hidrološki i ostali biogeohemijski ciklusi u prirodinasport.pmf.ni.ac.rs/materijali/2704/13....

Trinaesto predavanje

Osnove hemije životne sredine (T. Anđelković) 1

CILJEVI PREDAVANJA

Hidrološki ciklus. Oblici energije u prirodi i

zakoni po kojima dolazi do promena energije.

Fotosinteza i ćelijsko disanje. Prenos energije kroz trofičke

lance. Biogeohemijski ciklusi

ugljenika i azota.

ISHODI PREDAVANJA

Na kraju predavanja student će biti osposobljen da:

objasni protok materije i energije na Zemlji,

objasni prenos energije kroz trofičke lance,

objasni kruženje ugljenika, objasni kruženje azota.

Osnove hemije životne sredine (T. Anđelković) 2

Voda mora i okeana, kopna i atmosfere se pod uticajem Sunca i Zemljine teže nalazi u stalnom kruženju.Osnove hemije životne sredine (T. Anđelković) 3

Io + Ik = Po + Pkgde su Io i Ik godišnje količine vode koje isparavaju sa površine

Svetskog mora i površine kopna, a Po i Pk godišnja količina padavina na akvatoriji Svetskog mora i površini celokupnog kopna.

Zahvaljujući kruženju, količina vode na Zemlji se ne smanjuje, pa je voda praktično neiscrpna. Ovo čini vodu drugačijom od drugih resursa.

Osnove hemije životne sredine (T. Anđelković) 4

Io + Ik = Po + Pk

Osnove hemije životne sredine (T. Anđelković) 5

505 000 km3

72 000 km3

458 000 km3

119 000 km3

577 000 km3

577 000 km3

Razliku od 47 000 km3 vode (Io-Po) odnose vazdušne mase od okeana u unutrašnjost kontinenta, pa se od tih padavina

stvaraju resursi površinskih voda.

U neorganskoj materiji, elementi su jednostavno grupisani u molekule vazduha, vode i minerala.

U organskoj materiji, grupisani su u vrlo kompleksne organske molekule, koji grade ćelije, tkiva, organe i ceo organizam.

Nivoi organizacije se nastavljaju kroz populacije, vrste, ekosisteme do biosfere. Osnove hemije životne sredine (T.

Anđelković) 6

Univerzum je sačinjen iz materije i energije. Materija je sve ono što zaposeda prostor i ima masu. Svetlost, toplota, kretanje i elektricitet nemaju

masu i ne zauzimaju prostor. Energija utiče na materiju, prouzrokujući promene

položaja i stanja materije. ENERGIJA JE SPOSOBNOST POKRETANJA

MATERIJE

Osnove hemije životne sredine (T. Anđelković) 7

Energija se razlikuje od materije po tome što nema masu i ne zauzima prostor.

Ima svojstvo da deluje na materiju, pri čemu menja stanje i/ili mesto materije.

Kinetička E je E u jednom od njenih aktivnih oblika.

Potencijalna E se odnosi na sisteme ili materijale koji imaju potencijal da oslobode kinetičku E.

Osnove hemije životne sredine (T. Anđelković) 8

Toplota je takav oblik E koji se kreće iz nekog sistema ili tela ka drugom ukoliko se oni nalaze na različitim temperaturama, pri čemu se E uvek prenosi na hladnije telo.

Osnove hemije životne sredine (T. Anđelković) 9

Prvi zakon termodinamike: E ne može biti stvorena ni uništena, ona može samo menjati svoj oblik postojanja.

Drugi zakon termodinamike: Sistemi se spontano uvek kreću ka stanju sa većom entropijom.

Entropija se odnosi na stanje neuređenosti. Povećanje entropije, znači povećanje nereda.

Osnove hemije životne sredine (T. Anđelković) 10

Osnove hemije životne sredine (T. Anđelković) 11

Sistem će spontano ići samo u pravcu povećanja entropije. Kada glukoza, gradivni molekul drva, sagoreva, oslobađa se toplota i atomi prelaze sve više u stanje nereda – to su dva aspekta entropije.Činjenica da drvo spontano gori, ali da se ne može spontano stvoriti je primer drugog zakona termodinamike.

Svi organski molekuli imaju visok sadržaj Ep.

Neorganski molekuli imaju nizak sadržaj Ep.

Stvaranje organskih molekula iz neorganskih podrazumeva zadržavanje Ep, dok razlaganje organskih molekula podrazumeva oslobađanje E.

Osnove hemije životne sredine (T. Anđelković) 12

Osnove hemije životne sredine (T. Anđelković) 13

a) Jednostavan fizički primer zadržavanja i oslobađanja potencijalne E.b) Isti princip zadržavanja i oslobađanja potencijalne E prikazan je u

ekosistemu.

Osnove hemije životne sredine (T. Anđelković) 14

6CO2 + 12H2O C6H12O6 + 6O2 + 6H2ONiska vrednost potencijalne E

Visoka vrednostpotencijalne E

Brzina fotosinteze (koja određuje količinu nastale glukoze) proporcionalna je intenzitetu svetlosti.Na svakih 100 cal svetlosne energije, koja padne na list, nastane 2 cal šećera. Prema tome, biljke nisu efikasne “mašine” konverzije svetlosti u hemijsku energiju!

Glukoza koja je nastala u fotosintezi igra tri uloge u biljci:- glukoza je gradivni materijal za sve ostale organske

molekule (proteine, ugljene hidrate itd.) koji grade list, cvet, stablo, koren,

- ćelijsko disanje,- skladište energije.

Osnove hemije životne sredine (T. Anđelković) 15

Ćelijskodisanje

E se oslobađaza rast biljke

Šećer

Kiseonikatmosfera

Mineralni nutrijentinitrat, fosfat, kalijum

Rast tkiva(produkcija

biomase)

Rezerva(skrob) (ulja)

Ugljen-dioksid

Osnove hemije životne sredine (T. Anđelković) 16

Bruto primarni produktivitet (gross primary production) predstavlja ukupnu količinu fotosintetičke aktivnosti producenata. Izražava se količinom organske materije stvorene u jedinici vremena.

Neto primarni produktivitet (net primary production) predstavlja ukupnu količinu organske materije koja je u vidu hrane dostupna sledećim trofičkim nivoima.

6CO2 + 12H2O C6H12O6 + 6O2 + 6H2O

C6H12O6 + 6O2 6CO2 + 6H2O

Niska vrednost potencijalne E

FOTOSINTEZA

ĆELIJSKO DISANJE

Visoka vrednostpotencijalne E

Visoka vrednostpotencijalne E

Niska vrednost potencijalne E

Osnove hemije životne sredine (T. Anđelković) 17

Zemlja je zatvoren sistem u

odnosu na materiju

Prema tome…

materija se konstantno reciklira na

Zemlji

Osnove hemije životne sredine (T. Anđelković) 18

Zemlja je otvoren sistem u odnosu

na energiju

Toplota

Sunčeva svetlost

Osnove hemije životne sredine (T. Anđelković) 19

Uglavnom otvoren u odnosu na energiju!

Uglavnom zatvoren u odnosu na materiju!

Osnove hemije životne sredine (T. Anđelković) 20

Biosfera 1 Biosfera 2

Osnove hemije životne sredine (T. Anđelković) 21

predstavlja način na koji hemijski elementi kruže od žive ka neživoj prirodi i obrnuto.

Bio – organski svetGeo – neorganski svetHemijskiCiklus – kretanje elemenata i jedinjenja

Materija se ne može ni stvoriti ni uništiti, ona samo menja svoj oblik postojanja.

U pogledu materije Zemlja je ZATVOREN SISTEM.U pogledu energije Zemlja je OTVOREN SISTEM.REZERVOAR - elementi se zadrže na jednom mestu za dugi

period godina, kada ne učestvuju u procesu kruženja.IZMENJIVAČKI PUL - ukoliko se element zadržava samo neko

izvesno, kratko vreme. REZIDENCIJALNO VREME - vreme koje element provede na

nekom određenom mestu. FLUKS - kretanje elemenata i jedinjenja između rezervoara.

Osnove hemije životne sredine (T. Anđelković) 22

Najpoznatiji i najvažniji biogeohemijski ciklusi uključuju ciklus ugljenika, azota, kiseonika, fosfora i vode.

Osnove hemije životne sredine (T. Anđelković) 23

Predstavlja biogeohemijski ciklus kojim dolazi do kruženja ugljenika između biosfere, geosfere, hidrosfere i atmosfere.

Najvažniji biogeohemijski ciklus za čoveka je ciklus ugljenika, jer je važan za našu egzistenciju:

1. predstavlja glavni hemijski element od koga je izgrađeno naše tkivo,

2. neophodan za biljke, osnovu ljudske ishrane, 3. glavni faktor regulacije klime na Zemlji - CO2 i CH4 su glavni

gasovi staklenika, koji regulišu temperaturu na Zemlji.

Osnove hemije životne sredine (T. Anđelković) 24

Ugljenik se na našoj planeti nalazi u sledećim rezervoarima:▪ u biosferi kao organski molekuli živih i uginulih

organizama,

▪ u atmosferi kao gas ugljen-dioksid,

▪ u zemljištu kao organska materija,

▪ u litosferi kao fosilno gorivo i naslage sedimentnih stena (krečnjak, dolomit),

▪ u okeanima kao rastvoreni ugljen-dioksid i kalcijum karbonat.

Osnove hemije životne sredine (T. Anđelković) 25

Osnove hemije životne sredine (T. Anđelković) 26

360 miliona godina kasnije

pre 360 miliona godina

Osnove hemije životne sredine (T. Anđelković) 27

CO2, CH4, CFCFiksacija atmosferskog C

fotosintezom i rastvaranjem u okeanu na polovima.

Emitovanje C u atmosferurespiracijom, razlaganjem i sagorevanjem organske materije, razlaganjem krečnjaka, isparavanjem iz okeana, vulkanskim erupcijama.

Osnove hemije životne sredine (T. Anđelković) 28

Prisutan kao neorganski ugljenik (HCO3

– ili CO2 (aq)).

Ugljen dioksid difuzijom prodire u hidrosferu.

Osnove hemije životne sredine (T. Anđelković) 29

CO2(aq) + H2O(l)↔ H2CO3(aq)↔ H+(aq) + HCO3

–(aq)

u organskoj formi i neorganskoj formi

Osnove hemije životne sredine (T. Anđelković) 30

karbonatni sedimenti (krečnjak)

organska materija

raspadnuta organska materija

humus

fosilno gorivo (ugalj, ulje, prirodni gas, bituminozni škriljci)

Od industrijske revolucije čovek je uvećao količinu ugljen dioksida u atmosferi (oko 30%) i okeanima.

Nivo ugljen dioksida uvećao se sa oko 275 ppm 1700.-tih na iznad 365 ppm danas.

Procena: do 2100. g. nivo će porasti na 450 do 600 ppm, pri istom trendu porasta.

65% povećanja se pripisuje povećanju potrošnje fosilnih goriva, a preostalih 35% deforestaciji.

Osnove hemije životne sredine (T. Anđelković) 31

Glavni rezervoar azota je vazduh.

Organizmi ne koriste gasoviti azot.

Organizmi koriste mineralni azot (NH4

+, NO3–).

Procesi ciklusa azota:

1. Fiksacija azota

2. Nitrifikacija

3. Denitrifikacija

Osnove hemije životne sredine (T. Anđelković)

32

proces konverzije gasovitog azota u oblike koje mogu koristiti živi organizmi (kao što su amonijak, nitrati i azot-dioksid).

Fiksacija se odvija na tri načina:- hemijskim procesima u

atmosferi,- proizvodnjom azotnih

đubriva,- biološkim procesom –

BIOLOŠKA FIKSACIJA.

Osnove hemije životne sredine (T. Anđelković) 33

N2 → NOx → NO3-

Pri sevanju munja dolazi do reakcije između azota i kiseonika u atmosferi. NOx se rastvara u kišnim kapima i pada na tlo u obliku veoma razblažene azotne kiseline, pri čemu u tlu dolazi do stvaranja nitrata koje biljke dalje mogu da koriste.

Osnove hemije životne sredine (T. Anđelković)

34

Industrijska proizvodnja azotnih đubriva.

Haber-Bošov proces:4N2 + 12H2 → 8NH3

Osnove hemije životne sredine (T. Anđelković) 35

se vrši uz pomoć slobodnih i simbiotičkih bakterija.

Slobodno živeće bakterije vrste AZOTBAKTER koje žive slobodno u tlu, pretvaraju atmosferski azot direktno u nitrate.

Simbiotičke azoto fiksirajuće bakterije, kao što su RIZOBIUM bakterije, žive u čvorićima na korenu leguminoza.

Osnove hemije životne sredine (T. Anđelković) 36

Osnove hemije životne sredine (T. Anđelković) 37

Nitrifikacija je biološka oksidacija amonijaka sa kiseonikom do nitrita, uz kasniju oksidaciju nitrita do nitrata.

NH3 + O2 → NO2− + 3H+ + 2e− Nitrosomonas

NO2− + H2O → NO3

− + 2H+ + 2e− Nitrobacter

Denitrifikacijaje proces redukcije nitrata nazad u inertan gas azot. To je

suprotan proces fiksaciji azota. Ovaj proces se odvija uz pomoć bakterija Pseudomonas.

Amonifikacijaje proces nastanka amonijaka raspadanjem izmurle organske

materije bakterijama koje se zovu razlagači.

38Osnove hemije životne sredine (T. Anđelković)

Sunce je izvor energije za skoro sve ekosisteme na Zemlji.

Tačno Netačno

39Osnove hemije životne sredine (T. Anđelković)

Variranje intenziteta svetlosti ne utiče na stepen fotosinteze u zelenim biljkama.

Tačno Netačno

40Osnove hemije životne sredine (T. Anđelković)

Ukupna godišnja količina padavina na akvatoriji Svetskog mora je veća od ukupne količine padavina na površini celokupnog kopna.

.

Tačno Netačno

41Osnove hemije životne sredine (T. Anđelković)

Industrijska fiksacija azota je važan deo ciklusa konverzije azota u iskoristljive oblike za biljke.

Tačno Netačno

42Osnove hemije životne sredine (T. Anđelković)

Ciklus ugljenika je prirodni proces na koji ne utiče ljudska aktivnost.

Tačno Netačno

43Osnove hemije životne sredine (T. Anđelković)

Stvaranje organske materije iz neorganske materije uključuje gubitak potencijalne energije.

Tačno Netačno

44Osnove hemije životne sredine (T. Anđelković)

Rezervoari predstavljaju abiotički faktor, dok izmenjivački pulovi predstavljaju biotički faktor.

Tačno Netačno

45Osnove hemije životne sredine (T. Anđelković)

Fiksacija atmosferskog C se vrši fotosintezom i rastvaranjem u okeanu na polovima.

Tačno Netačno

46Osnove hemije životne sredine (T. Anđelković)

Najveći deo porasta CO2 u vezduhu se pripisuje povećanju potrošnje fosilnih goriva.

Tačno Netačno

47Osnove hemije životne sredine (T. Anđelković)

Nitrifikacija je proces stvaranja amonijaka.

Tačno Netačno

48Osnove hemije životne sredine (T. Anđelković)