Obieg węgla i azotu w przyrodzie.

Informacja wstępna: Czym są cykle biogeochemiczne?

Źródło: earthobservatory.nasa.gov - Przepływ węgla jako pierwiastka
w miliardach ton na rok. 

1) Obieg węgla w przyrodzie – biologiczne, chemiczne i fizyczne procesy zachodzące na Ziemi, w wyniku których następuje ciągła wymiana węgla jako pierwiastka znajdującego się w atmosferze, w wodzie, organizmach żywych ich szczątkach oraz w skorupie ziemskiej.

Węgiel w postaci dwutlenku węgla (CO₂) jest asymilowany przez autotrofy (poprzez rośliny zielone w procesie fotosyntezy, a bakterie samożywne w procesie chemosyntezy), następnie włączany w cząsteczki glukozy, która ulega dalszym przemianom.

Część glukozy zostaje z kolei zużyta do budowy komórek i tkanek, a część zużyta jako materiał energetyczny. Zwierzęta zjadając rośliny lub zwierzęta wykorzystują zawarty w związkach organicznych węgiel do budowy swojego ciała, a także w celach energetycznych.

Źródła węgla w przyrodzie:Podczas procesów energetycznych węgiel zawarty w związkach chemicznych jest utleniany i w postaci dwutlenku węgla w procesie oddychania jest wydalany do atmosfery lub wody.

• atmosfera,
• przemysł,
• środki transportu,
• procesy rozkładu,
• oddychanie organizmów.

Zawartość węgla w biosferze podlega wahaniom w skali milionów lat w wyniku dwóch cykli:

• cyklu węglanowo-krzemianowego
• cyklu organicznego

Ilość emisji: Emisja roczna dwutlenku węgla z rozpadu materiału organicznego w lasach i obszarach trawiastych wynosi 220 miliardów ton (równocześnie podobna ilość jest absorbowana przez inne procesy naturalne m. in. fotosyntezę). Emisje w wyniku działalności człowieka wynoszą 27 miliardów ton na rok. Wulkany emitują rocznie 130–230 milionów ton atmosferycznego CO_2.

Zasoby węgla w głównych rezerwuarach na Ziemi:

Rezerwuar	Ilość [gigatony]
Atmosfera	720
Oceany (całkowity)	38 400
Całkowity nieorganiczny	37 400
Warstwa powierzchniowa	670
Warstwa głębin	36 730
Całkowity organiczny	1000
Litosfera
Osady węglanowe	> 60 000 000
Kerogen	15 000 000
Biosfera lądowa (całkowity)	2000
Biomasa żywa	600–1000
Biomasa martwa	1200
Biosfera wodna	1–2
Paliwa kopalne (całkowity)	4130
Węgiel	3510
Ropa naftowa	230
Gaz	140
Inne (torf)	250

Źródło: Wikipedia. Obieg azotu w przyrodzie.

2) Obieg azotu w przyrodzie (Cykl nitryfikacyjny, obieg azotu w przyrodzie) - jest to cykl biogeochemiczny, który opisuje cyrkulację azotu i jego związków chemicznych w biosferze. Ziemska atmosfera składa się w 78% z azotu i stanowi zarówno pierwotne źródło tego pierwiastka dla biosfery, jak i jest miejscem, do którego jest on uwalniany. Azot oznaczany jest jako N. Jego organiczne i nieorganiczne związki chemiczne, uczestniczą we wszystkich ważniejszych procesach biochemicznych. Występuje on w aminokwasach tworzących białka, w zasadach azotowych nukleotydów wchodzących w skład DNA i RNA. W roślinach znaczna część azotu jest wbudowana w chlorofil biorący udział w procesie fotosyntezy.

Źródło: http://www1.biologie.uni-hamburg.de - KLIK!.

Pierwszym i kluczowym etapem przyswajania azotu z atmosfery jest przekształcanie gazowej jego formy w związki chemiczne, które mogą być dalej przetwarzane przez organizmy żywe. Pewien niewielki procent azotu trafia do organizmów żywych w formie jonów azotanowych (NO3) generowanych na skutek rozmaitych procesów geologicznych i atmosferycznych. Większość azotu z atmosfery trafia do biosfery poprzez bakterie azotowe. Należy do nich m.in. rodzaj Rhizobium. Bakterie te posiadają enzym nitrogenazę, katalizujący reakcję gazowego azotu z wodorem pochodzącym z reakcji biochemicznych, w wyniku czego powstaje amoniak, a także aminokwas glutamina. Tego rodzaju bakterie żyją samodzielnie lub w symbiozie z roślinami. Szczególnie dużo występuje ich w brodawkach korzeniowych roślin motylkowych, gdzie oddają one amoniak lub glutaminę w zamian za dokarmianie węglowodanami. Amoniak (NH3) trafiający bezpośrednio do gleby może być też utleniany przez bakterie nitryfikacyjne do azotynów i

 azotanów. Nieorganiczne związki azotu włączane są do związków organicznych potrzebnych do 

dalszego funkcjonowania organizmów żywych.

Większość roślin pobiera azot poprzez systemy korzeniowe w formie anionów azotynowych (NO−

2) i azotanowych (NO3) lub kationów amonowych (NH+4). Ziemię, która zawiera odpowiednio wysokie stężenie tych związków określa się jako bogatą w azot. 

Przy zbyt małym stężeniu związków azotowych, ziemię trzeba albo nawozić, albo okresowo uprawiać 

na niej rośliny żyjące w symbiozie z bakteriami nitryfikacyjnymi i azotowymi. Cały azot występujący w związkach chemicznych, z których są zbudowane zwierzęta pochodzi od roślin. Zwierzęta nie potrafią przekształcać azotu z atmosfery w związki potrzebne im do życia, generują natomiast amoniak, który jest uwalniany do otoczenia i zużywany przez bakterie nitryfikacyjne lub przekształcany w gazowy azot w procesie anammox.

Procesy wchodzące w skład cyklu:[

Wchłanianie azotu z atmosfery

Gazowy azot z atmosfery przenika do biosfery na trzy sposoby:

• Pierwotne wchłanianie azotu przez bakterie azotowe. Proces ten można skrótowo opisać następującym równaniem:

N₂ + 8H⁺ + 8e⁻ + 16ATP → 2NH₃ + H₂ + 16ADP + 16P_i

Powstający amoniak jest dalej błyskawicznie przekształcany w jony amonowe (NH+4), które są stosowane bezpośrednio do syntezy kwasu glutaminowego, który jest dalej przekształcany w glutaminę. Wchłanianie to odbywa się częściowo przez wolno żyjące bakterie oraz częściowo przez bakterie brodawkowe żyjące w symbiozie z roślinami motylkowymi.

• Dostarczanie azotu w formie nawozów azotowych. Nawozy te produkuje się z amoniaku, który otrzymuje się w procesie Habera-Boscha:

N₂ + 3H₂ → 2NH₃

który realizuje w skali przemysłowej proces sumarycznie identyczny z tym prowadzonym przez bakterie azotowe.

• Wchłanianie azotynów, które powstają w wyniku naturalnych procesów atmosferycznych i geologicznych. Ilość wchłanianego tą drogą azotu jest jednak minimalna i nie liczy się w ogólnym bilansie tego pierwiastka.

Wchłanianie azotanów z gleby i wody

Rośliny, które nie żyją w symbiozie z bakteriami azotowymi wchłaniają azot w postaci jonów azotanowych i amonowych. Jony te są obecne w wodzie i glebie na skutek procesów gnilnych, a także działania wolnożyjących bakterii azotowych. Rośliny te wchłaniają jony przez swoje systemy korzeniowe i następnie przekształcają je w aminokwasy, z których są budowane białka.

Wtórne generowanie amoniaku

Amoniak jest wtórnie generowany w trakcie procesów gnilnych, które są realizowane przez wyspecjalizowane bakterie i grzyby. Jest też generowany przez zwierzęta w wyniku rozkładu mocznika, jednego z podstawowych produktów ich metabolizmu. Powstający amoniak, a właściwie jony amonowe, mogą być od razu pożytkowane przez bakterie nitryfikacyjne lub są uwalniane do otoczenia. Gdy procesy gnilne są w równowadze z procesami nitryfikacji układ znajduje się w równowadze ekologicznej. Zbyt dużo jonów amonowych w środowisku powoduje, że staje się ono nadmiernie zasadowe, co przyspiesza gnicie organizmów żywych, rozwój gnicia i dalszy wzrost zasadowości środowiska.

Nitryfikacja

Pojawiający się w środowisku amoniak – czy to w wyniku procesów geologiczno-atmosferycznych, czy też w wyniku procesów gnilnych i dostarczany przez azobakterie jest przekształcany w jony azotanowe przez bakterie nitryfikacyjne. Proces ten polega w wielkim uproszczeniu na utlenianiu amoniaku do jonów azotynowych i dalej do azotanów.

1. NH₃ + O₂ → NO−2 + 3H⁺ + 2e⁻
2. NO−2 + H₂O → NO−3 + 2H⁺ + 2e⁻

Denitryfikacja i proces anammox

Denitryfikacja jest procesem przekształcania nadmiaru azotanów pochodzących z procesu nitryfikacji do gazowego azotu. Jest ona realizowana przez liczne mikroorganizmy, żyjące głównie w wodzie, takie jak bakterie Pseudomonas fluorescens. Sumarycznie proces ten można opisać w następujący sposób:

2NO−3 + 10e⁻ + 12H⁺ → N₂ + 6H₂O

Analogicznym, niedawno odkrytym procesem jest anammox (ang. anaerobic ammonium oxidation), który prowadzi do bezpośredniego utleniania nadmiarowych ilości jonów amonowych do gazowego azotu. Proces Anammox również jest realizowany przez bakterie żyjące głównie w wodzie.

Naukowcy odkryli ten typ bakterii po raz pierwszy kilka lat temu w ubogim w tlen Morzu Czarnym, a teraz także w otwartym oceanie. Odkrycie to ma poważne konsekwencje dla naszego zrozumienia globalnego cyklu azotu. Obecny system Benguela prowadzi do poprawy bogatej w składniki odżywcze zimnej wody u wybrzeży Namibii i działa jak rodzaj snackbaru w tropikalnym oceanie, który odwiedza wiele zwierząt, w tym olbrzymie wieloryby. Nowo odkryte bakterie anammox usuwają amon z oceanu, który w rezultacie nie może być już pochłonięty przez inne organizmy. Algi i cyjanobakterie tylko częściowo udaje się naprawić uwolniony gazowy azot, tworząc nowe składniki odżywcze, które można ponownie wprowadzić do obiegu składników odżywczych.

W artykule w PNAS naukowcy z Instytutu Mikrobiologii Morskiej Maxa Plancka (Brema, Niemcy) oraz Instytutu Badań nad Wodą i Mokradłami (IWWR) Uniwersytetu Radboud w Nijmegen po raz pierwszy pokazują, że bakterie anammox są obecne na Atlantyku ocean w ubogich w tlen wodach na głębokości ~ 100 m. Liczba i aktywność bakterii anammox obecnych na tej głębokości jest wystarczająca do usunięcia amonu, który unosi się z głębszych wód i dna morskiego. Unikalna kombinacja metod mikrobiologicznych obejmujących profile składników odżywczych o wysokiej rozdzielczości, eksperymenty ze stabilnymi znakowanymi izotopami substancjami odżywczymi, profile głębokości unikalnych lipidów błonowych (cząsteczki drabiny), Mikroskopia fluorescencyjna i analizy DNA próbek wody zostały wykorzystane do udowodnienia obfitości bakterii anammox w Oceanie Atlantyckim. Odkrycie bakterii anammox w otwartym oceanie ma poważne konsekwencje dla naszego zrozumienia globalnego cyklu azotu. Modele globalnych budżetów na azot, które odgrywają ważną rolę w długoterminowych prognozach klimatycznych, będą musiały zostać zrewidowane. Odkryta utrata azotu ma również wpływ na obieg węgla w ekosystemach morskich.

W skali globalnej oba te procesy prowadzą do ustalania się równowagi obiegu azotu w biosferze i warunkują też utrzymywanie składu atmosfery ziemskiej. Istnieją liczne dyskusje naukowe na temat tego, który z tych procesów jest dominujący.

Niech poniższy film będzie podsumowaniem wiedzy na temat obiegu azotu w przyrodzie:

W poniższym filmie finalistka konkursu 3MT 2018 Anna Banach, Wydział Inżynierii Środowiska i Energetyki Politechniki Śląskiej opowiada o procesie Anammox i badaniach, które prowadzi z wykorzystaniem tych bakterii (pułapkowanie bakterii Anammox w nośnikach polimerowych w celu oczyszczania ścieków):

Poniższy film wyjaśnia jak działa ANMAMMOX Process w oczyszczaniu ścieków:

Źródło wiedzy na temat procesu Annamox: (strona WWW - Max Planck Institute for Marine Microbiology - artykuł pt. "Anammox Bacteria produce Nitrogen Gas in Oceans - Snackbar".

Cykl azotowy w akwariach: Akwaria są rodzajem sztucznego ekosystemu, w którym nie sposób jest uniknąć obiegu azotu. Utrzymanie równowagi tego obiegu jest jednym z podstawowych warunków zachowania zdrowia hodowanych organizmów. Trudności wynikają głównie z faktu, że cykl azotowy w akwariach jest zawsze niepełny, gdyż akwaria są w zasadzie pozbawione organizmów zdolnych wchłaniać azot wprost z atmosfery, oraz bardzo często mają zbyt mało organizmów przekształcających jony amonowe w jony azotanowe. 

Podobnie jak wszystkie żywe stworzenia, ryby wydzielają produkty odpadowe (siusiu i kupki). Te azotowe produkty odpadowe rozpadają się na amoniak (NH ₃ ), który jest wysoce toksyczny dla większości ryb. W naturze objętość wody na rybę jest niezwykle wysoka, a produkty odpadowe stają się rozcieńczone do niskich stężeń. Jednak w akwariach może minąć nawet kilka godzin, zanim stężenie amoniaku osiągnie poziom toksyczny.

Ile amoniaku jest za dużo? Szybka odpowiedź brzmi: jeśli zestaw testowy jest w stanie go zmierzyć, masz za dużo (tj. Jest wystarczająco wysoko, by stresować ryby). Rozważ działania awaryjne (zmiany wody i gliny zeolitowe), aby zmniejszyć niebezpieczeństwo. W mowie akwarystycznej „cykl azotowy” (dokładniej cykl nitryfikacji ) jest procesem biologicznym, który przekształca amoniak w inne, stosunkowo nieszkodliwe związki azotu. Na szczęście kilka gatunków bakterii dokonuje tej konwersji. Niektóre gatunki przekształcają amoniak (NH ₃ ) w azotyny (N02-), podczas gdy inne przekształcają azotyn w azotan (NO3-). Tak więc "cycling" w zbiorniku odnosi się do procesu tworzenia kolonii bakteryjnych w złożu filtracyjnym, które przekształcają amoniak -> azotyn -> azotan.

Pożądane gatunki bakterii nitryfikacyjnych są obecne wszędzie (np. W powietrzu). Dlatego, gdy masz źródło amoniaku w swoim zbiorniku, to tylko kwestia czasu, zanim pożądane bakterie utworzą kolonię w złożu filtracyjnym. Najczęstszym sposobem na to jest umieszczenie jednego lub dwóch (nacisk na jedną lub dwie ) odpornych i niedrogich ryb w akwarium. Odpady ryb zawierają amoniak, na którym żyją bakterie. Nie przekarmiaj ich! Więcej jedzenia oznacza więcej amoniaku! Niektóre sugerowane gatunki to: wspólna złota rybka (na zbiorniki z zimną wodą), danio zebry i brzanki do cieplejszych zbiorników oraz ryby morskie w systemach morskich. Uwaga: nie używaj ryb `` toughies '' ani innych rybek. Chociaż są tanie, są bardzo niezdrowe i ich używanie może wprowadzić niepożądane choroby do twojego zbiornika.

Źródło: Thomas Narten - Beginner FAQ: The Nitrogen Cycle, and New Tank Syndrome.

Podczas procesu cyklicznego poziom amoniaku wzrośnie, a następnie gwałtownie spadnie, gdy bakterie tworzące azotany zaczną działać. Ponieważ bakterie tworzące azotany nawet nie zaczynają się pojawiać, dopóki azotyn nie jest obecny w znaczących ilościach, poziomy azotynów gwałtownie wzrastają (ponieważ wbudowany amoniak ulega konwersji), kontynuując wzrost, gdy stale wytwarzany amoniak jest przekształcany w azotyn. Gdy bakterie tworzące azotany zatrzymają się, poziom azotynów spada, poziom azotanów wzrasta, a zbiornik jest w pełni cykliczny.

Twój zbiornik jest w pełni cykliczny po wyprodukowaniu azotanów (a poziom amoniaku i azotynów wynosi zero). Aby określić, kiedy cykl się zakończył, kup odpowiednie zestawy testowe (zobacz sekcję ZESTAW TESTOWY ) i zmierzyć poziomy samodzielnie lub przynieś próbki wody do sklepu z rybami i pozwól im wykonać test dla ciebie (być może za niewielką opłatą). Proces rowerowy trwa zwykle od 2 do 6 tygodni. W temperaturach poniżej 70 ° C cykl trwa nawet dłużej. W porównaniu do innych rodzajów bakterii, bakterie nitryfikacyjne rosną powoli. W optymalnych warunkach kolonia musi się podwoić o 15 godzin!

Czasami można przyspieszyć czas jazdy na rowerze. Niektóre typowe procedury są szczegółowo opisane w dalszej części tej sekcji.

Ostrzeżenie: UNIKAJ POKUSY, ABY OTRZYMAĆ WIĘCEJ RYB, AŻ PO CAŁYM CYKLU ZBIORNIKA! Więcej ryb oznacza większą produkcję amoniaku, co zwiększa stres na wszystkich rybach i prawdopodobieństwo śmierci ryb. Gdy poziom amoniaku osiągnie poziom stresujący lub toksyczny, twój zbiornik ulegnie „syndromowi nowego zbiornika”; zbiornik nie został jeszcze w pełni uruchomiony, a nagromadzony amoniak ma stężenie śmiertelne dla ryb.

Ile amoniaku jest za dużo? W znanym zbiorniku amoniak powinien być niewykrywalny przy użyciu standardowych zestawów testowych dostępnych w sklepach. Obecność wykrywalnych poziomów wskazuje, że twój biofiltr nie działa odpowiednio, ponieważ zbiornik nie został jeszcze poddany cyklizacji lub filtr nie działa właściwie (np. Jest zbyt mały, aby załadować ryby, zatkany itp.). rozwiązać problem (filtr) oprócz objawów (wysoki poziom amoniaku).

Dokładne stężenie, przy którym amoniak staje się toksyczny dla ryb, różni się w zależności od gatunku; niektóre są bardziej tolerancyjne niż inne. Ponadto, inne czynniki, takie jak temperatura wody i chemia, odgrywają znaczącą rolę. Na przykład amoniak (NH ₃ ) stale zmienia się w amoniak (NH ₄ ⁺ ) i odwrotnie, przy czym względne stężenia każdego z nich zależą od temperatury i pH wody. Amoniak jest bardzo toksyczny; amon jest stosunkowo nieszkodliwy. W wyższych temperaturach i pH więcej azotu znajduje się w toksycznej postaci amoniaku niż przy niższym pH.

Standardowe zestawy testowe mierzą całkowity amoniak (amoniak i amoniak) bez rozróżniania obu form. Poniższa tabela przedstawia maksymalny długoterminowy poziom amoniaku-N w mg / L (ppm), który można uznać za bezpieczny w danej temperaturze i pH. Ponownie zauważ, że zbiornik z ustalonym filtrem biologicznym nie będzie miał wykrywalnego amoniaku; ta tabela jest dostępna tylko w celach awaryjnych. Jeśli twoje poziomy zbliżają się lub przekraczają pokazane poziomy, NATYCHMIAST podejmij akcję awaryjną .

       Temperatura wody
  pH 20C (68F) 25C (77F)
  _________________________________
  6.5 15.4 11.1
  7,0 5,0 3,6
  7,5 1,6 1,2
  8,0 0,5 0,4
  8,5 0,2 0,1

Więcej info  na temat procesu Annamox w akwariach w artykule ---> KLIK! - TRZEBA GO KONIECZNIE PRZECZYTAĆ!!!

Bibliografia i źródła:

1.  J.R. Ehleringer, T.E. Cerling, Maria-Denise Dearing: A History of Atmospheric CO2 and Its Effects on Plants, Animals, and Ecosystems. 2005. ISBN 0-387-22069-0.
2. ↑ P. Falkowski, R.J. Scholes, E. Boyle, J. Canadell i inni. The global carbon cycle: a test of our knowledge of earth as a system. „Science”. 290 (5490), s. 291–296, październik 2000. PMID: 11030643.
3. ↑ How Do We Know that the Atmospheric Build-up of Greenhouse Gases Is Due to Human Activity?. U.S. Global Change Research Information Office, 1997.
4. ↑ Volcanic Gases and Their Effects.
5. Krzysztof Markowicz (Instytut Geofizyki UW), Obieg węgla w przyrodzie
6. Zygmunt Kowalski, Katarzyna Gorazda (Politechnika Krakowska), Ekologia > Cykle biogeochemiczne
7.  January Weiner: Życie i ewolucja biosfery. Podręcznik ekologii ogólnej. Warszawa: Wydawnictwo Naukowe PWN, 1999. ISBN 83-01-12668-X.
8. January Maciej Weiner: , „Biogeochemia” w: Materiały dydaktyczne UJ; kurs „Ekologia” dla „Biotechnologii”, wyd. www.eko.uj.edu.pl
9. prof. dr hab. inż. Zygmunt Kowalski, dr. inż. Katarzyna Gorazda (Politechnika Krakowska): Ekologia > Cykle biogeochemiczne.