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 CO2.
| 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!. |
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 + 16Pi
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.
- NH3 + O2 → NO−2 + 3H+ + 2e−
- 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.
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".
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:
- 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.
- ↑ 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.
- ↑ 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.
- ↑ Volcanic Gases and Their Effects.
- Krzysztof Markowicz (Instytut Geofizyki UW), Obieg węgla w przyrodzie
- Zygmunt Kowalski, Katarzyna Gorazda (Politechnika Krakowska), Ekologia > Cykle biogeochemiczne
- January Weiner: Życie i ewolucja biosfery. Podręcznik ekologii ogólnej. Warszawa: Wydawnictwo Naukowe PWN, 1999. ISBN 83-01-12668-X.
- January Maciej Weiner: , „Biogeochemia” w: Materiały dydaktyczne UJ; kurs „Ekologia” dla „Biotechnologii”, wyd. www.eko.uj.edu.pl
- prof. dr hab. inż. Zygmunt Kowalski, dr. inż. Katarzyna Gorazda (Politechnika Krakowska): Ekologia > Cykle biogeochemiczne.
Brak komentarzy:
Prześlij komentarz