7.3: מחזורים ביוגיאוכימיים

Last updated
Save as PDF

Page ID: 209247

Melissa Ha and Rachel Schleiger
Yuba College & Butte College via ASCCC Open Educational Resources Initiative

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

מחזורים ביוגיאוכימיים, הידועים גם כמחזורי תזונה, מתארים את תנועתם של יסודות כימיים דרך מדיות שונות, כגון האטמוספירה, האדמה, הסלעים, גופי המים והאורגניזמים. מחזורים ביוגיאוכימיים שומרים על יסודות חיוניים זמינים לצמחים ולאורגניזמים אחרים.

אנרגיה זורמת בכיוון דרך מערכות אקולוגיות, נכנסת כאור שמש (או מולקולות אנאורגניות לכימואוטוטרופים) ויוצאת כחום במהלך טרנספורמציה אנרגטית בין רמות טרופיות. במקום לזרום דרך מערכת אקולוגית, החומר המרכיב אורגניזמים נשמר וממוחזר. חוק שימור ההמונים קובע כי החומר לא נוצר ולא נהרס. לדוגמה, לאחר תגובה כימית, מסת התוצרים (מולקולות סיום) תהיה זהה למסה של המגיבים (מולקולות התחלה). הדבר נכון גם במערכת אקולוגית. החומר נע דרך מדיות שונות, ואטומים עשויים להגיב ליצירת מולקולות חדשות, אך כמות החומר נשארת קבועה.

המחזורים הביוגיאוכימיים של ארבעה יסודות - פחמן, חנקן, זרחן וגופרית - נדונים להלן. רכיבה על אופניים של אלמנטים אלה קשורה עם מחזור המים. לדוגמה, תנועת המים היא קריטית לשטיפת גופרית וזרחן לנהרות, אגמים ואוקיינוסים. כיום, פעילויות אנתרופוגניות (אנושיות) משנות את כל המערכות האקולוגיות העיקריות ואת המחזורים הביוגיאוכימיים שהם מניעים.

מחזור הפחמן

פחמן הוא אבן הבניין הבסיסית של כל החומרים האורגניים, ולכן, של אורגניזמים חיים. מחזור הפחמן מורכב למעשה מכמה מחזורים מחוברים זה לזה: האחד עוסק בחילופי פחמן מהירים בין אורגניזמים חיים והשני עוסק במחזוריות ארוכת טווח של פחמן באמצעות תהליכים גיאולוגיים (איור\(\PageIndex{a}\)). ההשפעה הכוללת היא כי פחמן ממוחזר כל הזמן בתהליכים הדינמיים המתרחשים באטמוספירה, על פני השטח ובקרום כדור הארץ. הרוב המכריע של הפחמן שוכן כמינרלים אנאורגניים בסלעי קרום. מאגרים אחרים של פחמן, מקומות בהם מצטבר פחמן, כוללים את האוקיינוסים והאטמוספירה. ייתכן שחלק מאטומי הפחמן בגופך כיום התגוררו מזמן בגופו של דינוזאור, או אולי נקברו פעם עמוק בקרום כדור הארץ כמינרלים מסלע פחמתי.

מחזורי פחמן לאט בין היבשה לאוקיאנוס

ביבשה, פחמן מאוחסן באדמה כפחמן אורגני בצורה של אורגניזמים מתפרקים או סלעים יבשתיים. צמחים מפורקים ואצות לפעמים קבורים ודחוסים בין שכבות משקעים. לאחר מיליוני שנים נוצרים דלקים מאובנים כמו פחם, נפט וגז טבעי. בליה של סלע יבשתי ומינרלים משחררים פחמן לאדמה.

תרכובות המכילות פחמן בקרקע ניתן לשטוף לתוך גופי מים באמצעות שטיפה. מים אלה נכנסים בסופו של דבר לאוקיינוס. פחמן דו חמצני אטמוספרי מתמוסס גם באוקיינוס, ומגיב עם מולקולות מים ליצירת יוני קרבונט (CO ₃ ^2-). חלק מהיונים הללו משתלבים עם יוני סידן במי הים ויוצרים סידן פחמתי (CaCO ₃), מרכיב עיקרי בקליפות של אורגניזמים ימיים. אורגניזמים אלה מתים בסופו של דבר וקליפותיהם יוצרות משקעים על קרקעית האוקיינוס. לאורך זמן גיאולוגי, הסידן פחמתי יוצר אבן גיר, המהווה את מאגר הפחמן הגדול ביותר על פני כדור הארץ.

קרבונט משקע גם במשקעים ויוצר סלעי קרבונט, כמו אבן גיר. משקעי פחמן מקרקעית האוקיינוס נלקחים עמוק בתוך כדור הארץ בתהליך ההכנעה: תנועת לוח טקטוני אחד מתחת לאחר. משקעי האוקיאנוס מועברים על ידי פעולות של טקטוניקת צלחות, נמסים ואז מוחזרים לפני השטח במהלך פעילות וולקנית. טקטוניקת צלחות יכולה גם לגרום לרומם ולהחזרת משקעי אוקיינוס ליבשה.

מחזורי פחמן במהירות בין אורגניזמים לאטמוספירה

פחמן דו חמצני הופך לגלוקוז, מולקולה אורגנית עשירה באנרגיה באמצעות פוטוסינתזה על ידי צמחים, אצות וכמה חיידקים (איור\(\PageIndex{b}\)). לאחר מכן הם יכולים לייצר מולקולות אורגניות אחרות כמו פחמימות מורכבות (כגון עמילן), חלבונים ושומנים, שבעלי חיים יכולים לאכול. _{^{רוב האוטוטרופים היבשתיים משיגים את הפחמן הדו חמצני שלהם ישירות מהאטמוספירה, בעוד שאוטוטרופים ימיים רוכשים אותו בצורה מומסת (ביקרבונט, HCO 3 -).}}

דוגמאות לאורגניזמים פוטוסינתטיים. עלה שרך (א), אצות המכסות את פני האגם (ב) ותצוגת מיקרוסקופ של חיידקים פוטוסינתטיים (ג). — איור\(\PageIndex{b}\): (א) צמחים, (ב) אצות ו- (ג) חיידקים מסוימים, הנקראים ציאנובקטריה, יכולים לבצע פוטוסינתזה. אצות יכולות לצמוח על פני שטחים עצומים במים, ולעתים מכסות לחלוטין את פני השטח. (אשראי א: סטיב הילברנד, שירות הדגים וחיות הבר בארה"ב; אשראי ב: "אאוטרופיקציה והיפוקסיה" /פליקר; אשראי ג: נאס"א; נתוני סרגל קנה מידה מאת מאט ראסל)

צמחים, בעלי חיים ואורגניזמים אחרים מפרקים את המולקולות האורגניות הללו במהלך תהליך הנשימה התאית האירובית, הצורכת חמצן ומשחררת אנרגיה, מים ופחמן דו חמצני. פחמן דו חמצני מוחזר לאטמוספירה במהלך חילופי גזים. תהליך נוסף שבאמצעותו ממוחזר חומר אורגני הוא פירוק אורגניזמים מתים. במהלך תהליך זה, חיידקים ופטריות מפרקים את התרכובות האורגניות המורכבות. מפרקים עשויים לבצע נשימה, לשחרר פחמן דו חמצני או תהליכים אחרים המשחררים מתאן (CH ₄).

פוטוסינתזה ונשימה הם למעשה הדדיים זה לזה בכל הנוגע למחזוריות הפחמן: פוטוסינתזה מסירה פחמן דו חמצני מהאטמוספירה והנשימה מחזירה אותו (איור\(\PageIndex{c}\)). הפרעה משמעותית בתהליך אחד יכולה אפוא להשפיע על כמות הפחמן הדו-חמצני באטמוספרה.

פוטוסינתזה ממירה פחמן דו חמצני ומים לסוכר וחמצן באמצעות אנרגיה מהשמש. — איור\(\PageIndex{c}\): משוואה זו פירושה ששש מולקולות של פחמן דו חמצני (CO ₂) משתלבות עם שש מולקולות מים (H ₂ O) בנוכחות אור שמש. זה מייצר מולקולה אחת של גלוקוז (C ₆ H ₁₂ O ₆) ושש מולקולות חמצן (O ₂).

נשימה תאית היא רק תהליך אחד שמשחרר פחמן דו חמצני. תהליכים פיזיקליים, כמו התפרצות הרי געש ושחרור מפתחי אוורור הידרותרמיים (פתחים בקרקעית האוקיאנוס) מוסיפים פחמן דו חמצני לאטמוספירה. בנוסף, בעירה של עץ ודלקים מאובנים משחררת פחמן דו חמצני. רמת הפחמן הדו-חמצני באטמוספרה מושפעת מאוד ממאגר הפחמן באוקיינוסים. חילופי הפחמן בין האטמוספירה למאגרי המים משפיעים על כמות הפחמן שנמצא בכל אחד מהם.

חשיבותו של מחזור הפחמן

מחזור הפחמן חשוב ביותר לביוספרה. אלמלא תהליכי המיחזור, פחמן עלול היה מזמן להיות מבודד לחלוטין בסלעי קרום ובמשקעים, והחיים כבר לא היו קיימים (איור). \(\PageIndex{e}\) פוטוסינתזה לא רק הופכת אנרגיה ופחמן לזמינים לרמות טרופיות גבוהות יותר, אלא היא גם משחררת חמצן גזי (O ₂). חמצן גזי נחוץ כדי שהנשימה התאית תתרחש. חיידקים פוטוסינתטיים היו ככל הנראה האורגניזמים הראשונים שביצעו פוטוסינתזה, שראשיתה לפני 2-3 מיליארד שנים. _{הודות לפעילותם, ומגוון אורגניזמים פוטוסינתטיים של ימינו, האטמוספירה של כדור הארץ עומדת כיום על כ -21% O 2.} כמו כן, O ₂ זה חיוני ליצירת שכבת האוזון, המגנה על החיים מפני קרינה אולטרה סגולה מזיקה הנפלטת מהשמש. _{אוזון (O ₃) נוצר מהתמוטטות והרכבה מחדש של O 2.}

עץ שנפל על קרקעית היער מוקף בצמחים עשבוניים — איור\(\PageIndex{e}\): מפרקים יפרקו את התרכובות האורגניות בעץ שנפל זה בצוקי הפארק הלאומי ניוז במחוז וויין, צפון קרוליינה, וישחררו פחמן דו חמצני לאטמוספירה. הפירוק מבטיח כי פחמן דו חמצני יהיה זמין באטמוספירה עבור אורגניזמים פוטוסינתטיים, אשר לאחר מכן מספקים פחמן לצרכנים. תמונה מאת גרי דינצ'ר (CC-BY-SA).

מחזור הפחמן העולמי תורם באופן משמעותי לאספקת שירותי המערכת האקולוגית עליהם תלויים בני האדם. אנו קוצרים כ -25% מכלל הביומסה הצמחית המיוצרת מדי שנה על פני הקרקע כדי לספק מזון, דלק עצים וסיבים משטחי גידול, מרעה ויערות. בנוסף, מחזור הפחמן העולמי ממלא תפקיד מפתח בוויסות שירותי המערכת האקולוגית מכיוון שהוא משפיע באופן משמעותי על האקלים באמצעות השפעותיו על ריכוזי CO ₂ באטמוספירה.

שינוי אנושי במחזור הפחמן

ריכוז CO ₂ אטמוספרי עלה מ 280 חלקים למיליון (ppm) ל 413 ppm בין תחילת המהפכה התעשייתית בסוף המאה השמונה עשרה ו 2020. זה שיקף שטף חדש במחזור הפחמן העולמי - פליטות CO 2 אנתרופוגניות - שבו בני אדם משחררים CO _₂ לאטמוספירה על ידי שריפת דלקים מאובנים ושינוי השימוש בקרקע. שריפת דלק מאובנים לוקחת פחמן ממאגרי פחם, גז ונפט, שם היא הייתה מאוחסנת במאזני זמן ארוכים מאוד, ומכניסה אותו למחזור הפחמן הפעיל. שינוי שימוש בקרקע משחרר פחמן מבריכות ביומסה קרקע וצמחים לאטמוספירה, במיוחד בתהליך של כריתת יערות להפקת עצים או הסבת קרקע לחקלאות. בשנת 2018, השטף הנוסף של פחמן לאטמוספירה ממקורות אנתרופוגניים נאמד בכ -36.6 ג'יגה טון פחמן (GTc = מיליארד טון פחמן) - הפרעה משמעותית למחזור הפחמן הטבעי שהיה באיזון במשך כמה אלפי שנים קודם לכן. רמות גבוהות של פחמן דו חמצני באטמוספירה גורמות להתחממות המביאה לשינויי אקלים. (ראה איומים על המגוון הביולוגי ושינויי האקלים לפרטים נוספים.)

מחזור החנקן

כל האורגניזמים דורשים חנקן מכיוון שהוא מרכיב חשוב בחומצות גרעין, חלבונים ומולקולות אורגניות אחרות. הכנסת חנקן לאורגניזמים חיים קשה. צמחים ואצות אינם מצוידים לשילוב חנקן מהאטמוספירה (שם הוא קיים כקשר הדוק, משולש קוולנטי N ₂) אם כי מולקולה זו מהווה כ -78 אחוז מהאטמוספירה. מכיוון שרוב החנקן מאוחסן באטמוספירה, האטמוספירה נחשבת למאגר חנקן.

מולקולת החנקן (N ₂) אינרטית למדי. כדי לפרק אותו כך שהאטומים שלו יוכלו להשתלב עם אטומים אחרים דורש קלט של כמויות משמעותיות של אנרגיה. קיבוע חנקן הוא תהליך המרת גז חנקן לאמוניה (NH ₃), שהופך באופן ספונטני לאמוניום (NH ₄ ⁺). אמוניום נמצא בגופי מים ובאדמה (איור\(\PageIndex{f}\)).

קטע אדמה עם צמחים ובעלי חיים על פני השטח מראה כל שלב במחזור החנקן. — _{^{איור\(\PageIndex{f}\): במחזור החנקן, חיידקים מקבעים חנקן באדמה או גושי שורש קטניות ממירים גז חנקן (N ₂) מהאטמוספירה לאמוניום (NH 4 +).}} ^{ניטריפיקציה מתרחשת כאשר חיידקים ממירים אמוניום לניטריטים (NO ₂ ^-) ואז לחנקות (NO ₃ -).} חנקות נכנסות מחדש לאטמוספירה כגז חנקן באמצעות דניטריפיקציה על ידי חיידקים. צמחים מטמיעים אמוניום וחנקות, מייצרים חנקן אורגני, הזמין לצרכנים. מפרקים, כולל חיידקים ופטריות אירוביים ואנאירוביים, מפרקים חנקן אורגני ומשחררים אמוניום באמצעות אמוניפיקציה. (אשראי: "מחזור חנקן" מאת יוהן דריאו וראקי מורשה תחת CC BY-SA 3.0)

שלושה תהליכים אחראים לרוב קיבוע החנקן בביוספרה. הראשון הוא קיבוע אטמוספרי על ידי ברק. האנרגיה העצומה של הברק שוברת מולקולות חנקן ומאפשרת לאטומים שלהם להשתלב עם חמצן באוויר ויוצרים תחמוצות חנקן. אלה מתמוססים בגשם ויוצרים חנקות הנישאות לכדור הארץ. קיבוע חנקן אטמוספרי כנראה תורם כ 5-8% מכלל החנקן הקבוע. התהליך השני הוא קיבוע תעשייתי. _{בלחץ גדול, בטמפרטורה של 600 מעלות צלזיוס (1112 מעלות צלזיוס), ועם שימוש בזרז (המאפשר תגובות כימיות), ניתן לשלב חנקן אטמוספרי ומימן ליצירת אמוניה (NH 3).} אמוניה יכולה לשמש ישירות כדשן, אך רובו מעובד עוד יותר לאוריאה ואמוניום חנקתי (NH ₄ NO ₃).

התהליך השלישי הוא קיבוע ביולוגי על ידי חיידקים חיים חופשיים או סימביוטיים מסוימים. חלקם יוצרים מערכת יחסים סימביוטית עם צמחים ממשפחת הקטניות, הכוללת שעועית, אפונה, פולי סויה, אספסת ותלתן (איור). \(\PageIndex{g}\) חלק מהחיידקים המקבעים חנקן אף יוצרים קשרים סימביוטיים עם בעלי חיים, למשל טרמיטים ו"תולעי ספינות "(דו -חיים אוכלי עץ). ציאנובקטריה מקבעת חנקן חיונית לשמירה על הפוריות של סביבות חצי-מימיות כמו שדות אורז. למרות שהמוצר היציב הראשון של התהליך הוא אמוניה, זה משולב במהירות בחלבון ובתרכובות חנקן אורגניות אחרות.

שורש סויה מלוכלך עם גושי שורש כדוריים. שורשים משניים מסתעפים מהשורשים הראשוניים. — איור\(\PageIndex{g}\): חיידקים מקבעים חנקן חיים בגושים הכדוריים של שורש סויה זה. תמונה על ידי מועצת הסויה המאוחדת (CC-BY).

אמוניום הופך על ידי חיידקים וארכיאה לניטריטים (NO ₂ ^-) ולאחר מכן חנקות (NO ₃ ^-) בתהליך של ניטריפיקציה. כמו אמוניום, ניטריטים וחנקות נמצאים במים ובאדמה. כמה חנקות מומרות בחזרה לגז חנקן, המשתחרר לאטמוספירה. התהליך, הנקרא דניטריפיקציה, מתבצע על ידי חיידקים.

צמחים ויצרנים אחרים משתמשים ישירות באמוניום ובחנקות לייצור מולקולות אורגניות בתהליך הטמעה. חנקן זה זמין כעת לצרכנים. חנקן אורגני חשוב במיוחד לחקר הדינמיקה של המערכת האקולוגית מכיוון שתהליכים רבים, כגון ייצור ראשוני, מוגבלים על ידי אספקת החנקן הזמינה.

הצרכנים מפרישים תרכובות חנקן אורגניות שחוזרות לסביבה. בנוסף אורגניזמים מתים בכל רמה טרופית מכילים חנקן אורגני. מיקרואורגניזמים, כמו חיידקים ופטריות, מפרקים את הפסולת והרקמות המתות הללו, ובסופו של דבר מייצרים אמוניום בתהליך האמוניפיקציה.

במערכות אקולוגיות ימיות, תרכובות חנקן הנוצרות על ידי חיידקים, או באמצעות פירוק, נאספות במשקעי קרקעית האוקיאנוס. לאחר מכן ניתן להעביר אותו ליבשה בזמן גיאולוגי על ידי התרוממות קרום כדור הארץ ובכך לשלב אותו בסלע יבשתי. למרות שתנועת החנקן מסלע ישירות למערכות חיות נתפסה באופן מסורתי כחסרת משמעות בהשוואה לחנקן הקבוע מהאטמוספירה, מחקר שנערך לאחרונה הראה שתהליך זה אכן עשוי להיות משמעותי ויש לכלול אותו בכל מחקר על מחזור החנקן העולמי.

פעילות אנושית יכולה לשנות את מחזור החנקן בשני אמצעים עיקריים: בעירה של דלקים מאובנים, המשחררים תחמוצות חנקן שונות לאטמוספירה, ועל ידי שימוש בדשנים מלאכותיים בחקלאות. חנקן אטמוספרי (מלבד N ₂) קשור למספר השפעות על המערכות האקולוגיות של כדור הארץ. תחמוצות חנקן (HNO ₃) יכולות להגיב באטמוספירה ליצירת חומצה חנקתית, סוג של שקיעת חומצה, המכונה גם גשם חומצי. שקיעת חומצה פוגעת בעצים בריאים, הורסת מערכות מימיות ושוחקת חומרי בניין כמו שיש ואבן גיר. בדומה לפחמן דו חמצני, תחמוצת החנקן (N ₂ O) גורמת להתחממות וכתוצאה מכך לשינויי אקלים.

בני אדם תלויים בעיקר במחזור החנקן כשירות מערכת אקולוגית תומכת לתפוקת היבול והיער. דשנים חנקן מתווספים כדי לשפר את הצמיחה של גידולים רבים ומטעים (איור\(\PageIndex{h}\)). השימוש המוגבר בדשנים בחקלאות היה מאפיין מרכזי של המהפכה הירוקה שהגבירה את תפוקת היבול העולמית בשנות השבעים. הייצור התעשייתי של דשנים עשירים בחנקן גדל באופן משמעותי עם הזמן וכעת תואם יותר ממחצית התשומות לאדמה מקיבוע חנקן ביולוגי (90 מגה-טון = מיליון טון חנקן בכל שנה). אם קיבוע החנקן מגידולי קטניות נכלל, אז השטף האנתרופוגני של חנקן מהאטמוספירה לארץ עולה על השטף הטבעי לארץ. דשנים נשטפים לאגמים, נחלים ונהרות על ידי נגר עילי, וכתוצאה מכך אוטרופיקציה של מים מלוחים ומים מתוקים, תהליך שבו נגר תזונתי גורם לצמיחת יתר של אצות, לדלדול החמצן ולמוות של בעלי חיים ימיים.

ציוד חקלאי מרסס ערפל דק על יבולים. — איור\(\PageIndex{h}\): דשן המכיל חנקן מיושם באופן קונבנציונאלי בקנה מידה גדול בחקלאות. תמונה מאת בוב ניקולס, שירות שימור משאבי הטבע של USDA (נחלת הכלל).

מחזור הזרחן

מספר צורות של חנקן (גז חנקן, אממנויום, חנקות וכו ') היו מעורבים במחזור החנקן, אך זרחן נשאר בעיקר בצורת יון הפוספט (PO ₄ ³ -). גם בניגוד למחזור החנקן, אין צורה של זרחן באטמוספירה. זרחן משמש לייצור חומצות גרעין והפוספוליפידים המרכיבים ממברנות ביולוגיות.

סלעים הם מאגר לזרחן, ומקורם של סלעים אלה באוקיינוס. משקעי אוקיינוס המכילים פוספט נוצרים בעיקר מגופם של אורגניזמים באוקיינוס ומהפרשותיהם. עם זאת, אפר וולקני, אירוסולים ואבק מינרלי עשויים להיות גם מקורות פוספט משמעותיים. משקע זה מועבר אז ליבשה לאורך זמן גיאולוגי על ידי התרוממות פני כדור הארץ (איור\(\PageIndex{i}\)). תנועת הפוספט מהאוקיאנוס ליבשה ודרך האדמה איטית ביותר, כאשר ליון הפוספט הממוצע הוא בעל זמן מגורים אוקיאני בין 20,000 ל 100,000 שנה.

מחזור הזרחן כולל תנועה של פוספטים בין האדמה, המים והסלעים. — איור\(\PageIndex{i}\): בטבע, זרחן קיים כיון הפוספט (PO ₄ ^3-). פוספט נכנס לאטמוספירה מאירוסולים וולקניים, המשקעים לכדור הארץ. בליה של סלעים משחררת גם פוספט לאדמה ולמים, שם הוא הופך לזמין לקורי מזון יבשתיים. חלק מהפוספט מארגי מזון יבשתיים מתמוסס בנחלים ובאגמים, והשאר נכנס לאדמה. פוספט נכנס לאוקיינוס באמצעות נגר עילי, זרימת מי תהום וזרימת נהר, שם הוא מתמוסס במי האוקיינוס או נכנס לקורי מזון ימיים. חלק מהפוספט נופל לקרקעית האוקיינוס שם הוא הופך למשקעים. אם מתרחשת התרוממות רוח, משקע זה יכול לחזור ליבשה. (קרדיט: שינוי עבודות מאת ג'ון מ 'אוונס והווארד פרלמן, USGS)

ציפורים ימיות ממלאות תפקיד ייחודי במחזור הזרחן. ציפורים אלה קולטות זרחן מדגי האוקיינוס. הגללים שלהם ביבשה (גואנו) מכילים רמות גבוהות של זרחן ולעיתים ממוקשים לשימוש מסחרי. מחקר משנת 2020 העריך כי שירותי המערכת האקולוגית (תהליכים טבעיים ומוצרים המועילים לבני אדם) המסופקים על ידי גואנו שווים 470 מיליון דולר בשנה.

בליה של סלעים משחררת פוספטים לאדמה ולגופי מים. צמחים יכולים להטמיע פוספטים באדמה ולשלב אותם במולקולות אורגניות, מה שהופך את הזרחן לזמין לצרכנים בקורי מזון יבשתיים. פסולת ואורגניזמים מתים מתפרקים על ידי פטריות וחיידקים, ומשחררים פוספטים חזרה לאדמה. חלק מהפוספט נשטף מהאדמה, נכנס לנהרות, אגמים ואוקיינוס. יצרנים ראשוניים בקורי מזון מימיים, כגון אצות וחיידקים פוטוסינתטיים, מטמיעים פוספט, ופוספט אורגני זמין אפוא לצרכנים בקורי מזון מימיים. בדומה לקורי מזון יבשתיים, זרחן מוחלף באופן הדדי בין פוספט המומס באוקיינוס לבין זרחן אורגני באורגניזמים ימיים.

תנועת הזרחן מסלע לאורגניזמים חיים היא בדרך כלל תהליך איטי מאוד, אך פעילויות אנושיות מסוימות מזרזות את התהליך. סלע הנושא פוספט ממוקש לרוב לשימוש בייצור דשנים וחומרי ניקוי. ייצור מסחרי זה מאיץ מאוד את מחזור הזרחן. בנוסף, נגר מאדמות חקלאיות ושחרור ביוב למערכות מים עלול לגרום לעומס מקומי של פוספט. הזמינות המוגברת של פוספט עלולה לגרום לצמיחת יתר של אצות. זה מפחית את רמת החמצן, גרימת eutrophication והרס של מינים ימיים אחרים.

אאוטרופיקציה ואזורים מתים

אאוטרופיקציה מתרחשת כאשר עודף זרחן וחנקן מנגר דשן או ביוב גורם לצמיחה מוגזמת של אצות. פריחת אצות החוסמת אור ולכן הורגת צמחי מים בנהרות, אגמים וים. המוות והריקבון שלאחר מכן של אורגניזמים אלה מדלדל את החמצן המומס, מה שמוביל למותם של אורגניזמים מימיים כמו רכיכות ודגים. תהליך זה אחראי על אזורים מתים, שטחים גדולים באגמים ובאוקיינוסים הסמוכים לפיות נהרות המתרוקנים מעת לעת מהצומח ובעלי החיים הרגילים שלהם, ועל הרג דגים מסיבי, המתרחש לעיתים קרובות בחודשי הקיץ (איור\(\PageIndex{j}\)). ישנם יותר מ -500 אזורים מתים ברחבי העולם. אחד האזורים המתים הגרועים ביותר הוא מול חופי ארצות הברית במפרץ מקסיקו. נגר דשנים מאגן נהר המיסיסיפי יצר אזור מת, שהגיע לשיא גודלו של 8,776 קילומטרים רבועים בשנת 2017. נגר פוספט וחנקה מדשנים משפיע לרעה גם על מספר מערכות אקולוגיות של אגם ומפרץ, כולל מפרץ צ'ספיק במזרח ארצות הברית.

עיגולים אדומים מסמנים אזורים מתים לאורך חופי מזרח ודרום ארה"ב, מערב אירופה ודרום קוריאה ויפן על מפת עולם. — איור\(\PageIndex{j}\): אזורים מתים מתרחשים כאשר זרחן וחנקן מדשנים גורמים לצמיחה מוגזמת של מיקרואורגניזמים, מה שמדלדל חמצן והורג את החי. מפה זו מציגה אזורים מתים ברחבי העולם בשנת 2008. ברחבי העולם, אזורים מתים גדולים נמצאים באזורי חוף בעלי צפיפות אוכלוסין גבוהה. (אשראי: מצפה כדור הארץ של נאס"א)

חיבור יומיומי: מפרץ צ'ספיק

מפרץ צ'ספיק מוערך זה מכבר כאחד האזורים הנופים ביותר על פני כדור הארץ; הוא נמצא כעת במצוקה ומוכר כמערכת אקולוגית בירידה. בשנות השבעים, מפרץ צ'ספיק היה אחת המערכות האקולוגיות הראשונות שזיהו אזורים מתים, שממשיכים להרוג דגים רבים ומינים השוכנים בתחתית, כגון צדפות, צדפות ותולעים (איור). \(\PageIndex{k}\) כמה מינים ירדו במפרץ צ'ספיק עקב נגר מים עיליים המכיל עודפי חומרים מזינים מדשן מלאכותי המשמש ביבשה. מקור הדשנים (עם תכולת חנקן ופוספט גבוהה) אינו מוגבל לפרקטיקות חקלאיות. ישנם אזורים עירוניים רבים בקרבת מקום ויותר מ -150 נהרות ונחלים מתרוקנים למפרץ הנושאים נגר דשנים מדשאות וגנים. לפיכך, שקיעתו של מפרץ צ'ספיק היא נושא מורכב ומחייבת שיתוף פעולה של תעשייה, חקלאות ובעלי בתים יומיומיים.

מבט אווירי של מפרץ צ'ספיק (א). גבר אוחז בגוש צדפות (ב). — איור\(\PageIndex{k}\): תמונת לוויין זו (א) מציגה את מפרץ צ'ספיק, מערכת אקולוגית המושפעת מנגר פוספט וחנקה. א (ב) חבר בחיל ההנדסה הצבאי מחזיק בגוש צדפות המשמש כחלק ממאמץ שיקום הצדפות במפרץ. (אשראי א: שינוי עבודה על ידי נאס"א/MODIS; אשראי ב: שינוי עבודה על ידי צבא ארה"ב)

מעניינת במיוחד את אנשי השימור היא אוכלוסיית הצדפות; ההערכה היא שיותר מ -200,000 דונם של שוניות צדפות היו במפרץ בשנות ה -1700, אך מספר זה ירד כעת ל -36,000 דונם בלבד. קציר צדפות היה בעבר ענף מרכזי במפרץ צ'ספיק, אך הוא ירד ב -88 אחוזים בין 1982 ל -2007. ירידה זו נבעה לא רק מנגר דשנים ואזורים מתים אלא גם מניצול יתר. צדפות דורשות צפיפות אוכלוסייה מינימלית מסוימת מכיוון שהן חייבות להיות בסמיכות כדי להתרבות. הפעילות האנושית שינתה את אוכלוסיית הצדפות ואת מיקומי הצדפות, ושיבשה מאוד את המערכת האקולוגית.

שיקום אוכלוסיית הצדפות במפרץ צ'ספיק נמשך כבר כמה שנים בהצלחה מעורבת. לא רק שאנשים רבים מוצאים צדפות טובות לאכילה, אלא שהם גם מנקים את המפרץ. צדפות הן מזינות פילטר, וכשהן אוכלות, הן מנקות את המים סביבן. בשנות ה -1700 העריכו כי לקח לאוכלוסיית הצדפות מספר ימים בלבד לסנן את כל נפח המפרץ. כיום, עם שינוי תנאי המים, ההערכה היא כי האוכלוסייה הנוכחית ייקח כמעט שנה לעשות את אותה עבודה.

מאמצי השיקום נמשכים כבר מספר שנים על ידי ארגונים ללא מטרות רווח, כגון קרן מפרץ צ'ספיק. מטרת השיקום היא למצוא דרך להגדיל את צפיפות האוכלוסייה כך שהצדפות יוכלו להתרבות ביעילות רבה יותר. זנים רבים עמידים למחלות (שפותחו במכון וירג'יניה למדעי הים עבור מכללת וויליאם ומרי) זמינים כעת ושימשו בבניית שוניות צדפות ניסיוניות. המאמצים לנקות ולשחזר את המפרץ על ידי וירג'יניה ודלאוור נפגעו מכיוון שחלק גדול מהזיהום הנכנס למפרץ מגיע ממדינות אחרות, מה שמדגיש את הצורך בשיתוף פעולה בין מדינות כדי להשיג שיקום מוצלח.

זני הצדפות החדשים והלבביים הולידו גם תעשייה חדשה וכדאית כלכלית - חקלאות צדפות - שלא רק מספקת צדפות למזון ורווח, אלא יש לה גם יתרון נוסף של ניקוי המפרץ.

מחזור הגופרית

גופרית היא מרכיב חיוני למולקולות של יצורים חיים. כחלק מחומצת האמינו ציסטאין, היא קריטית לצורה התלת מימדית של חלבונים. כפי שמוצג באיור\(\PageIndex{l}\), מחזורי גופרית בין האוקיינוסים, היבשה והאטמוספירה. גופרית אטמוספרית נמצאת בצורה של דו תחמוצת הגופרית (SO ₂), הנכנסת לאטמוספירה בשלוש דרכים: ראשית, מפירוק מולקולות אורגניות; שנית, מפעילות וולקנית ופתחי אוורור גיאותרמיים; ושלישית, משריפת דלקים מאובנים על ידי בני אדם.

ביבשה, גופרית מופקדת בארבע דרכים עיקריות: משקעים, נשירה ישירה מהאטמוספירה, בליה של סלעים ופתחי אוורור גיאותרמיים. גופרית אטמוספרית נמצאת בצורה של דו תחמוצת הגופרית (SO ₂), וככל שגשם יורד באטמוספירה, גופרית מומסת בצורה של חומצה גופרתית חלשה (H ₂ SO ₄). גופרית יכולה גם ליפול ישירות מהאטמוספירה בתהליך הנקרא נשירה. כמו כן, כאשר סלעים המכילים גופרית מזג אוויר, גופרית משתחררת לאדמה. סלעים אלה מקורם במשקעי אוקיינוס המועברים ליבשה על ידי התרוממות גיאולוגית של משקעי אוקיינוס. לאחר מכן מערכות אקולוגיות יבשתיות יכולות לעשות שימוש בסולפטים קרקעיים אלה (SO ₄ ^2-), הנכנסים לרשת המזון על ידי נטילת שורשי צמחים. כאשר צמחים אלה מתפרקים ומתים, גופרית משתחררת בחזרה לאטמוספירה כגז מימן גופרתי (H ₂ S).

גופרית נכנסת לאוקיינוס בנגר מהיבשה, מנפילה אטמוספרית ומפתחי אוורור הידרותרמיים. מערכות אקולוגיות מסוימות מסתמכות על מיקרואורגניזמים המשתמשים בגופרית כמקור אנרגיה ביולוגי (בניגוד למערכות אקולוגיות עם יצרנים פוטוסינתטיים). גופרית זו תומכת אז במערכות אקולוגיות ימיות בצורה של סולפטים.

פעילויות אנושיות מילאו תפקיד מרכזי בשינוי האיזון של מחזור הגופרית העולמי. שריפת כמויות גדולות של דלקים מאובנים, בעיקר מפחם, משחררת דו תחמוצת הגופרית, המגיבה עם האטמוספירה ליצירת חומצה גופרתית. בדומה לחומצה חנקתית, חומצה גופרתית תורמת לתצהיר חומצה.

קריאה משלימה מוצעת

ברוקנר, מ '2018. אזור המתים של מפרץ מקסיקו. [אתר אינטרנט]

הפניות

עיתונות סלולרית (2020, 6 באוגוסט). החוקרים מקווים להציל עופות ים על ידי חישוב ערך הצואה שלהם. הוחזר 7 באוגוסט 2020 מ- ScienceDaily.

ייחוסים

שונה על ידי מליסה הא מהמקורות הבאים:

מחזורים ביוגיאוכימיים , אנרגיה ואנרגיה נכנסים למערכות אקולוגיות באמצעות פוטוסינתזה מביולוגיה סביבתית מאת מתיו ר 'פישר (מורשה תחת CC-BY)
מחזור פחמן ומחזור חנקן מביולוגיה מאת ג'ון וו קימבל (מורשה תחת CC-BY)
זרימת אנרגיה דרך מערכות אקולוגיות מביולוגיה כללית מאת OpenStax (מורשה תחת CC-BY)
קרקע וקיימות [1]ומחזורים ביו-גיאוכימיים וזרימת האנרגיה במערכת כדור הארץ מקיימות: קרן מקיפה מאת טום תייס וג'ונתן טומקין, עורכים (ברישיון CC-BY). הורד בחינם ב- CNX.
רכיבה על אופניים של חומר מ - AP מדעי הסביבה על ידי אוניברסיטת קליפורניה מכללה Prep, אוניברסיטת קליפורניה (מורשה תחת CC-BY). הורד בחינם ב- CNX.
מחזורי תזונה ממדעי החיים כיתה י' מאת סיאבולה (CC-BY)