Elemek biogeokémiai ciklusai

Az előadások a következő témára: "Elemek biogeokémiai ciklusai"— Előadás másolata:

1 Elemek biogeokémiai ciklusai
kompartmentek + áramlási sebességek = tápanyagciklusok Általános jellemzők: Sebességük nem egyenletes - tartózkodási idő Szoros kapcsolat van az anyag és az energiaáramlás között Az emberi tevékenység nagyban befolyásolja a működésüket Bioelemek – a ciklus élő szervezeteken keresztül záródik kompartmentek vagy raktárak fluxusok a kompartmentek között transzport mechanizmusok meteorológiai (légköri gázok, száraz és nedves ülepedés) geológiai (felületi és felület alatti (drén) áramlások) biológiai (az élőlények ökoszisztémák közötti mozgása) a transzportmechanizmusok természetéből következően léptékük lehet helyi és globális

2 Ökoszisztéma tápanyag-mérlegek
Kapcsolat (input, output) a globális folyamatok felé – nem zárt rendszer egyensúlyi állapot (steady state, klimax társulás..) „forrás” „nyelő”

3 A vízforgalom Hajtóereje a Napból érkező energiaáram – ez befolyásolja a globális csapadékeloszlást Fő limitáló tényező nem a csapadék, hanem a talajban rendelkezésre álló víz mennyisége – ez az összes vízmennyiség 0.01 %-a – gyors a kicserélődési ideje Erózió – nem megfelelő tájhasználat

4 A globális vízciklus. A feltüntetett mennyiségek km3/év-ben értendők
A globális vízciklus. A feltüntetett mennyiségek km3/év-ben értendők. A keretezett mennyiségek a nagy víz-rezervoárok, nyilakkal a fluxusok irányát és mellettük nagyságukat jelöltük.

5 Vízforgalom ökoszisztéma szinten

6 Oxigénciklus Jelenlegi légkör kialakulása Urey szint Pasteur szint Szárazföldi szint Ózon Képződés és bomlás O2 + hν → O +O O + O2 → O3 O3 + hν → O + O2 O + O3 → 2 O2 Dinamikus egyensúly, befolyásolják: CFC-k, nitrogén-oxidok

7 A globális szénforgalom sematizált ábrája
A globális szénforgalom sematizált ábrája. A fő széntárolók mellett (keretezett) feltüntettük a becsült szén-mennyiséget is, valamint a szén fluxusok irányát és azok becsült mennyiségét. A számok pedagramm/év-ben értendők. (1pedagramm= 1015 g)

8 A föld alatti, föld feletti biomassza és a talaj széntartalma

9 C-forgalom ökoszisztéma szinten

10 CO2 fluxusok gyepfelszín felett
Szurdokpüspöki Bugac

11 Az atmoszférikus CO2-koncentráció a ’70-es évektől napjainkig (Mauna Loa, Hawaii)
A metán koncentrációjának emelkedése 1850-től napjainkig

12 CO2 szint növekedési előrejelzés
(IPCC 2007)

13 Nitrogénforgalom A nitrogén körforgalmát (légkör-bioszféra) az antropogén tevékenység (műtrágya, energiafelhasználás) jelentősen befolyásolta, a jövőben ez a hatás nőni fog Az ülepedő nitrogénvegyületek (főleg káros) hatással vannak a bioszférára A bioszférából felszabaduló nitrogénvegyületek hatással vannak a légkörre A nitrogénvegyületek egy része nedves ülepedéssel kerül a felszínekhez Másik része turbulens áramokkal jut a felszínre (száraz ülepedés) Kétirányú fluxus esetén (ülepedés-kibocsátás) a „nettó fluxusról” van szó A növényzet ammónia kibocsátása (nagy N-bevétel) elsősorban a gázcserenyílásokon történik, kis nitrogénbevételnél az ammónia ülepedése dominál A talaj jelentős mértékű NO vagy N2O forrás, a körülmények függvényében Nagyobb víztartalom esetén (60-80 WFPS) a talaj az ülepedett nitrogén- vegyületeknek akár 1/3-át is üvegházgáz formájában juttathatja vissza

14 A nitrogén globális körforgása. Az egységek teragramm/év-ben értendők
(1Tg= 1012 g).

15

16 AEROSZOL RÉSZECSKÉKBEN, CSAPADÉKBAN
Légkör – felszín közti kicserélődésben szerepet játszó nitrogénvegyületek (szerepük és légköri tartózkodási idejük igen változó) GÁZFÁZISBAN NH3 (ammónia)  N2O (dinitrogén-oxid)  NO (nitrogén-monoxid)  NO2 (nitrogén-dioxid)  HONO (salétromossav)  HNO3 (salétromsav)  PAN (peroxi-acetil-nitrát)  AEROSZOL RÉSZECSKÉKBEN, CSAPADÉKBAN NH4+ (ammónium)  NO3- (nitrát) 

17 A nitrogénvegyületek hatása légkörbioszféra
LÉGKÖR HATÁSA A BIOSZFÉRÁA Savasodás („savas esők”, 50% S, 50% N), kritikus terhelés Eutrofizáció (tavak, erdők) Tápanyag-utánpótlás (erdők) Közvetlen hatások, kritikus szint (pl. zuzmó  NH3) BIOSZFÉRA HATÁSA A LÉGKÖRRE Üvegház hatás növekedése (N2O) Aeroszol részecskék (légköri optika) (NH3) Légköri oxidánsok koncentrációja (NO ózon „prekurzor”)

18

19 A különböző nitrogénformák keletkezése (produkciója) a talaj víztelítettségének függvényében
Kis víztartalomnál jó az oxigén ellátás  nitrifikáció (oxidáció), NO Közepes-nagy víztartalomnál denitrifikáció, redukció, N2O elillanhat Telítettség közelében az N2O a talajban marad (viszonylag jól oldódik vízben) és a redukció az N2-ig végbemegy

20 Biológiai N-kötés 70%-a szimbiotikus kapcsolatokból, 30 %-a nem
biotikus: Azotobacter, Rhizobium sp, cianobaktériumok abiotikus: villámlás Biológiai N-kötés 70%-a szimbiotikus kapcsolatokból, 30 %-a nem szimbiotikus fixáció N2 fixáció → energia a cukrok és egyéb organikus vegyületek oxidációjából a szabadon élő bakt.→ a szerves hulladék oxidációjából Rhizobium → szimbiózis, cukor Nitrifikáció 1 NH3→NO2 (Nitrosomonas) 2 NO2→NO3 (Nitrobacter) (oxidáció, e-akceptor: oxigén) Denitrifikáció: Anoxiás környezetben a NO2 és NO3 e-akceptorként (oxidáló) lép fel. NO3→ NO2→ NO →N2a

21 talajok dinitrogén-oxid kibocsátása
N=N=O Üvegház hatása kb. 300-szorosa a CO2-nek Az összes antropogén üvegház-hatásnak 5-6 %-át teszi ki Sztratoszférikus ózon Nagyrészt talajeredetű

22 Az erdőtalajok a légkörből származó N-vegyületek akár 1/3-át is visszabocsáthatják

23 A foszfor globális körforgása. Az egységek teragramm/év-ben értendők

24 -Kőzetek mállása, a P talajoldatba kerül, felvehetőség:
Ca5(PO4)3 +4H2CO3→ 6Ca2++3HPO42-+4HCO3-+H2O - szerves vegyületekből: C-O-P észterkötés enzimatikus bontása, foszfatázok (→PO43-) savas pH: H2PO4- (mobilis, felvehetőség jobb) lúgos pH: HPO42- (kevésbé felvehető) Nagy reakcióképesség (H2PO4- )→ általában kötött formákban (Fe, Al,..)

25 A kén globális körforgalma. Az egységek teragramm/év-ben értendők
savas esők SO2 (antropogén + vulkáni)→H2SO4 H2S, tengeri ökoszisztémákban energiaforrás DMS→kondenzáci-ós mag, albedo↑→hűtő hatás

26 Redukció anaerob környezetben (e-akceptor az oxigén helyett a szulfát-csoport)
2CH2O + 2H+ + SO42- --> H2S + 2CO2 + 2H2O Kén alapú anaerob fotoszintézis (a víz helyett a H2S a hidrogén (elektron) donor a CO2 redukciójához, bíbor kén-baktériumok) 2H2S + CO2 --> CH2O + 2S + 2H2O Kemoautotrófia (Thiobacillus, mélytengeri S (H2S)-források környezetében) 4H2S + CO2 + O2 --> CH2O + 4S + 3H2O

27 Egyéb tápanyagok A növények számára esszenciális kationok: K, Ca, Mg, Mn, Fe elsősorban a kőzetek mállásából kerülnek be az életközösségbe. mozgásuk főként az ökoszisztémák internális ciklusához kötött, a talajból felvett és az elhalt szervesanyaggal visszajutott mennyisége sokkal jelentősebb, mint az ökoszisztémába egyéb folyamat révén bejutó, illetve kimenő mennyiség. kisebb mennyiségre van szükség, de jelentőségük nem elhanyagolható. Szerepük: elsősorban enzimek aktiválásában, káliumnak a vízmozgásban, transzspirációban, magnéziumnak a klorofill alkotóelemeként, kalciumnak pedig a sejtfal szerkezetének és a sejthártya áteresztőképességének szabályozásában van. káliumtartalom limitáló tényező lehet, mivel könnyen kimosódik a talajbeli vízmozgás révén. A kimosódás a legjelentősebb veszteségi útvonal a tápanyagok számára, különösen a nagy évi csapadékösszeggel bíró, illetve a savas esőkkel terhelt élőhelyeken jelentős. Nincs gázállapotú előfordulásuk, de a szél okozta erózió révén – főként a sivatagokból és a művelt területekről származó – az atmoszférában szálló porral jelentős mennyiségük jut az óceánba, illetve egyéb ökoszisztémákba.

28 Klímaváltozás

29 IPCC 2007

30 IPCC 2007

31 Az előadás letölthető nofi.szie.hu oktatás letöltések mgBSc