8. BİYOJEOKİMYASAL DÖNGÜLER Biyojeokimyasal çevrim biyolojik ve kimyasal işlemlerle elementlerin değişimi olarak tanımlanır. Mikroorganizmaların, canlı sistemler için gerekli olan elementlerin döngüsünde önemli rolleri vardır. Mikroorganizmaların aracı olduğu oksidasyon redüksiyon reaksiyonlarıyla ekosistemde, karbon, sülfür (kükürt), azot ve demir gibi elementler hareket eder.

Karbon döngüsü Dünyadaki en önemli karbon rezervleri, atmosfer, karasal ve akuatik çevreler, biyomas, sediment ve kayalardır. En büyük karbon rezervleri kayalar ve sedimentte bulunur. Canlı organizmalar içinde en fazla karbon ise orman ve otlaklardaki bitkilerde bulunur. Humus olarak adlandırılan ölü organik materyalde, canlılardan daha fazla miktarda karbon vardır.

Karbon döngüsü Atmosferdeki CO2 kemolitotrof bakteriler ve fotosentetik (prokaryot ve ökaryot) organizmalarla organik karbona çevrilir. Bu çevrimde en etkili yol fotosentezdir. Bu nedenle de fototrofik organizmalar karbon döngüsünün temelini oluşturur. Oksijenik fotosentetik organizmalar yüksek bitkiler ve mikroorganizmalar olmak üzere başlıca iki gruba ayrılır. Yüksek bitkiler karasal çevrelerde, mikroorganizmalar ise akuatik çevrelerde yaygın olarak bulunur.

Karbon döngüsü Fotosentezle organik bileşikler olarak fikse edilen karbon, çeşitli organizmalar tarafından parçalanarak gaz halinde (metan ve CO2) atmosfere verilir. Karbondioksit hem oksijenli hem de oksijensiz ortamlardaki organizmalar tarafından üretilir. Sadece oksijensiz koşullarda metanojen bakterilerce üretilen metan ise, oksijenli bölgelerdeki metanotrof bakterilerce CO2 ye çevrilir. Bu şekilde organik bileşiklerdeki karbonun hepsi CO2 ye çevrilmiş olur. Ancak bu dengenin bozulup atmosfere fazla miktarda CO2 verilmesi global ısınmaya sebep olur.

Azot döngüsü Azotun dünyadaki en stabil formu gaz (N2) halidir. Atmosferde bol miktarda bulunan azot gazı sadece azot fikse eden mikroorganizmalarca azotlu bileşikler haline çevrilir. Azot fiksasyonu olarak adlandırılan bu yolla atmosferdeki azot, amonyak ve nitrat gibi canlılar tarafından kullanılabilir forma dönüştürülür.

Azot döngüsü Yeryüzündeki azot mikroorganizmalar tarafından atmosfere tekrar gaz halinde verilebilir. Nitratın gaz formundaki azota çevrimi denitrifikasyon olarak adlandırılır. Bu olay ortamdaki canlılar tarafından kullanılabilecek azotun kaybı olarak zararlı olsa da yüksek oranda azot içeren atıkların arıtımı için faydalıdır.

Azot döngüsü Azotlu organik bileşiklerin parçalanması esnasında amonifikasyon olarak adlandırılan bir işlemle üretilen amonyak, nötral pH’da amonyum iyonları (NH4+) olarak bulunur. Topraklarda aerobik parçalanma sonucu oluşan amonyak, amino asitlere çevrilerek bitki ve mikroorganizmalar tarafından kullanılır. Uçucu bir bileşik olan amonyak, topraktan buharlaşmayla atmosfere verilebilir. Hayvan populasyonunun yoğun olduğu bölgelerde bu şekilde önemli miktarda amonyak kaybı olur. Ancak tüm dünyada atmosfere salınan azotun sadece % 15’i amonyak formundadır, geri kalanı denitrifikasyonla olan kayıptır.

Azot döngüsü Amonyak mikroorganizmalar tarafından nitrifikasyon olarak adlandırılan bir yolla nötral pH’da nitrata okside olur. Proteince zengin organik materyalin (gübre yada çeşitli atıklar) toprağa verilmesi sonucunda nitrifikasyonla fazla miktarda nitrat üretilir. Oluşan nitrat bitkiler tarafından kolayca alınıp kullanılır. Ancak suda çözünen nitrat, toprakta tutunamaz ve bitkilerin kullanamayacağı derinliklere gider. Sonuç olarak zirai anlamda nitrifikasyon, topraktan azotun kaybına sebep olduğu için faydalı değildir. Pozitif yüklü amonyak, topraktaki negatif yüklü kil minerallerine bağlanarak toprakta kalır. Topraklara gübre olarak amonyak verildiğinde nitrifikasyonu önleyici nitrapyrin gibi kimyasallar da bu gübreye katılır.

Kükürt döngüsü Sülfür döngüsündeki bazı reaksiyonlar hem biyolojik hem de kimyasal yolla olduğu için, azot döngüsünden daha karışıktır. Kükürt doğada üç formda bulunur. Sülfidril (R-SH) ve sülfitde (HS) olduğu gibi –2 değerlikli olarak Elementer sülfürde (So) olduğu gibi 0 değerli olarak Sülfatta olduğu gibi +6 değerli olarak bulunur. Kükürt, sediment ve kayalarda sülfat mineralleri (CaSO4) ve sülfit mineralleri (prit, FeS2) formunda, okyanuslarda ise inorganik sülfat formunda bulunur.

Kükürt döngüsü Bakteriyel sülfat redüksiyonu sonucu uçucu bir bileşik olan hidrojen sülfit (SO4  H2S) üretilir. Hidrojen sülfit ayrıca volkan yada sülfit kaynaklarından yeryüzüne de çıkabilir. Sülfat redükte eden bakteriler doğada yaygın olarak bulunur. Sülfat redüksiyonu için organik maddelere ihtiyaç duyulduğundan, sülfit üretimi organik maddece zengin ortamlarda olmaktadır. Deniz sedimentlerinde bol miktarda sülfat olsa da sülfat redüksiyonu ortamdaki karbon kaynaklarına bağlıdır. Karbon kaynağı fazla ise sülfat redüksiyonu da artmaktadır.

Kükürt döngüsü Gerek sitokromlardaki gerekse hücredeki diğer demir içeren bileşiklere bağlanan sülfit, organizmalar için toksiktir. Doğada sülfit, demir ile çözünemez FeS oluşturarak detoksifiye edilmektedir. Sedimentlerde FeS’ün bulunduğu yerler siyah renkte görülmektedir. Oksijenli ortamlarda ve nötral pH’da sülfit, kendiliğinden hızlı bir şekilde okside (H2S  SO4) olur. Bu reaksiyonu bakteriler de yapar ancak bakteriyel oksidasyon daha yavaştır. Anaerobik koşullarda ise eğer ortamda ışık varsa fototrof sülfür bakterileri sülfiti okside eder.

Kükürt döngüsü Elementer sülfür, oksijenli ortamlarda kimyasal olarak stabildir. Ancak bu ortamdaki aerob sülfür okside eden bakteriler tarafından (Thiobacillus spp.) düşük pH’da elementer sülfür okside edilebilir. Bu oksidasyon sonucu SO4 ve H iyonları oluşur. Elementer sülfür anaerobik solunumla sülfat indirgeyen bakteriler ve hipertermofil arkebakteriler tarafından H2S‘e redükte de edilebilir. Bazı organizmalar, kötü kokulu buharlaşarak atmosfere karışan organik sülfür bileşikleri sentezler. Bu bileşiklerden en bol bulunanı dimetil sülfittir. Dimetil sülfit, deniz alglerinde ozmotik basıncı düzenleyici dimetilsülfoniopropionatın parçalanma ürünü olarak denizlerde fazla miktarda bulunur. Dimetilsülfoniopropionat mikroorganizmalarca karbon ve enerji kaynağı olarak kullanılarak dimetil sülfit ve akrilata katabolize edilir.

Kükürt döngüsü Oksijensiz ortamda üretilen dimetil sülfit, metanojenezde substrat olarak kullanılıp, bundan CH4 ve H2S üretilir. Ayrıca dimetil sülfit, oksijensiz ortamlardaki fotosentetik CO2 fiksasyonu ile bazı kemoorganotrof ve kemolitotrof bakteriler tarafından da, elektron donorü olarak kullanılıp dimetil sülfoksite (DMSO) çevrilir. DMSO, anaerobik solonumda elektron akseptörü olarak görev görüp tekrar dimetil sülfit oluşumunda kullanılır.

Demir döngüsü üç değerlikli Fe+3 (ferrik) Bak / Kim elementer demir (Feo) Bak / Kim oksidasyon Redüksiyon iki değerlikli Fe+2 (ferrous) Doğada Fe+2  oksijenli asidik, oksijensiz koşullarda çözünür haldedir, Fe+3  oksijenli koşullar, nötral pH çözünemez formda

Demir döngüsü Demirce (Fe+2) zengin suların oksijenli bölgelere taşınması sonucu bu bölgelerde, bol miktarda çözünmez formdaki Fe+3 kendiliğinden oluşur. Fe+2‘nin Fe+3‘e oksidasyonu bakteriler tarafından da gerçekleştirilir. Asidik ve aerobik koşullarda gelişen Thiobacillus türleri ile asidik olmayan şartlarda anoksik yeraltı suları ve hava arasındaki yüzeyde gelişen Gallionella ve Leptothrix türleri demiri okside ederler. Ayrıca pH 0 ve 50oC’de gelişebilen aerob bir arkebakteri olan Ferroplasma acidophilum türü Fe+2‘yi okside edebilir. Oksijensiz koşullarda bazı anoksijenik fotosentetik bakteriler ve denitrifikasyon bakterileri tarafından da Fe+2 okside edilir. Kemoorganotrof ve kemolitotrof organizmaların çoğu elektron akseptörü olarak anaerobik solunumda Fe+3‘ü kullanır. Shewanella, Geobacter, Geospirillum ve Geovibrio türleri Fe+3 redüksiyonu yapar.