Madde Döngüleri-1 C Biyo-Jeo-Kimyasal Döngüler PROF. DR. AYTEN NAMLI

Döngülerde; Mineralizasyon: organik formdan inorganik forma dönüştürme Asimilasyon (immobilizasyon): inorganik formdan organik forma dönüştürme Oksidasyon (yükseltgenme): bir bileşikten elektronların verilmesi Redüksiyon (indirgenme): bir bileşiğe elektron ilave edilmesi

Mineralizasyon Mineralizasyon organik bileşikleri inorganik bileşiklere çeviren süreçtir. Organik bileşikler C ve H içerir. C6H12O6 glukoz CH3COOH asetik asit CH4 metan Organik bileşikler CO2 CO32- HCO3- H2CO3 Organik değil

Organik bileşikler Temel inorganik bileşenlerine tamamen mineralize olurlar. H2O, CO2, NH4+, NO3-, NO2-, HPO42-, H2PO4, SO42-, H2S ve iz elementler Bu bileşikler, gaz olarak atmosfere verilir, toprak çözeltisinde çözünür veya toprağın katyon ve anyon değişim komplekslerinde adsorbe edilirler.

İmmobilizasyon Bir bitki veya toprak organizması bir organik molekülü toprak bileşenlerinden bünyesine çekip aldığında asimile ettiği söylenir.

Oksidasyon-Yükseltgenme Oksidasyon bir bileşiğin elektron kaybetmesidir. Oksijen genellikle oksidasyon reaksiyonları için gereklidir. CH4 CO2 NH4+ NO3- H2S SO42- Ferrus (Fe2+) ferrik (Fe3+) oksitlenir.

Oksidasyon durumları için genel kurallar Serbest elementlerin oksidasyon durumu sıfırdır. Elementel S ve O2 =0 Elementel iyonların oksidasyon durumu iyonun yüküne eşittir. Ca2+ ve Mg2+=+2 H +1 ve O -2 Bütün oksidasyon durumlarının toplamı bileşiklerin net yüklerine eşittir. H ve O dışında eğer bileşik pozitif değere sahipse yükseltgenmiş eğer negatif değere sahipse indirgenmiş denilir.

İndirgenme-Redüksiyon Redüksiyon oksidasyonun tersidir. CH4, NH4+, H2S indirgenmiş bileşikler A İndirgenmiş A yükseltgenmiş + e- B yükseltgenmiş + e- B indirgenmiş

toprak organik maddesi Karbon Döngüsü toprak organik maddesi toplam organik C toprak mikrobiyal biyokütle C mineral C

Dünyada C için dört temel kaynak vardır: C döngüsü Karbon canlı hücrenin en önemli yapı taşlarından birisi ve biyolojik sistemin en önemli elementidir. Bitki ve mikroorganizma %40-50 C içerir. Dünyada C için dört temel kaynak vardır: Toprak (1500 x 1012 kg) Su (38000 x 1012 kg) Hava (750 x 1012 kg) Biyokütle (560 x 1012 kg) Yeryüzü 1020 kg C içerir (sedimentel kayalar ve karbonat)

Rezervuar Miktar (milyar ton C) Atmosfer 1850den once Atmosfer 1978 Okyanuslar ve tatlı su inorganik Çözünmüş organik Yeryüzü canlıları Toprak organik maddesi Sedimentler Fosil yakıtları 560-610 692 35.000 1.000 600-900 1.500 10.000.000 10.000

Ayrıştırıcılar Trofik düzey Birincil üreticiler I. CO2 otlayan Birincil tüketici II. predator III. İkincil tüketici Ayrıştırıcılar IV. Üçüncül tüketici predator En yüksek C çevirimi aerobik koşullarda gerçekleşir.

İnorganik ve organik İnorganik: CO2, H2CO3, HCO3-, CO32- Organik: karbonhidrat (CH2O)n hidrokarbon CnH2n+2

Küresel karbon döngüsü

Toprak organik maddesi Organik polimerler Proteinler nükleik asitler polisakkaritler lignin yağlar fotosentez CO2/HCO3 mineralizasyon Toprak organik maddesi solunum Ölü/dekompozisyon ölü Ölü/dekompozisyon Monomerler şekerler aminoasitler yağ asitleri fenolik bileşikler Mikrobiyel biyokütle asimilasyon

Karbon, bütün organik maddelerde mutlaka bulunan bir maddedir. Karbonun toprağın içinde ve dışında çeşitli değişmelere uğradıktan sonra tekrar karbona dönüşmesine karbon döngüsü denilmektedir. Biyolojik bakımdan karbon döngüsü, yeşil bitkilerin CO2 'i fotosentetik olarak redükte etmesi ve bunun daha sonra bitki, mikroorganizma ve daha az olmak üzere hayvan solunumu ile atmosfere geri bırakılmasıdır.

KARBON ATMOSFERE HANGİ YOLLARLA YAYILIR?

Karbon atmosfere birçok yolla yayılabilir; 1. hayvanların,insanların ve bitkilerin solunum yapmasıyla 2. Ölü hayvan ve bitkilerin bakteriler tarafından parçalanmasıyla 3. Doğal gaz, motorin , kömür gibi organik yakıtların yakılmasıyla 4. Okyanusların üst katmandaki ısınan sudaki çözünen CO2 atmosfere yayılır. 5. Çimento üretiminde de atmosfere büyük oranda CO2 salınır. 6. Nadir yaşansa da Volkanik patlamalar atmosfere ciddi miktarda CO2 yayılmasına neden olur. Volkan patlaması sonucunda oluşan gazlar : Su buharı, CO2 ve sülfürdiyoksittir.

Toprak ekosisteminde C döngüsü CO2 ‘in bitkiler tarafından fiksasyonu Bitkisel materyalin birincil tüketicilere aktarılması Birincil tüketicilerden ikincil tüketicilere ve daha üst düzey tüketicilere aktarılması Dışkı ve kadavraların mikroorganizmalarca ayrıştırılması Tekrar CO2 şeklinde atmosfere verilmesi

Topraklar yaklaşık 1500 Gt. karbonla karasal ekosistemin en büyük karbon deposunu oluşturur Yeryüzünde karasal ekosistemde toprağın 1 m’lik kısmında depolanan organik karbon miktarı yaklaşık 1200-1600 Gt C (Giga ton C) Toprak bitkilerin yapısındaki karbondan 2.5 kat daha fazla (560 Gt C) ve atmosferdeki karbondan ise yaklaşık iki kat fazla C içerir. Bu dinamik depo ile atmosfer arasındaki yıllık CO2 değişimi, fosil yakıtlar tarafından atmosfere salınan karbonun yaklaşık on katıdır. Tarım toprakları başlangıç karbonunun %50-66 kaybetmiş durumda olup bu da 42 ila 78 Gt. C eşdeğerdir

Çoğu mikroorganizma hücreleri, yaklaşık % 50 oranında C içerirler. Toprakta yaşayan canlılar için en önemli işlev enerji ve karbon sağlamaktır Çoğu mikroorganizma hücreleri, yaklaşık % 50 oranında C içerirler. Karbon elementinin kaynağı klorofilli bitkiler için CO2 olmasına karşın, toprak mikroorganizmaları büyük ölçüde karbonlu maddeleri ana kaynak olarak kullanırlar. Bu substrat karbonunun protoplazmik karbona çevrimi olayına "karbon özümlemesi” (asimilasyon) adı verilmektedir.

Toprak Organik Maddesi Topraktaki karbonun büyük bir kısmı organik maddenin yapısında bulunur. Bununla birlikte kurak ve yarı kurak iklim bölgelerinde kireçli ana materyal üzerinde oluşmuş topraklarda CO3-C önemli bir yer tutar

Karbon doğada mineral biçimde (kömür, elmas, gaz olarak veya suda çözünmüş durumda karbon dioksit olarak ) organik biçimde bulunur. Organik karbonun bir bölümü, kömür, petrol gibi fosil yakıtlarda birikmiştir.

Organik maddeden değişik süreçler sonucunda 3 humus şekli oluşur; 1. Mull: Orman ekosisteminde uygun iklimde döküntü katmanının ayrışarak toprağa karışmasıyla oluşur. 2. Moder/Moor: Orta derecede m.organizma aktivitesi bulunup, toprağa karışması yavaştır. 3. Ham humus: Toprakta ayrışmadan duran kalın organik döküntü. Toprağa karışma yoktur, minerallerce zengindir.

Soğuk iklimlerde ham humus formu çoğunluktadır. Mull oluşumunda makrofauna etkisi çoktur Moder oluşumunda mantar florası etkin OM ayrışmasında Simojen mikroflora etkin

ORGANİK MADDENİN İÇERİĞİ?

Organik maddenin içermiş olduğu organik asitler, polisakkaritler, ligninler, aromatik ve alifatik hidrokarbonlar, şekerler, alkoller, amino asitler, pürinler, primidinler, proteinler, yağ ve nükleik asitler bir veya daha fazla populasyonun etkisi ile temel bileşenlerine kadar ayrıştırılır.

BİTKİNİNORGANİK BİLEŞENLERİ?

Bitkilerin organik bileşenleri :   1. Selüloz, en yaygın bitki bileşeni olup, kuru ağırlığın % 15 ile % 60'ını oluşturur. 2. Hemiselülozlar, dokuların % 10 ile %30 'unu oluştururlar. 3. Lignin, karmaşık yapılı ve ayrışmaya dirençli olan bitki bileşeni olup, dokuların % 5 ile % 30'unu oluşturur. 4. Suda çözünebilir maddeler, basit şekerler, amino asitler ve alifatik asitler, doku ağırlığının % 5 ile % 30'unu oluştururlar. 5. Eter ve alkol çözünür bileşenler. Bunlar yağlar, mumlar, reçineler ve pigmentler olarak gruplanabilir. 6. Proteinler, yapılarında bitki azot ve kükürdünün çoğunu içerirler. Genellikle kül tayini ile belirlenen mineral maddeler toplam dokunun % 1 ile % 13'ünü oluşturur. Bitki yaşı ile birlikte suda çözünür maddeler, proteinler ve mineral maddelerin miktarı ……………………………………………….. selüloz, hemiselüloz ve lignin'in yüzdesi …………………………………..

Lignin ayrışmaya çok dirençli yavaş ayrışırlar. Suda çözünebilir maddeler (basit şekerler, aminoasitler, alifatik asitler) Dokuların % 5 ile %30’unu oluşturur. Proteinler %1-%13 Selüloz ve hemiselülozlar, suda çözünebilir maddeler hızlı ayrışmakta ve çok fazla dirençli değil Lignin ayrışmaya çok dirençli yavaş ayrışırlar.

Selüloz: En yaygın bitki bileşeni olup kuru ağırlığın %15 ile %60’ını oluşturur. Hemiselüloz: Dokuların % 10 ile %30’unu oluşturur.

selüloz Selüloz dünyada en fazla bulunan biyopolimerdir.selülozlar β-1-4 bağlantılı glukoz moleküllerinden oluşur. Her molekülde 2000 ile 15000 glukoz ünitesi vardır. Bitki kalıntılarının hububat saplarının sonbaharda dökülen yaprakların büyük kısmını selüloz oluşturur.

Selüloz ayrışmasını yönlendiren faktörler Yarayışlı azot düzeyi Sıcaklık Toprak havalanması Toprak ve bitki kalıntı yığınlarının nem düzeyi pH Diğer karbonhidratların varlığı Lignin oranı

Selüloz ayrıştıran mikroorganizmalar: Bakteri Mantar Aktinomiset Aerob bakteriler selülozu iki ürüne çevirir: 1. Karbondioksit 2. Hücre maddeleri

Selüloz ayrıştıran bazı mikroorganizma cinsleri Mantar Bakteri Aktinomiset Alternaria Bacillus Micromonosporoa Aspergillus Cellulomonas Nocardia Coprinus Clostridium Streptomyces Fomes Corynebacterium Streptosporangium Fusarium Polyangium Penicillium Sporocytophaga Polyporus Vibrio Rhizoctonia Rhizopus Trametes

Hemiselülozu ayrıştıran organizmalar Substrat Bakteriler Bacillus Mannan, galaktomannan, ksilan Cytophaga Galaktan Pseudomonas Ksilan Streptomisetler Mannan, ksilan Mantarlar Alternaria Arabinoksilan, ksilan Aspergillus Araban, mannan, arabinoksilan Fusarium Araban, arabinoksilan Penicillium Araban, mannan

Lignin Karmaşık yapılı ve ayrışmaya dirençli olan bitki bileşeni olup, dokuların % 5 ile %30’unu oluşturur. Yapısında aromatik halka ve AZOT İÇERMEMESİ nedeniyle ayrışması çok yavaştır. Pseudomonas Flavibacterium Fusarium Aspergillus Penicillum

Nişasta ayrıştıran: Aktinomisetler Micromonospora Nocardia Mantarlar Aspergillus Fomes Fusarium Polyporus rhizopus Bakteriler Bacillus flavobacterium Chromobacterium micrococcus Clostridium pseudomonas Cytophaga Aktinomisetler Micromonospora Nocardia Streptomyces Nişasta ayrıştıran:

TOPRAK SOLUNUMU

OM’ nin ayrışması sonucunda Büyük ölçüde karbondioksit açığa çıkar. Aerobik ayrışma koşullarının son ürünü olarak CO2 çıktığından, belirli bir biyokütle içeren toprak kütlesinin oksijen tüketimi ve CO2 oluşturması "toprak solunumu" olarak tanımlanır. Toplam solunum olayı fotosentezin karşıtı olarak tanımlanabilir.

Toprak Solunumu/toprakların toplam biyolojik aktivitesi Organik madde ayrışması bütün heterotrofların bir özelliği olduğundan, mikrobiyal aktivitenin göstergesi olarak değerlendirilebilir. Organik madde ayrışma oranlarını belirlemek için çeşitli teknikler geliştirilmiştir: CO2 oluşumunun veya O2 tüketiminin ölçülmesi, Organik maddede ağırlık kaybı veya kimyasal değişimlerin saptanması, Selüloz, lignin, hemiselüloz gibi özel bileşiklerin gideriminin gözlenmesidir.

Doğal koşullar ile tarla koşullarındaki ayrışmaya bağlı CO2 oluşum miktarları farklıdır. Doğal koşullarda C- mineralizasyonuna bağlı CO2 çıkışı 25 mg CO2 / gün düzeyinin altında bulunurken, Tarım topraklarında bu değer 5-50 mg CO2 gün-1 toprak-1 düzeylerinde bulunmaktadır. Daha önce tarım yapılmamış toprakların kültüre alınması ile organik fraksiyonun başlangıçta hızla mineralize olduğu ve daha sonra ayrışma ve mineralizasyon hızının azaldığı saptanmıştır.

Humus ayrışmasını yöneten temel faktörler?

Humus ayrışmasını yöneten temel faktörler: Toprağın organik madde düzeyi Toprak işleme Sıcaklık Nem pH Kil miktarı Derinlik ve havalanma C/N O2 temini, İnorganik besin maddeleri,

Toprağın C/N oranı onun karakteristik denge değerlerinden birisidir. Humus için C/N 10/1 Ayrışmaya dirençli fraksiyonların birikimi, humusun C/N denge değerini değiştirebilir. Toprağa geniş C/N oranlı kalıntıların karışması sonucu, mikroflora ayrışmayı ve gelişmeyi sağlamak amacı ile ortamdaki inorganik formdaki yarayışlı azotu kullanır ve organik kompleksler halinde bağlar.

Toprak organik maddesinin fraksiyonlanması HUMİK OLMAYANLAR (Ayrışmamış artıklar) Alkali ile muamele Çözünemez humus HUMİN Koyu renkli HUMİN maddesi Çözünebilir fraksiyon Asit ile muamele Çökmeyenler FULVİK ASİT Çökenler HUMİK ASİT Toprak Organik Maddesi

C özümlemesi Organik maddenin ayrışması mikroflora için iki farklı işlev görmektedir: Birincisi mikrobiyal gelişme için enerji sağlamak İkincisi yeni hücre maddelerini oluşturmak için C sağlamak Mikrobiyal metabolizma sonucu açığa çıkan CO2, metan, organik asitler ve alkoller metabolik artıklar olup mikrobiyal gelişme için çok kullanılır nitelikli ürünler değildir.

Karbonlu maddelerin toprağa karıştırılmasından sonra Toprak havasındaki CO2 düzeyi artmakta, O2 miktarı azalmakta, Toprağın oksidasyon-redüksiyon potansiyeli (Eh) daha redüktif koşullara doğru kaymaktadır. Aerob C mineralizasyonunun esas ürünleri CO2, su, hücreler ve humus bileşenleridir. Oksijenin yokluğunda, organik karbon tamamlanmamış bir şekilde metabolize olur. Bunların yakınında ara ürünler birikir ve önemli miktarlarda metan (CH4) ve daha az olmak üzere hidrojen (H2) oluşur.

Optimum tarımsal karbon yönetim sistemleri, minimum toprak işleme işlemesiz tarım, münavebe organik atıkların (bitkisel ve hayvansal) kullanımı nadasa bırakmanın terk edilerek bitkisel üretimin bütün bir yıla yayılması, erozyonun önlenmesi, hasat atığı fazla olan bitkilerin yetiştirilmesi, karbon depolama yeteneği yüksek olan hibritlerin kullanılması ve tarıma uygun olmayan alanların otlak ve orman alanı olarak kullanılması .

Geleneksel sürüm sisteminden sürümsüz tarıma geçmekle, toprağın ilk 8 cm kısmında önemli miktarda karbon depolanmakta, 8-15 cm de ise depolanan karbon miktarındaki artış ise daha azdır. Tarımsal ekosistemde karbon depolanmasıyla atmosferdeki CO2 konsantrasyonu % 20 azalacaktır.

Doğal ekosistemlerde depolanan organik karbon miktarı büyük ölçüde o bölgenin enlemine ve almış olduğu yıllık yağış miktarına bağlı olarak değişir. Ekvatordan güney ve kuzeye doğru gidildiğinde organik karbon miktarı önemli ölçüde artmaktadır. Bölgenin almış olduğu yağış miktarındaki artış da doğal ekosistemlerde depolanan karbon miktarını artırmaktadır. Karedeniz bölgesinde yüksek yağış miktarı yüksek bitkisel üretime neden olduğundan depolanan karbon miktarı diğer bölgelere göre daha fazladır.

Tarımsal Kullanımın Karbon Depolanmasına Etkisi Topraklarda depolanan karbon miktarı, fotosentezle organik yapıya bağlanan karbonla, organizmalar tarafından organik maddenin parçalanması ve solunum sonucu atmosfere salınan karbon arasındaki bir dengeyi ifade eder. Atmosferdeki CO2 konsantrasyonunun artması fotosentez ve bitkisel üretimin artıracağına bir işarettir. Fakat, atmosferdeki yüksek CO2’nin yaratacağı küresel ısınma toprakta organik maddenin parçalanmasını hızlandırarak uzun vadede bitkisel üretimi olumsuz yönde etkileyecektir. Toprakta organik karbonun depolanması toprağın verimliliğini olumlu yönde etkileyerek sürdürülebilir üretim için bir anahtar görevi görür

Orman ve otlakların tarıma açılmasıyla organik C miktarı % 20 düzeyinde azalır Otlağın tarıma açılmasıyla ilk 7 yılda organik karbon miktarında ani bir azalma ve 12 yıl sonra toprakta yeni bir denge oluşur İşlemeli tarım yapılan bir alanın orman veya otlağa dönüştürülmesiyle yılda yaklaşık 33.8 veya 33.2 g C m-2 depolanabilmektedir İşlemeli tarım yapılan alanın otlağa dönüştürülmesiyle yüzeyde agregatlar tarafından korunan organik karbon miktarı artmaktadır

Mavi kil gidya gidya kömür gidya

Belirgin Deniz Kabukları