tvorbě redukovaných Fe2+ iontů –zelenavě šedá barvu a mazlavou konzistenci •dominuje Bacillus a Pseudomonas • Cyklus manganu • •esenciální, je oxidován a redukován – Mn2+ - Mn4+ •stabilita záleží na pH a redox potenciálu • •vodních prostředích (mořských i sladkovodních)se vysráží typické Mn sraženiny •Mn v nich pochází z anaerobních sedimentů a je oxidován a vysrážen nejméně za pomoci bakterií •Mn je vzácná a strategická surovina – proto je uvažováno o těžbě hlubokomořských ložisek • •v anaerobních podmínkách mikrobiální redukci Mn4+ na Mn2+ (zvýšenou rozpustnost a mobilitu) • Cyklus vápníku • •důležitý v cytoplazmě a je vyžadován pro aktivitu enzymů •stabilizuje také strukturální komponenty buněčné stěny •význam biol. srážení a rozpouštění ve formě karbonátu (CaCO3) a bikarbonátu (Ca/HCO3/2) •srážení uhličitanů se také podílí na tvorbě exoskeletonu mikroorganismů a bezobratlých •obratlovci ukládají karbonáty v kostech a zubech • •bikarbonát vápenatý je dobře rozpustný ve vodě, karbonát mnohem méně •rovnováha mezi HCO3- a CO2- je ovlivňována CO2, který se rozpouští ve vodě jako H2CO3 •pH silně ovlivňuje tvorbu H2CO3, slabé kyseliny a jejich solí •zvýšené pH - rozpouštění karbonátů • pokles pH - podporuje srážení •nejvýznamnější proces přispívající jke srážení CaCO3 je fotosyntéza • •v mořské vodě hl. rozp. formou vápníku bikarbonát • v rovnováze s karbonátem a CO2: • •Ca(HCO) = CaCO3 + H2O + CO2 • •když fotosyntéza odstraní CO2, rovnováha se posune od bikarbonátu k karbonátu •ten se vysráží – fotosyntéza sinic vedla ke tvorbě vápnitých stromatolitů, tvorba korálů •bílé doverské útesy byly vytvořeny biologicky srážením Ca karbonátu- Foraminifera •Mg je také dvojmocný, chová se jako Ca a je ho v mořské vodě dostatek •Ale MgCO3 je v mořské vodě lépe rozpustný než CaCO3 •proto je přednostně využíván vápník ve schránkách mořských živočichů •Mikrobiální procesy vytvářející kyseliny přispívají k rozpouštění •a mobilizaci karbonátů •Ca lehce reaguje s fosfátovým iontem, který pak není dostupný pro příjem •3Ca2+ + 2PO4 3- = Ca(PO4)2 •produkce organických a anorganických kyselin mikroby rozpouští srážené fosfáty – mobilizace P v půdách a sedimentech • Cyklus křemíku • • •2. prvek v zemské kůře (28% podle váhy) • především ve formě SiO2 a silikátů, solí kyseliny křemičité •rozpustnost kyseliny křemičité je malá •biologická role Si - strukturální účely – traviny, pár bezobratlých •mikrobi - exoskeleton významných skupin jako rozsivek, radiolaria… • •rezidenční doba rozpuštěného křemíku v povrchových vodách – zhruba 400 let, oceán15 tisíc let •rozsivky hrají nejdůležitější roli ve srážení rozpuštěného křemíku •filtrace v laboratořích a při výrobě dynamitu z nitroglycerinu • •rozpuštěná kyselina křemičitá je esenciální (a někdy limitující) živina pro rozsivky •srážení křemíku může inkrustovat a uchovat mikrobiální buňky •horkých pramenech se tvoří dočasné křemičité stromatolity •biofilmy v těchto pramenech se stává pasivně inkrustovaný křemíkem •Vztahy mezi cykly jednotlivých prvků • •cykly se vzájemně ovlivňují, pokud na sobě nejsou přímo závislé • •redukční část cyklů N, S, Fe a Mn je poháněna energií organických substrátů z fotosyntézy • •chemolitotrofní reoxidace N, S, Fe a asi i Mn jsou spojeny s konverzí CO2 na buněčný •materiál, opět zahrnují cykly C,H a O • •rozpouštění, příjem a srážení Ca a Si jsou přímo energeticky vázané na fotosy.a resp. cykly C,H a O • •kyseliny z nitrifikace a oxidace síry pomáhají mobilizovat P •fotosyntéza nebo respirace jsou nezbytné pro příjem P a jeho konverzi v vysokoenergetické fosfáty • •Síra je oxidována s redukcí nitrátů (Thiobacillus denitrificans) • nekt. extrémně termofilní metanogeni mohou přenášet vodík na CO2 i na elementární síru • •z potenciálních akceptorů e- využívají mikrobi ty, které dávají nejvyšší výnos energie •každý akceptor elektronů je využíván v různém redox potenciálu •cykly - částečně výsledkem metabolické regulace v rámci jedné populace •také výsledkem soutěže mezi populacemi s různými metabolickými schopnostmi • •fak. anaerobové zastaví jejich účinnou fermentativní či disimilační redukci nitrátů za přítomnosti kyslíku •bez kyslíku jsou Fe3+, Mn4+ a NO3- nejvíce oxidujícími akceptory elektronů • •redukující nitráty , získají více energie – více biomasy na jednotku využitého substrátu a potlačí organismy redukující sulfáty •posloupnost využívání akceptorů elektronů může být pozorována v horizontálních vrstvách •s narůstající hloubkou ve vodních sloupcích a sedimentech (Vinogradského kolona) Faprotax