Skip to main content
Global

20.2: Mzunguko wa Biogeochemical

  1. Last updated
  2. Save as PDF
  • Page ID
    174093

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

    Nishati inapita kwa njia ya mazingira, kuingia kama jua (au molekuli isokaboni kwa chemoautotrophs) na kuacha kama joto wakati wa uhamisho kati ya viwango vya trophic. Badala ya kuzunguka kwa njia ya mazingira, jambo linalofanya viumbe hai linahifadhiwa na kurekebishwa tena. Vipengele sita vya kawaida vinavyohusishwa na molekuli za kikaboni-kaboni, nitrojeni, hidrojeni, oksijeni, fosforasi, na sulfuri-huchukua aina mbalimbali za kemikali na zinaweza kuwepo kwa muda mrefu katika anga, kwenye ardhi, katika maji, au chini ya uso wa Dunia. Michakato ya kijiolojia, kama vile hali ya hewa, mmomonyoko wa maji, mifereji ya maji, na subduction ya sahani za bara, wote wana jukumu katika baiskeli ya mambo duniani. Kwa sababu jiolojia na kemia zina majukumu makubwa katika utafiti wa mchakato huu, kuchakata jambo isokaboni kati ya viumbe hai na mazingira yao yasiyo hai huitwa mzunguko wa biogeochemical.

    Maji, ambayo yana hidrojeni na oksijeni, ni muhimu kwa michakato yote ya maisha. Hydrosphere ni eneo la Dunia ambako mwendo wa maji na kuhifadhi hutokea: kama maji ya maji juu ya uso (mito, maziwa, bahari) na chini ya uso (chini ya ardhi) au barafu, (kofia za barafu za polar na barafu), na kama mvuke wa maji katika angahewa. Kaboni hupatikana katika macromolecules zote za kikaboni na ni sehemu muhimu ya mafuta ya mafuta. Nitrogen ni sehemu kubwa ya asidi yetu ya nucleic na protini na ni muhimu kwa kilimo cha binadamu. Phosphorus, sehemu kubwa ya asidi nucleic, ni moja ya viungo kuu (pamoja na nitrojeni) katika mbolea bandia kutumika katika kilimo, ambayo ina athari za mazingira juu ya uso wetu maji. Sulfuri, muhimu kwa kupunja tatu-dimensional ya protini (kama katika kumfunga disulfide), hutolewa katika anga kwa kuchomwa kwa mafuta ya mafuta.

    Baiskeli ya mambo haya yanaunganishwa. Kwa mfano, harakati za maji ni muhimu kwa leaching ya nitrojeni na phosphate katika mito, maziwa, na bahari. Bahari pia ni hifadhi kubwa ya kaboni. Hivyo, madini virutubisho ni cycled, ama haraka au polepole, kwa njia ya biosphere nzima kati ya dunia biotic na abiotic na kutoka viumbe hai moja hadi nyingine.

    Mzunguko wa Maji

    Maji ni muhimu kwa michakato yote ya maisha. Mwili wa binadamu ni zaidi ya nusu ya maji na seli za binadamu ni zaidi ya asilimia 70 ya maji. Hivyo, wanyama wengi wa ardhi wanahitaji ugavi wa maji safi ili kuishi. Kati ya maduka ya maji duniani, asilimia 97.5 ni maji ya chumvi (Kielelezo\(\PageIndex{1}\)). Kati ya maji yaliyobaki, asilimia 99 imefungwa kama maji ya chini ya ardhi au barafu. Hivyo, chini ya asilimia moja ya maji safi yapo katika maziwa na mito. Vitu vingi vilivyo hai vinategemea kiasi hiki kidogo cha maji safi ya uso, ukosefu wa ambayo inaweza kuwa na athari muhimu kwenye mienendo ya mazingira. Binadamu, bila shaka, wamejenga teknolojia za kuongeza upatikanaji wa maji, kama vile kuchimba visima ili kuvuna maji ya chini, kuhifadhi maji ya mvua, na kutumia usafishaji wa maji ili kupata maji ya kunywa kutoka baharini. Ingawa harakati hii ya maji ya kunywa imekuwa ikiendelea katika historia ya binadamu, ugavi wa maji safi unaendelea kuwa suala kubwa katika nyakati za kisasa.

    Chati ya pai inaonyesha kwamba asilimia 97.5 za maji duniani, au kilomita 1,365,000,000 zilizobiwa, ni maji ya chumvi. Asilimia 2.5 iliyobaki, au kilomita 35,000,000 cubed, ni maji safi. Kati ya maji safi, asilimia 68.9 huhifadhiwa kwenye barafu au kifuniko cha theluji cha kudumu, na asilimia 30.8 ni maji ya chini (unyevu wa udongo, maji ya mvua, permafrost). Asilimia 0.3 iliyobaki iko katika maziwa na mito.
    Kielelezo\(\PageIndex{1}\): Asilimia 2.5 tu ya maji duniani ni maji safi, na chini ya asilimia 1 ya maji safi hupatikana kwa urahisi kwa vitu vilivyo hai.

    Michakato mbalimbali ambayo hutokea wakati wa baiskeli ya maji ni mfano katika Kielelezo\(\PageIndex{2}\). Michakato ni pamoja na yafuatayo:

    • uvukizi na usaidizi
    • condensation na mvua
    • subsurface mtiririko wa maji
    • kurudiwa uso na snowmelt
    • mtiririko

    Mzunguko wa maji unaendeshwa na nishati ya Jua jinsi inavyopunguza bahari na maji mengine ya uso. Hii inasababisha uvukizi (maji hadi mvuke wa maji) wa maji ya uso wa kioevu na usawazishaji (barafu hadi mvuke wa maji) wa maji waliohifadhiwa, hivyo kusonga kiasi kikubwa cha maji ndani ya angahewa kama mvuke wa maji. Baada ya muda, mvuke huu wa maji hukondosha ndani ya mawingu kama matone ya kiowevu au yaliyohifadhiwa na hatimaye husababisha mvua (mvua au theluji), ambayo inarudi maji kwenye uso wa Dunia. Mvua inayofikia uso wa Dunia inaweza kuenea tena, inapita juu ya uso, au percolate ndani ya ardhi. Kuzingatiwa kwa urahisi ni kurudiwa kwa uso: mtiririko wa maji safi ama kutokana na mvua au barafu la kuyeyuka. Runoff inaweza kufanya njia yake kupitia mito na maziwa hadi bahari au kutiririka moja kwa moja hadi bahari wenyewe.

    Katika mazingira mengi ya asili duniani mvua hukutana na mimea kabla ya kufikia uso wa udongo. Asilimia kubwa ya maji hupuka mara moja kutoka kwenye nyuso za mimea. Nini kilichoachwa kinafikia udongo na huanza kusonga chini. Runoff ya uso itatokea tu ikiwa udongo unakuwa umejaa maji katika mvua kubwa. Maji mengi katika udongo yatachukuliwa na mizizi ya mimea. Mti huu utatumia baadhi ya maji haya kwa kimetaboliki yake mwenyewe, na baadhi ya hayo yatapata njia yake katika wanyama wanaokula mimea, lakini sehemu kubwa yake yatapotea nyuma angahewa kupitia mchakato unaojulikana kama evapotranspiration. Maji huingia kwenye mfumo wa mishipa ya mmea kupitia mizizi na hupuka, au hutokea, kupitia stomata ya majani. Maji katika udongo ambayo hayachukuliwa na mmea na ambayo haina kuenea ina uwezo wa percolate ndani ya subsoil na bedrock. Hapa huunda maji ya chini.

    Maji ya chini ni hifadhi kubwa ya maji safi. Ipo katika pores kati ya chembe katika mchanga na changarawe, au katika fissures katika miamba. Maji ya chini ya ardhi ya kina hutiririka polepole kupitia pores hizi na fissures na hatimaye hupata njia yake kwenda mkondo au ziwa ambako inakuwa sehemu ya maji ya uso tena. Mito haipatikani kwa sababu hujazwa tena kutoka maji ya mvua moja kwa moja; hutiririka kwa sababu kuna uingiaji wa mara kwa mara kutoka chini ya ardhi chini. Baadhi ya maji ya chini hupatikana kirefu sana katika kitanda na inaweza kuendelea huko kwa miaka mingi. Mabwawa mengi ya chini ya ardhi, au maji ya maji, ni chanzo cha maji ya kunywa au umwagiliaji inayotengenezwa kupitia visima. Mara nyingi hizi maji ya maji yanapungua kwa kasi zaidi kuliko yanajazwa tena na maji yanayopungua kutoka juu.

    Mvua na kurudiwa kwa uso ni njia kuu ambazo madini, ikiwa ni pamoja na kaboni, nitrojeni, fosforasi, na sulfuri, husafirishwa kutoka ardhi hadi maji. Madhara ya mazingira ya kurudiwa yatajadiliwa baadaye kama mizunguko hii inavyoelezwa.

    Mchoro unaonyesha mzunguko wa maji. Maji huingia angahewa kwa njia ya uvukizi, uvukizi, usawazishaji, na mvuke ya volkeno. Uharibifu katika anga hugeuka mvuke wa maji ndani ya mawingu. Maji kutoka angahewa yanarudi duniani kwa njia ya mvua au uharibifu. Baadhi ya maji haya huingia ndani ya ardhi kuwa chini ya ardhi. Seepage, maji safi chemchem, na kupanda matumizi ya kurudi baadhi ya maji haya kwa uso. Maji yaliyobaki yanaingia ndani ya bahari. Maji yaliyobaki ya uso huingia mito na maziwa ya maji safi, ambapo hatimaye huingia baharini kupitia kurudiwa kwa uso. Baadhi ya maji huingia pia bahari kupitia matundu ya chini ya maji au volkano.
    Kielelezo\(\PageIndex{2}\): Maji kutoka nchi na bahari huingia katika anga kwa uvukizi au upungufu, ambapo hupungua ndani ya mawingu na huanguka kama mvua au theluji. Maji yaliyopunguzwa yanaweza kuingia miili ya maji safi au kuingia ndani ya udongo. Mzunguko umekamilika wakati uso au maji ya chini yanapoingia tena bahari. (mikopo: mabadiliko ya kazi na John M. Evans na Howard Perlman, USGS)

    Mzunguko wa kaboni

    Kaboni ni elementi ya nne tele zaidi katika viumbe hai. Kaboni iko katika molekuli zote za kikaboni, na jukumu lake katika muundo wa macromolecules ni muhimu sana kwa viumbe hai. Misombo ya kaboni huwa na nishati, na wengi wa misombo hii kutoka kwa mimea na mwani imebaki kuhifadhiwa kama kaboni fossilized, ambayo binadamu hutumia kama mafuta. Tangu miaka ya 1800, matumizi ya mafuta ya kisukuku yameharakisha. Kwa kuwa mahitaji ya kimataifa ya usambazaji mdogo wa mafuta ya kisukuku duniani yameongezeka tangu mwanzo wa Mapinduzi ya Viwandani, kiasi cha dioksidi kaboni katika anga yetu imeongezeka kadiri fueli zinazoteketezwa. Ongezeko hili la dioksidi kaboni limehusishwa na mabadiliko ya hali ya hewa na ni wasiwasi mkubwa wa mazingira duniani kote.

    Mzunguko wa kaboni unasomwa kwa urahisi zaidi kama mizunguko miwili iliyounganishwa: moja inashughulika na kubadilishana haraka kwa kaboni kati ya viumbe hai na nyingine inayohusika na baiskeli ya muda mrefu ya kaboni kupitia michakato ya kijiolojia. Mzunguko mzima wa kaboni umeonyeshwa kwenye Kielelezo\(\PageIndex{3}\).

    Mfano unaonyesha mzunguko wa kaboni. Kaboni huingia angahewa kama gesi ya dioksidi kaboni iliyotolewa kutokana na uzalishaji wa binadamu, kupumua na utengano, na uzalishaji wa volkeno. Dioksidi kaboni huondolewa kutoka angahewa na usanisinuru wa baharini na duniani. Carbon kutoka hali ya hewa ya miamba inakuwa kaboni ya udongo, ambayo baada ya muda inaweza kuwa kaboni ya kaboni. Kaboni huingia baharini kutoka nchi kupitia leaching na kurudiwa. Kuinua sediments ya bahari kunaweza kurudi kaboni kwa ardhi.
    Kielelezo\(\PageIndex{3}\): Gesi ya dioksidi kaboni ipo katika anga na hupasuka katika maji. Photosynthesis waongofu kaboni dioksidi gesi kwa kaboni hai, na kupumua mzunguko kaboni hai nyuma katika gesi dioksidi kaboni. Uhifadhi wa muda mrefu wa kaboni ya kikaboni hutokea wakati suala kutoka kwa viumbe hai linazikwa chini ya ardhi na inakuwa fossilized. Shughuli za volkeno na, hivi karibuni, uzalishaji wa binadamu huleta kaboni hii iliyohifadhiwa kwenye mzunguko wa kaboni. (mikopo: mabadiliko ya kazi na John M. Evans na Howard Perlman, USGS)

    Mzunguko wa kaboni ya Biolojia

    Viumbe hai vinaunganishwa kwa njia nyingi, hata kati ya mazingira. Mfano mzuri wa uhusiano huu ni kubadilishana kaboni kati ya heterotrofs na autotrophs ndani na kati ya mazingira kwa njia ya hewa dioksidi kaboni. Dioksidi kaboni ni kizuizi cha msingi ambacho autotrophs hutumia kujenga misombo mbalimbali ya kaboni, high-nishati, kama vile glucose. Nishati iliyounganishwa kutoka Jua hutumiwa na viumbe hivi kuunda vifungo vya covalent vinavyounganisha atomi za kaboni pamoja. Vifungo hivi vya kemikali huhifadhi nishati hii kwa matumizi ya baadaye katika mchakato wa kupumua. Wengi autotrophs duniani kupata carbon dioksidi yao moja kwa moja kutoka anga, wakati autotrophs baharini kupata katika fomu kufutwa (asidi kaboni, HCO 3 —). Hata hivyo, dioksidi kaboni inapatikana, matokeo ya kutengeneza kaboni katika misombo ya kikaboni ni oksijeni. Viumbe vya usanisanthetiki vinahusika na kudumisha takriban asilimia 21 ya maudhui ya oksijeni ya angahewa tunayoyaona leo.

    Washirika katika kubadilishana kaboni ya kibiolojia ni heterotrophs (hasa watumiaji wa msingi, kwa kiasi kikubwa herbivores). Heterotrofs hupata misombo ya kaboni ya juu-nishati kutoka kwa autotrophs kwa kuiteketeza na kuivunja chini kwa kupumua ili kupata nishati za mkononi, kama vile ATP. Aina ya ufanisi zaidi ya kupumua, kupumua kwa aerobic, inahitaji oksijeni iliyopatikana kutoka anga au kufutwa katika maji. Kwa hiyo, kuna kubadilishana mara kwa mara ya oksijeni na dioksidi kaboni kati ya autotrophs (ambayo inahitaji kaboni) na heterotrophs (ambayo inahitaji oksijeni). Autotrophs pia hupunguza na hutumia molekuli za kikaboni wanazounda: kutumia oksijeni na kutoa dioksidi kaboni. Wanatoa gesi zaidi ya oksijeni kama bidhaa taka ya usanisinuru kuliko wanavyotumia kwa kupumua kwao wenyewe; kwa hiyo, kuna ziada inayopatikana kwa kupumua kwa viumbe vingine vya aerobic. Kubadilishana gesi kupitia angahewa na maji ni njia moja ambayo mzunguko wa kaboni huunganisha viumbe hai vyote duniani.

    Biogeochemical Carbon Cycle

    Mwendo wa kaboni kupitia ardhi, maji, na hewa ni ngumu, na, mara nyingi, hutokea polepole zaidi kijiolojia kuliko mwendo kati ya viumbe hai. Kaboni huhifadhiwa kwa muda mrefu katika kile kinachojulikana kama hifadhi za kaboni, ambazo ni pamoja na anga, miili ya maji kiowevu (hasa bahari), mashapo ya bahari, udongo, miamba (ikiwa ni pamoja na fueli za kisukuku), na mambo ya ndani ya Dunia.

    Kama ilivyoelezwa, anga ni hifadhi kubwa ya kaboni katika mfumo wa dioksidi kaboni ambayo ni muhimu kwa mchakato wa usanisinuru. Kiwango cha dioksidi kaboni katika angahewa kinaathiriwa sana na hifadhi ya kaboni katika bahari. Kubadilishana kaboni kati ya anga na mabwawa ya maji huathiri kiasi gani cha kaboni kinachopatikana kila mmoja, na kila mmoja huathiri mwingine kwa usawa. Dioksidi kaboni (CO 2) kutoka anga hupasuka ndani ya maji na, tofauti na oksijeni na gesi ya nitrojeni, humenyuka na molekuli za maji ili kuunda misombo ya ionic. Baadhi ya ions hizi huchanganya na ioni za kalsiamu katika maji ya bahari ili kuunda carbonate ya kalsiamu (CaCO 3), sehemu kubwa ya maganda ya viumbe vya baharini. Viumbe hivi hatimaye huunda sediments kwenye sakafu ya bahari. Zaidi ya muda wa kijiolojia, calcium carbonate aina chokaa, ambayo inajumuisha kubwa kaboni hifadhi duniani.

    Kwenye ardhi kaboni huhifadhiwa katika udongo kama kaboni ya kikaboni kutokana na kuharibika kwa viumbe hai au kutokana na hali ya hewa ya mwamba na madini duniani. Chini chini ya ardhi, katika ardhi na baharini, ni mafuta ya mafuta, mabaki ya anaerobically iliyoharibika ya mimea ambayo huchukua mamilioni ya miaka kuunda. Fueli za kisukuku huhesabiwa kuwa rasilimali zisizo mbadala kwa sababu matumizi yao huzidi kiwango chao cha malezi. Rasilimali zisizo na mbadala zinaweza kurejeshwa polepole sana au sio kabisa. Njia nyingine ya kaboni kuingia angahewa ni kutoka nchi (ikiwa ni pamoja na ardhi chini ya uso wa bahari) kwa mlipuko wa volkano na mifumo mingine ya mvuke. Vipande vya kaboni kutoka sakafu ya bahari huchukuliwa ndani ya Dunia kwa mchakato wa subduction: harakati ya sahani moja ya tectonic chini ya mwingine. Carbon hutolewa kama dioksidi kaboni pale volkano inapopuka au kutoka kwenye matundu ya hydrothermal

    Dioksidi kaboni pia huongezwa kwa angahewa na mazoea ya ufugaji wa wanyama wa binadamu. Idadi kubwa ya wanyama wa ardhi waliofufuliwa kulisha idadi ya watu wanaoongezeka duniani husababisha kuongezeka kwa viwango vya dioksidi kaboni katika angahewa yanayosababishwa na kupumua kwao. Huu ni mfano mwingine wa jinsi shughuli za binadamu huathiri moja kwa moja mzunguko wa biogeochemical kwa njia muhimu. Ingawa sehemu kubwa ya mjadala kuhusu madhara ya baadaye ya kuongeza carbon anga juu ya mabadiliko ya hali ya hewa inalenga katika nishati fossils, wanasayansi kuchukua michakato ya asili, kama vile volkano, ukuaji wa mimea, viwango vya kaboni udongo, na kupumua, katika akaunti kama wao mfano na kutabiri athari ya baadaye ya ongezeko hili.

    Mzunguko wa nitrojeni

    Kupata nitrojeni katika ulimwengu ulio hai ni vigumu. Mimea na phytoplankton si vifaa kuingiza nitrojeni kutoka anga (ambayo ipo kama tightly bonded, mara tatu covalent N 2) hata kama molekuli hii inajumuisha takriban 78 asilimia ya anga. Nitrogen inaingia ulimwenguni hai kupitia bakteria ya bure na ya symbiotic, ambayo huingiza nitrojeni katika macromolecules yao kupitia naitrojeni fixation (uongofu wa N 2). Cyanobacteria huishi katika mazingira mengi ya majini ambako jua iko; wanafanya jukumu muhimu katika fixation ya nitrojeni. Cyanobacteria zinaweza kutumia vyanzo vya isokaboni vya nitrojeni ili “kurekebisha” nitrojeni. Bakteria ya Rhizobium huishi kwa usawa katika vidonda vya mizizi ya kunde (kama vile mbaazi, maharagwe, na karanga) na kuwapa nitrojeni ya kikaboni wanayohitaji. Bakteria ya kuishi bure, kama Azotobacter, pia ni muhimu fixers nitrojeni.

    Organic nitrojeni ni muhimu hasa kwa utafiti wa mienendo ya mazingira tangu michakato mingi ya mazingira, kama vile uzalishaji wa msingi na utengano, ni mdogo na ugavi inapatikana wa nitrojeni. Kama inavyoonekana katika Kielelezo\(\PageIndex{4}\), nitrojeni kwamba inaingia mifumo ya maisha na naitrojeni kuwabainishia hatimaye kubadilishwa kutoka nitrojeni hai nyuma katika gesi ya nitrojeni na bakteria. Utaratibu huu hutokea katika hatua tatu katika mifumo ya duniani: ammonification, nitrification, na denitrification. Kwanza, mchakato wa amonia hubadilisha taka ya nitrojeni kutoka kwa wanyama hai au kutoka kwa mabaki ya wanyama waliokufa kuwa amonia (NH 4 +) na bakteria fulani na fungi. Pili, amonia hii inabadilishwa kuwa nitriti (NO 2 -) na nitrifying bakteria, kama vile Nitrosomonas, kwa njia ya nitrification. Baadaye, nitriti hubadilishwa kuwa nitrati (NO 3 -) na viumbe sawa. Mwishowe, mchakato wa denitrification hutokea, ambapo bakteria, kama vile Pseudomonas na Clostridium, hubadilisha nitrati kuwa gesi ya nitrojeni, hivyo kuruhusu kuingia tena katika anga.

    UHUSIANO WA S

    Mfano unaonyesha mzunguko wa nitrojeni. Gesi ya nitrojeni kutoka angahewa imewekwa katika nitrojeni ya kikaboni na bakteria ya kurekebisha nitrojeni. Hii nitrojeni hai inaingia duniani utando chakula. Inaacha utando wa chakula kama taka za nitrojeni kwenye udongo. Amonification ya taka hii nitrojeni na bakteria na fungi katika udongo waongofu nitrojeni hai kwa ion amonia (NH4 plus). Amoniamu inabadilishwa kuwa nitriti (NO2 minus), kisha nitrate (NO3 minus) na bakteria ya nitrifying. Denitrifying bakteria kubadilisha nitrate nyuma katika gesi nitrojeni, ambayo reinters anga. Nitrogen kutoka kurudiwa na mbolea huingia bahari, ambako huingia kwenye webs za chakula cha baharini. Baadhi ya nitrojeni hai maporomoko kwa sakafu ya bahari kama sediment. Nyingine nitrojeni hai katika bahari ni waongofu na nitriti na nitrati ions, ambayo ni kisha kubadilishwa kwa gesi nitrojeni katika mchakato sawa na ile ambayo hutokea katika ardhi.
    Kielelezo\(\PageIndex{4}\): Nitrogen inaingia ulimwenguni hai kutoka anga kupitia bakteria ya kurekebisha nitrojeni. Hii nitrojeni na nitrojeni taka kutoka kwa wanyama ni kisha kusindika nyuma katika nitrojeni gesi na bakteria udongo, ambayo pia ugavi duniani utando chakula na nitrojeni hai wanahitaji. (mikopo: mabadiliko ya kazi na John M. Evans na Howard Perlman, USGS)

    Ni ipi kati ya taarifa zifuatazo kuhusu mzunguko wa nitrojeni ni uongo?

    1. Amonification hubadilisha suala la nitrojeni la kikaboni kutoka kwa viumbe hai ndani ya amonia (NH 4 +).
    2. Denitrification na bakteria hubadilisha nitrati (NO 3 -) kwa gesi ya nitrojeni (N 2).
    3. Nitrification na bakteria hubadilisha nitrati (NO 3 -) kuwa nitriti (NO 2 -).
    4. Bakteria ya kurekebisha nitrojeni kubadilisha gesi ya nitrojeni (N 2) katika misombo ya kikaboni.

    Shughuli za binadamu zinaweza kutolewa nitrojeni katika mazingira kwa njia mbili za msingi: mwako wa mafuta, ambayo hutoa oksidi tofauti za nitrojeni, na kwa matumizi ya mbolea bandia (ambazo zina misombo ya nitrojeni na fosforasi) katika kilimo, ambazo huwashwa ndani ya maziwa, mito, na mito na kurudiwa uso. Nitrojeni ya anga (isipokuwa N 2) inahusishwa na athari kadhaa katika mazingira ya dunia ikiwa ni pamoja na uzalishaji wa mvua asidi (kama asidi nitriki, HNO 3) na madhara ya gesi ya chafu (kama oksidi nitrous, N 2 O), uwezekano wa kusababisha hali ya hewa mabadiliko. Athari kubwa kutoka kurudiwa mbolea ni maji ya chumvi na maji safi eutrophication, mchakato ambapo virutubisho kurudiwa husababisha overgrowth ya mwani na idadi ya matatizo ya matokeo.

    Mchakato kama huo hutokea katika mzunguko wa nitrojeni ya baharini, ambapo michakato ya amonia, nitrification, na denitrification hufanyika na bakteria ya baharini na archaea. Baadhi ya nitrojeni hii iko kwa sakafu ya bahari kama sediment, ambayo inaweza kisha wakiongozwa na ardhi katika muda wa kijiolojia na kuinua ya uso wa dunia, na hivyo kuingizwa katika mwamba duniani. Ingawa harakati ya nitrojeni kutoka mwamba moja kwa moja kwenye mifumo ya maisha imekuwa kijadi kuonekana kama insignificant ikilinganishwa na nitrojeni fasta kutoka anga, utafiti wa hivi karibuni ulionyesha kuwa mchakato huu unaweza kweli kuwa muhimu na lazima iingizwe katika utafiti wowote wa mzunguko wa nitrojeni duniani. 1

    Mzunguko wa fosforasi

    Phosphorus ni virutubisho muhimu kwa ajili ya michakato ya maisha; ni sehemu kubwa ya asidi nucleic na phospholipids, na, kama kalsiamu phosphate, hufanya vipengele mkono wa mifupa yetu. Phosphorus mara nyingi ni virutubisho kikwazo (muhimu kwa ajili ya ukuaji) katika majini, hasa maji safi, mazingira.

    Phosphorus hutokea katika asili kama ion phosphate (PO 4 3-). Mbali na kurudiwa kwa phosphate kutokana na shughuli za binadamu, kurudiwa kwa uso wa asili hutokea wakati inakabiliwa na mwamba wa phosphate na hali ya hewa, na hivyo kutuma phosphates katika mito, maziwa, na bahari. Mwamba huu una asili yake katika bahari. Vipande vya bahari vyenye phosphate vinaunda hasa kutoka kwa miili ya viumbe vya bahari na kutoka kwa excretions yao. Hata hivyo, majivu ya volkeno, aerosoli, na vumbi vya madini vinaweza pia kuwa vyanzo muhimu vya phosphate. Sediment hii basi huhamishwa hadi nchi juu ya muda wa kijiolojia kwa kuinua uso wa dunia. (Kielelezo\(\PageIndex{5}\))

    Phosphorus pia inabadilishana kati ya phosphate kufutwa katika bahari na viumbe vya baharini. Harakati ya phosphate kutoka bahari hadi ardhi na kupitia udongo ni polepole sana, na ioni ya wastani ya phosphate ina muda wa makazi ya bahari kati ya miaka 20,000 na 100,000.

    Mfano unaonyesha mzunguko wa fosforasi. Phosphorus huingia katika anga kutoka kwa erosoli za volkeno. Kama aerosol hii inapita duniani, inaingia kwenye webs za chakula duniani. Baadhi ya fosforasi kutoka kwenye utando wa chakula duniani hupasuka katika mito na maziwa, na salio huingia kwenye udongo. Chanzo kingine cha fosforasi ni mbolea. Phosphorus inaingia bahari kupitia leaching na kurudiwa, ambapo inakuwa kufutwa katika maji ya bahari au inaingia katika webs chakula baharini. Baadhi ya fosforasi huanguka kwenye sakafu ya bahari ambako inakuwa sediment. Ikiwa kuinua hutokea, sediment hii inaweza kurudi kwenye ardhi.
    Kielelezo\(\PageIndex{5}\): Katika asili, fosforasi ipo kama ion phosphate (PO 4 3-). Hali ya hewa ya miamba na shughuli za volkeno hutoa phosphate ndani ya udongo, maji, na hewa, ambapo inakuwa inapatikana kwa webs ya chakula duniani. Phosphate inaingia bahari katika kurudiwa kwa uso, mtiririko wa maji ya chini, na mtiririko wa mto. Phosphate kufutwa katika mzunguko wa maji ya bahari katika webs chakula baharini. Baadhi ya phosphate kutoka utando wa chakula cha baharini huanguka kwenye sakafu ya bahari, ambako huunda sediment. (mikopo: mabadiliko ya kazi na John M. Evans na Howard Perlman, USGS)

    Fosforasi ya ziada na nitrojeni ambayo huingia katika mazingira haya kutokana na kurudiwa kwa mbolea na kutoka kwa maji taka husababisha ukuaji mkubwa wa mwani. Kifo baadae na kuoza kwa viumbe hivi hupunguza oksijeni iliyoharibika, ambayo inasababisha kifo cha viumbe vya majini, kama vile samakigamba na finfish. Utaratibu huu ni wajibu wa maeneo yaliyokufa katika maziwa na kwenye midomo ya mito mingi mikubwa na kwa samaki mkubwa unaua, ambayo mara nyingi hutokea wakati wa miezi ya majira ya joto (angalia Mchoro\(\PageIndex{6}\)).

    Ramani ya Dunia inaonyesha maeneo ambako maeneo yaliyokufa yanatokea. Kanda zilizokufa zipo kando ya pwani ya mashariki na magharibi ya Marekani, katika Bahari ya Kaskazini na Mediterranean, na pwani ya mashariki ya Asia.
    Kielelezo\(\PageIndex{6}\): Kanda zilizokufa hutokea wakati fosforasi na nitrojeni kutoka kwa mbolea husababisha ukuaji mkubwa wa microorganisms, ambayo hupunguza oksijeni na huua wanyama. Duniani kote, maeneo makubwa ya wafu hupatikana katika maeneo ya wiani mkubwa wa idadi ya watu. (mikopo: Robert Simmon, Jesse Allen, Observatory ya Dunia

    Eneo la wafu ni eneo katika maziwa na bahari karibu na midomo ya mito ambako maeneo makubwa hupungua mara kwa mara ya mimea na wanyama wao wa kawaida; maeneo haya yanaweza kusababishwa na eutrophication, kumwagika mafuta, kutupa kemikali za sumu, na shughuli nyingine za binadamu. Idadi ya maeneo yaliyokufa imeongezeka kwa miaka kadhaa, na zaidi ya 400 ya maeneo haya yalikuwepo kama ya mwaka 2008. Moja ya maeneo mabaya zaidi ya kufa ni mbali na pwani ya Marekani katika Ghuba ya Mexico: kurudiwa mbolea kutoka bonde la mto Mississippi iliunda eneo la wafu la maili za mraba zaidi ya 8,463. Phosphate na nitrate kurudiwa kutoka mbolea pia huathiri vibaya mazingira kadhaa ya ziwa na bay ikiwa ni pamoja na Bay ya Chesapeake mashariki mwa Marekani.

    KAZI KATIKA ACTION: Chesapeake Bay

    Satellite picha inaonyesha Chesapeake Bay. Inset ni picha ya mtu anayeshikilia kichaka cha oysters.
    Kielelezo\(\PageIndex{7}\): Hii (a) picha satellite inaonyesha Chesapeake Bay, mazingira walioathirika na phosphate na nitrate kurudiwa. A (b) mwanachama wa Jeshi Corps ya Wahandisi ana kichaka cha chaza kutumika kama sehemu ya juhudi chaza marejesho katika bay. (mikopo a: mabadiliko ya kazi na NASA/MODIS; mikopo b: mabadiliko ya kazi na Jeshi la Marekani)

    Bay ya Chesapeake (Kielelezo\(\PageIndex{7}\) a) ni mojawapo ya maeneo mazuri zaidi duniani; sasa iko katika dhiki na inatambuliwa kama utafiti wa kesi ya mazingira ya kupungua. Katika miaka ya 1970, Bay ya Chesapeake ilikuwa mojawapo ya mazingira ya kwanza ya majini kutambuliwa maeneo yaliyokufa, ambayo yanaendelea kuua samaki wengi na spishi za makao ya chini kama vile chaza, oysters, na minyoo. Spishi kadhaa zimepungua katika Bay ya Chesapeake kwa sababu kurudiwa kwa maji ya uso kuna virutubisho vingi kutokana na matumizi ya mbolea bandia kwenye ardhi. Chanzo cha mbolea (na maudhui ya juu ya nitrojeni na phosphate) sio tu kwa mazoea ya kilimo. Kuna maeneo mengi ya jirani ya miji na zaidi ya mito 150 na mito tupu ndani ya baharini ambayo hubeba mbolea kurudiwa kutoka lawns na bustani. Hivyo, kupungua kwa Bay ya Chesapeake ni suala ngumu na inahitaji ushirikiano wa sekta, kilimo, na wamiliki wa nyumba binafsi.

    Ya riba hasa kwa conservationists ni idadi ya chaza (Kielelezo\(\PageIndex{7}\) b); inakadiriwa kuwa zaidi ya ekari 200,000 za miamba ya chaza zilikuwepo katika bay katika miaka ya 1700, lakini idadi hiyo sasa imepungua kwa ekari 36,000 tu. Mavuno ya Oyster mara moja ilikuwa sekta kubwa kwa ajili ya Chesapeake Bay, lakini ulipungua 88 asilimia kati ya 1982 na 2007. Kushuka hii ilisababishwa si tu kwa kurudiwa mbolea na maeneo ya wafu, lakini pia kwa sababu ya overbrevening. Oysters zinahitaji wiani fulani wa kiwango cha chini cha idadi ya watu kwa sababu lazima iwe karibu sana na kuzaliana. Shughuli za kibinadamu zimebadilika idadi ya watu na maeneo ya oyster, hivyo kuharibu sana mazingira.

    Marejesho ya idadi ya chaza katika Bay ya Chesapeake imekuwa ikiendelea kwa miaka kadhaa na mafanikio mchanganyiko. Si tu kwamba watu wengi kupata oysters nzuri ya kula, lakini oysters pia kusafisha bay. Wao ni wafugaji wa chujio, na wanapokula, husafisha maji karibu nao. Filter feeders kula kwa kusukwa kuendelea mkondo wa maji juu ya appendages laini kugawanywa (gills katika kesi ya oysters) na kukamata prokaryotes, plankton, na chembe faini kikaboni katika kamasi zao. Katika miaka ya 1700, ilikadiriwa kuwa ilichukua siku chache tu kwa idadi ya watu wa oyster kuchuja kiasi chote cha bay. Leo, pamoja na mabadiliko ya hali ya maji, inakadiriwa kuwa idadi ya watu wa sasa itachukua karibu mwaka kufanya kazi hiyo hiyo.

    Jitihada za marejesho zimeendelea kwa miaka kadhaa na mashirika yasiyo ya faida kama vile Chesapeake Bay Foundation. Lengo la kurejesha ni kutafuta njia ya kuongeza wiani wa idadi ya watu hivyo oysters wanaweza kuzaliana kwa ufanisi zaidi. Aina nyingi za ugonjwa sugu (zilizotengenezwa katika Taasisi ya Sayansi ya Marine Virginia kwa Chuo cha William na Maria) sasa zinapatikana na zimetumika katika ujenzi wa miamba ya majaribio ya oyster. Juhudi za Virginia na Delaware kusafisha na kurejesha bay kuwa inakabiliwa kwa sababu sehemu kubwa ya uchafuzi wa mazingira kuingia bay linatokana na majimbo mengine, ambayo inasisitiza haja ya ushirikiano interstate kupata marejesho mafanikio.

    Matatizo mapya, yenye moyo wa oyster pia yamezalisha sekta mpya na yenye faida ya kiuchumi ya maji ya oyster-ambayo sio tu hutoa oysters kwa ajili ya chakula na faida, lakini pia ina faida kubwa ya kusafisha bay.

    Mzunguko wa sulfuri

    Sulfuri ni kipengele muhimu kwa macromolecules ya vitu vilivyo hai. Kama sehemu ya amino asidi cysteine, inashiriki katika malezi ya protini. Kama inavyoonekana katika Kielelezo\(\PageIndex{8}\), mizunguko sulfuri kati ya bahari, ardhi, na anga. Sulfuri ya anga inapatikana katika mfumo wa dioksidi sulfuri (SO 2), ambayo inaingia angahewa kwa njia tatu: kwanza, kutokana na kuharibika kwa molekuli za kikaboni; pili, kutokana na shughuli za volkeno na matundu ya mvuke; na, tatu, kutokana na kuchomwa kwa mafuta ya kisukuku na wanadamu.

    Mfano unaonyesha mzunguko wa sulfuri. Sulfuri inaingia angahewa kama dioksidi sulfuri (SO2) kupitia uzalishaji wa binadamu, utengano wa H2S, na mlipuko wa volkeno. Upepo na kuanguka kutoka anga hurudi sulfuri duniani, ambako huingia katika mazingira ya duniani. Sulfuri inaingia bahari kupitia kurudiwa, ambapo inakuwa kuingizwa katika mazingira ya baharini. Baadhi ya sulfuri ya baharini inakuwa pyrite, ambayo inakabiliwa na sediment. Ikiwa kuinua hutokea, pyrite huingia kwenye udongo na inabadilishwa kuwa sulfates ya udongo.
    Kielelezo\(\PageIndex{8}\): Sulfuri dioksidi kutoka anga inakuwa inapatikana kwa mazingira ya duniani na baharini wakati ni kufutwa katika precipitation kama asidi dhaifu sulfuriki au inapoanguka moja kwa moja duniani kama kuanguka. Hali ya hewa ya miamba pia hufanya sulfates inapatikana kwa mazingira ya duniani. Uharibifu wa viumbe hai hurudisha sulfates kwenye bahari, udongo, na angahewa. (mikopo: mabadiliko ya kazi na John M. Evans na Howard Perlman, USGS)

    Katika ardhi, sulfuri imewekwa kwa njia nne kuu: mvua, kuanguka moja kwa moja kutoka anga, hali ya hewa ya mwamba, na matundu ya joto (Kielelezo\(\PageIndex{9}\)). Sulfuri ya anga hupatikana kwa njia ya dioksidi ya sulfuri (SO 2), na kama mvua inapoanguka kupitia anga, sulfuri hupasuka kwa namna ya asidi dhaifu ya sulfuriki (H 2 SO 4). Sulfuri pia inaweza kuanguka moja kwa moja kutoka angahewa katika mchakato unaoitwa fallout. Pia, kama hali ya hewa ya miamba yenye sulfuri, sulfuri hutolewa kwenye udongo. Miamba hii inatokana na sediments ya bahari ambayo huhamishwa hadi nchi kwa kuinua kijiolojia ya sediments za bahari. Mazingira ya ardhi yanaweza kutumia sulfates hizi za udongo (SO 4 2-), ambazo huingia kwenye mtandao wa chakula kwa kuchukuliwa na mizizi ya mimea. Mimea hii inapoharibika na kufa, sulfuri inatolewa tena katika angahewa kama gesi ya sulfidi hidrojeni (H 2 S).

    Picha inaonyesha mlima mweupe, wenye umbo la piramidi na mvuke ya kijivu inayotoka kutoka humo.
    Kielelezo\(\PageIndex{9}\): Katika vent hii ya sulfuri katika Hifadhi ya Taifa ya Volkano ya Lassen kaskazini mashariki mwa California, amana za sulfuri za njano zinaonekana karibu na kinywa cha vent. (mikopo: “Calbear22” /Wikimedia Commons)

    Sulfuri huingia bahari katika kurudiwa kutoka kwenye ardhi, kutokana na kuanguka kwa anga, na kutoka kwenye matundu ya chini ya maji. Baadhi ya mazingira hutegemea chemoautotrophs kwa kutumia sulfuri kama chanzo cha nishati ya kibiolojia. Sulfuri hii inasaidia mazingira ya baharini kwa namna ya sulfates.

    Shughuli za kibinadamu zimekuwa na jukumu kubwa katika kubadilisha uwiano wa mzunguko wa sulfuri duniani. Kuungua kwa wingi wa fueli za kisukuku, hasa kutokana na makaa ya mawe, hutoa kiasi kikubwa cha gesi ya sulfidi hidrojeni ndani ya angahewa. Kadiri mvua inapoanguka kupitia gesi hii, inajenga jambo linalojulikana kama mvua ya asidi, ambayo huharibu mazingira ya asili kwa kupunguza pH ya maziwa, hivyo kuua mimea na wanyama wengi wanaoishi. Mvua ya asidi ni mvua ya babuzi inayosababishwa na maji ya mvua yanayoanguka chini kupitia gesi ya dioksidi ya sulfuri, na kuifanya kuwa asidi dhaifu ya sulfuriki, ambayo husababisha uharibifu wa mazingira ya majini. Mvua ya asidi pia huathiri mazingira ya mwanadamu kupitia uharibifu wa kemikali wa majengo. Kwa mfano, makaburi mengi ya marumaru, kama vile Lincoln Memorial huko Washington, DC, yamepata uharibifu mkubwa kutokana na mvua ya asidi zaidi ya miaka. Mifano hizi zinaonyesha madhara mbalimbali ya shughuli za binadamu kwenye mazingira yetu na changamoto zilizobaki kwa siku zijazo.

    Muhtasari wa sehemu

    Madini virutubisho ni cycled kupitia mazingira na mazingira yao. Ya umuhimu hasa ni maji, kaboni, nitrojeni, fosforasi, na sulfuri. Mzunguko huu wote una athari kubwa juu ya muundo wa mazingira na kazi. Kama shughuli za binadamu zimesababisha usumbufu mkubwa kwa mizunguko hii, utafiti wao na mfano wao ni muhimu hasa. Mazingira ya mazingira yameharibiwa na shughuli mbalimbali za binadamu zinazobadilisha mizunguko ya asili ya biogeochemical kutokana na uchafuzi wa mazingira, umwagikaji wa mafuta, na matukio yanayosababisha mabadiliko ya hali ya hewa duniani. Afya ya biosphere inategemea kuelewa mizunguko hii na jinsi ya kulinda mazingira kutokana na uharibifu usioweza kurekebishwa.

    Sanaa Connections

    Kielelezo\(\PageIndex{4}\): Ni ipi kati ya taarifa zifuatazo kuhusu mzunguko wa nitrojeni ni uongo?

    A. amonification waongofu hai nitrojeni jambo kutoka viumbe hai katika amonia (NH 4 +).
    B. denitrification na bakteria hubadilisha nitrati (NO 3 -) kwa gesi ya nitrojeni (N 2).
    C. nitrification na bakteria hubadilisha nitrati (NO 3 -) kwa nitrites (NO 2 -).
    D. bakteria ya kutengeneza nitrojeni kubadilisha gesi ya nitrojeni (N 2) katika misombo ya kikaboni.

    Jibu

    C: Nitrification na bakteria hubadilisha nitrati (NO 3 -) kwa nitrites (NO 2 -).

    maelezo ya chini

    1. 1 Scott L. Morford, Benjamin Z Houlton, na Randy A. Dahlgren, “Kuongezeka kwa mazingira ya misitu Carbon na Hifadhi ya Nitrojeni kutoka Nitrojeni Rich Bedrock,” Nature 477, hakuna 7362 (2011): 78—81.

    faharasa

    mvua ya asidi
    mvua ya babuzi inayosababishwa na maji ya mvua yanayochanganya na gesi ya dioksidi ya sulfuri inapoanguka kwa njia ya anga, na kuifanya kuwa asidi dhaifu ya sulfuriki, na kusababisha uharibifu wa mazingira ya majini
    biogeochemical mzunguko
    baiskeli ya madini na virutubisho kwa njia ya dunia biotic na abiotic
    eneo la wafu
    eneo katika ziwa na bahari karibu na midomo ya mito ambapo maeneo makubwa yamepungua kwa mimea na wanyama wao wa kawaida; maeneo haya yanaweza kusababishwa na eutrophication, kumwagika mafuta, kutupa kemikali za sumu, na shughuli nyingine za binadamu
    eutrophication
    mchakato ambapo kurudiwa kwa virutubisho husababisha ukuaji wa ziada wa microorganisms na mimea katika mifumo ya majini
    matokeo
    utuaji wa moja kwa moja wa madini imara juu ya ardhi au katika bahari kutoka anga
    hydrosphere
    eneo la sayari ambamo maji yapo, ikiwa ni pamoja na anga ambayo ina mvuke wa maji na kanda chini ya ardhi ambayo ina maji ya chini
    rasilimali zisizo mbadala
    rasilimali, kama vile mafuta ya mafuta, ambayo ni ama regenerated polepole sana au si wakati wote
    utangazaji
    harakati ya sahani moja ya tectonic chini ya mwingine

    Wachangiaji na Majina