4- Biyo-jeokimyasal Döngüler

Aslı Sade Memişoğlu

kisi.deu.edu.tr/asli.memisoglu

Biyojeokimyasal döngüler

Bir biyojeokimyasal döngü bir maddenin (Ör: su, karbon, azot, fosfor) biyotik ve abiyotik çevreler arasındaki dönüşümüdür

Bu döngüler ekosistem ekolojisinin yapıtaşlarıdır

Doğa herşeyi tekrar

kullanır. Canlılar

arasında aktarılan

maddelerin tümü,

ekosistemin

sağlığını idame

ettirmede çok

önemlidir.

Karbon

döngü

sü

Fosfor

döngü

sü

Azot

döngü

sü

Su

döngü

sü

Oksije

n

döngü

sü

Çevrede ısı

ısı ısı ısı

– Biyojeokimyasal madde döngüleri biyolojik, jeolojik ve kimyasal süreçleri içerir.

– Madde bu döngüler arasında geçiş yaptıkça, ne yok olur, ne de yoktan var olur, sadece şekil değiştirir.

* Hemen hemen tüm biyokimyasal döngülerde, canlı kaynaklarında, cansız kaynaklardan daha az madde bulunur.

Karbon

döngü

sü

Fosfor

döngü

sü

Azot

döngü

sü

Su

döngü

sü

Oksije

n

döngü

sü

Çevrede ısı

ısı ısı ısı

İnsan pekçok biyojeokimyasal döngüyü etkilemektedir

Atmosfer CO2

konsantrasyonu

Karasal azot

bağlanması

Ulaşılabilen yüzey

suları

Doğada

oluşan

İnsan

etkisiDoğada

oluşan

İnsan

etkisi

Ulaşılabilen Kullanılan

1. Su (hidrolojik) Döngü

• Bitkiler topraktaki suyu emer

• Terleme (güneş sebebiyle yapraklardan suyun buharlaşması) ve solunum ile su atmosfere aktarılır

• Yağış, (yağmur, kar vb gibi) suyu tekrar toprağa aktarır

• Su topraktan süzülür ve yeraltı kaynaklarında toplanır

eceBuz ve karda su

depolanması

Yağış

Eriyen kar akarsulara

karışır

Akarsu

Temiz su

deposu

Kaynak

BuharlaşmaSüzülme

Yeraltı suyu depolanması

Yüzey akıntıları

Okyanuslarda su

depolanması

Buharlaşma

Terleme ile buharlaşma

YoğunlaşmaAtmosferde suyun depolanması

Su Döngüsü

Süblimleşme

Su döngüsü

Karaya düşen yağışın sadece %40’ı okyanustan buharlaşan, %60’ı bitkilerden terleme yoluyla buharlaşan sudur.

Buharlaşma

Okyanus

üzerine yağış

Kara üzerine

yağışTerleme

buharlaşma

Yeraltı suyu

akışı

Yeraltı suyu

Yüzey su

akışı

Okyanus

Su

buharı

Temiz su çok değerli ve çoğunlukla az bulunan bir kaynaktır

Küresel temiz suyun ulaşılabilen yüzdesi çok küçüktür

Tuzlu su

Okyanuslar BuzullarYeraltı

suyu

Göller, akarsular,

toprak

Atmosfer

Temiz su

Su döngüsü üzerinde insan

etkisi• Çok büyük miktarlarda temiz su kullanır –

suyun yönünü değiştirme, yeraltı suyu tüketme, sulak alan tahliyesi

• Karasal bitki örtüsünü yok etme

– Yüzey akıntıları artar, toprak içine süzülme azalır, sel ve erozyon artar

• Su kalitesini değiştirir – fosfat, nitrat gibi içerikler değişir

Canlılığın temel elementleri

• Canlıları oluşturan makromoleküllerin ortak elementleri

• Karbon (C), Azot (N), Fosfor (P)

2. Karbon Döngüsü

• Karbon tüm organik moleküllerin temelidir• Atmosferdeki karbon dioksit ve metan gibi

C bileşikleri küresel iklimi büyük ölçüde etkiler

• 3 temel süreç karbonun ekosistemlerde dönüşümünü sağlar:1. Fotosentez/solunum2. Atmosfer ve okyanuslar arasında CO2

alış verişi3. Karbonat tortularının okyanuslarda

çökelmesi

2.1 Fotosentez/solunum

• Karbon bitkiler tarafından bağlanır– 6 CO2 + 6 H2O → C6H12O6 + 6 O2

• Karbon tüketiciler tarafından açığa çıkarılır– C6H12O6 + 6 O2 → 6 CO2 + 6 H2O

• Karbon içeren organizmalar fosil yakıtları oluşturur

• Fosil yakıtların kullanımı karbon açığa çıkarır– 2 C8H18 + 25 O2 → 16 CO2 + 18 H2O

Fotosentez ve hücresel solunum, karbon ve oksijen döngülerini sağlar

Karbon döngüsü

Atmosfer CO2

Fotosentez

Solunum

Solunum

HayvanlarBitkiler

Bakteri ve

mantarlarca

ayrıştırma

Ölü organizmalarFosil

yakıtlar

Fosil

yakıt

kullanımı

2.2 Okyanus-atmosfer alış verişi

• CO2 suda kendiliğinden çözünür; okyanuslar atmosferin 50 katı CO2 içerir

• CO2 okyanus/atmosfer sınırlarında sürekli alıp verilir.– Okyanustaki CO2 miktarı okyanus-atmosfer

sistemi dışında bir kaynaktan yenisi eklenmedikçe sabit kalır

• Ör: Fosil yakıtlar

• Okyanus, insan etkileri sonucu oluşan fazla CO2 için bir çukur oluşturmaktadır

=tamponlayıcı etki

3.3 Karbonat çökelmesi

• Karbon dioksit suda çözündükten sonra hidrojen, bikarbonat ve karbonat iyonlarına dönüşür

• Suda bulunan kalsiyum, karbonat iyonlarıyla dengelenerek kalsiyum karbonat oluşturur

• Kalsiyum karbonatın çözünürlüğü düşüktür ve suda çöker

Karbon döngüsü

Atmosfer (CO2)Solunum

Fotosentez

Solunum

Doğal ve insan

eliyle yakma

Arazi değişimi

(biyokütle yıkımı)

Toprakta ayrışma

Doğal gaz

PetrolKireçtaşı

Organik tortu

Deniz plankton solunumu ve

fotosentez

Suda çözünmüş

CO2

Erozyon

Kömür

Karbon Döngüsüne İnsan Etkisi

• Fosil yakıtlar ve biyokütle (ağaç) yakılması, karbon çukurları (okyanus, orman) tarafından yeterince hızlı alınamayacak miktarda CO2

açığa çıkarır.

• CO2 ısının uzaya çıkışını engelleyen bir sera gazıdır– Bu da küresel ısınmaya katkıda bulunur.

– Sonuçta biyoçeşitliliğin azalmasına, deniz seviyelerinin yükselmesine, daha şiddetli fırtınalara ve bunlarla ilişkili pekçok değişime yol açar

Karbon döngüsüne insan etkisi

• Bitki örtüsünün bozulması –– birincil üretimi azaltır

– Karbon bağlanmasını azaltır

– Enerji akışını aksatır

– Küresel ısınmaya katkıda bulunur

• Fosil yakıtların kullanımında artış ve bitki örtüsünde azalma = C bağlanmasında azalma = atmosferde CO2 artışı

• Karbon, CO2 haricinde CO (karbon monoksit) ve CH4 (metan) olarak atmosferde bulunur

• CO: egzoz gazlarından açığa çıkar, zehirli

• CH4: anaerobik bakteriler üretir

– Maden ve petrol aramaları sırasında yeraltından açığa çıkar

– Fosil yakıtlar ve arazi doldurması

– Metanın emdiği ısı CO2’nin 25 katıdır

• Önemli sera gazı

• Donmuş topraklar ve soğuk deniz diplerinde depo halde bulunur

– Küresel ısınma ile Sibirya ve Alaska’da açığa çıkmaya başlamıştır

Karbon döngüsüne insan etkisi

3. Azot döngüsüHavanın yaklaşık %78-80’ini atmosferdeki N2 (Azot) oluşturur

Organizmalar azotu bu haliyle kullanamazlar

Atmosferdeki azotun çok az bir kısmı okyanusta çözünür.

Yıldırımlar (az miktarda) ve bazı bakteri türleri azotu kullanılabilir formlara dönüştürür

Azot bağlayıcı mikroorganizmalar

Baklagillerle simbiyotik yaşam süren bakteriler.

Nodüllerde yaşarlar

Nodüller

Kökler

Azot bağlanması atmosferdeki azotu (N2) amonyuma dönüştürür (NH4

+) = amonifikasyon

Bu, bitkiler tarafından amino asitler gibi organik moleküllerin yapımında kullanılabilir.

N2 NH4+

Sadece belirli bakteri türleri ve endüstriyel teknolojiler azotu dönüştürebilir.

Amonyum diğer bazı toprak bakterileri tarafından nitrata dönüştürülür = nitrifikasyon

Bu da bitkiler tarafından kullanılır ve onları yiyen hayvanlara aktarılır.

Organizma öldüğünde ayrıştırıcılar tarafından amonyağa dönüştürülür ve tekrar cansız kaynaklara döner.

Buradan diğer mikroorganizmalar tarafından azota dönüştürülerek atmosfere salınır = denitrifikasyon

Atmosferdeki azot (N2)

Bitkiler

Ayrıştırıcılar

(oksijenli/oksijensiz solunum

yapan bakteri/mantarlar)

Amonyum Nitrit

Nitrat

Köklerdeki Azot-

bağlayan

bakteriler

Topraktaki Azot-

bağlayan bakteriler

Amonifikasyon

Asimilasyon Denitrifaksyon

bakterileri

Nitrifikasyon

bakterileriNitrifikasyon

Nitrifikasyon

bakterileri

İnsanlar azot döngüsünde önemli rol oynar

Havadan gübreleme (azot içerir)

Azot döngüsüne insan etkisi

• Sentetik azot gübrelerinin kullanımı, bunların sulara karışması alglerin aşırı çoğalmasına sebep olur– Bu da oksijeni ve dolayısıyla biyoçeşitliliği

azaltır!!!

• Algler veya fitoplanktonlar fotosentez yaparlar

Peki neden oksijen tükenir?

Mississippi nehrinin Meksika Körfezine döküldüğü noktada mevsimsel olarak bir «ölü bölge» meydana gelir.

Aşırı alg üremesi sonucu aşırı alg ölümü –zooplanktonlar tarafından ayrıştırılma ve oksijen tüketimi –yüzeyde ışık geçirmeyen tabaka ve tükenmiş oksijen

Tarım

arazilerinden

gelen azot

http://oceantoday.noaa.gov/happnowdeadzone/

Azot döngüsüne insan etkisi

• Tarım yönetimi: Azot-bağlayan bitkilerin ekimi toprağa kullanılabilir azot sağlar– Ör: ürün değişimi: mısır – soya fasülyesi

dönüşümlü olarak ekilebilir

– Yine de aşırı düzeyde ekim topraktaki azotu tüketir.

– Bataklık alanlar oluşturularak azotun bağlanması sağlanabilir

Azot döngüsüne insan etkisi

• Fosil yakıtlar – Atmosferde azot dioksit oluşturur (NO2) – Su ile tepkimeye girerek nitrik asit

oluşturur (HNO3)

– Asit yağmuru

3. Fosfor Döngüsü

Fosfor – genellikle kalsiyum fosfat olarak toprak ve kayalarda bulunur.

• Kalsiyum fosfat suda çözünür ve fosfat iyonlarını oluşturur. Bu inorganik form, çoğu canlı tarafından kullanılamaz.

** Fosfor DNA, kemikler ve dişlerin önemli yapı taşıdır

• Bitkiler inorganik fosfatı kökleri yardımıyla alır. Daha sonra organik fosfata dönüştürür.

• Tüketiciler organik fosfatı bitkilerden alır.

• Ayrıştırıcılar fosfatı toprağa tekrar inorganik olarak verir

• Fosfat su kaynaklarına karışır– Yeni kaya oluşumuna katılabilir

Bu döngünün diğerlerinden farkı nedir?

CEVAP: Fosfor döngüsünde atmosfer evresi bulunmaz!

Hücresel solunum

Fosfat atılır

Fosfat bitkilerce

alınır. Organik

fosfata

dönüştürülerek

kendi

yapılarında

kullanılırTarım

Gübre

Fosfat

kayalarında

madencilik

Çökelme ile

fosfat kayaları

oluşumu

Topraktaki

fosfat

Suda çözünmüş

fosfat

Alg

fitoplankton

Heterotrof

beslenme

Gübreden

sızıntı

Milyonlarca

yıl

Fosfor döngüsüne insan etkisi

• Büyük miktarlarda fosfat kayası organik gübre ve deterjan yapımı için kullanılır

• Tarım alanları ve evsel atıklardaki fosfat göl ve göletlerde birikir

– Alg patlamasına – oksijen azalmasına – diğer canlıların ölümüne – biyoçeşitliliğin azalmasına yol açar = ötrofikasyon (aşırı beslenme)

Besin dengesinde bozulmanın

etkileriAşırı besin karışımı karasal ekosistemlerde de çeşitliliğin azalmasına sebep olur:

Birkaç tür daha iyi hayatta kalır ve diğerleri onlarla yarışamaz