Biojeokimyasal Döngüler

Periyodik Tablo Big Six: C, H,O,N,S,P

30 dan fazla element dünyada sürekli olarak biojeokimyasal döngülerle dönmektedir. Altı önemli biojeokimyasal döngü karbon, hidrojen, oksijen, nitrogen, sulfur, ve fosfor’u sürekli olarak döndürmektedir. Bu altı element canlı vücut yapısında en fazla bulunan atomlardır. Örneğin insan vücudunda en fazla bulunan karbon dünya kabuğunda bulunmamaktadır.

Hidrolojik (Su) Döngüsü Güneş enerjisiyle buharlaşan tuzlu su bulutlarda tatlı su oluşturur, okyanusta tuz bırakır. Su buharı soğur ve yoğunlaşır, deniz ve karalara yağış olarak düşer. Suyun akışı, tatlı su göllerini, nehirleri, yer altı suyunu oluşturur ve bitkilerin transpirasyonunda kullanılır. Toprak içine infiltre olarak Yer altı suyunu oluşturan yağışların bir kısmı çok yavaş bir şekilde okyanuslara geri döner. Su döngüsü suyun yenilenebilir kaynak olduğunu göstermekle birlikte bunun ancak 3% insanların kullanabileceği tatlı sudur. Su kirletildiği için ve bazı bölgelerde yetersiz olduğu için tüketilen sınırlı bir kaynaktır. Reservoirs 97% okyanus 2% buzul 1% göl, nehir & yer altı suyu INFILTRASYON

Yer Yüzünde Su Döngüsü

Azot Döngüsü Azot Döngüsü 5 Temel Aşamadan Oluşur Temel Aşamalar 1. Mineralizasyon-Amonifikasyon 2. Asimiliasyon 3. Nitrifikasyon 4. Denitrifikasyon 5. N-fiksasyonu Azot Döngüsü Mikroorganizmaların N’u oksidasyon ve reduksiyon (redox) uğratmasıyla gerçekleşir Azotun temel depo yeri atmosferdir Atmosferin %79 N2’tur Üretici bitkiler ancak nitrat ve amonyumu kullanabilir Redox Prosesi Oksidasyon: Reduksiyon = oksidasyonun tersi -3   +5 NH4+ ¾¾® NO3-

Microbial ammonification Nitrogen Döngüsü N2 Nitrogen fixation Ammonia (NH3) Nitrat ion (NO3–) Pseudomonas Nitrit ion (NO2–) Nitrobacter Ammonyum ion (NH4+) Nitrosomonas Amino asit (–NH2) Microbial ammonification Protein ve atık ürünler Mikrobiyal ayrışma Amino asitler

Mineralization Amonifikasyon Biyolojik azot bileşiklerinin amonyağa çevrilmesine amonifikasyon denir Toprak ve sularda amonifikasyon bakterileri tarafından gerçekleştirilir. Amonifikasyonla azot döngüsüne katılan amonyak azotu tekrar nitrifikasyon ve asimilasyon için hazır duruma gelir. (a) Heterotrofik organizmalar gerçekleştirir = enerji kaynağı olarak C kullanılır org.-C ¾® CO2 + H2O + enerji (b) N, NH4+ olarak serbest kalır (c) N Bitki kullanımına verilir   Düşük C:N veya Yüksek N kapsamı = Hızlı mineralizasyon Yonca, Bezelye, Çimler Yüksek C:N veya düşük N kapsamı = yavaş mineralizasyon Saman, ağaç talaşı Optimum C:N @ 12-15:1

Azot Fiksasyonu N2 ¾(organizma)¾¾® NH3 ¾¾® amino asit ve protein Baklagillerle simbiyoz (Bakteri = Rhizobium cinsi (türe özel) R. meliloti – yonca R. phaseoli – fasulye Azot fiksasyonu için tohumlar bakteri ile bulaştırılır

Proses: C bitki fotosentezinden gelir î + Þ simbiyoz N fiksasyondan gelir N2 ì Yonca @ 100 - 250 kg/ha/yıl azot bağlar

Simbiyotik – Nodul yok Azolla / Anabaena Simbiyoz ­ ­ ­ Mavi-yeşil alg (yapraklarında N-bağlar) ­ Pirinç tarlalarında yüzen eğrelti

N ‘lu Gübre Üretimi Haber-Bosch Prosesi N2 + H2 NH3 400-500 0C Sıcaklık 200 atm Basınç Fiksasyon Tipi Bir yılda bağlanan azot (milyon ton) Biyolojik olmayan  Endüstriyel 50 Yanma 20 Şimşekler 10 Toplam 80   Biyolojik  Tarımsal alan 90 Orman ve tarım alanı dışı 50 Deniz 35 Toplam 175

Asimilasyon (a) Azot bitki yapısına bağlanır Bitkiler NH4+ ve NO3- azotunu kullanabilir Azot fiksasyonu ve nitrifikasyonla ortaya çıkan nitrat ve amonyumun bitki kökleri tarafından absorbe edilip, bitki proteinleri ve nükleik asitlere bağlanmasına asimilasyon denir. Hayvanlar bitkileri yediğinde bitkisel proteinlerdeki azotu tekrar asimile edip hayvansal bileşiklere çevirir.

Amonyağın Volatilizasyonu – gaz şeklinde kayıp Koku

Nitrifikasyon NH4’lü atık su Ototrof Bakteriler (Kemosentez) N oksidasyonu ile enerji sağlarlar (b) Nitrosomonas NH4+ ¾¾® NO2- + enerji (c) Nitrobacter NO2- ¾¾® NO3- + enerji

Nitrification Amonyum veya amonyak nitrat a katalize edilerek dönüştürülür Aerobik kemo-ototrofik proses amoA gene encoding ammonia monooxygenase is highly conserved STEP 1 NH4+ + 1/2 O2 NH2OH + H+ ammonia monooxygenase NH2OH + O2 NO2 +H2O + H+ DG = -66 kcal/mol Bakteriler ve arkealar hayat gerekçeleri için prosesi gerçekleştirieler

Nitrification Step 2 NO2- + 1/2O2 NO3- DG = -18 kcal/mol 100 mol NO2 gerekir 1 mol CO2 organik C’a bağlamak için

NO3- suda kolayca erir - Kolayca taban sularına yıkanır - Bitkilerin alımı ile kaybolur İçme suyu kalitesini bozar

Denitrifikasyon N reduksiyonu ile gaz şeklinde kayıp C6H12O6 + 4NO3- --> 6CO2 + 6H2O + 2N2(gas) + NO + NO2 Atık suda azot giderimi Denitrifikasyon: (a) Düşük O2 (göllenme) (b) Yüksek OM (enerji kaynağı) (c) Yüksek NO3- Durumunda hızlanır

Karbon Döngüsü Fotosentez ve hücre solunumu arasında sıkı ilişki vardır. Solunumla karbon dioxid verilirken, bu Fotosentezde kullanılır. Diğer yandan fotosentez solunum için gerekli oksijeni üretir. Karbon döngüsünde, organizmalar karbondioksidi atmosferden değişir. Karalarda bitkiler karbon dioksidi ftosentezle alır ve kendilerinin ve heterotrofların kullanacağı gıdaları oluşturur. Su ekosistemlerinde, havadaki karbon dioksid suyla birleşerek karbonik asidi oluşturur, o da bi karbonat iyonlarına ayrılır. Bikarbonat iyonları alglerin karbon kaynağıdır. Su organizmaları solunum yaptıklarında serbest kalan CO2 bikarbonat (HCO3) haline dönüşür. Sudaki bikarbonat miktarı havadaki karbon dioxide eşittir. Canlı ve ölü organizmalar karbon döngüsünde karbonun rezervuarıdır. 800 milyar tondan fazla karbon biyolojik canlıların yapısında yer almaktadır (en fazla ağaçlar). Ek olarak 1,000 ila 3,000 milyar ton bitki ve hayvan fosili olarak toprakta bulunmaktadır. Fosil yakıtlar, kömür, petrol, ve doğal gaz, geçmiş dönemlerde organik maddenin birden toprak içine gömülmesiyle oluşmuştur. Inorganik kalsiyum karbonat (CaCO3) kireç taşlarında ve deniz kabuklarında akumule olmuştur. Fosil yakıtların ve ağaçların yakılması sonucu atmosferdeki karbondioksid konsantrasyonu sürekli olarak artmaktadır. Artan karbon dioxid sera etkisini artırmaktadır. Atmosfere fazla miktarda karbondioksid girişi tarım alanı açmak için ağaçların kesilmesi ve yakılması hızla arttmaktadır. Organik maddelerin tarım alanlarında gübre olarak kullanımı ile karbondioksid gazı döngüsü hızlanmaktadır.

C Döngüsü Proteinler, karbonhidrat ve hayat için temel diğer moleküller karbon içerir, bu nedenle karbon hayat için gerekli temel elementtir. Bitkilerin karbon kaynağı atmosferin % 0.03’ünü teşkil eden karbondioksit gazıdır. Karbonun büyük çoğunluğu sularda erimiş halde karbonat (CO3) ve bikarbonat (HCO3) ve kayalarda örneğin kireç taşı (CaCO3) olarak bulunur. Karbon atmosferi de içine alan cansız çevre ve canlılar arasında devreder.

C Döngüsü Milyonlarca yıl önce oluşmuş Fosil yakıtlar kömür, petrol ve doğal gaz ile ağaçların yakılmasıyla karbon atmosfere döner Dengeyi bozan Karbon döngüsünden milyonlarca yıldan beri, karbon deniz organizmalarının kabuklarına bağlanarak ayrılmaktadır. Bu organizmalar öldüğünde kabukları okyanus dibine çökelmekte ve kalın kireç taşı denilen sedimentleri oluşturmaktadır. Deniz debindeki sedimentler dağ oluşumları ile yer yüzüne yükselebilmektedir (örneğin Everest dağı sediment kayalardan oluşmaktadır).

C Döngüsü ve Küresel Isınma İnsan teknolojisi ve populasyon artışı direk ve indirek olarak biyosferi bozmaktadır. Günümüz anahtar sorusu : insanlar küresel iklim değişimine neden olabilirmi?

1960 - 2000 arasında karbon dioksid değişimi 1860-1995 yılları arasında C emisyonundaki artış CO2 ve diğer gazlar sera etkisine neden olmaktadır fakat carbonun payı % 56. Diğer önemli bir gaz Metan (CH4) sığır yetiştiriciliğinin artmasıyla artmaktadır

Sera Etkisi Yapan gazlar Karbon dioksid: fosil yakıt ve ağaçların yakılması Nitroz oxide (NO2): gübre kullanımı ve hayvansal atıkların ayrışması Metan (CH4): Hayvanlarım sindirimi sisteminde bakteri üretir, bataklıklar, çöp depolama alanları, çeltik tarlaları. Bazı durumlarda metan toplanıp enerji elde edilir Chlorofluorocarbonlar (CFC), Freon (soğutucu gaz) ozon gazını inceltir Halonlar, örneğin halocarbon; CxFxBrx), yangın söndürücülerde kullanılır. Su buharı; bulutlar sıcaklığı tekrar dünyaya yansıtır.

Küresel ısınmaya neden olan gazlar nasıl önlenebilir İnsanların Küresel ısınmaya etkisi varmıdır, küresel ısınma nasıl önlenebilir İnsanların azot döngüsüne etkisi varmıdır Denitrifikasyonun pozitif ve negatif etkileri www.sakarya.edu.tr/~saimo sauekoloji@gmail.com

Fosfor Döngüsü Kayaların suyla erimesi ile fosfat iyonları (PO4= ve HPO4=) alınabilir duruma gelen fosfor topraktan alınır. Yüzey akışları ile fosfat su sistemlerine ve sedimentlere taşınır. Organizmalar fosforu fosfolipid, ATP, olarak diş, kemik, ve kabuklarında kullanır. Fosfor sınırlı bir elementtir, çünkü çoğunluğu canlı yapısında zaten kullanılmıştır. İn organik formu da oldukça az bulunur. Fosfor madenleri gübre üretimi, hayvan yemi katkı maddesi ve deterjan üretimi için kullanılmaktadır. Deterjanlar, arıtılmamış insan ve hayvan atıkları, ile gübreler su kaynaklarında sıklıkla alg patlamasına neden olmaktadır.

Fosfor Döngüsü

Bir göle fazla miktarda sınırlandırıcı element girişi olursa ne olur? Ekosistem içinde, maddelerin çoğu a) cycles within the ecosystem. b) ecosystem’den dışarıya gönderilir. c) atmosphere kaybedilir. d) hiç biri İnsanlar azot döngüsünü nasıl etkiler? A. Arıtılmamış kanalizasyon ve yağmur sularını su kaynaklarına vererek B. Fosil yakıt ve odunları yakarak C. İnorganic gübreleri kullanarak D. Baklagil ve azotça zengin madenleri aşırı kullanarak E. Hepsi Bir göle fazla miktarda sınırlandırıcı element girişi olursa ne olur? a. An algal bloom occurs. b. Alg’ler ölmeye başlar ve ayrıştırıcılar göreve başlar. c. Azot bileşikleri döngüde döndürülür. d. Oksijen konsantrasyonu gerekli seviyenin altına düşer. CO2 makes up about _____, while N2 makes up about _____ of our atmosphere. A. 30%; 0.03% B. 3%; 80% C. 0.3%; 10% D. 0.03%; 80% E. 0.003%; 0.05%

Ayrıştırıcıların ekosistemdeki temel rolü nedir Ayrıştırıcıların ekosistemdeki temel rolü nedir? a) increasing entropy b) recycling of energy back into the ecosystem c) recycling matter back into the ecosystem d) photosynthesis Which of the following is an example of a sedimentary biogeochemical cycle? a) carbon b) nitrogen c) water d) phosphorus Azot fiksasyonu a) Toprağın fosfat seviyesini artırır. b) Topraktan atmosfere azot kaybıyla sonuçlanır. c) is performed by bacteria in most systems. d) all of the above Aşağıdakilerden hangisi önemli sera gazı değildir? a) carbon dioxide b) nitrogen c) methane d) CFCs

the breakdown of minerals –minerallerin ayrışması Denitrifikasyonla alakalı aşağıdaki ifadelerden hangisi doğrudur. a. Denitrifying bakterisi en iyi iyi havalanmış toprakta gelişir. b. Oksijence zengin topraklarda görülür. c. Bitkilere bol azot gübresi sağlar. d. Toprakta nitrates tüketirler ve azotu gaz olarak atmosfere geri döndürürler. Her ne kadar azot atmosferde 78% oranında bulunsa bile, canlılar için kullanılabilir olan azotun yaklaşık tamamı nereden gelir a few groups of nitrogen-fixing bacteria – Birkaç azot bağlayan bakteri grubu the breakdown of minerals –minerallerin ayrışması C. a few genera of detritivores – birkaç ayrıştırıcı cins’i D. the breakdown of dead plants – Ölü bitkilerin ayrışması E. nitrogen-containing fertilizers – Azot içeren gübreler carbon biyosferde nasıl depolanmaktadır? A. Atmosferde carbon dioxide olarak B. Yer altında fosil yakıt ve calcium carbonate taşı olarak C. Okyanuslarda çözünmüş carbon dioxide olarak D. all of the above-yukarıdakilerin hepsi