Stoffkreisläufe: Nährstoff-, Kohlenstoff-, Stickstoff- und Schwefelkreislauf

Stoffkreisläufe: Nährstoff-, Kohlenstoff-, Stickstoff- und Schwefelkreislauf!

Nährstoffkreislauf:

Die Versorgung eines Ökosystems mit anderen Nährstoffen als Kohlendioxid erfolgt hauptsächlich aus dem Boden, aber auch zu einem geringeren Teil aus der Luft, bei Regen und Schnee sowie als Staub.

Das Angebot an vielen Nährstoffen ist ziemlich begrenzt, da sie im Boden und in anderen Quellen knapp sind. Nährstoffe werden so im Kreislauf gefahren, dass sie sowohl in Pflanzen und Tieren eingebaut werden, als auch durch die Zersetzung toter Pflanzen- und Tierreste für die Pflanzenaufnahme zur Verfügung gestellt werden.

Die Wege von Quellen zu Senken und zurück zu Quellen werden als Elementarzyklen bezeichnet und unterscheiden sich zwischen den verschiedenen Elementen. Wir betrachten kurz die drei wichtigsten Zyklen von Kohlenstoff, Stickstoff und Schwefel.

Kohlenstoffzyklus:

Kohlenstoff ist die Basis aller organischen Moleküle. Es besteht aus unserem genetischen Material (DNA und RNA) und Proteinen, die lebensnotwendig sind. Kohlenstoff ist so besonders, weil es an fast jedes andere Molekül gebunden werden kann. Das Hauptelement in unserem Körper ist Kohlenstoff.

Der Kohlenstoffkreislauf ist der Prozess, durch den Kohlenstoff durch Luft, Boden, Pflanzen, Tiere und fossile Brennstoffe zirkuliert. Große Mengen Kohlenstoff liegen in der Atmosphäre als Kohlendioxid (CO ₂ ) vor. Kohlendioxid wird von grünen Pflanzen während des als Photosynthese bekannten Prozesses zu organischen Molekülen (Glukose, die Nahrung ist) gebildet.

Hier kommt die Nahrung jedes heterotrophen Organismus her. Tiere machen das Gegenteil von Pflanzen - sie setzen Kohlendioxid als Abfallprodukt der Atmung in die Luft zurück. (Hinweis: Die Pflanzen werden auch zur Atmung beatmet, um Nahrung zuzubereiten, aber der Großteil des Kohlendioxids in der Luft stammt von der heterotrophen Atmung.) Beim Abbau von abgestorbenem organischem Material setzen Dekomposatoren auch Kohlendioxid in die Luft frei.

Dekomponisten sind von wesentlicher Bedeutung, denn ohne sie würde der gesamte Kohlenstoff auf dem Planeten in toten Kadavern und anderem Müll eingeschlossen. Durch den Zerfall kann Kohlenstoff wieder in das Nahrungsnetz freigesetzt werden. Kohlenstoff wird auch in fossilen Brennstoffen wie Kohle, Erdöl und Erdgas gespeichert.

Wenn diese verbrannt werden, wird auch Kohlendioxid an die Luft abgegeben. Vulkane und Feuer setzen auch große Mengen CO2 in die Atmosphäre frei. Kohlendioxid kann sich in Wasser lösen, wo ein Teil davon später wieder in die Atmosphäre gelangt. Der Rest kann zur Bildung von Kalziumkarbonat verwendet werden, das Muscheln, Felsen und Skelette von Protozoen und Korallen bildet.

Der Kohlenstoffzyklus ist eine komplexe Reihe von Prozessen, durch die sich alle vorhandenen Kohlenstoffatome drehen. Die gleichen Kohlenstoffatome in Ihrem Körper wurden bereits in unzähligen anderen Molekülen seit Beginn der Zeit verwendet. Das vor wenigen Jahrzehnten gebrannte Holz hätte Kohlendioxid produzieren können, das durch Photosynthese Teil einer Pflanze wurde.

Wenn Sie diese Pflanze essen, kann derselbe Kohlenstoff aus dem verbrannten Holz zu einem Teil von Ihnen werden. Der Kohlenstoffkreislauf ist der große natürliche Recycler von Kohlenstoffatomen. Leider wird das Ausmaß seiner Bedeutung selten genug betont. Ohne das ordnungsgemäße Funktionieren des Kohlenstoffkreislaufs könnte sich jeder Lebensbereich dramatisch verändern.

Mit der Energie der Sonne fließt der Kohlenstoffkreislauf der Natur von der Atmosphäre in den Wald und zurück. So funktioniert es. Bäume nehmen Kohlendioxid aus der Luft auf, wenn sie wachsen. Tatsächlich ist etwa die Hälfte ihres Trockengewichts dieser absorbierte Kohlenstoff. Wenn alte Bäume absterben und verderben oder bei einem Waldbrand verbraucht werden, wird ihr Kohlenstoff wieder als Kohlendioxid an die Luft abgegeben. Dies ist der Kohlenstoffkreislauf der Natur.

Wenn Brennholz als Energiequelle verwendet wird, wird ein Teil des natürlichen Kohlenstoffkreislaufs in unsere Häuser gebracht, um sie zu heizen. Ein Feuer auf dem Herd setzt die Sonnenenergie frei, die der Baum speichert, wenn er wächst. Wenn der gesamte Brennstoffkreislauf berücksichtigt wird, heizt ein sauberer brennender Kamin Ihr Haus effizienter und mit geringeren Umweltauswirkungen als jede andere Brennstoffoption.

Die anderen Brennstoffoptionen - Öl, Gas und Kohle - sind fossile Brennstoffe. Wenn sie verbrannt werden, wird alter Kohlenstoff, der tief in der Erde vergraben wurde, an die Atmosphäre abgegeben. Die steigende Konzentration von Kohlendioxid aus der Nutzung fossiler Brennstoffe hängt mit der globalen Erwärmung, dem Klimawandel und dem ungewöhnlichen Wetter zusammen, das wir in den letzten Jahren gesehen haben.

Ein Holzfeuer trägt nicht zur globalen Erwärmung bei, da nicht mehr Kohlendioxid freigesetzt wird, als der natürliche Wald freisetzen würde, wenn er nicht berührt wird. Die Verwendung von Holz für Wärme bedeutet weniger verbrannte fossile Brennstoffe, weniger Treibhausgasemissionen und eine gesündere Umwelt.

Stickstoffkreislauf:

Ein weiterer wichtiger Nährstoffkreislauf ist der von Stickstoff. Stickstoff ist ein lebenswichtiges Element. Proteine, die Bestandteile aller lebenden Zellen sind, enthalten durchschnittlich 16 Gew .-% Stickstoff. Andere komplexe stickstoffhaltige Substanzen, die für das Leben wichtig sind, sind Nukleinsäuren und Aminozucker. Ohne ständige Stickstoffzufuhr würde das Leben auf der Erde aufhören.

Der Stickstoffkreislauf ähnelt dem Kohlenstoffkreislauf, weist jedoch einige kritische Unterschiede auf. Obwohl 79% der Erdatmosphäre aus elementarem Stickstoff (N ₂ ) bestehen, steht dieses Inertgas für die meisten Pflanzen und Tiere nicht zur Verfügung. Dies steht im krassen Gegensatz zu der geringen Menge an Kohlendioxid (0, 03%) in der Atmosphäre, die für die Aufnahme von Pflanzen leicht verfügbar ist.

Nur wenige Mikroben sind in der Lage, atmosphärischen Stickstoff von der anorganischen in die organische Form zu fixieren. Eine solche mikrobiologische Fixierung beträgt im Durchschnitt 140 bis 700 mg / m ² . In sehr fruchtbaren landwirtschaftlichen Gebieten kann sie 20000 mg / m ² Jahr übersteigen.

Es ist bekannt, dass eine Reihe von Bakterien, Pilzen und blaugrünen Algen Stickstoff fixieren können. Bei der Stickstofffixierung wird Luftstickstoff direkt in den organischen Körper der Fixierorganismen eingebaut. Die Stickstofffixierer machen insgesamt nur einen sehr kleinen Teil dieser Gruppen aus.

Sie können unterteilt werden in:

1. symbiotische Stickstofffixierer, bei denen es sich größtenteils um Bakterien handelt und die mit Wurzeln von Hülsenfrüchten (Mitglieder der Erbsen- und Bohnenfamilie) und einigen anderen Blütenpflanzen in Verbindung gebracht werden, und

2. Frei lebende Stickstoff-Fixierer. Die Gattung Rhizobium umfasst jene Bakterien, die die Knötchen bewohnen, die sich an den Wurzeln von Mitgliedern der Erbsen- und Bohnenfamilie entwickeln. Sie sind im Boden vorhanden und infizieren die feinen Wurzeln, wenn Setzlinge wachsen. Die Wurzeln produzieren einen speziellen Knoten, der die Rhizobie beherbergt, in der Bakterien Luftstickstoff in die organischen Stickstoffbestandteile der eigenen Zellen umwandeln.

Da Bakterienzellen sehr schnell absterben, steht dieser Stickstoff den höheren Pflanzen zur Verfügung. Klee- und Bohnenkulturen fügen den Böden, in denen sie angebaut werden, Stickstoff hinzu und machen teure Düngemittel überflüssig. In vielen Ländern sind große Anstrengungen unternommen worden, um Bakterien zu finden, die eine ähnliche Verbindung zu Getreidekulturen bilden können.

Die symbiotischen Stickstofffixierer scheinen auf terrestrische Ökosysteme beschränkt zu sein und wurden nicht in aquatischen Lebensräumen gefunden. Eine Ausnahme bildet ein Meerwurm, der untergetauchtes Holz angreift. Zu den nicht symbiotischen Stickstoff-Fixiermitteln gehören sowohl aerobe als auch anaerobe freie lebende Bakterien sowie Cyanobakterien.

Diese kommen in Böden und in Meer- und Süßwasser vor und können den Stickstoffgehalt dieser Umgebungen erheblich erhöhen. Eine zusätzliche, aber in der Regel geringfügige Quelle von atmosphärischem Stickstoff in Böden und Gewässern sind Gewitter, in denen elektrochemische Stickstoffumwandlungen stattfinden.

Stickstoff gelangt in die Erzeuger - Verbraucher - Nahrungskette, wenn Pflanzen ihn entweder als Nitrate oder als Ammoniumion aus der Bodenlösung aufnehmen. Nitrat kann auch durch Denitrifikation von Bakterien im Boden in Ammoniak umgewandelt werden, insbesondere durch Bakterien und Pilze in wasserberuhigten Böden. Eine solche Umwandlung tritt auch unter sauerstoffarmen Bedingungen in Seen auf. Der Prozess wird Denitrifikation genannt. Die nitrifizierenden Bakterien wiederum können Ammoniakstickstoff als Energiequelle verwenden, um ihr eigenes Protoplasma zu synthetisieren.

Dieser Prozess verläuft unter sauren Bedingungen nur langsam oder gar nicht. Zuerst wird das Ammoniak durch die Bakteriengattung Nitrosomonas in Nitrit umgewandelt, und das Nitrit wird dann von einer anderen Gattung, Nitrobacter, in Nitrat umgewandelt. Dieses zweistufige Verfahren wird Nitrifikation genannt. Beide Bakteriengruppen beziehen ihre Energie aus diesem Oxidationsprozess und verwenden einen Teil der Energie, um Kohlendioxid in Zellkohlenstoff umzuwandeln.

Nachdem Nitrat aufgenommen und von höheren Pflanzen und Mikroben in Protein und Nukleinsäuren umgewandelt wurde, wird es schließlich als Abfallprodukte dieses Metabolismus (unbelebter organischer Stickstoff) metabolisiert und in den größten Teil des Kreislaufs zurückgeführt.

Viele heterotrophe Bakterien und Pilze sowohl im Boden als auch im Wasser verwenden dieses organische stickstoffreiche Material, wandeln es um und setzen es als anorganisches Ammoniak in einem Prozess ab, der als Ammonisierung bezeichnet wird. Andere Teile des Zyklus umfassen die Freisetzung von gasförmigem Stickstoff und Stickoxiden zurück in die Atmosphäre, obwohl diese von begrenzter Bedeutung sind

Schwefelkreislauf:

Schwefel ist ein wichtiger Nährstoff für Organismen und ein wichtiger Bestandteil bestimmter Aminosäuren, Proteine ​​und anderer biochemischer Substanzen. Pflanzen befriedigen ihren Nährstoffbedarf an Schwefel, indem sie einfache Mineralstoffe aus der Umwelt aufnehmen.

Dies geschieht meistens als Sulfat, das in Bodenwasser gelöst ist, das von Wurzeln aufgenommen wird, oder als gasförmiges Schwefeldioxid, das in Umgebungen, in denen die Atmosphäre mit diesem Gas etwas verschmutzt ist, vom Laub absorbiert wird. Die Tiere erhalten den benötigten Schwefel, indem sie Pflanzen oder andere Tiere fressen und ihre organischen Formen von Schwefel verdauen und assimilieren, die dann zur Synthese der erforderlichen schwefelhaltigen Biochemikalien verwendet werden.

In bestimmten Situationen, insbesondere in der intensiv bewirtschafteten Landwirtschaft, kann die Verfügbarkeit biologisch nützlicher Schwefelformen ein limitierender Faktor für die Produktivität von Pflanzen sein, und die Verwendung eines sulfathaltigen Düngemittels kann sich als vorteilhaft erweisen. Schwefelverbindungen können auch mit wichtigen Umweltschäden verbunden sein, etwa wenn Schwefeldioxid die Vegetation schädigt oder wenn saure Entwässerungen, die mit Sulfidmineralien verbunden sind, Ökosysteme abbauen.

Schwefel (S) kann in der Umwelt in vielen chemischen Formen auftreten. Dazu gehören organische und mineralische Formen, die durch biologische und anorganische Prozesse chemisch umgewandelt werden können. Schwefeldioxid ist ein Gas, das für Pflanzen mit Konzentrationen von weniger als einem Teil pro Million in der Atmosphäre und für Tiere mit größeren Konzentrationen toxisch sein kann.

Es gibt viele natürliche Quellen für die Emission von SO2 in die Atmosphäre, wie Vulkanausbrüche und Waldbrände. Hohe SO2-Emissionen sind auch mit menschlichen Aktivitäten verbunden, insbesondere der Verbrennung von Kohle und der Verarbeitung bestimmter Metallerze.

In der Atmosphäre wird SO 2 zu Sulfat oxidiert, einem Anion, das als winziges Teilchen vorliegt, in dem die negativen Ladungen durch die positiven Ladungen von Kationen elektrochemisch ausgeglichen werden, z. B. Ammonium (NH ⁺ 4), Calcium (Ca ²⁺ ) oder Wasserstoffion (H ⁺ ). Diese feinen Teilchen können als Kondensationskeime für die Bildung von Eiskristallen dienen, die sich aus der Atmosphäre absetzen können

Der wichtigste Grundstoff des Lebens ist Wasser, einer der Jive Panchabltutas. Dies ist in begrenztem Umfang. Die Lebensformen in terrestrischen Gebieten sind abhängig von salzfreiem Wasser. Durch die Sonnenwärme verdampft Wasser aus den Ozeanen und steigt als Wasserdampf auf, und wenn es in die Landregionen gelangt, steigt der Dampf beträchtlich an und kühlt sich ab, um als Wasser oder Schnee auszufallen. Von dem insgesamt geschätzten Wasser in der Erde und ihrer Atmosphäre.