20.2: מחזורים ביוגיאוכימיים

Last updated
Save as PDF

Page ID: 208748

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

אנרגיה זורמת בכיוון דרך מערכות אקולוגיות, נכנסת כאור שמש (או מולקולות אנאורגניות לכימואוטוטרופים) ויוצאת כחום במהלך ההעברות בין רמות טרופיות. במקום לזרום דרך מערכת אקולוגית, החומר המרכיב אורגניזמים חיים נשמר וממוחזר. ששת היסודות הנפוצים ביותר הקשורים למולקולות אורגניות - פחמן, חנקן, מימן, חמצן, זרחן וגופרית - לובשים מגוון צורות כימיות ועשויים להתקיים לתקופות ארוכות באטמוספירה, ביבשה, במים או מתחת לפני כדור הארץ. תהליכים גיאולוגיים, כגון בליה, שחיקה, ניקוז מים והכנעת הלוחות היבשתיים, כולם ממלאים תפקיד במחזוריות היסודות על פני כדור הארץ. מכיוון שלגיאולוגיה ולכימיה יש תפקידים מרכזיים בחקר תהליך זה, מיחזור של חומר אנאורגני בין אורגניזמים חיים לסביבתם הלא חיה נקרא מחזור ביוגיאוכימי.

מים, המכילים מימן וחמצן, חיוניים לכל תהליכי החיים. ההידרוספרה היא האזור של כדור הארץ בו מתרחשת תנועת מים ואגירת מים: כמים נוזליים על פני השטח (נהרות, אגמים, אוקיינוסים) ומתחת לפני השטח (מי תהום) או קרח, (כיפות קרח קוטביות וקרחונים), וכאדי מים באטמוספירה. פחמן נמצא בכל המקרומולקולות האורגניות ומהווה מרכיב חשוב בדלקים מאובנים. חנקן הוא מרכיב עיקרי בחומצות הגרעין והחלבונים שלנו והוא קריטי לחקלאות האנושית. זרחן, מרכיב עיקרי בחומצות גרעין, הוא אחד המרכיבים העיקריים (יחד עם חנקן) בדשנים מלאכותיים המשמשים בחקלאות, שיש להם השפעות סביבתיות על מי השטח שלנו. גופרית, קריטית לקיפול התלת מימדי של חלבונים (כמו בקשירת דיסולפיד), משתחררת לאטמוספירה על ידי שריפת דלקים מאובנים.

רכיבה על אופניים של אלמנטים אלה קשורה זו בזו. לדוגמה, תנועת המים היא קריטית לשטיפת חנקן ופוספט לנהרות, אגמים ואוקיינוסים. האוקיינוס הוא גם מאגר מרכזי לפחמן. לפיכך, חומרים מזינים מינרליים עוברים מחזור, במהירות או באיטיות, דרך הביוספרה כולה בין העולם הביוטי והאביוטי ומאורגניזם חי אחד למשנהו.

מחזור המים

מים חיוניים לכל תהליכי החיים. גוף האדם הוא יותר מחצי מים ותאים אנושיים הם יותר מ -70 אחוז מים. לפיכך, רוב בעלי החיים היבשתיים זקוקים לאספקת מים מתוקים כדי לשרוד. מתוך מאגרי המים על פני כדור הארץ, 97.5 אחוזים הם מים מלוחים (איור\(\PageIndex{1}\)). מתוך המים הנותרים, 99 אחוז נעולים כמים תת קרקעיים או קרח. לכן, פחות מאחוז אחד של מים מתוקים נמצא אגמים ונהרות. יצורים חיים רבים תלויים בכמות קטנה זו של אספקת מים מתוקים על פני השטח, שלמחסור בהם יכולות להיות השפעות חשובות על הדינמיקה של המערכת האקולוגית. בני אדם, כמובן, פיתחו טכנולוגיות להגברת זמינות המים, כמו חפירת בארות לקציר מי תהום, אגירת מי גשמים ושימוש בהתפלה להשגת מים ראויים לשתייה מהאוקיאנוס. למרות שמרדף זה אחר מים ראויים לשתייה נמשך לאורך ההיסטוריה האנושית, אספקת המים המתוקים ממשיכה להיות נושא מרכזי בעידן המודרני.

תרשים העוגה מראה כי 97.5 אחוז מהמים על פני כדור הארץ, או 1,365,000,000 ק"מ בקוביות, הם מים מלוחים. 2.5 האחוזים הנותרים, או 35,000,000 ק"מ בקוביות, הם מים מתוקים. מבין המים המתוקים 68.9 אחוזים קפואים בקרחונים או בכיסוי שלג קבוע, ו -30.8 אחוז הם מי תהום (לחות אדמה, מי ביצה, פרמפרוסט). 0.3 האחוזים הנותרים נמצאים באגמים ובנהרות. — **איור\(\PageIndex{1}\):** רק 2.5 אחוז מהמים על פני כדור הארץ הם מים מתוקים, ופחות מאחוז אחד מהמים המתוקים נגישים בקלות ליצורים חיים.

התהליכים השונים המתרחשים במהלך מחזור המים מומחשים באיור\(\PageIndex{2}\). התהליכים כוללים את הדברים הבאים:

אידוי וסובלימציה
עיבוי ומשקעים
זרימת מים תת קרקעית
נגר פני השטח והפשרת שלגים
זרימת זרם

מחזור המים מונע על ידי אנרגיית השמש כשהוא מחמם את האוקיינוסים ומי שטח אחרים. זה מוביל לאידוי (מים לאדי מים) של מים עיליים נוזליים וסובלימציה (קרח לאדי מים) של מים קפואים, ובכך להעביר כמויות גדולות של מים לאטמוספירה כאדי מים. עם הזמן אדי מים אלה מתעבים לעננים כטיפות נוזליות או קפואות ובסופו של דבר מובילים למשקעים (גשם או שלג), המחזירים מים לפני כדור הארץ. גשם המגיע לפני כדור הארץ עשוי להתאדות שוב, לזרום על פני השטח או לחלחל לאדמה. הנצפה ביותר היא נגר עילי: זרימת מים מתוקים מגשם או קרח נמס. נגר יכול לפלס את דרכו דרך נחלים ואגמים לאוקיינוסים או לזרום ישירות לאוקיאנוסים עצמם.

ברוב הסביבות היבשתיות הטבעיות גשם נתקל בצמחייה לפני שהוא מגיע לפני הקרקע. אחוז ניכר של מים מתאדה מיד משטחי הצמחים. מה שנשאר מגיע לאדמה ומתחיל לנוע למטה. נגר עילי יתרחש רק אם האדמה תהיה רוויה במים בגשם כבד. רוב המים באדמה ייספגו על ידי שורשי הצמח. הצמח ישתמש בחלק מהמים הללו למטבוליזם שלו, וחלק מזה ימצא את דרכו לבעלי חיים שאוכלים את הצמחים, אך חלק גדול מהם יאבד בחזרה לאטמוספירה באמצעות תהליך המכונה evapotranspiration. מים נכנסים למערכת כלי הדם של הצמח דרך השורשים ומתאדים, או עוברים, דרך הסטומטה של העלים. מים באדמה שאינם נקלטים על ידי צמח ואינם מתאדים מסוגלים לחלחל אל תת הקרקע והסלע. כאן זה יוצר מי תהום.

מי תהום הם מאגר משמעותי של מים מתוקים. הוא קיים בנקבוביות בין חלקיקים בחול וחצץ, או בסדקים בסלעים. מי תהום רדודים זורמים לאט דרך הנקבוביות והסדקים הללו ובסופו של דבר מוצאים את דרכם לנחל או לאגם שם הם הופכים שוב לחלק ממי השטח. נחלים אינם זורמים מכיוון שהם מתחדשים ישירות ממי גשמים; הם זורמים מכיוון שיש זרימה מתמדת ממי תהום מתחת. חלק ממי התהום נמצאים עמוק מאוד בסלע ויכולים להימשך שם אלפי שנים. מרבית מאגרי מי התהום, או האקוויפרים, הם המקור למי שתייה או השקיה הנמשכים דרך בארות. במקרים רבים האקוויפרים הללו מתרוקנים מהר יותר מכפי שהם מתחדשים על ידי מים המחלחלים מלמעלה.

גשם ונגר עילי הם דרכים עיקריות בהן מינרלים, כולל פחמן, חנקן, זרחן וגופרית, עוברים מחזור מיבשה למים. ההשפעות הסביבתיות של נגר יידונו בהמשך ככל שמתוארים מחזורים אלה.

האיור מציג את מחזור המים. מים נכנסים לאטמוספירה באמצעות אידוי, אידוי, סובלימציה ואדים וולקניים. עיבוי באטמוספירה הופך אדי מים לעננים. מים מהאטמוספירה חוזרים לכדור הארץ באמצעות משקעים או desublimation. חלק מהמים האלה חודרים לקרקע כדי להפוך למי תהום. חלחול, מעיינות מים מתוקים וספיגת צמחים מחזירים חלק מהמים האלה אל פני השטח. המים הנותרים מחלחלים לאוקיינוסים. המים העיליים הנותרים נכנסים לנחלים ואגמי מים מתוקים, שם הם נכנסים בסופו של דבר לאוקיינוס דרך נגר עילי. חלק מהמים נכנסים גם לאוקיינוס דרך פתחי אוורור מתחת למים או הרי געש. — **איור\(\PageIndex{2}\):** מים מהיבשה והאוקיאנוסים נכנסים לאטמוספירה על ידי אידוי או סובלימציה, שם הם מתעבים לעננים ויורדים כגשם או שלג. מים זורמים עלולים להיכנס לגופי מים מתוקים או לחדור לאדמה. המחזור הושלם כאשר מי תהום או מי תהום נכנסים שוב לאוקיינוס. (קרדיט: שינוי עבודות מאת ג'ון מ 'אוונס והווארד פרלמן, USGS)

מחזור הפחמן

פחמן הוא היסוד הרביעי בשכיחותו באורגניזמים חיים. פחמן קיים בכל המולקולות האורגניות, ותפקידו במבנה המקרומולקולות הוא בעל חשיבות ראשונית לאורגניזמים חיים. תרכובות פחמן מכילות אנרגיה, ורבות מהתרכובות הללו מצמחים ואצות נותרו מאוחסנות כפחמן מאובן, שבני אדם משתמשים בו כדלק. מאז 1800, השימוש בדלקים מאובנים הואץ. ככל שהביקוש העולמי לאספקת הדלק המאובנים המוגבלת של כדור הארץ עלה מאז תחילת המהפכה התעשייתית, כמות הפחמן הדו חמצני באטמוספירה שלנו גדלה ככל שהדלקים נשרפים. עלייה זו בפחמן דו חמצני נקשרה לשינויי אקלים ומהווה דאגה סביבתית מרכזית ברחבי העולם.

מחזור הפחמן נחקר בקלות רבה ביותר כשני תת-מחזורים מחוברים זה לזה: האחד עוסק בחילופי פחמן מהירים בין אורגניזמים חיים והשני עוסק במחזוריות ארוכת טווח של פחמן באמצעות תהליכים גיאולוגיים. כל מחזור הפחמן מוצג באיור\(\PageIndex{3}\).

האיור מציג את מחזור הפחמן. פחמן נכנס לאטמוספירה כגז פחמן דו חמצני המשתחרר מפליטות אנושיות, נשימה ופירוק ופליטות געשיות. פחמן דו חמצני מוסר מהאטמוספירה על ידי פוטוסינתזה ימית ויבשתית. פחמן מבליה של סלעים הופך לפחמן בקרקע, אשר עם הזמן יכול להפוך לפחמן מאובן. פחמן נכנס לאוקיינוס מהיבשה באמצעות שטיפה ונגר. התרוממות משקעי האוקיינוס יכולה להחזיר פחמן ליבשה. — **איור\(\PageIndex{3}\):** גז פחמן דו חמצני קיים באטמוספירה ומומס במים. פוטוסינתזה ממירה גז פחמן דו חמצני לפחמן אורגני, והנשימה מחזירה את הפחמן האורגני בחזרה לגז פחמן דו חמצני. אחסון לטווח ארוך של פחמן אורגני מתרחש כאשר חומר מאורגניזמים חיים קבור עמוק מתחת לאדמה והופך למאובן. פעילות וולקנית ולאחרונה פליטות אנושיות מחזירות את הפחמן המאוחסן הזה למחזור הפחמן. (קרדיט: שינוי עבודות מאת ג'ון מ 'אוונס והווארד פרלמן, USGS)

מחזור הפחמן הביולוגי

אורגניזמים חיים מחוברים בדרכים רבות, אפילו בין מערכות אקולוגיות. דוגמה טובה לקשר זה היא חילופי פחמן בין הטרוטרופים ואוטוטרופים בתוך ובין מערכות אקולוגיות באמצעות פחמן דו חמצני אטמוספרי. פחמן דו חמצני הוא אבן הבניין הבסיסית בה משתמשים האוטוטרופים לבניית תרכובות מרובות פחמן בעלות אנרגיה גבוהה, כגון גלוקוז. האנרגיה הרתומה מהשמש משמשת אורגניזמים אלה ליצירת הקשרים הקוולנטיים המקשרים אטומי פחמן זה לזה. קשרים כימיים אלה אוגרים אנרגיה זו לשימוש מאוחר יותר בתהליך הנשימה. _{^{רוב האוטוטרופים היבשתיים משיגים את הפחמן הדו חמצני שלהם ישירות מהאטמוספירה, בעוד שאוטוטרופים ימיים רוכשים אותו בצורה מומסת (חומצה פחמנית, HCO 3 -).}} עם זאת הפחמן הדו חמצני נרכש, תוצר לוואי של קיבוע פחמן בתרכובות אורגניות הוא חמצן. אורגניזמים פוטוסינתטיים אחראים לשמירה על כ -21 אחוז מתכולת החמצן באטמוספירה שאנו צופים בה כיום.

השותפים בחילופי פחמן ביולוגי הם ההטרוטרופים (במיוחד הצרכנים העיקריים, בעיקר אוכלי עשב). הטרוטרופים רוכשים את תרכובות הפחמן בעלות האנרגיה הגבוהה מהאוטוטרופים על ידי צריכתם ופירוקם על ידי נשימה כדי להשיג אנרגיה תאית, כגון ATP. סוג הנשימה היעיל ביותר, נשימה אירובית, דורש חמצן המתקבל מהאטמוספירה או מומס במים. לפיכך, יש חילופי מתמיד של חמצן ופחמן דו חמצני בין האוטוטרופים (הזקוקים לפחמן) לבין ההטרוטרופים (הזקוקים לחמצן). אוטוטרופים גם נושמים וצורכים את המולקולות האורגניות שהם יוצרים: שימוש בחמצן ושחרור פחמן דו חמצני. הם משחררים יותר גז חמצן כתוצר פסולת של פוטוסינתזה מאשר הם משתמשים לנשימה שלהם; לכן, יש עודף זמין לנשימה של אורגניזמים אירוביים אחרים. חילופי גזים דרך האטמוספירה והמים היא אחת הדרכים שבהן מחזור הפחמן מחבר את כל האורגניזמים החיים על פני כדור הארץ.

מחזור הפחמן הביוגיאוכימי

תנועת הפחמן דרך היבשה, המים והאוויר מורכבת, ובמקרים רבים היא מתרחשת הרבה יותר לאט מבחינה גיאולוגית מאשר התנועה בין אורגניזמים חיים. פחמן מאוחסן לתקופות ארוכות במה שמכונה מאגרי פחמן, הכוללים את האטמוספירה, גופי מים נוזליים (בעיקר אוקיינוסים), משקעי אוקיינוס, אדמה, סלעים (כולל דלקים מאובנים) ופנים כדור הארץ.

כאמור, האטמוספירה היא מאגר עיקרי של פחמן בצורה של פחמן דו חמצני החיוני לתהליך הפוטוסינתזה. רמת הפחמן הדו-חמצני באטמוספרה מושפעת מאוד ממאגר הפחמן באוקיינוסים. חילופי הפחמן בין האטמוספירה למאגרי המים משפיעים על כמות הפחמן שנמצא בכל אחד מהם, וכל אחד מהם משפיע על השני באופן הדדי. פחמן דו חמצני (CO ₂) מהאטמוספירה מתמוסס במים ובניגוד לחמצן וגז חנקן, מגיב עם מולקולות מים ליצירת תרכובות יוניות. חלק מהיונים הללו משתלבים עם יוני סידן במי הים ויוצרים סידן פחמתי (CaCO ₃), מרכיב עיקרי בקליפות של אורגניזמים ימיים. אורגניזמים אלה יוצרים בסופו של דבר משקעים על קרקעית האוקיינוס. לאורך זמן גיאולוגי, הסידן פחמתי יוצר אבן גיר, המהווה את מאגר הפחמן הגדול ביותר על פני כדור הארץ.

ביבשה, פחמן מאוחסן באדמה כפחמן אורגני כתוצאה מפירוק אורגניזמים חיים או מבליה של סלע יבשתי ומינרלים. עמוק יותר מתחת לאדמה, ביבשה ובים, נמצאים דלקים מאובנים, שרידים מפורקים אנאירוביים של צמחים שלוקח מיליוני שנים להיווצר. דלקים מאובנים נחשבים למשאב שאינו מתחדש מכיוון שהשימוש בהם עולה בהרבה על קצב היווצרותם. משאב שאינו מתחדש מתחדש לאט מאוד או בכלל לא. דרך נוספת לפחמן להיכנס לאטמוספירה היא מהיבשה (כולל אדמה מתחת לפני האוקיאנוס) על ידי התפרצות הרי געש ומערכות גיאותרמיות אחרות. משקעי פחמן מקרקעית האוקיינוס נלקחים עמוק בתוך כדור הארץ בתהליך ההכנעה: תנועת לוח טקטוני אחד מתחת לאחר. פחמן משתחרר כפחמן דו חמצני כאשר הר געש מתפרץ או מפתחי אוורור הידרותרמיים וולקניים.

פחמן דו חמצני מתווסף לאטמוספירה גם על ידי שיטות גידול בעלי החיים של בני אדם. המספר הגדול של חיות היבשה שגדלו כדי להאכיל את אוכלוסיית האדם ההולכת וגדלה של כדור הארץ מביא לעלייה ברמות הפחמן הדו-חמצני באטמוספירה הנגרמת על ידי נשימתם. זוהי דוגמה נוספת לאופן שבו הפעילות האנושית משפיעה בעקיפין על מחזורים ביוגיאוכימיים בצורה משמעותית. למרות שחלק ניכר מהוויכוח על ההשפעות העתידיות של הגדלת הפחמן האטמוספרי על שינויי האקלים מתמקד בדלקים מאובנים, מדענים לוקחים בחשבון תהליכים טבעיים, כגון הרי געש, צמיחת צמחים, רמות פחמן בקרקע ונשימה, כשהם מדגמים ומנבאים את ההשפעה העתידית של עלייה זו.

מחזור החנקן

הכנסת חנקן לעולם החי קשה. צמחים ופיטופלנקטון אינם מצוידים לשלב חנקן מהאטמוספירה (הקיים כ- N ₂ קוולנטי משולש) למרות שמולקולה זו מהווה כ -78 אחוז מהאטמוספירה. _{חנקן נכנס לעולם החי באמצעות חיידקים חיים חופשיים וסימביוטיים, המשלבים חנקן במקרומולקולות שלהם באמצעות קיבוע חנקן (המרה של N 2).} ציאנובקטריה חיה ברוב המערכות האקולוגיות המימיות בהן קיים אור השמש; הם ממלאים תפקיד מפתח בקיבוע החנקן. ציאנובקטריה מסוגלת להשתמש במקורות אורגניים של חנקן כדי "לתקן" חנקן. חיידקי Rhizobium חיים באופן סימביוטי בגושי השורש של הקטניות (כגון אפונה, שעועית ובוטנים) ומספקים להם את החנקן האורגני הדרוש להם. חיידקים חיים חופשיים, כמו אזוטובקטר, הם גם מקבעי חנקן חשובים.

חנקן אורגני חשוב במיוחד לחקר הדינמיקה של המערכת האקולוגית שכן תהליכים רבים של המערכת האקולוגית, כגון ייצור ראשוני ופירוק, מוגבלים על ידי אספקת החנקן הזמינה. כפי שמוצג באיור\(\PageIndex{4}\), החנקן שנכנס למערכות חיות על ידי קיבוע חנקן הופך בסופו של דבר מחנקן אורגני בחזרה לגז חנקן על ידי חיידקים. תהליך זה מתרחש בשלושה שלבים במערכות יבשתיות: אמוניפיקציה, ניטריפיקציה ודניטריפיקציה. ראשית, תהליך האמוניפיקציה ממיר פסולת חנקנית מבעלי חיים חיים או משרידי בעלי חיים מתים לאמוניום (NH ₄ ⁺) על ידי חיידקים ופטריות מסוימים. שנית, אמוניום זה הופך לאחר מכן לניטריטים (NO ₂ ^-) על ידי חיידקים מחנקים, כגון Nitrosomonas, באמצעות ניטריפיקציה. לאחר מכן, ניטריטים מומרים לחנקות (NO ₃ ^-) על ידי אורגניזמים דומים. לבסוף, מתרחש תהליך הדניטריפיקציה, לפיו חיידקים, כגון Pseudomonas ו- Clostridium, ממירים את החנקות לגז חנקן, ובכך מאפשרים לו להיכנס מחדש לאטמוספירה.

חיבור אמנות

האיור מציג את מחזור החנקן. גז חנקן מהאטמוספירה מקובע לחנקן אורגני על ידי חיידקים מקבעים חנקן. חנקן אורגני זה נכנס לקורי מזון יבשתיים. הוא משאיר את קורי המזון כפסולת חנקנית באדמה. אמוניפיקציה של פסולת חנקנית זו על ידי חיידקים ופטריות בקרקע ממירה את החנקן האורגני ליון אמוניום (NH4 פלוס). אמוניום מומר לניטריט (NO2 מינוס), ולאחר מכן לחנקה (NO3 מינוס) על ידי חיידקים מחנקים. חיידקים דוחים ממירים את החנקה בחזרה לגז חנקן, שנכנס שוב לאטמוספירה. חנקן מנגר ודשנים נכנס לאוקיינוס, שם הוא נכנס לקורי מזון ימיים. חלק מהחנקן האורגני נופל לקרקעית האוקיינוס כמשקעים. חנקן אורגני אחר באוקיינוס מומר ליוני ניטריט וחנקה, אשר מומרים לאחר מכן לגז חנקן בתהליך מקביל לזה המתרחש ביבשה. — **איור\(\PageIndex{4}\):** חנקן נכנס לעולם החי מהאטמוספירה דרך חיידקים מקבעים חנקן. חנקן ופסולת חנקנית זו מבעלי חיים מעובדת לאחר מכן בחזרה לחנקן גזי על ידי חיידקי אדמה, המספקים גם לקורי מזון יבשתיים את החנקן האורגני הדרוש להם. (קרדיט: שינוי עבודות מאת ג'ון מ 'אוונס והווארד פרלמן, USGS)

איזו מהמשפטים הבאים לגבי מחזור החנקן שגויה?

^{אמוניפיקציה ממירה חומר חנקני אורגני מאורגניזמים חיים לאמוניום (NH ₄ +).}
_{דניטריפיקציה על ידי חיידקים ממירה חנקות (NO ₃ ^-) לגז חנקן (N 2).}
^{ניטריפיקציה על ידי חיידקים ממירה חנקות (NO ₃ ^-) לניטריטים (NO ₂ -).}
חיידקים מקבעים חנקן ממירים גז חנקן (N ₂) לתרכובות אורגניות.

פעילות אנושית יכולה לשחרר חנקן לסביבה בשני אמצעים עיקריים: בעירה של דלקים מאובנים, המשחררים תחמוצות חנקן שונות, ועל ידי שימוש בדשנים מלאכותיים (המכילים תרכובות חנקן וזרחן) בחקלאות, שנשטפים לאחר מכן לאגמים, נחלים ונהרות על ידי נגר עילי. חנקן אטמוספרי (מלבד N ₂) קשור למספר השפעות על המערכות האקולוגיות של כדור הארץ, כולל ייצור גשם חומצי (כחומצה חנקתית, HNO ₃) והשפעות גזי חממה (כמו תחמוצת החנקן, N ₂ O), שעלולות לגרום לשינויי אקלים. השפעה עיקרית מנגר דשנים היא אטרופיקציה של מים מלוחים ומים מתוקים, תהליך שבו נגר תזונתי גורם לצמיחת יתר של אצות ולמספר בעיות תוצאתיות.

תהליך דומה מתרחש במחזור החנקן הימי, שבו תהליכי האמוניפיקציה, הניטריפיקציה והדניטריפיקציה מבוצעים על ידי חיידקים ימיים וארכיאה. חלק מחנקן זה נופל לקרקעית האוקיינוס כמשקעים, אשר לאחר מכן ניתן להעביר ליבשה בזמן גיאולוגי על ידי התרוממות פני כדור הארץ, ובכך לשלב 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. ^¹

מחזור הזרחן

זרחן הוא חומר מזין חיוני לתהליכי חיים; זהו מרכיב עיקרי בחומצות גרעין ופוספוליפידים, וכסידן פוספט, מהווה את המרכיבים התומכים בעצמותינו. זרחן הוא לעתים קרובות החומר התזונתי המגביל (הכרחי לצמיחה) במערכות אקולוגיות מימיות, במיוחד מים מתוקים.

זרחן מופיע בטבע כיון הפוספט (PO ₄ ^3-). בנוסף לנגר פוספט כתוצאה מפעילות אנושית, נגר טבעי על פני השטח מתרחש כאשר הוא נשטף מסלע המכיל פוספט על ידי בליה, ובכך שולח פוספטים לנהרות, אגמים ואוקיינוס. מקורו של סלע זה 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\(\PageIndex{5}\))

זרחן מוחלף גם באופן הדדי בין פוספט המומס באוקיינוס לבין אורגניזמים ימיים. תנועת הפוספט מהאוקיאנוס ליבשה ודרך האדמה איטית ביותר, כאשר ליון הפוספט הממוצע הוא בעל זמן מגורים אוקיאני בין 20,000 ל 100,000 שנה.

האיור מציג את מחזור הזרחן. זרחן נכנס לאטמוספירה מאירוסולים וולקניים. כאשר אירוסול זה יורד לכדור הארץ, הוא נכנס לקורי מזון יבשתיים. חלק מהזרחן מארגי מזון יבשתיים מתמוסס בנחלים ובאגמים, והשאר נכנס לאדמה. מקור נוסף לזרחן הוא דשנים. זרחן נכנס לאוקיינוס באמצעות שטיפה ונגר, שם הוא מתמוסס במי האוקיינוס או נכנס לקורי מזון ימיים. חלק מהזרחן נופל לקרקעית האוקיינוס שם הוא הופך למשקעים. אם מתרחשת התרוממות רוח, משקע זה יכול לחזור ליבשה. — **איור\(\PageIndex{5}\):** בטבע, זרחן קיים כיון הפוספט (PO ₄ ^3-). בליה של סלעים ופעילות וולקנית משחררת פוספט לאדמה, למים ולאוויר, שם הוא הופך לזמין לקורי מזון יבשתיים. פוספט נכנס לאוקיינוסים בנגר עילי, זרימת מי תהום וזרימת נהר. פוספט מומס במחזורי מי האוקיינוס לתוך קורי מזון ימיים. חלק מהפוספט מארגי המזון הימיים נופל לקרקעית האוקיינוס, שם הוא יוצר משקעים. (קרדיט: שינוי עבודות מאת ג'ון מ 'אוונס והווארד פרלמן, USGS)

עודף זרחן וחנקן הנכנסים למערכות אקולוגיות אלו מנגר דשנים ומביוב גורמים לצמיחה מוגזמת של אצות. המוות והריקבון שלאחר מכן של אורגניזמים אלה מדלדל את החמצן המומס, מה שמוביל למותם של אורגניזמים מימיים, כמו רכיכות ודגי סנפיר. תהליך זה אחראי לאזורים מתים באגמים ובפיות נהרות מרכזיים רבים ולהרג דגים מסיבי, המתרחש לעתים קרובות במהלך חודשי הקיץ (ראה איור\(\PageIndex{6}\)).

מפת העולם מציגה אזורים שבהם מתרחשים אזורים מתים. אזורים מתים נמצאים לאורך החוף המזרחי והמערבי של ארצות הברית, בים הצפוני והים התיכון, ומול החוף המזרחי של אסיה. — **איור\(\PageIndex{6}\):** אזורים מתים מתרחשים כאשר זרחן וחנקן מדשנים גורמים לצמיחה מוגזמת של מיקרואורגניזמים, מה שמדלדל חמצן והורג את החי. ברחבי העולם, אזורים מתים גדולים נמצאים באזורים בעלי צפיפות אוכלוסין גבוהה. (קרדיט: רוברט סימון, ג'סי אלן, מצפה כדור הארץ של נאס"א)

אזור מת הוא אזור באגמים ובאוקיינוסים ליד פיות נהרות שבהם שטחים גדולים מתרוקנים מעת לעת מהצומח ובעלי החיים הרגילים שלהם; אזורים אלה יכולים להיגרם כתוצאה מהאוטרופיקציה, שפיכת נפט, השלכת כימיקלים רעילים ופעילויות אנושיות אחרות. מספר האזורים המתים גדל במשך מספר שנים, ויותר מ -400 אזורים אלה היו נוכחים החל משנת 2008. אחד האזורים המתים הגרועים ביותר הוא מול חופי ארצות הברית במפרץ מקסיקו: נגר דשנים מאגן נהר המיסיסיפי יצר אזור מת של מעל 8,463 קילומטרים רבועים. נגר פוספט וחנקה מדשנים משפיע לרעה גם על מספר מערכות אקולוגיות של אגם ומפרץ, כולל מפרץ צ'ספיק במזרח ארצות הברית.

קריירה בפעולה: מפרץ צ'ספיק

תמונת לווין מראה את מפרץ צ'ספיק. Inset הוא תצלום של גבר אוחז בגוש צדפות. — **איור\(\PageIndex{7}\):** 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)

מפרץ צ'ספיק (איור \(\PageIndex{7}\) א) הוא אחד האזורים הנופים ביותר על פני כדור הארץ; הוא נמצא כעת במצוקה ומוכר כמקרה מקרה של מערכת אקולוגית בירידה. בשנות השבעים, מפרץ צ'ספיק היה אחת המערכות האקולוגיות המימיות הראשונות שזיהו אזורים מתים, שממשיכים להרוג דגים רבים ומינים השוכנים בתחתית כגון צדפות, צדפות ותולעים. כמה מינים ירדו במפרץ צ'ספיק מכיוון שנגר מים עיליים מכיל עודפי חומרים מזינים משימוש בדשן מלאכותי 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 בודדים.

מעניינת במיוחד את אנשי השימור היא אוכלוסיית הצדפות (איור \(\PageIndex{7}\) ב); ההערכה היא כי יותר מ -200,000 דונם של שוניות צדפות התקיימו 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 נגרמה לא רק מנגר דשנים ואזורים מתים, אלא גם בגלל קציר יתר. צדפות דורשות צפיפות אוכלוסייה מינימלית מסוימת מכיוון שהן חייבות להיות בסמיכות כדי להתרבות. הפעילות האנושית שינתה את אוכלוסיית הצדפות ואת מיקומי הצדפות, ובכך שיבשה 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 שהצדפות גם מנקות את המפרץ. הם מזינים מסננים, וכאשר הם אוכלים, הם מנקים את המים סביבם. מזיני סינון אוכלים על ידי שאיבת זרם מים רציף על נספחים מחולקים דק (זימים במקרה של צדפות) ולכידת פרוקריוטים, פלנקטון וחלקיקים אורגניים עדינים בריר שלהם. 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 כמו 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 של וירג'יניה ודלאוור לנקות ולשחזר את המפרץ 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 למקרומולקולות של יצורים חיים. כחלק מחומצת האמינו ציסטאין, הוא מעורב ביצירת חלבונים. כפי שמוצג באיור\(\PageIndex{8}\), 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, בליית סלעים ופתחי אוורור גיאותרמיים (איור). \(\PageIndex{9}\) 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).

בתצלום נראה תלולית לבנה בצורת פירמידה עם אדים אפורים הנמלטים ממנה. — **איור\(\PageIndex{9}\):** בפתח הגופרית הזה בפארק הלאומי הוולקני לאסן בצפון מזרח קליפורניה, מרבצי הגופרית הצהבהבים נראים ליד פתח האוורור. (אשראי: "Calbear22"/ויקימדיה Commons)

גופרית נכנסת לאוקיינוס בנגר מהיבשה, מנפילה אטמוספרית ומפתחי אוורור גיאותרמיים מתחת למים. מערכות אקולוגיות מסוימות מסתמכות על כימואוטוטרופים המשתמשים בגופרית כמקור אנרגיה ביולוגי. 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, במיוחד מפחם, משחררת כמויות גדולות יותר של גז מימן גופרתי לאטמוספירה. כאשר גשם יורד דרך גז זה, הוא יוצר את התופעה המכונה גשם חומצי, הפוגע בסביבה הטבעית על ידי הורדת ה- pH של אגמים, ובכך הורג רבים מהצמחים ובעלי החיים התושבים. גשם חומצי הוא גשם מאכל הנגרם על ידי מי גשמים הנופלים לקרקע דרך גז דו תחמוצת הגופרית, והופכים אותם לחומצה גופרתית חלשה, הגורמת נזק למערכות אקולוגיות מימיות. גשם חומצי משפיע גם על הסביבה מעשה ידי אדם באמצעות השפלה כימית של מבנים. לדוגמה, אנדרטאות שיש רבות, כמו אנדרטת לינקולן בוושינגטון הבירה, ספגו נזק משמעותי מגשם חומצי לאורך השנים. דוגמאות אלה מראות את ההשפעות הרחבות של פעילויות אנושיות על הסביבה שלנו ואת האתגרים שנותרו לעתידנו.

סיכום המדור

חומרים מזינים מינרליים עוברים במחזוריות דרך מערכות אקולוגיות וסביבתן. חשיבות מיוחדת הם מים, פחמן, חנקן, זרחן וגופרית. לכל המחזורים הללו יש השפעות גדולות על מבנה ותפקוד המערכת האקולוגית. מכיוון שפעילות אנושית גרמה להפרעות גדולות במחזורים אלה, המחקר והדוגמנות שלהם חשובים במיוחד. מערכות אקולוגיות נפגעו ממגוון פעילויות אנושיות המשנות את המחזורים הביוגיאוכימיים הטבעיים עקב זיהום, דליפות נפט ואירועים הגורמים לשינויי אקלים עולמיים. בריאות הביוספרה תלויה בהבנת המחזורים הללו וכיצד להגן על הסביבה מפני נזק בלתי הפיך.

חיבורי אמנות

איור\(\PageIndex{4}\): איזו מהמשפטים הבאים לגבי מחזור החנקן שגויה?

^{אמוניפיקציה ממירה חומר חנקני אורגני מאורגניזמים חיים לאמוניום (NH ₄ +).}
_{ב דניטריפיקציה על ידי חיידקים ממירה חנקות (NO ₃ ^-) לגז חנקן (N 2).}
^{ג ניטריפיקציה על ידי חיידקים ממירה חנקות (NO ₃ ^-) לניטריטים (NO ₂ -).}
ד חיידקים מקבעים חנקן ממירים גז חנקן (N ₂) לתרכובות אורגניות.

תשובה: ^{C: ניטריפיקציה על ידי חיידקים ממירה חנקות (NO ₃ ^-) לניטריטים (NO ₂ -).}

הערות שוליים

1 סקוט ל 'מורפורד, בנג'מין ז 'הולטון ורנדי א' דהלגרן, "הגדלת אחסון פחמן וחנקן של מערכת אקולוגית ביער מסלע עשיר בחנקן", טבע 477, מס' 7362 (2011): 78—81.

רשימת מילים

גשם חומצי: גשם מאכל הנגרם על ידי מי גשמים המתערבבים עם גז דו תחמוצת הגופרית כשהם נופלים באטמוספירה, והופכים אותם לחומצה גופרתית חלשה, וגורמים נזק למערכות אקולוגיות מימיות

מחזור ביוגיאוכימי: מחזוריות של מינרלים וחומרים מזינים דרך העולם הביוטי והאביוטי

אזור מת: אזור באגם ובאוקיינוס ליד פיות נהרות שבהם שטחים גדולים מתרוקנים מהצומח ובעלי החיים הרגילים שלהם; אזורים אלה יכולים להיגרם על ידי אאוטרופיקציה, שפיכות נפט, השלכת כימיקלים רעילים ופעילויות אנושיות אחרות

האוטרופיקציה: התהליך שבו נגר תזונתי גורם לצמיחה עודפת של מיקרואורגניזמים וצמחים במערכות מימיות

נשורת: שקיעה ישירה של מינרלים מוצקים ביבשה או באוקיינוס מהאטמוספירה

הידרוספרה: אזור כדור הארץ בו קיימים מים, כולל האטמוספירה המכילה אדי מים והאזור שמתחת לאדמה המכיל מי תהום

משאב שאינו מתחדש: משאב, כמו דלק מאובנים, שמתחדש לאט מאוד או בכלל לא

כניעה: התנועה של צלחת טקטונית אחת מתחת לאחרת

תורמים וייחוסים

Template:ContribOpenStaxConcepts