8.3.4: Βιογεωχημικοί Κύκλοι

Last updated
Save as PDF

Page ID: 213576

$ \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } $ $ \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} $$\newcommand{\id}{\mathrm{id}}$ $ \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}$ $ \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}$ $ \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}$ $ \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}$ $ \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}$ $ \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}$ $ \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}$ $ \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}$ $ \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}$ $\newcommand{\id}{\mathrm{id}}$ $ \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}$ $ \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}$ $ \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}$ $ \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}$ $ \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}$ $ \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}$ $ \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}$ $ \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}$ $ \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}$$\newcommand{\AA}{\unicode[.8,0]{x212B}}$

Μαθησιακοί Στόχοι

Μέχρι το τέλος αυτής της ενότητας, θα μπορείτε να κάνετε τα εξής:

Συζητήστε τους βιογεωχημικούς κύκλους του νερού, του άνθρακα, του αζώτου, του φωσφόρου και του θείου
Εξηγήστε πώς οι ανθρώπινες δραστηριότητες έχουν επηρεάσει αυτούς τους κύκλους και τις πιθανές συνέπειες για τη Γη

Η ενέργεια ρέει κατευθυντικά μέσω των οικοσυστημάτων, εισέρχεται ως ηλιακό φως (ή ανόργανα μόρια για χημειοαυτότροφα) και φεύγει ως θερμότητα κατά τη διάρκεια των πολλών μεταφορών μεταξύ τροφικών επιπέδων. Ωστόσο, το θέμα που απαρτίζει τους ζωντανούς οργανισμούς διατηρείται και ανακυκλώνεται. Τα έξι πιο κοινά στοιχεία που σχετίζονται με οργανικά μόρια - άνθρακας, άζωτο, υδρογόνο, οξυγόνο, φώσφορος, και θείο - παίρνουν μια ποικιλία χημικών μορφών και μπορεί να υπάρχουν για μεγάλες περιόδους στην ατμόσφαιρα, στην ξηρά, στο νερό ή κάτω από την επιφάνεια της Γης. Γεωλογικές διεργασίες, όπως οι καιρικές συνθήκες, διάβρωση, αποστράγγιση νερού, και η υποαγωγή των ηπειρωτικών πλακών, όλα παίζουν ρόλο σε αυτήν την ανακύκλωση υλικών. Επειδή η γεωλογία και η χημεία έχουν σημαντικούς ρόλους στη μελέτη αυτής της διαδικασίας, η ανακύκλωση ανόργανης ύλης μεταξύ ζωντανών οργανισμών και του περιβάλλοντός τους ονομάζεται βιογεωχημικός κύκλος.

Το νερό περιέχει υδρογόνο και οξυγόνο, το οποίο είναι απαραίτητο για όλες τις ζωντανές διαδικασίες. Η υδρόσφαιρα είναι η περιοχή της Γης όπου συμβαίνει η κίνηση και η αποθήκευση του νερού. Πάνω ή κάτω από την επιφάνεια, το νερό εμφανίζεται σε υγρή ή στερεή μορφή σε ποτάμια, λίμνες, ωκεανούς, υπόγεια ύδατα, πολικούς πάγους και παγετώνες. Και εμφανίζεται ως υδρατμός στην ατμόσφαιρα. Ο άνθρακας βρίσκεται σε όλα τα οργανικά μακρομόρια και αποτελεί σημαντικό συστατικό των ορυκτών καυσίμων. Το άζωτο είναι ένα σημαντικό συστατικό των νουκλεϊκών οξέων και πρωτεϊνών μας και είναι κρίσιμο για την ανθρώπινη γεωργία. Ο φωσφόρος, ένα σημαντικό συστατικό του νουκλεϊκού οξέος (μαζί με το άζωτο), είναι ένα από τα κύρια συστατικά των τεχνητών λιπασμάτων που χρησιμοποιούνται στη γεωργία και τις σχετικές περιβαλλοντικές επιπτώσεις τους στα επιφανειακά μας ύδατα. Το θείο είναι κρίσιμο για την τρισδιάστατη αναδίπλωση πρωτεϊνών, όπως στη δέσμευση δισουλφιδίου.

Ο κύκλος αυτών των στοιχείων είναι διασυνδεδεμένος. Για παράδειγμα, η κίνηση του νερού είναι κρίσιμη για την έκπλυση αζώτου και φωσφορικών σε ποτάμια, λίμνες και ωκεανούς. Επιπλέον, ο ίδιος ο ωκεανός είναι μια σημαντική δεξαμενή άνθρακα. Έτσι, τα ορυκτά θρεπτικά συστατικά ανακυκλώνονται, είτε γρήγορα είτε αργά, σε ολόκληρη τη βιόσφαιρα, από τον έναν ζωντανό οργανισμό στον άλλο και μεταξύ του βιοτικού και αβιοτικού κόσμου.

Σύνδεση με τη μάθηση

Επισκεφθείτε αυτόν τον ιστότοπο για να μάθετε περισσότερα σχετικά με τους βιογεωχημικούς κύκλους.

Ο κύκλος του νερού (υδρολογικός)

Το νερό είναι η βάση όλων των ζωντανών διαδικασιών στη Γη. Κατά την εξέταση των αποθεμάτων νερού στη Γη, το 97,5% είναι μη πόσιμο αλμυρό νερό (Εικόνα 46.12). Από το υπόλοιπο νερό, 99 τοις εκατό είναι κλειδωμένο υπόγεια ως νερό ή ως πάγος. Έτσι, λιγότερο από το 1% του γλυκού νερού είναι εύκολα προσβάσιμο από λίμνες και ποτάμια. Πολλά έμβια όντα, όπως φυτά, ζώα και μύκητες, εξαρτώνται από αυτή τη μικρή ποσότητα γλυκού επιφανειακού νερού, η έλλειψη των οποίων μπορεί να έχει τεράστιες επιπτώσεις στη δυναμική του οικοσυστήματος. Για να είναι επιτυχείς, οι οργανισμοί πρέπει να προσαρμοστούν στις κυμαινόμενες παροχές νερού. Οι άνθρωποι, φυσικά, έχουν αναπτύξει τεχνολογίες για την αύξηση της διαθεσιμότητας νερού, όπως η εκσκαφή πηγαδιών για τη συγκομιδή υπόγειων υδάτων, η αποθήκευση βρόχινου νερού και η χρήση αφαλάτωσης για την απόκτηση πόσιμου νερού από τον ωκεανό.

Το διάγραμμα πίτας δείχνει ότι το 97,5 τοις εκατό του νερού στη Γη, ή 1.365.000.000 k m σε κύβους, είναι αλμυρό νερό. Το υπόλοιπο 2,5 τοις εκατό, ή 35.000.000 χιλιόμετρα σε κύβους, είναι γλυκό νερό. Από το γλυκό νερό, το 68,9% καταψύχεται σε παγετώνες ή μόνιμη κάλυψη χιονιού. Το 30,8% είναι υπόγεια ύδατα, που είναι η υγρασία του εδάφους, το βάλτο και το μόνιμο παγετό. Το υπόλοιπο 0,3% βρίσκεται σε λίμνες και ποτάμια.

Εικόνα 46.12 Μόνο το 2,5 τοις εκατό του νερού στη Γη είναι γλυκό νερό και λιγότερο από το 1 τοις εκατό του γλυκού νερού είναι εύκολα προσβάσιμο στα έμβια όντα.

Η ποδηλασία του νερού είναι εξαιρετικά σημαντική για τη δυναμική του οικοσυστήματος. Το νερό έχει σημαντική επίδραση στο κλίμα και, ως εκ τούτου, στο περιβάλλον των οικοσυστημάτων. Το μεγαλύτερο μέρος του νερού στη Γη αποθηκεύεται για μεγάλα χρονικά διαστήματα στους ωκεανούς, υπόγεια και ως πάγος. Το Σχήμα 46.13 απεικονίζει τον μέσο χρόνο που μπορεί να περάσει ένα μεμονωμένο μόριο νερού στις μεγάλες δεξαμενές νερού της Γης. Ο χρόνος παραμονής είναι ένα μέτρο του μέσου χρόνου που ένα μεμονωμένο μόριο νερού παραμένει σε μια συγκεκριμένη δεξαμενή.

Οι ράβδοι στο γράφημα δείχνουν τον μέσο χρόνο παραμονής για μόρια νερού σε διάφορες δεξαμενές. Ο χρόνος παραμονής για τους παγετώνες και το μόνιμο παγετό είναι 1.000 έως 10.000 χρόνια. Ο χρόνος παραμονής για τα υπόγεια ύδατα είναι 2 εβδομάδες έως 10.000 χρόνια. Ο χρόνος παραμονής για τους ωκεανούς και τις θάλασσες είναι 4.000 χρόνια. Ο χρόνος παραμονής για λίμνες και δεξαμενές είναι 10 χρόνια. Ο χρόνος παραμονής για βάλτους είναι 1 έως δέκα χρόνια. Ο χρόνος παραμονής για την υγρασία του εδάφους είναι 2 εβδομάδες έως 1 έτος. Ο χρόνος παραμονής για ποτάμια είναι 2 εβδομάδες. Ο ατμοσφαιρικός χρόνος παραμονής είναι 1,5 εβδομάδες. Ο χρόνος παραμονής στη βιοσφαιρική, ή ο χρόνος παραμονής σε ζωντανούς οργανισμούς, είναι 1 εβδομάδα.

Εικόνα 46.13 Αυτό το γράφημα δείχνει τον μέσο χρόνο παραμονής για μόρια νερού στις δεξαμενές νερού της Γης.

Υπάρχουν διάφορες διαδικασίες που συμβαίνουν κατά τη διάρκεια του κύκλου του νερού, που φαίνεται στο Σχήμα 46.14. Αυτές οι διαδικασίες περιλαμβάνουν τα ακόλουθα:

εξάτμιση/εξάχνωση
συμπύκνωση/καθίζηση
ροή νερού κάτω από την επιφάνεια
επιφανειακή απορροή/τήξη χιονιού
ροή ροής

Ο κύκλος του νερού καθοδηγείται από την ενέργεια του ήλιου καθώς θερμαίνει τους ωκεανούς και άλλα επιφανειακά νερά. Αυτό οδηγεί στην εξάτμιση (νερό σε υδρατμούς) υγρών επιφανειακών υδάτων και στην εξάχνωση (πάγος σε υδρατμούς) κατεψυγμένου νερού, το οποίο εναποθέτει μεγάλες ποσότητες υδρατμών στην ατμόσφαιρα. Με την πάροδο του χρόνου, αυτός ο υδρατμός συμπυκνώνεται σε σύννεφα ως υγρά ή κατεψυγμένα σταγονίδια και τελικά ακολουθείται από βροχόπτωση (βροχή ή χιόνι), η οποία επιστρέφει νερό στην επιφάνεια της Γης. Η βροχή τελικά διεισδύει στο έδαφος, όπου μπορεί να εξατμιστεί ξανά εάν βρίσκεται κοντά στην επιφάνεια, ρέει κάτω από την επιφάνεια ή αποθηκεύεται για μεγάλα χρονικά διαστήματα. Πιο εύκολα παρατηρείται επιφανειακή απορροή: η ροή γλυκού νερού είτε από βροχή είτε από λιωμένο πάγο. Η απορροή μπορεί στη συνέχεια να περάσει μέσα από ρέματα και λίμνες στους ωκεανούς ή να ρέει απευθείας στους ίδιους τους ωκεανούς.

Σύνδεση με τη μάθηση

Επισκεφθείτε αυτόν τον ιστότοπο για να μάθετε περισσότερα σχετικά με την παροχή γλυκού νερού στον κόσμο.

Η βροχή και η επιφανειακή απορροή είναι σημαντικοί τρόποι με τους οποίους τα ορυκτά, συμπεριλαμβανομένου του άνθρακα, του αζώτου, του φωσφόρου και του θείου, ανακυκλώνονται από τη γη στο νερό. Οι περιβαλλοντικές επιπτώσεις της απορροής θα συζητηθούν αργότερα καθώς περιγράφονται αυτοί οι κύκλοι.

Η εικόνα δείχνει τον κύκλο του νερού. Το νερό εισέρχεται στην ατμόσφαιρα μέσω εξάτμισης, εξατμισοδιαπνοής, εξάχνωσης και ηφαιστειακού ατμού. Η συμπύκνωση στην ατμόσφαιρα μετατρέπει τους υδρατμούς σε σύννεφα. Το νερό από την ατμόσφαιρα επιστρέφει στη Γη μέσω βροχόπτωσης ή αποθείωσης. Μερικά από αυτά τα νερά διεισδύουν στο έδαφος για να γίνουν υπόγεια ύδατα. Η διαρροή, οι πηγές γλυκού νερού και η πρόσληψη φυτών επιστρέφουν μέρος αυτού του νερού στην επιφάνεια. Το υπόλοιπο νερό εισχωρεί στους ωκεανούς. Το υπόλοιπο επιφανειακό νερό εισέρχεται σε ρέματα και λίμνες γλυκού νερού, όπου τελικά εισέρχεται στον ωκεανό μέσω επιφανειακής απορροής. Κάποιο νερό εισέρχεται επίσης στον ωκεανό μέσω υποβρύχιων αεραγωγών ή ηφαιστείων.

Εικόνα 46.14 Το νερό από τη γη και τους ωκεανούς εισέρχεται στην ατμόσφαιρα με εξάτμιση ή εξάχνωση, όπου συμπυκνώνεται σε σύννεφα και πέφτει ως βροχή ή χιόνι. Το κατακρημνισμένο νερό μπορεί να εισέλθει σε σώματα γλυκού νερού ή να διεισδύσει στο έδαφος. Ο κύκλος ολοκληρώνεται όταν τα επιφανειακά ή υπόγεια ύδατα εισέρχονται ξανά στον ωκεανό. (πίστωση: τροποποίηση του έργου των Τζον Μ. Έβανς και Χάουαρντ Πέρλμαν, USGS)

Ο κύκλος του άνθρακα

Ο άνθρακας είναι το δεύτερο πιο άφθονο στοιχείο στους ζωντανούς οργανισμούς. Ο άνθρακας υπάρχει σε όλα τα οργανικά μόρια και ο ρόλος του στη δομή των μακρομορίων είναι πρωταρχικής σημασίας για τους ζωντανούς οργανισμούς.

Ο κύκλος του άνθρακα μελετάται πιο εύκολα ως δύο διασυνδεδεμένοι υποκύκλοι: ο ένας ασχολείται με την ταχεία ανταλλαγή άνθρακα μεταξύ ζωντανών οργανισμών και ο άλλος ασχολείται με τη μακροπρόθεσμη ανακύκλωση του άνθρακα μέσω γεωλογικών διεργασιών. Ολόκληρος ο κύκλος άνθρακα φαίνεται στο Σχήμα 46.15.

Η εικόνα δείχνει τον κύκλο άνθρακα. Ο άνθρακας εισέρχεται στην ατμόσφαιρα ως αέριο διοξείδιο του άνθρακα που απελευθερώνεται από τις ανθρώπινες εκπομπές, την αναπνοή και την αποσύνθεση και τις ηφαιστειακές εκπομπές. Το διοξείδιο του άνθρακα απομακρύνεται από την ατμόσφαιρα με θαλάσσια και χερσαία φωτοσύνθεση. Ο άνθρακας από τις καιρικές συνθήκες των πετρωμάτων γίνεται άνθρακας του εδάφους, ο οποίος με την πάροδο του χρόνου μπορεί να γίνει ορυκτός άνθρακας. Ο άνθρακας εισέρχεται στον ωκεανό από τη γη μέσω έκπλυσης και απορροής. Η ανύψωση των ιζημάτων των ωκεανών μπορεί να επιστρέψει άνθρακα στη γη.

Εικόνα 46.15 Το αέριο διοξείδιο του άνθρακα υπάρχει στην ατμόσφαιρα και διαλύεται στο νερό. Η φωτοσύνθεση μετατρέπει το αέριο διοξείδιο του άνθρακα σε οργανικό άνθρακα και η αναπνοή μετατρέπει τον οργανικό άνθρακα πίσω σε αέριο διοξείδιο του άνθρακα. Η μακροχρόνια αποθήκευση οργανικού άνθρακα συμβαίνει όταν η ύλη από ζωντανούς οργανισμούς θάβεται βαθιά υπόγεια και απολιθώνεται. Η ηφαιστειακή δραστηριότητα και, πιο πρόσφατα, οι ανθρώπινες εκπομπές, φέρνουν αυτόν τον αποθηκευμένο άνθρακα πίσω στον κύκλο του άνθρακα. (πίστωση: τροποποίηση του έργου των Τζον Μ. Έβανς και Χάουαρντ Πέρλμαν, USGS)

Σύνδεση με τη μάθηση

Κάντε κλικ σε αυτόν τον σύνδεσμο για να διαβάσετε πληροφορίες σχετικά με το Πρόγραμμα Επιστήμης Κύκλου Άνθρακα των Ηνωμένων Πολιτειών.

Ο βιολογικός κύκλος άνθρακα

Οι ζωντανοί οργανισμοί συνδέονται με πολλούς τρόπους, ακόμη και μεταξύ των οικοσυστημάτων. Ένα καλό παράδειγμα αυτής της σύνδεσης είναι η ανταλλαγή άνθρακα μεταξύ αυτότροφων και ετερότροφων εντός και μεταξύ των οικοσυστημάτων μέσω ατμοσφαιρικού διοξειδίου του άνθρακα. Το διοξείδιο του άνθρακα είναι το βασικό δομικό στοιχείο που χρησιμοποιούν τα περισσότερα αυτότροφα για την κατασκευή πολυκαρβόνων, ενώσεων υψηλής ενέργειας, όπως η γλυκόζη. Η ενέργεια που αξιοποιείται από τον ήλιο χρησιμοποιείται από αυτούς τους οργανισμούς για να σχηματίσει τους ομοιοπολικούς δεσμούς που συνδέουν τα άτομα άνθρακα μεταξύ τους. Αυτοί οι χημικοί δεσμοί αποθηκεύουν έτσι αυτήν την ενέργεια για μεταγενέστερη χρήση στη διαδικασία της αναπνοής. _{^{Τα περισσότερα επίγεια αυτότροφα λαμβάνουν το διοξείδιο του άνθρακα απευθείας από την ατμόσφαιρα, ενώ τα θαλάσσια αυτότροφα το αποκτούν στη διαλυμένη μορφή (ανθρακικό οξύ, H ₂ CO 3 −).}} Ωστόσο, αποκτάται διοξείδιο του άνθρακα, ένα υποπροϊόν της διαδικασίας είναι το οξυγόνο. Οι φωτοσυνθετικοί οργανισμοί είναι υπεύθυνοι για την εναπόθεση περίπου 21 τοις εκατό περιεκτικότητας σε οξυγόνο της ατμόσφαιρας που παρατηρούμε σήμερα.

Τα ετερότροφα και τα αυτότροφα είναι εταίροι στη βιολογική ανταλλαγή άνθρακα (ειδικά οι κύριοι καταναλωτές, σε μεγάλο βαθμό φυτοφάγα). Τα ετερότροφα αποκτούν τις ενώσεις άνθρακα υψηλής ενέργειας από τα αυτότροφα καταναλώνοντάς τα και διασπώντας τα με αναπνοή για να αποκτήσουν κυτταρική ενέργεια, όπως το ATP. Ο πιο αποτελεσματικός τύπος αναπνοής, η αερόβια αναπνοή, απαιτεί οξυγόνο που λαμβάνεται από την ατμόσφαιρα ή διαλύεται σε νερό. Έτσι, υπάρχει μια σταθερή ανταλλαγή οξυγόνου και διοξειδίου του άνθρακα μεταξύ των αυτότροφων (που χρειάζονται τον άνθρακα) και των ετερότροφων (που χρειάζονται το οξυγόνο). Η ανταλλαγή αερίων μέσω της ατμόσφαιρας και του νερού είναι ένας τρόπος με τον οποίο ο κύκλος του άνθρακα συνδέει όλους τους ζωντανούς οργανισμούς στη Γη.

Ο βιογεωχημικός κύκλος άνθρακα

Η κίνηση του άνθρακα μέσω της γης, του νερού και του αέρα είναι περίπλοκη, και σε πολλές περιπτώσεις, συμβαίνει πολύ πιο αργά γεωλογικά από ό, τι φαίνεται μεταξύ ζωντανών οργανισμών. Ο άνθρακας αποθηκεύεται για μεγάλες περιόδους σε αυτό που είναι γνωστό ως δεξαμενές άνθρακα, οι οποίες περιλαμβάνουν την ατμόσφαιρα, τα σώματα υγρού νερού (κυρίως ωκεανούς), τα ιζήματα των ωκεανών, το έδαφος, τα ιζήματα της γης (συμπεριλαμβανομένων των ορυκτών καυσίμων) και το εσωτερικό της Γης.

Όπως αναφέρθηκε, η ατμόσφαιρα είναι μια σημαντική δεξαμενή άνθρακα με τη μορφή διοξειδίου του άνθρακα και είναι απαραίτητη για τη διαδικασία της φωτοσύνθεσης. Το επίπεδο διοξειδίου του άνθρακα στην ατμόσφαιρα επηρεάζεται σε μεγάλο βαθμό από τη δεξαμενή άνθρακα στους ωκεανούς. Η ανταλλαγή άνθρακα μεταξύ της ατμόσφαιρας και των δεξαμενών νερού επηρεάζει πόσο άνθρακα βρίσκεται σε κάθε τοποθεσία, και το καθένα επηρεάζει το άλλο αμοιβαία. Το διοξείδιο του άνθρακα (CO ₂) από την ατμόσφαιρα διαλύεται στο νερό και συνδυάζεται με μόρια νερού για να σχηματίσει ανθρακικό οξύ και στη συνέχεια ιονίζεται σε ανθρακικά και διττανθρακικά ιόντα (Εικόνα 46.16)

Στο βήμα 1, το ατμοσφαιρικό διοξείδιο του άνθρακα διαλύεται στο νερό. Στο βήμα 2 διαλυμένο διοξείδιο του άνθρακα, το οποίο γράφεται ως κεφαλαία C κεφαλαία O δείκτης O 2 βασική γραμμή, αντιδρά με νερό, γραμμένο ως κεφαλαίο δείκτη H 2 βασικό κεφαλαίο O, για να σχηματίσει ανθρακικό οξύ που είναι ανώτερος δείκτης Η 2 βασική γραμμή άνω C άνω Ο δείκτης 3 βασική γραμμή. Στο βήμα 3, το ανθρακικό οξύ διασπάται σε ένα πρωτόνιο, που εμφανίζεται ως κεφαλαίο σύμβολο H συν, και ένα διττανθρακικό ιόν, που εμφανίζεται ως άνω H άνω C άνω Ο δείκτης 3 αρνητικό. Στο βήμα 4 το διττανθρακικό ιόν διασπάται σε ένα άλλο πρωτόνιο και ένα ανθρακικό ιόν, που φαίνεται ως ανώτερος δείκτης C άνω O 3 βασικός εκθέτης δύο αρνητικοί.

Εικόνα 46.16 Το διοξείδιο του άνθρακα αντιδρά με το νερό για να σχηματίσει διττανθρακικά και ανθρακικά ιόντα.

Οι συντελεστές ισορροπίας είναι τέτοιοι ώστε περισσότερο από το 90 τοις εκατό του άνθρακα στον ωκεανό βρίσκεται ως διττανθρακικά ιόντα. Μερικά από αυτά τα ιόντα συνδυάζονται με ασβέστιο θαλασσινού νερού για να σχηματίσουν ανθρακικό ασβέστιο (CaCO ₃), ένα σημαντικό συστατικό των κελυφών θαλάσσιων οργανισμών. Αυτοί οι οργανισμοί σχηματίζουν τελικά ιζήματα στον πυθμένα του ωκεανού. Με τον γεωλογικό χρόνο, το ανθρακικό ασβέστιο σχηματίζει ασβεστόλιθο, που αποτελεί τη μεγαλύτερη δεξαμενή άνθρακα στη Γη.

Στην ξηρά, ο άνθρακας αποθηκεύεται στο έδαφος ως αποτέλεσμα της αποσύνθεσης των ζωντανών οργανισμών (από αποσυνθέτες) ή από τις καιρικές συνθήκες των χερσαίων πετρωμάτων και ορυκτών. Αυτός ο άνθρακας μπορεί να εκπλυθεί στις δεξαμενές νερού με επιφανειακή απορροή. Βαθύτερα υπόγεια, στην ξηρά και στη θάλασσα, είναι τα ορυκτά καύσιμα: τα αναερόβια αποσυντιθέμενα υπολείμματα φυτών που χρειάζονται εκατομμύρια χρόνια για να σχηματιστούν. Τα ορυκτά καύσιμα θεωρούνται μη ανανεώσιμοι πόροι επειδή η χρήση τους υπερβαίνει κατά πολύ το ρυθμό σχηματισμού τους. Ένας μη ανανεώσιμος πόρος, όπως τα ορυκτά καύσιμα, είτε αναγεννάται πολύ αργά είτε καθόλου. Ένας άλλος τρόπος για να εισέλθει ο άνθρακας στην ατμόσφαιρα είναι από τη γη (συμπεριλαμβανομένης της γης κάτω από την επιφάνεια του ωκεανού) από την έκρηξη ηφαιστείων και άλλων γεωθερμικών συστημάτων. Τα ιζήματα άνθρακα από τον πυθμένα του ωκεανού λαμβάνονται βαθιά μέσα στη Γη με τη διαδικασία της υποαγωγής: η κίνηση μιας τεκτονικής πλάκας κάτω από την άλλη. Ο άνθρακας απελευθερώνεται ως διοξείδιο του άνθρακα όταν εκρήγνυται ένα ηφαίστειο ή από ηφαιστειακούς υδροθερμικούς αεραγωγούς.

Οι άνθρωποι συμβάλλουν στον ατμοσφαιρικό άνθρακα με την καύση ορυκτών καυσίμων και άλλων υλικών. Από τη Βιομηχανική Επανάσταση, οι άνθρωποι έχουν αυξήσει σημαντικά την απελευθέρωση άνθρακα και ενώσεων άνθρακα, γεγονός που με τη σειρά του επηρέασε το κλίμα και το συνολικό περιβάλλον.

Η κτηνοτροφία από τον άνθρωπο αυξάνει επίσης τον ατμοσφαιρικό άνθρακα. Ο μεγάλος αριθμός χερσαίων ζώων που εκτρέφονται για να θρέψουν τον αυξανόμενο πληθυσμό της Γης οδηγεί σε αυξημένα επίπεδα διοξειδίου του άνθρακα στην ατμόσφαιρα λόγω των γεωργικών πρακτικών και της αναπνοής και της παραγωγής μεθανίου. Αυτό είναι ένα άλλο παράδειγμα του τρόπου με τον οποίο η ανθρώπινη δραστηριότητα επηρεάζει έμμεσα τους βιογεωχημικούς κύκλους με σημαντικό τρόπο. Αν και μεγάλο μέρος της συζήτησης σχετικά με τις μελλοντικές επιπτώσεις της αύξησης του ατμοσφαιρικού άνθρακα στην κλιματική αλλαγή επικεντρώνεται στα ορυκτά καύσιμα, οι επιστήμονες λαμβάνουν υπόψη τις φυσικές διεργασίες, όπως τα ηφαίστεια και η αναπνοή, καθώς μοντελοποιούν και προβλέπουν τον μελλοντικό αντίκτυπο αυτής της αύξησης.

Ο κύκλος αζώτου

Η εισαγωγή αζώτου στον ζωντανό κόσμο είναι δύσκολη. Τα φυτά και το φυτοπλαγκτόν δεν είναι εξοπλισμένα για να ενσωματώνουν άζωτο από την ατμόσφαιρα (το οποίο υπάρχει ως στενά συνδεδεμένο, τριπλό ομοιοπολικό Ν ₂), παρόλο που αυτό το μόριο περιλαμβάνει περίπου το 78 τοις εκατό της ατμόσφαιρας. _{Το άζωτο εισέρχεται στον ζωντανό κόσμο μέσω ελεύθερων ζωντανών και συμβιωτικών βακτηρίων, τα οποία ενσωματώνουν άζωτο στα μακρομόρια τους μέσω της δέσμευσης αζώτου (μετατροπή του Ν 2).} Τα κυανοβακτήρια ζουν στα περισσότερα υδάτινα οικοσυστήματα όπου υπάρχει ηλιακό φως. παίζουν βασικό ρόλο στη δέσμευση αζώτου. Τα κυανοβακτήρια είναι σε θέση να χρησιμοποιούν ανόργανες πηγές αζώτου για να «σταθεροποιήσουν» το άζωτο. Τα βακτήρια Rhizobium ζουν συμβιωτικά στα οζίδια της ρίζας των οσπρίων (όπως τα μπιζέλια, τα φασόλια και τα φιστίκια) και τους παρέχουν το οργανικό άζωτο που χρειάζονται. (Για παράδειγμα, οι κηπουροί συχνά καλλιεργούν μπιζέλια τόσο για τα προϊόντα τους όσο και για να προσθέσουν φυσικά άζωτο στο έδαφος. Αυτή η πρακτική ανάγεται στην αρχαιότητα, ακόμη και αν η επιστήμη έχει μόλις πρόσφατα κατανοηθεί.) Τα ελεύθερα ζωντανά βακτήρια, όπως το Azotobacter, είναι επίσης σημαντικοί σταθεροποιητές αζώτου.

Το οργανικό άζωτο είναι ιδιαίτερα σημαντικό για τη μελέτη της δυναμικής του οικοσυστήματος, καθώς πολλές διαδικασίες οικοσυστήματος, όπως η πρωτογενής παραγωγή και η αποσύνθεση, περιορίζονται από τη διαθέσιμη παροχή αζώτου. Όπως φαίνεται στο Σχήμα 46.17, το άζωτο που εισέρχεται στα ζωντανά συστήματα με δέσμευση αζώτου μετατρέπεται διαδοχικά από οργανικό άζωτο πίσω σε αέριο άζωτο από βακτήρια. Αυτή η διαδικασία συμβαίνει σε τρία στάδια στα επίγεια συστήματα: αμμωνιοποίηση, νιτροποίηση και απονιτροποίηση. Πρώτον, η διαδικασία αμμωνιοποίησης μετατρέπει αζωτούχα απόβλητα από ζωντανά ζώα ή από υπολείμματα νεκρών ζώων σε αμμώνιο (ΝΗ ₄ ⁺) από ορισμένα βακτήρια και μύκητες. Δεύτερον, το αμμώνιο μετατρέπεται σε νιτρώδη (NO ₂ ⁻) με νιτροποίηση βακτηρίων, όπως το Nitrosomonas, μέσω νιτροποίησης. Στη συνέχεια, τα νιτρώδη μετατρέπονται σε νιτρικά (NO ₃ ⁻) από παρόμοιους οργανισμούς. Τρίτον, συμβαίνει η διαδικασία απονιτροποίησης, όπου βακτήρια, όπως το Pseudomonas και το Clostridium, μετατρέπουν τα νιτρικά άλατα σε αέριο άζωτο, επιτρέποντάς του να επανέλθει στην ατμόσφαιρα.

Οπτική σύνδεση

Αυτή η εικόνα δείχνει τον κύκλο του αζώτου. Το αέριο άζωτο από την ατμόσφαιρα στερεώνεται σε οργανικό άζωτο από βακτήρια που δεσμεύουν το άζωτο. Αυτό το οργανικό άζωτο εισέρχεται στους χερσαίους τροφικούς ιστούς και αφήνει τους τροφικούς ιστούς ως αζωτούχα απόβλητα στο έδαφος. Η αμμωνικοποίηση αυτού του αζωτούχου αποβλήτου από βακτήρια και μύκητες στο έδαφος μετατρέπει το οργανικό άζωτο σε ιόν αμμωνίου, ή άνω Ν άνω H 4 συν. Το αμμώνιο μετατρέπεται σε νιτρώδες άλας, ή άνω Ν άνω Ο 2 μείον, στη συνέχεια σε νιτρικό άλας, ή άνω Ν άνω Ο 3 μείον με νιτροποιητικά βακτήρια. Τα απονιτροποιητικά βακτήρια μετατρέπουν το νιτρικό άλας πίσω σε αέριο άζωτο, το οποίο εισέρχεται ξανά στην ατμόσφαιρα. Το άζωτο από την απορροή και τα λιπάσματα εισέρχεται στον ωκεανό, όπου εισέρχεται σε θαλάσσιους ιστούς τροφίμων. Κάποιο οργανικό άζωτο πέφτει στον πυθμένα του ωκεανού ως ίζημα. Άλλο οργανικό άζωτο στον ωκεανό μετατρέπεται σε νιτρώδη και νιτρικά ιόντα, τα οποία στη συνέχεια μετατρέπονται σε αέριο άζωτο σε μια διαδικασία ανάλογη με αυτή που συμβαίνει στην ξηρά.

Εικόνα 46.17 Το άζωτο εισέρχεται στον ζωντανό κόσμο από την ατμόσφαιρα μέσω βακτηρίων που δεσμεύουν το άζωτο. Αυτό το άζωτο και τα αζωτούχα απόβλητα από ζώα στη συνέχεια μεταποιούνται ξανά σε αέριο άζωτο από βακτήρια του εδάφους, τα οποία παρέχουν επίσης χερσαίους τροφικούς ιστούς με το οργανικό άζωτο που χρειάζονται. (πίστωση: τροποποίηση του έργου των Τζον Μ. Έβανς και Χάουαρντ Πέρλμαν, USGS)

Ποια από τις παρακάτω προτάσεις σχετικά με τον κύκλο του αζώτου είναι ψευδής;

_{^{Η αμμωνίωση μετατρέπει την οργανική αζωτούχα ύλη από ζωντανούς οργανισμούς σε αμμώνιο (ΝΗ 4 +).}}
_{Η απονιτροποίηση από βακτήρια μετατρέπει τα νιτρικά (NO ₃ ⁻) σε αέριο άζωτο (N 2).}
^{Η νιτροποίηση από βακτήρια μετατρέπει τα νιτρικά (NO ₃ ⁻) σε νιτρώδη (NO ₂ −).}
Τα βακτήρια που δεσμεύουν το άζωτο μετατρέπουν το αέριο άζωτο (Ν ₂) σε οργανικές ενώσεις.

Η ανθρώπινη δραστηριότητα μπορεί να απελευθερώσει άζωτο στο περιβάλλον με δύο βασικά μέσα: την καύση ορυκτών καυσίμων, η οποία απελευθερώνει διαφορετικά οξείδια του αζώτου, και με τη χρήση τεχνητών λιπασμάτων στη γεωργία, τα οποία στη συνέχεια πλένονται σε λίμνες, ρέματα και ποτάμια με επιφανειακή απορροή. Το ατμοσφαιρικό άζωτο σχετίζεται με διάφορες επιπτώσεις στα οικοσυστήματα της Γης, συμπεριλαμβανομένης της παραγωγής όξινης βροχής (όπως νιτρικό οξύ, HNO ₃) και αερίων θερμοκηπίου (ως οξείδιο του αζώτου, N ₂ O) που δυνητικά προκαλούν κλιματική αλλαγή. Μια σημαντική επίδραση από την απορροή λιπασμάτων είναι ο ευτροφισμός του αλμυρού νερού και του γλυκού νερού, μια διαδικασία κατά την οποία η απορροή θρεπτικών ουσιών προκαλεί την υπερβολική ανάπτυξη μικροοργανισμών, εξαντλώντας τα επίπεδα διαλυμένου οξυγόνου και σκοτώνοντας την πανίδα του οικοσυστήματος.

Μια παρόμοια διαδικασία συμβαίνει στον θαλάσσιο κύκλο αζώτου, όπου οι διαδικασίες αμμωνιοποίησης, νιτροποίησης και απονιτροποίησης εκτελούνται από θαλάσσια βακτήρια. Μέρος αυτού του αζώτου πέφτει στον πυθμένα του ωκεανού ως ίζημα, το οποίο μπορεί στη συνέχεια να μετακινηθεί στη γη σε γεωλογικό χρόνο με ανύψωση της επιφάνειας της Γης και έτσι να ενσωματωθεί σε χερσαίο βράχο. Αν και η μετακίνηση του αζώτου από το βράχο απευθείας στα ζωντανά συστήματα θεωρείται παραδοσιακά ασήμαντη σε σύγκριση με το άζωτο που έχει σταθεροποιηθεί από την ατμόσφαιρα, μια πρόσφατη μελέτη έδειξε ότι αυτή η διαδικασία μπορεί πράγματι να είναι σημαντική και πρέπει να συμπεριληφθεί σε οποιαδήποτε μελέτη του παγκόσμιου κύκλου αζώτου. ³

Ο κύκλος του φωσφόρου

Ο φωσφόρος είναι ένα απαραίτητο θρεπτικό συστατικό για τις διαδικασίες διαβίωσης. Είναι ένα σημαντικό συστατικό του νουκλεϊκού οξέος και των φωσφολιπιδίων και, ως φωσφορικό ασβέστιο, αποτελεί τα υποστηρικτικά συστατικά των οστών μας. Ο φωσφόρος είναι συχνά το περιοριστικό θρεπτικό συστατικό (απαραίτητο για την ανάπτυξη) στα υδάτινα οικοσυστήματα (Εικόνα 46.18).

Ο φωσφόρος εμφανίζεται στη φύση ως φωσφορικό ιόν (PO ₄ ³⁻). Εκτός από την απορροή φωσφορικών ως αποτέλεσμα της ανθρώπινης δραστηριότητας, η φυσική επιφανειακή απορροή συμβαίνει όταν εκπλένεται από πετρώματα που περιέχουν φωσφορικά άλατα με καιρικές συνθήκες, στέλνοντας έτσι φωσφορικά άλατα σε ποτάμια, λίμνες, και τον ωκεανό. Αυτός ο βράχος έχει τις ρίζες του στον ωκεανό. Τα ιζήματα του ωκεανού που περιέχουν φωσφορικά σχηματίζονται κυρίως από τα σώματα των ωκεάνιων οργανισμών και από τις εκκρίσεις τους. Ωστόσο, σε απομακρυσμένες περιοχές, η ηφαιστειακή τέφρα, τα αερολύματα και η ορυκτή σκόνη μπορεί επίσης να είναι σημαντικές πηγές φωσφορικών αλάτων. Αυτό το ίζημα στη συνέχεια μετακινείται στη γη κατά τη διάρκεια του γεωλογικού χρόνου με την ανύψωση περιοχών της επιφάνειας της Γης.

Ο φωσφόρος ανταλλάσσεται επίσης αμοιβαία μεταξύ φωσφορικών διαλυμένων στον ωκεανό και θαλάσσιων οικοσυστημάτων. Η μετακίνηση φωσφορικών αλάτων από τον ωκεανό στη γη και μέσω του εδάφους είναι εξαιρετικά αργή, με το μέσο φωσφορικό ιόν να έχει ωκεάνιο χρόνο παραμονής μεταξύ 20.000 και 100.000 ετών.

Η εικόνα δείχνει τον κύκλο φωσφόρου. Το φωσφορικό άλας εισέρχεται στην ατμόσφαιρα από ηφαιστειακά αερολύματα. Καθώς αυτό το αεροζόλ καθιζάνει στη Γη, εισέρχεται στους επίγειους τροφικούς ιστούς. Μερικά από τα φωσφορικά άλατα από τους χερσαίους τροφικούς ιστούς διαλύονται σε ρυάκια και λίμνες και το υπόλοιπο εισέρχεται στο έδαφος. Μια άλλη πηγή φωσφορικών είναι τα λιπάσματα. Το φωσφορικό άλας εισέρχεται στον ωκεανό μέσω έκπλυσης και απορροής, όπου διαλύεται στο νερό των ωκεανών ή εισέρχεται σε θαλάσσιους τροφικούς ιστούς. Κάποιο φωσφορικό άλας πέφτει στον πυθμένα του ωκεανού όπου γίνεται ίζημα. Εάν συμβεί ανύψωση, αυτό το ίζημα μπορεί να επιστρέψει στη γη.

Εικόνα 46.18 Στη φύση, ο φώσφορος υπάρχει ως φωσφορικό ιόν (PO _{4 ³⁻}). Η διάβρωση των πετρωμάτων και η ηφαιστειακή δραστηριότητα απελευθερώνουν φωσφορικά άλατα στο έδαφος, νερό, και αέρα, όπου γίνεται διαθέσιμο στους επίγειους τροφικούς ιστούς. Το φωσφορικό άλας εισέρχεται στους ωκεανούς μέσω της επιφανειακής απορροής, της ροής των υπόγειων υδάτων και της ροής του ποταμού. Το φωσφορικό άλας διαλυμένο στο νερό των ωκεανών περιστρέφεται σε θαλάσσιους τροφικούς ιστούς. Κάποιο φωσφορικό άλας από τους θαλάσσιους ιστούς τροφίμων πέφτει στον πυθμένα του ωκεανού, όπου σχηματίζει ιζήματα. (πίστωση: τροποποίηση του έργου των Τζον Μ. Έβανς και Χάουαρντ Πέρλμαν, USGS)

Όπως συζητήθηκε στο Κεφάλαιο 44, η περίσσεια φωσφόρου και αζώτου που εισέρχεται σε αυτά τα οικοσυστήματα από την απορροή λιπασμάτων και από τα λύματα προκαλεί υπερβολική ανάπτυξη μικροοργανισμών και εξαντλεί το διαλυμένο οξυγόνο, γεγονός που οδηγεί στο θάνατο πολλών οικοσυστημάτων πανίδας, όπως οστρακοειδή και ψάρια. Αυτή η διαδικασία είναι υπεύθυνη για τις νεκρές ζώνες στις λίμνες και στις εκβολές πολλών μεγάλων ποταμών (Εικόνα 46.19).

Ο παγκόσμιος χάρτης δείχνει περιοχές όπου εμφανίζονται νεκρές ζώνες. Οι νεκρές ζώνες υπάρχουν κατά μήκος της ανατολικής και δυτικής ακτής των Ηνωμένων Πολιτειών, στη Βόρεια και τη Μεσόγειο Θάλασσα και στα ανατολικά παράλια της Ασίας.

Εικόνα 46.19 Οι νεκρές ζώνες εμφανίζονται όταν ο φώσφορος και το άζωτο από τα λιπάσματα προκαλούν υπερβολική ανάπτυξη μικροοργανισμών, οι οποίοι καταστρέφουν το οξυγόνο και σκοτώνουν την πανίδα. Σε παγκόσμιο επίπεδο, μεγάλες νεκρές ζώνες βρίσκονται σε παράκτιες περιοχές υψηλής πυκνότητας πληθυσμού. (πίστωση: Παρατηρητήριο της Γης της NASA)

Όπως συζητήθηκε προηγουμένως, μια νεκρή ζώνη είναι μια περιοχή εντός ενός γλυκού νερού ή θαλάσσιου οικοσυστήματος όπου μεγάλες περιοχές εξαντλούνται από τη φυσιολογική χλωρίδα και πανίδα τους. αυτές οι ζώνες μπορεί να προκληθούν από ευτροφισμό, πετρελαιοκηλίδες, απόρριψη τοξικών χημικών ουσιών, και άλλες ανθρώπινες δραστηριότητες. Ο αριθμός των νεκρών ζωνών αυξάνεται εδώ και αρκετά χρόνια και περισσότερες από 400 από αυτές τις ζώνες ήταν παρούσες από το 2008. Μία από τις χειρότερες νεκρές ζώνες είναι στα ανοικτά των ακτών των Ηνωμένων Πολιτειών στον Κόλπο του Μεξικού, όπου η απορροή λιπασμάτων από τη λεκάνη απορροής του ποταμού Μισισιπή έχει δημιουργήσει μια νεκρή ζώνη άνω των 8463 τετραγωνικών μιλίων. Η απορροή φωσφορικών και νιτρικών αλάτων από λιπάσματα επηρεάζει επίσης αρνητικά πολλά οικοσυστήματα λιμνών και κόλπων, συμπεριλαμβανομένου του κόλπου Chesapeake στις ανατολικές Ηνωμένες Πολιτείες.

Καθημερινή σύνδεση

Τσέσαπικ Μπέι

Δορυφορική εικόνα δείχνει τον κόλπο Chesapeake. Το ένθετο είναι μια φωτογραφία ενός άνδρα που κρατά μια συστάδα στρειδιών.

Εικόνα 46.20 Αυτή η (α) δορυφορική εικόνα δείχνει τον κόλπο Chesapeake, ένα οικοσύστημα που επηρεάζεται από απορροή φωσφορικών και νιτρικών αλάτων. Α (β) μέλος του Σώματος Μηχανικών του Στρατού κατέχει μια συστάδα στρειδιών που χρησιμοποιούνται ως μέρος της προσπάθειας αποκατάστασης στρειδιών στον κόλπο. (πίστωση α: τροποποίηση εργασίας από τη NASA/MODIS · πίστωση β: τροποποίηση εργασίας από τον αμερικανικό στρατό)

Ο κόλπος Chesapeake έχει από καιρό εκτιμηθεί ως μία από τις πιο γραφικές περιοχές της Γης; τώρα βρίσκεται σε κίνδυνο και αναγνωρίζεται ως ένα παρακμάζον οικοσύστημα. Στη δεκαετία του 1970, ο κόλπος Chesapeake ήταν ένα από τα πρώτα οικοσυστήματα που εντόπισαν νεκρές ζώνες, οι οποίες συνεχίζουν να σκοτώνουν πολλά ψάρια και είδη που κατοικούν στο βυθό, όπως μύδια, στρείδια και σκουλήκια. Αρκετά είδη έχουν μειωθεί στον κόλπο Chesapeake λόγω της απορροής επιφανειακών υδάτων που περιέχει περίσσεια θρεπτικών συστατικών από τεχνητό λίπασμα που χρησιμοποιείται στη γη. Η πηγή των λιπασμάτων (με υψηλή περιεκτικότητα σε άζωτο και φωσφορικά άλατα) δεν περιορίζεται στις γεωργικές πρακτικές. Υπάρχουν πολλές κοντινές αστικές περιοχές και περισσότερα από 150 ποτάμια και ρέματα αδειάζουν στον κόλπο που μεταφέρουν απορροή λιπασμάτων από γκαζόν και κήπους. Έτσι, η παρακμή του κόλπου Chesapeake είναι ένα περίπλοκο ζήτημα και απαιτεί τη συνεργασία της βιομηχανίας, της γεωργίας και των καθημερινών ιδιοκτητών σπιτιού.

Ιδιαίτερο ενδιαφέρον για τους οικολόγους είναι ο πληθυσμός των στρειδιών. Εκτιμάται ότι περισσότερα από 200.000 στρέμματα υφάλων στρειδιών υπήρχαν στον κόλπο το 1700, αλλά ο αριθμός αυτός έχει πλέον μειωθεί σε μόλις 36.000 στρέμματα. Η συγκομιδή στρειδιών ήταν κάποτε μια σημαντική βιομηχανία για τον κόλπο Chesapeake, αλλά μειώθηκε 88% μεταξύ 1982 και 2007. Αυτή η μείωση οφειλόταν όχι μόνο στην απορροή λιπασμάτων και στις νεκρές ζώνες, αλλά και στην υπερσυγκομιδή. Τα στρείδια απαιτούν μια ορισμένη ελάχιστη πυκνότητα πληθυσμού επειδή πρέπει να βρίσκονται σε κοντινή απόσταση για αναπαραγωγή. Η ανθρώπινη δραστηριότητα έχει αλλάξει τον πληθυσμό και τις τοποθεσίες των στρειδιών, διαταράσσοντας σε μεγάλο βαθμό το οικοσύστημα.

Η αποκατάσταση του πληθυσμού στρειδιών στον κόλπο Chesapeake συνεχίζεται εδώ και αρκετά χρόνια με μικτή επιτυχία. Όχι μόνο πολλοί άνθρωποι βρίσκουν τα στρείδια καλά για φαγητό, αλλά καθαρίζουν επίσης τον κόλπο. Τα στρείδια είναι τροφοδότες φίλτρων και καθώς τρώνε, καθαρίζουν το νερό γύρω τους. Στη δεκαετία του 1700, εκτιμήθηκε ότι χρειάστηκαν μόνο λίγες μέρες για τον πληθυσμό των στρειδιών να φιλτράρει ολόκληρο τον όγκο του κόλπου. Σήμερα, με τις μεταβαλλόμενες συνθήκες νερού, εκτιμάται ότι ο σημερινός πληθυσμός θα χρειαζόταν σχεδόν ένα χρόνο για να κάνει την ίδια δουλειά.

Οι προσπάθειες αποκατάστασης συνεχίζονται εδώ και αρκετά χρόνια από μη κερδοσκοπικούς οργανισμούς, όπως το Ίδρυμα Chesapeake Bay. Ο στόχος αποκατάστασης είναι να βρεθεί ένας τρόπος αύξησης της πυκνότητας του πληθυσμού, ώστε τα στρείδια να μπορούν να αναπαραχθούν πιο αποτελεσματικά. Πολλές ανθεκτικές στις ασθένειες ποικιλίες (που αναπτύχθηκαν στο Ινστιτούτο Θαλάσσιων Επιστημών της Βιρτζίνια για το Κολλέγιο William and Mary) είναι τώρα διαθέσιμες και έχουν χρησιμοποιηθεί στην κατασκευή πειραματικών υφάλων στρειδιών. Οι προσπάθειες καθαρισμού και αποκατάστασης του κόλπου από τη Βιρτζίνια και το Ντέλαγουερ έχουν παρεμποδιστεί επειδή μεγάλο μέρος της ρύπανσης που εισέρχεται στον κόλπο προέρχεται από άλλες πολιτείες, γεγονός που τονίζει την ανάγκη διακρατικής συνεργασίας για την επιτυχή αποκατάσταση.

Τα νέα, πλούσια στελέχη στρειδιών έχουν επίσης δημιουργήσει μια νέα και οικονομικά βιώσιμη βιομηχανία - την υδατοκαλλιέργεια στρειδιών - η οποία όχι μόνο προμηθεύει στρείδια για φαγητό και κέρδος, αλλά έχει επίσης το πρόσθετο πλεονέκτημα του καθαρισμού του κόλπου.

Ο κύκλος του θείου

Το θείο είναι ένα ουσιαστικό στοιχείο για τα μακρομόρια των ζωντανών όντων. Ως μέρος του αμινοξέος κυστεΐνη, εμπλέκεται στο σχηματισμό δισουλφιδικών δεσμών εντός των πρωτεϊνών, οι οποίοι βοηθούν στον προσδιορισμό των τρισδιάστατων μοτίβων αναδίπλωσης τους και ως εκ τούτου των λειτουργιών τους. Όπως φαίνεται στο Σχήμα 46.21, ο κύκλος του θείου μεταξύ των ωκεανών, της γης και της ατμόσφαιρας. Το ατμοσφαιρικό θείο βρίσκεται με τη μορφή διοξειδίου του θείου (SO ₂) και εισέρχεται στην ατμόσφαιρα με τρεις τρόπους: από την αποσύνθεση οργανικών μορίων, από την ηφαιστειακή δραστηριότητα και τους γεωθερμικούς αεραγωγούς και από την καύση ορυκτών καυσίμων από τον άνθρωπο.

Αυτή η εικόνα δείχνει τον κύκλο θείου. Το θείο εισέρχεται στην ατμόσφαιρα ως διοξείδιο του θείου, ή άνω S άνω O 2, μέσω ανθρώπινων εκπομπών, αποσύνθεσης του άνω H 2 άνω S και ηφαιστειακών εκρήξεων. Οι βροχοπτώσεις και οι επιπτώσεις από την ατμόσφαιρα επιστρέφουν το θείο στη Γη, όπου εισέρχεται στα χερσαία οικοσυστήματα. Το θείο εισέρχεται στους ωκεανούς μέσω απορροής, όπου ενσωματώνεται στα θαλάσσια οικοσυστήματα. Κάποιο θαλάσσιο θείο γίνεται πυρίτης, ο οποίος παγιδεύεται σε ιζήματα. Εάν εμφανιστεί ανύψωση, ο πυρίτης εισέρχεται στο έδαφος και μετατρέπεται σε θειικά του εδάφους.

Εικόνα 46.21 Το διοξείδιο του θείου από την ατμόσφαιρα καθίσταται διαθέσιμο στα χερσαία και θαλάσσια οικοσυστήματα όταν διαλύεται σε καθίζηση ως ασθενές θειικό οξύ ή όταν πέφτει απευθείας στη Γη ως νέφος. Η διάβρωση των πετρωμάτων καθιστά επίσης τα θειικά άλατα διαθέσιμα στα χερσαία οικοσυστήματα. Η αποσύνθεση των ζωντανών οργανισμών επιστρέφει θειικά άλατα στον ωκεανό, το έδαφος και την ατμόσφαιρα. (πίστωση: τροποποίηση του έργου των Τζον Μ. Έβανς και Χάουαρντ Πέρλμαν, USGS)

Στην ξηρά, το θείο εναποτίθεται με τέσσερις βασικούς τρόπους: βροχόπτωση, άμεση πτώση από την ατμόσφαιρα, καιρικές συνθήκες βράχου και γεωθερμικές οπές (Εικόνα 46.21). Το ατμοσφαιρικό θείο βρίσκεται με τη μορφή διοξειδίου του θείου (SO ₂), και καθώς η βροχή πέφτει στην ατμόσφαιρα, το θείο διαλύεται με τη μορφή ασθενούς θειικού οξέος (H ₂ SO ₃). Το θείο μπορεί επίσης να πέσει απευθείας από την ατμόσφαιρα σε μια διαδικασία που ονομάζεται νέφος. Επίσης, η διάβρωση των πετρωμάτων που περιέχουν θείο απελευθερώνει θείο στο έδαφος. Αυτοί οι βράχοι προέρχονται από ιζήματα του ωκεανού που μετακινούνται στη στεριά από τη γεωλογική ανύψωση των ιζημάτων των ωκεανών. Τα χερσαία οικοσυστήματα μπορούν στη συνέχεια να κάνουν χρήση αυτών των θειικών του εδάφους ( ${ΈΤΣΙ}_{4^{-}}$ ), και μετά το θάνατο και την αποσύνθεση αυτών των οργανισμών, απελευθερώστε το θείο πίσω στην ατμόσφαιρα ως αέριο υδρόθειο (H ₂ S).

Αυτή η φωτογραφία δείχνει ένα λευκό ανάχωμα σε σχήμα πυραμίδας με γκρίζο ατμό που διαφεύγει από αυτό.

Εικόνα 46.22 Σε αυτόν τον εξαερισμό θείου στο ηφαιστειακό εθνικό πάρκο Lassen στη βορειοανατολική Καλιφόρνια, οι κιτρινωπές αποθέσεις θείου είναι ορατές κοντά στο στόμιο του εξαερισμού.

Το θείο εισέρχεται στον ωκεανό μέσω απορροής από τη γη, από ατμοσφαιρικές επιπτώσεις και από υποβρύχιες γεωθερμικές οπές. Ορισμένα οικοσυστήματα (Εικόνα 46.9) βασίζονται σε χημειοαυτοτροφικά που χρησιμοποιούν θείο ως βιολογική πηγή ενέργειας. Αυτό το θείο στη συνέχεια υποστηρίζει τα θαλάσσια οικοσυστήματα με τη μορφή θειικών αλάτων.

Οι ανθρώπινες δραστηριότητες έχουν διαδραματίσει σημαντικό ρόλο στην αλλαγή της ισορροπίας του παγκόσμιου κύκλου θείου. Η καύση μεγάλων ποσοτήτων ορυκτών καυσίμων, ειδικά από άνθρακα, απελευθερώνει μεγαλύτερες ποσότητες αερίου υδρόθειου στην ατμόσφαιρα. Η όξινη βροχή προκαλείται από το νερό της βροχής που πέφτει στο έδαφος μέσω αυτού του αερίου διοξειδίου του θείου, μετατρέποντάς το σε ασθενές θειικό οξύ. Η όξινη βροχή βλάπτει το φυσικό περιβάλλον μειώνοντας το pH των λιμνών, το οποίο σκοτώνει πολλές από τις μόνιμες πανίδες. επηρεάζει επίσης το ανθρωπογενές περιβάλλον μέσω της χημικής υποβάθμισης των κτιρίων. Για παράδειγμα, πολλά μαρμάρινα μνημεία, όπως το Μνημείο του Λίνκολν στην Ουάσιγκτον, DC, έχουν υποστεί σημαντικές ζημιές από όξινη βροχή όλα αυτά τα χρόνια.

Σύνδεση με τη μάθηση

Κάντε κλικ σε αυτόν τον σύνδεσμο για να μάθετε περισσότερα σχετικά με την παγκόσμια κλιματική αλλαγή.

Υποσημειώσεις

3 Σκοτ Λ. Μόρφορντ, Μπέντζαμιν Ζ. Χούλτον, και Ράντι Α. Ντάλγκρεν, «Αυξημένη αποθήκευση άνθρακα και αζώτου στο δασικό οικοσύστημα από πλούσιο σε άζωτο υπόστρωμα», Φύση 477, αρ. 7362 (2011): 78—81.