cicluri biogeochimice globale

Cicluri biogeochimice – seminar BSM

CICLURI BIOGEOCHIMICE

Ciclul biogeochimic al unui element reprezintă etapele de transformare, fizică şi chimică, şi de transfer dintr-un înveliş geografic în altul prin intermediul organismelor vii.Activitatea biochimică a sistemelor vii se manifestă, în linii mari, prin realizarea, în raport cu

mediul, a două funcţii esenţiale: concentrarea (acumularea) şi dispersarea selectivă a elementelor.Acumularea atomilor în organisme este, în general, independentă de proporţia acestora în mediul

extern, ca un rezultat al perfecţionării selective a metabolismului de-a lungul evoluţiei. Carbonul, azotul, fosforul realizează concentraţii mult mai mari în substanţa vie decât în mediul înconjurător.Acumularea de către organisme a unor elemente este uneori proporţională cu conţinutul lor în mediu, fenomenul având caracter de adaptabilitate, bine fixat genetic, care conferă speciilor respective avantaje competitive. Astfel, în unele medii organismele concentrează elemente rare: algele brune – iod, brom, potasiu, până la 18-20% din cenuşă; lichenii – cupru; lintiţa (Lemna trisluca) – mangan; plantele halofile (Salicornia herbacea) acumulează până la 10.1% ioni de Na+, Cl-, SO42-; cele calcifile (Saxigrafa aizoon) acumulează şi secretă ioni de Ca2+, iar animalele marine inferioare realizează o compoziţie chimică generală similară cu cea a mediului extern.

Acumularea biogeochimică realizată de organisme în diferite perioade geologice a avut ca efect formarea depozitelor sedimentare, terestre sau marine, a unor zăcăminte minerale.

Zăcămintele de petrol şi gaze naturale s-au format din material organică transformată, prin activitatea organismelor, în hidrocarburi. Fosforitele s-au constituit din depunerile marine ale fito- şi zooplanctonului în proterozoic şi cambrian. Guanoul provine din dejecţiile unor populaţii de păsări, iar salpetrul prin acumularea unor resturi organice atât pe continent, cât şi în bazine oceanice.

Efectul acumulării biogeochimice actuale devine evident în cazul unor metale grele sau substanţe toxice, a căror concentrare de-a lungul lanţurilor trofice poate deveni periculoasă pentru consumatorii de ordin superior, inclusiv pentru om.

Dispersarea în mediu a elementelor este, în general, o funcţie dependentă de organismele mobile; acestea vehiculează la distanţe variabile de la locul absorbţiei atomii pe care îi pun în libertate în urma proceselor de excreţie sau după moarte prin descompunerea substanţelor care le alcătuiesc. Păsările migratoare transportă la mii de kilometri elementele chimice.

Prin activitatea metabolică sau descompunerea cadavrelor, biosfera împrăştie în atmosferă şi hidrosferă cantităţi importante de gaze, estimându-se că 95-97% din substanţa vie se transformă, după moarte, în gaze (Vernadski, 1934). Oxigenul atmosferic este, aproape în exclusivitate, rezultat din fotosinteză. Concentraţiile de azot, dioxid de carbon se menţin constante ca urmare a activităţii biosferei; această activitate asigură nu numai absorbţia elementelor respective, ci şi revenirea lor în atmosferă.

Sub aspect cantitativ, materia vie constituie biomasa estimată la 2 429 x 109 tone global, ceea ce reprezintă numai 0.001% din masa crustei terestre.4 Biomasa este formată din fitomasă şi zoomasă. Cea mai mare pondere o are fitomasa pe uscat (circa 99% din biomasa totală), iar în ocean, ponderea acesteia este sub 50%. În sistemele vii, elementele chimice participă la realizarea structurilor, a reacţiilor chimice şi la ciclurile biogeochimice, în mod diferit în funcţie de proprietăţile lor. Astfel, carbonul are o viteză mai mare de circulaţie decât azotul, fosforul şi sulful, elemente care participă la formarea acizilor nucleici, proteinelor.

În organisme, au fost identificate circa 50 de elemente chimice, diferenţiate prin participarea lor relativă la formarea substanţelor organice. Categoria cea mai importantă o reprezintă macroelementele, care contribuie cu peste 99%, fapt pentru care sunt cunoscute şi sub denumirea de elemente biogene, fiind reprezentate de: carbon, hidrogen, oxigen, azot, fosfor, sulf. Acestora li se adaugă microelementele (Na, Ca, Fe, Al, Mg etc.) şi ultramicroelementele (As, Mo, Se etc.) importante mai ales sub raport calitativ, funcţional.

Fiecare dintre elementele chimice se înglobează într-un ciclu biogeochimic specific, dar în continuare ne vom referi la circulaţia celor din prima categorie.

pag.1


CICLUL CARBONULUICirculaţia carbonului este strâns legată de activitatea energetică a biosferei, reducerea lui chimică

la compuşii organici constituind modul principal de înmagazinare şi transfer ale energiei de către sistemele vii.

Ciclul biogeochimic al carbonului relevă faptul că cea mai mare parte (95%) din acest element se află depozitat în litosferă, sub formă de carbonat de calciu şi alţi carbonaţi (fig.1), deci într-o formă mai puţin accesibilă.

Producătorii primari consumă anual aproximativ 105 miliarde tone de dioxid de carbon, din care 32 miliarde tone (aproximativ 30%) se reîntorc relativ repede în atmosferă datorită respiraţiei aceloraşi organisme. Cea mai mare contribuţie la reîntoarcerea dioxidului de carbon în atmosferă o au celelalte categorii de organisme, care elimină anual în atmosferă circa 73 miliarde tone.

Fig.1. Ciclul biogeochimic al carbonului

Dioxidul de carbon circulat prin organismele vegetale şi animale reprezintă circa 0.2-0.3% din totalul uşor accesibil. Un calcul simplu demonstrează faptul că în actualul echilibru al ecosferei, punerea în circulaţie a întregului fond de rezervă a carbonului accesibil vieţii necesită între 300 şi 500 de ani. Acest echilibru multimilenar este astăzi în pericol de a fi tulburat prin arderea în cantităţi tot mai mari a cărbunelui, a petrolului, lemnului etc.

Ricklefs (1974) apreciază că, în momentul de faţă, prin consumarea combustibililor fosili, se elimină în atmosferă o cantitate de CO2 echivalentă cu 2% din actualul fond de schimb al carbonului pe Terra, ceea ce depăşeşte cu 1.70-1.75% cantitatea de CO2 consumată anual în fotosinteză de vegetaţie. Prin acţiunile sale, omul a amorsat un proces de acumulare a dioxidului de carbon în atmosferă, ale cărui urmări în viitor vor produce dereglări majore.

Din ecuaţia generală a fotosintezei şi a respiraţiei rezultă faptul că împlinirea ciclului biogeochimic al carbonului este intercondiţionată de desfăşurarea sincronică a ciclului biogeochimic al oxigenului şi al apei (fig.2).

pag.2


Fig.2. Ciclurile biogeochimice interdependente ale carbonului, hidrogenului şi oxigenului: reacţiile fundamentale

CICLUL OXIGENULUIRezerva de oxigen molecular s-a constituit prin procese de suprafaţă, constând în fotodisocierea

chimică a apei sub acţiunea razelor ultraviolete şi prin fotosinteza realizată de către plantele verzi; astfel, ciclul oxigenului se întrepătrunde strâns cu cel al carbonului şi hidrogenului.

Contribuţia fotosintezei actuale la îmbogăţirea atmosferei terestre, ţinând seama de cantitatea de dioxid de carbon fixată în biomasa vegetală rezultată, trebuie să fie în jur de 2.7 x 1011 tone de oxigen, eliminate anual; deci aproximativ de 24 de ori mai mult decât întreaga masă de oxigen existentă în atmosfera terestră în perioada biogenezei. Apropae toata cantitatea de oxigen este folosita in procesle de respiratie si fermentatie a substantelor organice de catre organismele heterotrofe, nefotosintetizatroare, in special bacterii.

Reciclarea biogeochimică a oxigenului durează, aproximativ, 2500 de ani. Reducerea cantităţii de oxigen în atmosferă în urma defrişării, ca rezultat al unor acţiuni umane dezechilibrante, ar permite supravieţuirea omului cel mult un mileniu şi jumătate. Defrişarea pădurilor tropicale constituie un serios motiv de nelinişte, având în vedere faptul că acestea reprezintă principalul producător de oxigen, care degajă anual, prin fotosinteză, o cantitate de 55.5 x 106 tone de oxigen. Pe de altă parte, în S.U.A., covorul vegetal generează doar 40% din oxigenul consumat aici, restul provenind din ţările şi oceanele învecinate.

La nivelul ecosistemelor acvatice stagnante şi a celor oceanice sau marine, procesele de eutrofizare determinate de afluenţa sporită de compuşi organici sau nutritivi (azot şi fosfor) provoacă dezechilibre care pot conduce la consumul integral al oxigenului dizolvat şi, ulterior, la eliminarea organismelor aerobe.

pag.3


CICLUL AZOTULUICircuitul azotului (fig.3) este mult mai complex decât al celorlalte elemente biogene; acest ciclu

fiind influenţat de rezerva uriaşă de azot liber din atmosferă.

Fig.3. Ciclul biogeochimic al azotului

Ciclul biogeochimic al azotului poate fi impartit în două secţiuni:a) ciclul mare, în care se utilizează şi se înscrie în circuit fondul uriaş de rezervă (circa 79% din atmosferă) şib) ciclul mic, în care circulaţia azotului se desfăşoară între organisme şi sol, fără participarea fondului de rezervă.Sub acţiunea descărcărilor electrice sau a radiaţiilor ultraviolete are loc, pornind de la N2 şi O2,

formarea de oxizi de azot care, odată cu ploaia, sunt antrenaţi la sol. Cantitatea de azot astfel ajunsă la sol poate varia între 0.5 şi 16.0 kg/ha/an, fiind estimată la nivel global la milioane t/an.

Prin acţiunea organismelor fixatoare de azot din sol (Azotobacter, Clostridium etc.) şi a celor simbionte prezente în nodozităţile de pe rădăcini (Rhisobium pentru Leguminosae, Actinomyces pentru Alnus) sau de pe frunze (Mycobacterium rubiaceum la Rubiaceae), sunt transferate în biosferă sub formă de substanţă organică cantităţi considerabile de azot, appreciate la 44 milioane tone/an. Fenomenul de fixare biologică a a zotului are loc cu amploare mai redusă (10 milioane tone/an) şi în mediul acvatic sau pe soluri umede, prin activitatea metabolică a unor alge albastre (Cyanophyta).

Compuşii organici ai microorganismelor sunt fie înglobaţi în lanţurile trofice ale ecosistemului, fie mineralizaţi rapid după moartea acestora. În contact cu rădăcinile plantelor, azotul mineralizat, de obicei sub formă de azotaţi, este absorbit şi transformat în aminoacizi, iar apoi în proteine ale plantelor superioare. Aceste proteine constituie baza alimentaţiei azotate a numeroşi consumatori, cum sunt animalele, plantele heterotrofe, microorganismele şi chiar omul.

Azotul poate părăsi ciclul ecosistemelor terestre fiind transportat de râuri în ocean (30 milioane tone /an); aici, o parte este preluat de planctonul marin, intrând în lanţul prădătorilor, revenind în circuit prin intermediul păsărilor (guano) şi mamiferelor sau prin denitrificare pe uscat. Cea mai mare parte este însă acumulată în sedimentele profunde.

Societatea agricolă intervine în circuitul azotului din ecosistemele de cultură, exportul de azot fiind compensat de către om prin îngrăşămintele naturale (gunoi de grajd, guano) sau minerale (sulfat de amoniu, azotat de amoniu, îngrăşăminte complexe etc.), acestea din urmă reprezentând peste 40 milioane

pag.4


tone/an şi rezultând din fixarea azotului atmosferic, ceea ce contribuie la o creştere cu peste 50% a ratei globale de fixare.

Efectele creşterii necontrolate a cantităţii de azot, infiltrarea acestuia în straturile acvifere şi eutrofizarea apelor continentale relevă perturbările provocate de dezechilibrul în circuitul azotului şi în ciclul biogeochimic al celorlalte elemente.

CICLUL FOSFORULUIPrincipalele rezerve de fosfor sunt reprezentate prin roci de tipul apatitelor şi depozitelor de

guano, de animale fosilizate. În concentraţii diferite sunt dispersate pe toată suprafaţa uscatului (fig.4).

Fig.4. Ciclul biogeochimic al fosforului

Spre deosebire de oxigen, hidrogen şi azot, al căror fond de rezervă se află în atmosferă sau în hidrosferă, în cazul fosforului, fondul de rezervă se află în litosferă.

Prin descompunere şi spălare de către ape, rocile cedează fosfor biocenozelor din ecosistemele terestre. Absorbit de către plante, fosforul intră în alcătuirea compuşilor macroenergetici (ATP - adenozintrifosfat) şi a acizilor nucleici, condiţionând desfăşurarea transferurilor de energie şi informaţie în sistemele vii.

Prin intermediul lanţurilor trofice, compuşii fosforului sunt transferaţi animalelor consumatoare şi descompunătorilor.

Comparaţia dintre masa biosferei (0.1%) şi masa fosforului (0.15%) din scoarţa terestră sugerează dependenţa directă a biosferei de cantitatea disponibilă de fosfor pe Pământ. În virtutea legii minimului, fosforul apare ca factor limitativ al biosferei, biomasa acesteia nu poate depăşi proporţia de fosfor disponibilă la nivel global.

Fosforul ajuns în oceane alimentează fitoplanctonul de pe platformele continentale şi lanţurile trofice pe care le susţine acesta. Prin intermediul păsărilor marine (guano) fosforul revine parţial. Acţiunea omului, prin favorizarea proceselor de eroziune, restrângerea vegetaţiei naturale, utilizarea unor cantităţi mari de îngrăşăminte fosfatice, folosirea detergenţilor conduce la scurgerea fosforului spre oceane. Se estimează că 3.5 milioane tone de fosfor (după Hutchinson, (1978), chiar 20 milioane tone) iau anual drumul oceanelor, în timp ce numai 10 000 tone se reîntorc pe continente sub formă de guano şi 60 000 tone ca urmare a pescuitului, ceea ce nu compensează pierderile.

pag.5


Rezervele exploatate de fosfor, estimate la 1010 tone de rocă fosforică (cu 4% H2O5), localizate cu precădere în Africa de Nord şi centrală, Australia, Brazilia, India, Rusia, China, Vietnam şi Mongolia dau siguranţa că epuizarea nu va avea loc imediat.

CICLUL SULFULUICircuitul sulfului se aseamănă, în multe privinţe, cu cel al fosforului (fig.5). Sulful parcurge un

circuit activ sub formă redusă (H2S) sau oxidată (SO2, SO42-), străbătând cu intensitate variată toate învelişurile exterioare ale Pământului. Cantitatea antrenată în acest circuit este evaluată la 185 x 106 tone.

Fig.5. Ciclul biogeochimic al sulfului

Punctul de plecare al ciclului îl constituie hidrogenul sulfurat care provine din substanţele organice ale fostelor vieţuitoare (fondul de schimb) şi numai în mică măsură din uriaşul fond de rezervă al planetei.

Toxicitatea dioxidului de sulf pentru organisme este foarte mare. Creşterea concentraţiei lui peste anumite limite admise, pune în pericol vieţile omeneşti, contribuind la uscarea, şi deteriorarea vegetaţiei pe suprafeţe mari în jurul surselor de poluare.Creşterea consumului de combustibili fosili, a căror ardere eliberează SO2, conduce la perturbări pe scară regională a activităţii biosferei prin ploi acide.

Satisfacerea necesităţilor economice de sulf se va realize probabil şi după anul 2500, posibilităţile fiind legate de zăcămintele native de pirită şi de desulfurarea altor resurse (gaze naturale, cărbuni etc.).

CICLUL METALELOR BIOGENECicluri biogeochimice similare fosforului şi sulfului sunt proprii şi altor elemente chimice (K, Na,

Mg, Fe, Mn, Co, Zn, Cu) care se află în compoziţia oricărui organism. Datele oferite de geochimie şi biologia contemporană nu sunt însă în aceeaşi măsură de bogate pentru aceasta categorie de elemente.Resursele de elemente metalice variază în limite extrem de largi, reprezentând fie componente esenţiale ale masei terestre, fie concentraţii infime în alcătuirea acesteia.

Volumul de cationi din organisme şi circulaţia acestora prin biosferă se limitează la cantităţi reduse. Ele constituie însă elemente indispensabile vieţii, prin rolul lor calitativ. Eliberarea cationilor din sistemele vii are loc prin procesele de excreţie sau prin descompunerea materiei organice moarte. În

pag.6


mediul terestru, sursa principală de cationi biogeni este solul, aprovizionat permanent prin descompunerea rocii mamă; în cel acvatic cationii sunt prezenţi, de regulă, în stare disociată şi aprovizionarea se face prin antrenarea acestor elemente din substratul mineral.

Transportul cationilor pe întinse arii geografice este cel mai adesea rezultatul scurgerii apelor de suprafaţă, dar nu rareori şi al curenţilor atmosferici. Vânturile transportă atât la suprafaţa uscatului, cât şi a oceanelor sau a solurilor uscate aerosoli sau pulberi bogate în elemente minerale. Furtunile din Sahara transportă spre Europa sau pădurile ecuatoriale cantităţi importante de elemente nutritive.

pag.7


CICLUL APEIApa condiţionează circulaţia biogeochimică a tuturor elementelor, incluzându-se fie în molecula ei

(oxigenul şi hidrogenul), fie în dispersia altor elemente pe care le transportă.Resursele totale de apă la nivelul Terrei se estimează la 1.46 miliarde km3 (1.4x1018 tone), apa

mărilor şi oceanelor totalizând 1.3 miliarde km3 (97.2% din totalul global), în timp ce resursele de apă dulce nu se ridică peste 8.3 milioane km3 (2.8% din cantitatea totală). Calotele glaciare arctică şi antarctică înglobează o cantitate mare de apă dulce. La altitudini > 5000 de metri sunt prezenţi vapori de apă în atmosferă, restul apei fiind reprezentat pe continente sau în litosferă.

Apa realizează un ciclu complet ca urmare a impactului energiei solare, parcurgând, prin intermediul unui ciclu fizic toate învelişurile exterioare ale Pământului. De asemenea, prin ciclul chimic, care presupune descompunerea şi resinteza moleculei din elementele componente, apa trece succesiv din mediul organic în mediul anorganic. Cele două cicluri se întrepătrund inseparabil în biosferă şi asigură transportul apei pe arii geografice întinse.

Energia solară produce, la nivelul oceanelor, o evaporare anuală în jur de 400 000 km3, iar la nivelul continentelor de 65 000 km3/an, apă care revine sub formă de precipitaţii. Mai mult de 35 000 km3 din cei 100 000 km3 cât reprezintă precipitaţiile continentale provin din ocean şi se reîntorc în aceasta prin apa fluviilor (25 000 km3) sau se infiltrează în straturile acvifere (10 000–15 000 km3), reîntorcându-se lent în mări şi oceane când rocile sunt saturate are loc, în acest mod, o trecere permanentă de apă prin atmosferă spre continente şi o revenire a acesteia prin scurgeri în oceane, într-o perioadă estimată la 10-12 zile.

Distribuţia cantităţii de precipitaţii constituie, alături de temperatură, unul din elementele esenţiale pentru edificarea tipurilor de climat pe continente: există regiuni cu pluviozitate pe tot parcursul anului (1 000–2 000 mm/an), în contrast cu cele lipsite de precipitaţii sau cu o alternanţă a anotimpurilor ploios şi secetos.

Prin vegetaţie, biosfera intervine în ciclul apei la nivelul continentelor. Covorul vegetal interceptează şi evaporă în atmosferă o parte din precipitaţiile căzute, înainte ca acestea să ajungă la nivelul solului. În zona temperată, fracţiunea aceasta poate ajunge, în păduri, până la 25% din total. Proporţii inseminate de apă sunt reţinute în litieră, substanţe organice moarte, împiedicând infiltrarea în pânzele subterane din subteran sau scurgerea rapidă prin cursurile de suprafaţă. Apa din straturile superficiale este absorbită de către rădăcinile plantelor şi este eliminată prin transpiraţie în atmosferă sau se evaporă direct din sol. Cantitatea apei revenită în felul acesta în atmosferă, reprezentând evapotranspiraţia, este estimată, pentru regiunile temperate la 3 000-7 000 t/ha.

Concentraţia de apă din mediu induce la organisme modificări morfo-fiziologice specifice, astfel încât ele devin capabile să regleze fluxul de apă care le străbate. Bilanţul de apă al organismelor terestre se realizează printr-un permanent echilibru dinamic între aportul şi pierderea de apă.Intervenţia omului în circulaţia globală a apei este directă sau indirectă. Acumularea apei în lacuri de baraj artificial, irigaţiile, utilizarea industrială, defrişarea influenţează bilanţul apei în sensul accelerării sau încetinirii vitezei de reciclare.

CICLUL MATERIEI BIOINERTEMateria bioinertă este o materie specială – nici vie, nici moartă. Nu este o materie vie pentru că nu

are, ca întreg, proprietăţile biologice ale sistemelor vii. Nu este inertă întrucât este îmbibată cu organisme vii.6 Există mai multe tipuri de materie bioinertă: sol, mâl, scoarţă de eroziune, apă freatică etc.

Solul. Reprezintă rezultatul interacţiunii dintre roca mamă, vegetaţie, microfloră şi microfaună. Sub aspect ecologic, solul poate fi considerat pătura superficială a scoarţei unde se dezvoltă plantele şi este mediul de viaţă al insectelor, microorganismelor, organismelor hipogee. În perspectiva teoriei sistemice, solul este un subsistem al ecosistemului terestru, un pedosistem, alcătuit din corp fizic solid, lichide, gaze, fiinţe vii.

pag.8


Solul este structurat pe mai multe niveluri: molecule şi ioni; particule elementare de sol; agregate de sol; orizonturi de sol, tipuri de sol. Prin microfloră solul acţionează ca reglator al dinamicii elementelor chimice, realizând următoarele funcţii biogeochimice:

- descompunerea necromasei datorată enzimelor produse de bacteriile din sol;- mineralizarea fosforului organic prin intermediul microflorei şi a plantelor superioare;- mineralizarea azotului, migraţia atomilor de azot în sol prin intermediul lumbricidelor;- acumularea de macro şi microelemente în materia organică.Mâlul. Este alcătuit din particule solide şi coloidale, bogat în bacterii şi necromasă. El se formează

prin depozitarea particulelor sedimentare în bazinul acvatic.Acumularea unor microelemente în urma acţiunii unor bacterii, în condiţii anaerobe, prin

degradarea materiei organice moarte în mâlul submarin se deosebeşte de acumulările biogeochimice din mâlul lacului, aici ele fiind mult mai rapide.

Materia organică tehnogenă. O serie de compuşi organici produşi de industria chimică, mai ales pesticidele, sunt integraţi în ciclurile materiei din biosferă, ajungând în soluri, covor vegetal, animale etc. Aceşti compuşi perturbă procesele ecologice atât pe plan local, cât şi pe plan continental sau planetar, prin acumularea şi concentrarea lor în materia vie. Rămânând multă vreme în sol, ei sunt capabili să provoace transformări structurale şi funcţionale în terenurile agricole.

Transportul unor substanţe, fie prin infiltrarea lor în sol, în straturile acvifere, fie prin intermediul curenţilor face ca acestea să ajungă la mari distanţe faţă de locul unde au fost utilizate (de exemplu, până în Islanda, Antilele Mici, Antarctica, Marea Sudului etc.). Diverse ecosisteme reţin cantităţi mici din acestea.

pag.9


pag.10


pag.11


pag.12

cicluri biogeochimice globale

Documents