RECETOX, Masaryk University, Brno, CR holoubek@recetox.muni.cz; http://recetox.muni.cz Ivan Holoubek CHEMIE ŽIVOTNÍHO PROSTŘEDÍ I Environmentální procesy (06) Biogeochemické cykly Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 2 (06) Biogeochemické cykly Biogeochemické cykly – základní pojmy. BGC cyklus uhlíku, dusíku, síry, fosforu, mikrobiogenních prvků a toxických kovů. Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 3 Cyklické procesy v biogeochemii Representation of the cyclic processes of biogeochemistry that exchange constituents between air, land, and sea. At the top of the picture, solar particles and extraplanetary objects bring matter into the atmosphere, while a certain amount escapes. Most material, however, is recycled. Even solids deposited on land and on the ocean beds can eventually be subducted to become molten, and components returned to the atmosphere through volcanic activity. Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 4 Osud chemických látek v prostředí Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 5 Chemické a biochemické procesy v přírodě Biogeochemické cykly Základní faktor udržení ekologické rovnováhy:  Chemické procesy (abiotické)  Biochemické procesy (působení mikroorganismů) Antropogenní procesy:  Chemicko-technologické  Chemizace hospodářství Přírodní chemické procesy (bez zásahu člověka):  Geochemické – rozpouštění, hydratace, hydrolýza, redox, vznik uhličitanů  Jaderné reakce  Přechod z chemického na biologický vývoj Makro- a mikrobiogenní prvky Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 6 Biogeochemické cykly popisují pohyb chemických prvků a sloučenin mezi propojenými biologickými a geologickými systémy:  Biologické procesy jako dýchání, fotosyntéza a tlení působí v těsném spojení s nebiologickými procesy jako jsou zvětrávání, vznik půdy, sedimentace.  Živé organismy mohou sloužit jako důležité rezervoáry pro určité prvky  Je velmi těžké vytvořit krabičkový model (i velmi zjednodušený), který bude správně popisovat biogeochemické chování prvku v celém zemském systému Nejdůležitější cykly (kritické pro udržení života): uhlík, dusík, síra, fosfor, kyslík Biogeochemické cykly Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 7 Biogeochemické cykly = S hydrologického + geologického + ekologického cyklu Normální, nenarušené cykly – téměř uzavřený charakter, účinnost: 90 – 98 % Antropogenní narušování Biogeochemické cykly Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 8 Hydrologický cyklus Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 9 Hydrologický cyklus Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 10 Geochemický cyklus Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 11 Biochemický cyklus Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 12 Biogeochemické cykly Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 13 Biogeochemické cykly Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 14 Vliv antropogenních aktivit na BGC cykly Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 15 Biogeochemický cyklus uhlíku Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 16 Biogeochemický cyklus uhlíku The carbon cycle. Representative global values for the 1990s are indicated for reservoirs and fluxes. Annual fluxes are given in 1012 kg Carbon yr1: preindustrial ‘natural’ fluxes are in black and ‘anthropogenic’ fluxes in red. From Climate Change 2007 – The Physical Science Basis, Contribution of Working Group I to the Fourth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change, Cambridge University Press, 2007. Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 17 Tři části: • Biochemický – výměna látek v živých organismech – 20 let • Biogeochemický – část biomasy z biochemického cyklu přechází do sedimentů, ze kterých se postupně uvolňuje – 20 000 let • Geochemický – vznik uhličitanů a jejich ukládání v mořích a oceánech – 200 000 000 let Antropogenní ovlivnění – zvyšování koncentrace CO2 spalováním fosilních paliv Biogeochemický cyklus uhlíku Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 18 Uhlík se nachází se ve všech velkých systémech a rezervoárech.  Biosféra: základní stavební částice živých organismů  Litosféra: vápencové horniny, fosilní paliva (uhlí, ropa, podzemní plyn), klatráty (komplexy CH4 a vody v sedimentech)  Hydrosféra: (rozpuštěný CO2 a karbonátové látky)  Atmosféra: (CO2, CH4 …): 0,036 % Největším rezervoárem uhlíku jsou oceánské a pevninské sedimenty. Biogeochemický cyklus uhlíku Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 19 Biogeochemický cyklus uhlíku Antropogenní vlivy:  Do atmosféry se dostává ročně 6 miliard t CO2 spalováním fosilních paliv  Dále kolem 2 miliard t ročně odlesňováním  Dva důsledky – místo přirozené spotřeby CO2 z atmosféry dochází ke vstupu CO2 do atmosféry Toto množství se zdá malé ve srovnání s ostatními toky. Dlouhodobá přirozená celková nevyrovnanost toků je pravděpodobně menší než 1 mld t C ročně – zásah člověka tímto vstupem je obrovský. Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 20 Biogeochemický cyklus uhlíku Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 21 Biogeochemický cyklus uhlíku Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 22 Cyklus methanu Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 23 Aminokyseliny jsou důležitými sloučeninami všech živých organismů (–NH2 skupiny; bílkoviny). Dusík ve třech formách:  plynný jako prvek N2  v redukované podobě jako amoniak NH3  v oxidované podobě jako dusičnanový NO3 – ion Pouze jako redukovaný se zúčastňuje biochemických reakcí. N2 nemůže být přímo využíván organismy. Největším rezervoárem dusíku je atmosféra: 78 % Biogeochemický cyklus dusíku Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 24 Člověk:  spalování paliv (vznik NO za vysokých teplot z N2 a O2), ten se dále oxiduje na NO2 a s vodou tvoří HNO3 (kyselý déšť)  N2O (skleníkový plyn) uvolňován bakteriemi ze zemědělských odpadů  uvolňování z půdy zavlažováním, vypalováním pralesů  hnojení a komunální odpad (-> řasy) Biogeochemický cyklus dusíku Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 25 Biogeochemický cyklus dusíku Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 26 Biogeochemický cyklus dusíku Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 27 Biogeochemický cyklus dusíku The nitrogen cycle. Some atmospheric nitrogen is converted to soluble compounds through the effects of lightning, but most transferred from the atmosphere is biochemically fixed within the soil by specialized microorganisms, some of which are hosted symbiotically on the root nodules of leguminous plants. Biological activity fixes globallyB1.401011 kg yr1 N. Nitrogen stored in organic matter is returned to the atmosphere in a series of bacterial oxidation steps that form first ammonium salts, then nitrites and nitrates, and finally the gases N2 and N2O. Source: M. Pidwirny, The Nitrogen Cycle in Fundamentals of Physical Geography, 2nd edn, 2006. [eBook at http://www.physicalgeography.net/fundamentals/9s.html] Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 28 Biogeochemický cyklus dusíku Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 29 Biogeochemický cyklus dusíku Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 30 Většina síry vázána minerálně (pyrit, sádrovec):  H2S a SO2 uvolňován z aktivních vulkánů  rozkladem organické hmoty  SO4 2– do atmosféry tříštěním slané vody  DMS (dimethylsulfoxid) uvolňován do atmosféry planktonem Člověk: kolem 1/3 z celkového množství síry do atmosféry (99 % SO2)  spalování fosilních paliv (2/3)  zpracování ropy, minerálních zdrojů Biogeochemický cyklus síry Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 31 Biogeochemický cyklus síry Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 32 Biogeochemický cyklus síry The sulfur cycle. Sulfur exists in nature in oxidation states from 2 to +6. Natural emissions are both geologic (e.g. from volcanoes) and biologic. These emissions are mainly, but not entirely, of the more reduced compounds (e.g. H2S, (CH3)2S), but SO2, CS2 and COS are also emitted. Man adds very markedly to the releases, especially of SO2. In the atmosphere, the reduced compounds are oxidized to SO2, and ultimately to SO3, in both homogeneous and heterogeneous processes. The SO3 can become hydrolysed and incorporated in cloud or rain droplets as sulfuric acid. Return of the dissolved acid to the surface completes the cycle. Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 33 Biogeochemický cyklus síry Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 34 Biogeochemický cyklus síry Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 35 Biogeochemický cyklus síry Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 36 Důležitá složka RNA, DNA a přenašečů energie (ADP, ATP):  fosfor se jen pomalu uvolňuje z hornin (apatit.. )  nevstupuje do atmosféry  je většinou limitujícím faktorem růstu rostlin Člověk:  hnojiva a prací prostředky  zemědělské a komunální odpady Biogeochemický cyklus fosforu Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 37 Biogeochemický cyklus fosforu Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 38 Biogeochemický cyklus fosforu Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 39 Biogeochemický cyklus fosforu Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 40 Biogeochemický cyklus fosforu Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 41 Biogeochemický cyklus kyslíku Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 42 Stabilita atmosféry: Obsah O2 v atmosféře v porovnání s obsahem CO2 je stabilnější. Biologický zpětně vazebný mechanismus (kontrola tlaku O2 v atmosféře):  nárůst koncentrace kyslíku – nárůst parciálního tlaku kyslíku – inhibice fotosyntézy  nárůst koncentrace oxidu uhličitého – nárůst parciálního tlaku CO2 – vyšší rychlost fotosyntézy, zvětšuje se rostlinná složka biosféry, větší fytomasa více respiruje – roste koncentrace O2, klesá produkce O2, roste koncentrace CO2, zvyšuje se rychlost fotosyntézy Biogeochemický cyklus kyslíku Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 43 Biogeochemický cyklus kyslíku The oxygen cycle. The cycle consists of the movement of oxygen within and between its main reservoirs: the atmosphere, the biosphere, the lithosphere and the hydrosphere. Most of Earth’s oxygen is in the lithosphere, but the greatest fluxes are to and from the biosphere. The main driver of the oxygen cycle is photosynthesis. Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 44 Biogeochemický cyklus kyslíku Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 45 Biogeochemický cyklus kyslíku Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 46 Hydrologický cyklus Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 47 Hydrologický cyklus Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 48 Poháněný geotermální energií (?): teplo je vedeno kondukcí a konvekcí (konvektivní buňky). Povrch planety je tvořen tenounkou křehkou vrstvou – kůrou. Ta je v důsledku tepelného proudění (?) rozlomena na velký počet zubatých částí označovaných jako litosférické desky, které se pohybují na plastické, snadno deformovatelné vrstvě – astenosféře. Dnes máme 6 velkých desek a velký počet menších – pohybují se kolem 1 až 10 cm za rok. Okraje desek:  divegentní – riftová, rozestupující se centra – častá ale slabá zemětřesení  konvergentní – desky se pohybují k sobě; jedna se zasouvá pod druhou (subdukční zóna) nebo se střetávají (kolizní zóna). Místa explosivního vulkanismu a silných zemětřesení.  transformní – desky se pohybují podél sebe, olamují se a obrušují. Silná zemětřesení bez vulkanismu. Horninový cyklus Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 49 Horninový cyklus Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 50 V kůře 5 % sedimentárních 95 % vyvřelých Na povrchu 75 % sedimentárních, 25 % vyvřelých Odhadovaná délka celého horninového cyklu 650 milionů let – oceánský cyklus kratší (nejstarší horniny oceánské kůry kolem 180 milionů let, průměrné stáří kolem 60 milionů let). Horninový cyklus Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 51 Vztahy mezi cykly C, S, P, N a O Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 52 Vztahy mezi cykly uhlíku a kyslíku