Circuitul nutrientilorSistemelor disipative le este caracteristic fluxul de energie, peste care se suprapune circuitul substanţelor. Aceste circuite pot fi:

Circuitul apei

Circuitul electronilor (ciclul oxidoreducerii)

Circuitul carbonului

Circuitul elementelor biogene (N şi P)

Bazele metabolice/fiziologice

La apariţia primelor bacterii şi cianoficee fotosintetizante atmosfera conţinea doar urme de oxigen; pe măsura dezvoltării fotosintetizantelor, oxigenul acumulat în atmosferă a început să inhibe fotosinteza, ca un fel de feed-back negativ.

Apariţia heterotrofelor şi în special a mineralizatorilor a însemnat consum de oxigen pentru oxidarea materiei organice. Acest consum nu a echilibrat însă producţia de oxigen prin fotosinteză. Pe de altă parte, o bună parte din materia organică moartă nu a fost oxidată şi a suferit un proces lent de fosilizare.

Sistemul 5-regn (a) si sistemul de clasificare bazat pe biologia moleculara (b). Bacteriile si Archea sunt procariote.

Biogeochimia si regnurile lumii viiProcariotele se “ocupa” mai ales de energie si reactiile lor metabolice implica utilizarea substratului geologic atat ca donor de electroni (surse de energie) cat si ca acceptori de electroni (oxidanti). Eucariotele se “ocupa” mai ales de comportament (structuri de protectie etc) si metbolismul lor necesita multa energie.

Procariota

• Si-au dezvoltat abilitati de utilizare a compusilor geochimici, atat ca donori de electroni, adica surse de energie, cat si ca acceptori de electroni (oxidanti) pentru respiratie, acestia din urma fiind elemente care formeaza minerale ori elemente geochimice importante. Procariotele “mananca” si “respira” orice, inclusiv roci, ceea ce arata importanta surselor geologice de energie in evolutia lor.

• Este limpede ca procariotele (Bacteria si Archea) au o istorie foarte lunga si ca dezvoltarea cailor metabolice la acest nivel a precedat eucariotele multicelulare.

Eukarya

• Eukariotele nu sunt implicate in metabolismul redox al mineralelor. Interactiunile lor determina structuri sau comportament – sinteza de structuri minerale necesare pentru aparare (cochilii, frustule), sustinere (schelet) sau predatorism (dinti). Necesita input de energie pentru sinteze.

Procesele metabolice fundamentale ale vietii

• a) formarea de produsi redusi; indiferent de sursa de energie (solara, substante organice reduse sau carbon redus la subst.org.) procesele vitale interactioneaza pentru a produce H redus sau electroni-carausi care sunt apoi folositi de celule. Acesti carausi vor fi utilizati pentru biosinteze, pentru reducerea C sau N (fixarea C sau N) sau pentru generarea de energie.

• b) generarea de energie: energia, sub forma de ATP este produsul metabolismului si se obtine prin pomparea de cationi (protoni) printr-o membrana semipermeabila. Datorita ATP-aza fluxul de ioni traverseaza membrana si participa la sinteza ATP.

• c) Functii: multe functii ale celulei necesita echivalenti reducatori si/sau ATP

• Odata ce un electron este extras dintr-un substrat energetic, el “curge” pana ce circuitul se inchide prin reducerea acceptorului de electroni.

• Prin reactiile de transport de electroni, se obtine energie necesara pompari ionilor prin membrane.

• Una din “inventiile” fundamentale ale vietii este tocmai aceasta utilizare a unor clase de molecule drept carausi de electroni sau hidrogen: – citocromii; – proteine cu fier si sulf; – chinone ce contin carbon.

Fluxul de energie al planetei

• Cantitatea de energie care patrunde in biosfera via fotosinteza este de aprox. 100 TW, adica de 1 parte la 2000 parti energie solara. Oamenii folosesc doar 1TW energie regenerabila de origine solara.

• O mica parte din energia geotermala este convertita in compusi anorganici redusi (H2S, H2, Fe(II), CO, CH4) folositi de bacteriile litotrofe pentru fixrea carbonului.

Categorii metabolice

Tip metabolism Sursa de energie

Organisme

Fototrofe Energie solara Bacterii (fotosintetice anoxice si cianobacterii); Archea; Eukarya

Litotrofe Compusi anorganici

Bacteria; Archea

Heterotrofe Compusi organici cu carbon

Bacteria; Archea; Eukarya (animale, fungi, protiste)

Categorii de fototrofe

Tip de fototrofe

Grup specific

Donatori de electroni

Produsi de oxidare

Aerobe Cianobacterii

Alge

Plante verzi

H2O O2

Anaerobe Unele cianobacterii

Bacterii filamentoase verzi; rosii; verzi sulfuroase; heliobacili Gram pozitivi; unele alfa proteobacterii.

H2S, H2, S, Fe (II), carbon organic

SO42-

H2O, S, Fe(III)

Comp.org. oxidati

Corelare circuit oxigen-circuit carbon

• Continutul in oxigen al atmosferei este strans legat de activitatea biologica. Practic, toate organismele au respiratie aeroba, folosind capacitatea oxigenului de a primi electroni si de a se cupla cu hidrogenul pentru a desface moleculele de carbon care, intr-un mod controlat pot elibera energia lor pentru procesele metabolice. Ciclul oxigenului este strans legat de ciclul carbonului.

Circuite bio-geo-chimice

• Circuitele biogeochimice au ca suport structura sistemelor ecologice (ecosisteme-sisteme regionale-ecosfera) la nivelul cărora se pot diferenţia:

• compartimentele dinamice ale Unităţilor Hidrogeomorfologice (UHGM) şi atmosferei (sistemul de ciclare primar) (sink)

• compartimentul de reciclare (source)

• Compartimentele unităţilor hidrogeomorfologice reprezentate de sol, roca parentală şi apa interstiţială (sisteme terestre) pe de o parte, masa apei şi sedimentele (sisteme acvatice) pe de altă parte, respectiv troposfera , au o anumită încărcare cu elemente şi compuşi chimici funcţionând ca REZERVOARE (sink) ale circuitelor biogeochimice.

Circuitele locale (la nivelul ecosistemelor) şi cele globale (complexe de ecosisteme, ecosfera) sunt interconectate prin intermediul schimburilor şi al sistemelor de transport ale maselor de apă şi aer.

Această conectivitate explică efectele cumulate şi efectele la distanţă ale introducerii unor compuşi chimici de sinteză sau ale modificării stocurilor de elemente din rezervoare.

• “Pompa” care asigura miscarea elementelor intre compartimente este, in cazul carbonului, fotosinteza + respiratia;

• in cazul azotului – procesele de descompunere realizate de microorganismele mineralizatoare.

Circuitul carbonuluiCarbon sequestration – procesul de crestere a cantitatii de carbon din orice rezervor in afara de atmosfera; cu referire speciala la biosfera; termen diferit de “carbon capture and storage” care se refera la injectare de carbon in rezervoare geologice.

Pool/reservoir – orice zona naturala sau artificiala ce contine o acumulare de carbon sau de compusi cu carbon sau avand potential de acumulare a carbonului

Sink – In general, orice proces, activitate sau mecanism prin care se extrage din atmosfera un gaz cu efect de sera sau un precursor al acestuia; in sensul de rezervor in care creste cantitatea de carbon

Source - In general, orice proces, activitate sau mecanism prin care se elibereaza in atmosfera un gaz cu efect de sera; in sensul de rezervor din care scade cantitatea de carbon

• Rata de circulatie a carbonului si rezidenta sa in atmosfera regleaza temperatura planetei.

• Planctonul marin si padurile formeaza principalele rute prin care carbonul este preluat din atmosfera si apoi depozitat in roci si sedimente.

• O mare cantitate de carbon este fixata in CaCO3 din cochiliile si scheletele organismelor marine, o alta parte in depozitele de combustibili fosili si doar o fractiune in stratul de plante si animale moarte de la suprafata.

• Cantitatea fixata in aceane si in depozitele crustei terestre este de 40.000 ori mai mari decat cea continuta in atmosfera.

• La nivel planetar se observa anual o variatie ( o pulsatie) a CO2 atmosferic de 5 ppm care s-ar echivala cu o inspiratie si o expiratie. Acest fenomen este urmarea diferentei intre suprafetele uscatului din cele doua emisfere.

• Procesele terestre sunt dominante in emisfera nordica astfel incat nivelul de CO2 este redus atunci cand fotosinteza este intensa dar creste iarna cand respiratia depaseste valoarea energetica a productiei primare.

De ce este important circuitul carbonului?

• 1. Carbonul este elementul structural al vietii;

• 2. Circuitul carbonului este strans legat de FLUXUL DE ENERGIE;

• 3. Sub forma CO2 si CH4, carbonul participa la mentinerea conditiilor fundamentale necesare vietii, prin EFECTUL DE SERA.

• Distributia si schimburile de carbon dintre oceane, continente si atmosfera sunt controlate de sistemele biologice.

• Mecanismele geologice au asigurat stocul initial de carbon accesibil primelor forme de viata.

• In prezent, viata (includem populatia umana!) controleaza stocurile de carbon.

• Elementele minerale circulă prin biosferă cu viteze diferite în funcţie de proprietăţile lor şi de utilizarea lor de către organisme.

• Ciclurile nutrienţilor se pot clasifica în funcţie de scara spaţială la care se desfăşoară.

• Fosforul se mişcă pe distanţe scurte mai ales din cauza insolubilităţii compuşilor săi.

• Azotul este mult mai mobil, compuşii săi sunt uşor solubili, plantele îi preiau repede şi apa îi spală rapid. Prin procesele microbiene azotul este eliberat în atmosferă.

• Ciclurile globale ale nutrienţilor includ acele elemente care au o fază gazoasă sau apoasă.

• Depozitele sedimentare sunt în general localizate şi formează rezerve care pot rămâne ca atare vreme îndelungată până când procesele de eroziune sau activitatea umană să le returneze în biosferă

• Ciclurile celor mai importanţi nutrienţi sunt legate de ciclul hidrologic. Acesta este determinat de procesele de evaporare şi evapotranspiraţie în funcţie de cantitatea de energie solară care induce mişcările aerului.

Concentrarea CO2

Carbonul este stocat in cateva rezervoare: 1) in molecule organice din biomasa si necromasa; 2) in atmosfera; 3) compusi organici din sol; 4) in litosfera, sub forma de combustibili fosili si roci sedimentare – calcar, dolomit; 5) in oceane, bioxid de carbon dizolvat si carbonat de calciu in cochilii

Stocuri si fluxuri de carbon

• Stocuri (Pg C)• Atmosfera ……………………………………. 780• Vegetatie …………………………………….. 500 • Sol ……………………………………………. 1.500• Ocean(suprafata) ……………………………. 700• Ocean(adanc) ………………………………... 38.000• Rezerve comb.fosili ………………………… 10.000• Fluxuri anuale (Pg C/an)• Atmosfera-ocean …………………………… 90• Atmosfera-continente ……………………… 120• Schimburi anuale nete (Pg C/an)• Combustibili fosili …………………………… 6• Schimbare folosinta terenuri ………………. 2• Crestere atmosferica ………………………. 3• Preluare in ocean …………………………… 2• Preluare in zone terestre …………………… 3

Circuitul actual al carbonului (in petagrame)

1 petagram = 1015 grame

Rezervoare (sources) si depozite – in sens de rezervor de lunga durata (sinks) – din ultimele doua secole

petagrame carbon

0

100

200

300

400

500

600

Sources Sinks

Combustibilifosili

Folosinta terenurilor

Atmosfera

Oceane

Continente

Rezervoare si depozite de carbon in anii 90cantitati in gigatone carbon/an

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

Sources Sinks

Combustibilifosili

Folosinta terenurilor

Atmosfera

Oceane

Continente

Circuitul global al carbonului – valori in gigatone C (1015 grame); stocurile de C, in paranteze; cu rosu, perturbari antropice; cu negru, stocuri de C si fluxuri

anterioare impactului antropic; 1 km3 de carbune contine aprox. 1 gt C

Detalii pentru circuitul carbonului in oceane

Detali pentru circuitul carbonului in zonele terestre

Carbonul si efectul de sera

• Fixarea a 12 g carbon sub formă de biomasă este însoţită de eliberarea a 32 g oxigen (22,4 litri de gaz). În procesul de oxidare a materiei organice se consumă 32 g oxigen pemntru arderea a 12 g CO2. Dacă biomasa rămâne constantă acest bilanţ este 0.

• Deşi prin arderea carbonului fosil în activităţi industriale se eliberează în atmosferă 26 x 109 tone CO2 anual sistemul bicarbonaţilor din ocean este deocamdată capabil să absoarbă o bună parte din această cantitate.

• Arderea întregii cantităţi de biomasă şi necromasă necesită utilizarea doar a cantităţii de 1% din oxigenul disponibil. Dar “pericolul” distrugerii biomasei nu se află în nivelul carbonului stocat ci în capacitatea reciclării permanente a carbonului care există într-o cantitate fixă (spre deosebire de oxigen care poate fi mereu eliberat prin fotoliza apei).

• Pădurile planetei eliberează oxigen în atmosferă dar în acelaşi timp consumă oxigen în procesele de oxidare a litierei şi materiei organice din sol. Ele nu sunt plămânii planetei dar au o valoare excepţională în reciclarea carbonului şi apei.

• Pădurile primare au produs un excedent de oxigen pentru că oxidarea necromasei era parţială. Astăzi, numai turbăriile stochează carbon.

• Mecanisme posibile pentru cresterea stocurilor de carbon

• A. metabolice/fiziologice• -fertilizare cu CO2• -fertilizare cu N• B. ecosistemice• -reimpaduriri pe suprafete mari• -stoparea defrisarilor• -controlul incendiilor de padure• -imbunatatirea practicilor agricole• -cresterea ratei de sedimentare• -produse din lemn si platforme de

deseuri

• Conventia ONU pentru combaterea efectelor schimbarilor climatice

Putem creste rata de acumulare a carbonului?

• In ce cazuri creste rata de acumulare?

• A. rata de acumulare• - fotosinteza arborilor tineri 60%

• - productia primara neta a culturilor agricole 33%

• - padure tanara de conifere (pin) 25%

• B. stocuri de carbon• - biomasa pajistilor 14%

• - crestere cantitate de carbon stocat in padurile mature 0% (!!)

• Ecosistemele naturale pot acumula mai mult C daca au la dispozitie mi mult CO2?

• Surplusul presupus va ramane o perioada suficient de lunga?