Složky životního prostředí – biogeochemické cykly RECETOX Přírodovědecká fakulta Masarykova univerzita Brno, Česká republika Doc. Ing. Branislav Vrana, PhD. branislav.vrana@recetox.muni.cz Biogeochemické cykly Biogeochemické cykly – základní pojmy. BGC cyklus uhlíku, dusíku, síry, fosforu, mikrobiogenních prvků a toxických kovů. Osud chemických látek v prostředí 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 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 box 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 Biogeochemické cykly Biogeochemické cykly = Σ hydrologického + geologického + ekologického cyklu Normální, nenarušené cykly – téměř uzavřený charakter, účinnost: 90 – 98 % Antropogenní narušování Vliv antropogenních aktivit na BGC cykly Hydrologický cyklus Geochemický cyklus 10 Biochemický cyklus Biogeochemické cykly Define footer – presentation title / department12 Biogeochemický cyklus uhlíku Mezi zemské rezervoáry uhlíku patří:  hydrosféra (rozpuštěný oxid uhličitý a organická hmota) - téměř 40 000 gigatun.  sedimenty - uhličitany (uhličitan vápenatý, anglicky calcareous sediment obsahuje 80 000 000 gigatun), látky s obsahem uhlíku, včetně fosilních paliv, která se odhadují na 746 gigatun.  atmosféra (CO2) - okolo 800 gigatun  biosféra (organická živá i neživá hmota) – okolo 1900 gigatun. Biogeochemický cyklus uhlíku 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 Biogeochemický cyklus uhlíku Biogeochemický cyklus uhlíku Tři části:  Biologický – 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 18 Biogeochemický cyklus uhlíku Do atmosféry se dostává ročně 9.5 miliard t CO2 spalováním fosilních paliv (2009-2018) 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. Define footer – presentation title / department19 Biogeochemický cyklus uhlíku – antropogenní vlivy Biogeochemický cyklus uhlíku Biogeochemický cyklus uhlíku Cyklus methanu Biogeochemický cyklus dusíku 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 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 Část atmosférického dusíku se účinkem blesků přeměňuje na rozpustné sloučeniny, ale většina přenášená z atmosféry je biochemicky fixována v půdě specializovanými mikroorganismy. Dusík uložený v organické hmotě se vrací do atmosféry v sérii bakteriálních oxidačních kroků, které tvoří nejprve amonné soli, poté dusitany a dusičnany a nakonec plyny N2 a N2O. Biogeochemický cyklus dusíku Biogeochemický cyklus dusíku Biogeochemický cyklus dusíku Biogeochemický cyklus síry  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 Biogeochemický cyklus síry Biogeochemický cyklus síry Biogeochemický cyklus fosforu  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 Biogeochemický cyklus fosforu Biogeochemický cyklus fosforu Biogeochemický cyklus kyslíku Vztahy mezi cykly uhlíku a kyslíku Biogeochemický cyklus kyslíku Cyklus kyslíku. Cyklus pozůstává z pohybu kyslíku uvnitř a mezi jeho hlavními rezervoáry: atmosférou, biosférou, litosférou a hydrosférou. Většina zemského kyslíku je v litosféře, ale největší toky jsou do a z biosféry. Hlavní hnací sílou cyklu kyslíku je fotosyntéza. Biogeochemický cyklus kyslíku 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 Vztahy mezi cykly C, S, P, N a O Hydrologický cyklus Hydrologický cyklus 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 Horninový cyklus