CIKLUSOK (KÖRFORGÁSOK) A FÖLDÖN ÉS A BIOSZFÉRÁBAN A Föld zárt rendszer: - környezetével energiacserét folytat, - de anyagcserét lényegében nem. Energiacsere: beérkező napsugárzás vs. emittált hősugárzás Anyagcsere: elhanyagolható beérkezés (meteor-rajok, kozmikus porok) vs. elhanyagolható gáz emisszió

A KÖRFORGÁSOK (CIKLUSOK) Energiaciklus – folytonos (Nap – Föld – világűr) korábban tárgyaltuk (üvegházhatás) Anyagciklusok (anyagmegmaradás elve): C, H, O, N, P, S (kémiai átalakulásokkal) H2O, minden más (mérgező elemek) levegő- és tengeráramlatok Időbeli (mozgás) ciklusok: a Föld keringése: évek és évszakok (növények) a Föld forgása: nappalok és éjszakák Hold keringése: ár-apály Napciklusok: kevés földi hatásuk van

A bioszféra körfolyamatainak állomásai: (források, nyelők vagy raktározók): litoszféra (talaj és kőzetek) hidroszféra (álló- és folyóvizek) atmoszféra (alul cserélő, felül raktározó) növényzet (élő és lebomló) állatok (élő és lebomló) az emberi tevékenység (termelés, …) A körfolyamatok jellemzői: a kémiai formák és folyamatok az átmenő mennyiségek értéke (tömeg/év) a gyorsaság: átlagos tartózkodási idő (lifetime) az energiamérleg (források / nyelők)

Anyagciklusok (anyagmegmaradás elve): Levegő- (szélrendszerek) és tengeráramlatok - rendszeresen, folyamatosan működnek - dimenziójuk óriási (több ezer km) - anyagi átalakulással nem járnak - de hozzá járulnak a többi körforgalomhoz. Az anyagmegmaradás törvénye miatt a földi „anyagmozgások” ciklusosak: az egyes anyagok körforgalomban vesznek részt.

A nagy földi légkörzés A forgó Földön az eltérítő erő módosítja az áramló légtö-megek irányát, az Egyenlítő és a sarkok között pedig további állandó légnyomású övezetek alakultak ki. A térítők mentén létrejött magas légnyomású zónát rész-ben a kisodródó anticiklonok, részben az Egyenlítő felől a magasban érkező és leszálló légtömegek hozták létre. A sarkkörök vidékének alacsony légnyomású övezetét egyrészt a kisodródó ciklonok, másrészt a sarkok felől a felszínen érkező és a felmelegedés miatt felszálló légáramlatok alakították ki.

Tengeráramlatok

A VÍZ KÖRFORGÁSA A BIOSZFÉRÁBAN Eredendő forrás és tározó: a tenger Hajtóerő: a napsugárzás energiája. Az élő szervezetek számára a víz létkérdés, de azok hatása a víz körforgalomára elhanyagolható. A víz körforgása a H és és az O körforgásának is része, mivel az élővilág H és O igényét nagyrészt vízből fedezi (jelentős még a levegő oxigénje). A víz „hordozó” (oldószer) a többi elem esetében is. A víz körforgását számos helyen tárgyalják, itt nem részletezzük.

A C az élet alapvető fontosságú eleme. A SZÉN KÖRFORGÁSA A C az élet alapvető fontosságú eleme. A C (is) vegyületeiben „forog”: - in vivo rengeteg ilyen van (cukor!), - in vitro főleg CO2 (hidro-, karbonátok, kevés CH4, CO, HCN, … ) Az életműködés két alapfolyamata: Fotoszintézis: 6 CO2 + 6 H2O hv  C6 H12 O6 + 6 O2 A biomassza lebomlása (beleértve a légzést is): C6 H12 O6 + 6 O2  6 H2O + 6 CO2 + energia

Szén tározók Méret: ∼ Gt atmoszféra 750 erdők 600 talajok 1.600 óceánok felsőrétege 1.000 óceánok mélyrétege 38.000 fosszilis tüzelőanyagok 5.000 szén 4.000 olaj 500 földgáz

A CO2 körforgása

Antropogén CO2 emisszió ∼ Gt/év égetések és cementgyártás ∼ 5,5 trópusi erdőirtás ∼ 1,6 CO2 források – összesen ∼ 7,1 atmoszféra-tárolás ∼ 3,3 óceánok CO2 felvétele ∼ 2,0 erdőtelepítés az É-i fg-ön ∼ 0,5 más földi elnyelések (trágyázás, éghajlati hatások) ∼ 1,3 CO2 nyelők – összesen

A NITROGÉN KÖRFORGÁSA – I. Nagyrészt az élőlények és a talaj (litoszféra) között zajlik. A hidroszférának a vízi élőlények, az atmoszférá-nak a villámlás révén van kisebb szerepe. Az antropogén hatás ige jelentős. A NOx probléma nem mennyiségi tétel a nitrogén-körforgalomban: viszont már kis mennyiségben is súlyos problémát jelent (l. korábban!)

A nitrogén körforgása

A nitrogén körforgalom fontosabb reakciói a) Mikroorganizmusok által kontrollált folyamatok: Nitrogénfixálás, nitrifikáció N2 + 8H+ + 6e- → 2NH4+ 4 NH4+ + 6 O2 → 4 NO2- + 8 H+ + 4 H2O 4 NO2- + 2 O2 → 4 NO3- 1 mol N2 redukálásához annyi energia szükséges, mint amennyi 3 mól glükóz oxidációjában keletkezik. Ammonifikáció (NH2)2 CO + H2O → 2 NH3 + CO2 Denitrifikáció 5 CH2O + 4 NO3- + 4 H+ → 2 N2 + 5 CO2 + 7 H2O

b) Antropogén nitrogénfixálás (a vegyipar) A teljes megkötött N2-mennyiség 20-30 %-a. Ammóniaszintézis: N2 + 3 H2 → (kat) 2 NH3 Salétromsav gy.: NH3 + 2 O2 → HNO3 + H2O N-műtrágyák: NH4NO3, ammóniumsók, nitrátok, karbamid, stb.

c) Az atmoszférában lejátszódó reakciók Magas hőmérsékleten [termikus] N2 + O2 → 2NO N2 + 2O2 → 2NO2 Nagy magasságban (20 km fölött) – [fotokémiai] NO2 → hv → NO + O N2O → hv → N2 + O N2O +O → 2NO Reakció oxigénnel vagy ózonnal 2NO + O2 → 2NO2 NO + O3 → NO2 → H2O → HNO3 A képződött HNO3 szabad sav formájában vagy NH3-val reagálva NH4NO3-ként kerülhet az esővízbe.

Reakciók szénnel és széntartalmú gyökökkel:. HC + N2 → HCN + N Reakciók szénnel és széntartalmú gyökökkel: HC + N2 → HCN + N HC + N2 → 2CN A NOx reakciója HO·, HO2· és CH3-C-O-O· gyökökkel: a keletkező vegyületek szerepet játszanak a füstköd kialakulásában. Az NH3 és a N-H kötést tartalmazó szerves vegyületek reakciói: karcinogén hatású nitrózaminok (R2-N-NO) keletkezhetnek.

A KÉN KÖRFORGÁSA A fő S forrás: litoszféra szulfátjai és szulfidjai, továbbá a fosszilis energiahordozók elégetése. Növények a szulfátot felveszik, proteinekbe beépítik, majd végig megy a táplálékláncon. Az elhalt szervezete lebomlásakor H2S keletkezik és bekerül az atmoszférába. Az égéskor keletkező SO2 a levegőben SO3-má oxidálódik, s savas esőként lassan visszakerül a litoszférába (hidroszférába).

A H2S az atmoszférában oxidálódhat, vagy a talajba ill A H2S az atmoszférában oxidálódhat, vagy a talajba ill. a vízbe jutva fémionokkal oldhatatlan szulfidokat képez. 2 Fe(OH)3 + 3 H2S → FeS + S + 6 H2O FeS + S → FeS2 Víz és oxigén jelenlétében a szulfidok szulfáttá alakulhatnak, mikroorganizmusok segítségével. 2 FeS2 + 2 H2O + 7 O2 → 2 FeSO4 + 2 H2SO4 A folyamat csökkenti a környezet pH-ját, amely csök-kenés a toxikus elemek oldhatóságát (mobilitását) növeli. A tiol → diszulfid átalakulás blokkolása összefügg egyes elemek toxikus hatásával.

Néhány mikroorganizmus elemi ként állít elő (a N2 előállításához hasonlóan). A mikroorganizmusok a SO42- redukciójához szükséges energiát a szénhid-rátok lebontásával fedezik. SO42- + 9H+ + 8e- → HS- + 4H2O SO42- + H+ + 2CH2O → HS- + 2H2O +2CO2

A kén körforgásának vázlata

Az SO2-eltávolítás egyik módszere CaCO3 + SO2 → CaSO3 + CO2 CaO + SO2 → CaSO3 2 CaSO3 + O2 + 2 H2O → 2 CaSO4·2 H2O

A FOSZFOR KÖRFORGÁSA A fő P források: apatitok Ca10(PO4)6(Cl, F, OH)2 Ca3(PO4)2 kalcium-foszfát AlPO4 alumínium-foszfát FePO4 vas-foszfát A bioszférában részben szerves vegyületek, részben a csontban foszfát formában fordul elő.

Szerves foszforvegyületek: ATP, ADP, AMP, DNS, RNS Az ATP és a nukleotidok felépítése

.

A