4- Biyo-jeokimyasal Döngüler
Aslı Sade Memişoğlu
kisi.deu.edu.tr/asli.memisoglu
Biyojeokimyasal döngüler
Bir biyojeokimyasal döngü bir maddenin (Ör: su, karbon, azot, fosfor) biyotik ve abiyotik çevreler arasındaki dönüşümüdür
Bu döngüler ekosistem ekolojisinin yapıtaşlarıdır
Doğa herşeyi tekrar
kullanır. Canlılar
arasında aktarılan
maddelerin tümü,
ekosistemin
sağlığını idame
ettirmede çok
önemlidir.
Karbon
döngü
sü
Fosfor
döngü
sü
Azot
döngü
sü
Su
döngü
sü
Oksije
n
döngü
sü
Çevrede ısı
ısı ısı ısı
– Biyojeokimyasal madde döngüleri biyolojik, jeolojik ve kimyasal süreçleri içerir.
– Madde bu döngüler arasında geçiş yaptıkça, ne yok olur, ne de yoktan var olur, sadece şekil değiştirir.
* Hemen hemen tüm biyokimyasal döngülerde, canlı kaynaklarında, cansız kaynaklardan daha az madde bulunur.
Karbon
döngü
sü
Fosfor
döngü
sü
Azot
döngü
sü
Su
döngü
sü
Oksije
n
döngü
sü
Çevrede ısı
ısı ısı ısı
İnsan pekçok biyojeokimyasal döngüyü etkilemektedir
Atmosfer CO2
konsantrasyonu
Karasal azot
bağlanması
Ulaşılabilen yüzey
suları
Doğada
oluşan
İnsan
etkisiDoğada
oluşan
İnsan
etkisi
Ulaşılabilen Kullanılan
1. Su (hidrolojik) Döngü
• Bitkiler topraktaki suyu emer
• Terleme (güneş sebebiyle yapraklardan suyun buharlaşması) ve solunum ile su atmosfere aktarılır
• Yağış, (yağmur, kar vb gibi) suyu tekrar toprağa aktarır
• Su topraktan süzülür ve yeraltı kaynaklarında toplanır
eceBuz ve karda su
depolanması
Yağış
Eriyen kar akarsulara
karışır
Akarsu
Temiz su
deposu
Kaynak
BuharlaşmaSüzülme
Yeraltı suyu depolanması
Yüzey akıntıları
Okyanuslarda su
depolanması
Buharlaşma
Terleme ile buharlaşma
YoğunlaşmaAtmosferde suyun depolanması
Su Döngüsü
Süblimleşme
Su döngüsü
Karaya düşen yağışın sadece %40’ı okyanustan buharlaşan, %60’ı bitkilerden terleme yoluyla buharlaşan sudur.
Buharlaşma
Okyanus
üzerine yağış
Kara üzerine
yağışTerleme
buharlaşma
Yeraltı suyu
akışı
Yeraltı suyu
Yüzey su
akışı
Okyanus
Su
buharı
Temiz su çok değerli ve çoğunlukla az bulunan bir kaynaktır
Küresel temiz suyun ulaşılabilen yüzdesi çok küçüktür
Tuzlu su
Okyanuslar BuzullarYeraltı
suyu
Göller, akarsular,
toprak
Atmosfer
Temiz su
Su döngüsü üzerinde insan
etkisi• Çok büyük miktarlarda temiz su kullanır –
suyun yönünü değiştirme, yeraltı suyu tüketme, sulak alan tahliyesi
• Karasal bitki örtüsünü yok etme
– Yüzey akıntıları artar, toprak içine süzülme azalır, sel ve erozyon artar
• Su kalitesini değiştirir – fosfat, nitrat gibi içerikler değişir
Canlılığın temel elementleri
• Canlıları oluşturan makromoleküllerin ortak elementleri
• Karbon (C), Azot (N), Fosfor (P)
2. Karbon Döngüsü
• Karbon tüm organik moleküllerin temelidir• Atmosferdeki karbon dioksit ve metan gibi
C bileşikleri küresel iklimi büyük ölçüde etkiler
• 3 temel süreç karbonun ekosistemlerde dönüşümünü sağlar:1. Fotosentez/solunum2. Atmosfer ve okyanuslar arasında CO2
alış verişi3. Karbonat tortularının okyanuslarda
çökelmesi
2.1 Fotosentez/solunum
• Karbon bitkiler tarafından bağlanır– 6 CO2 + 6 H2O → C6H12O6 + 6 O2
• Karbon tüketiciler tarafından açığa çıkarılır– C6H12O6 + 6 O2 → 6 CO2 + 6 H2O
• Karbon içeren organizmalar fosil yakıtları oluşturur
• Fosil yakıtların kullanımı karbon açığa çıkarır– 2 C8H18 + 25 O2 → 16 CO2 + 18 H2O
Fotosentez ve hücresel solunum, karbon ve oksijen döngülerini sağlar
Karbon döngüsü
Atmosfer CO2
Fotosentez
Solunum
Solunum
HayvanlarBitkiler
Bakteri ve
mantarlarca
ayrıştırma
Ölü organizmalarFosil
yakıtlar
Fosil
yakıt
kullanımı
2.2 Okyanus-atmosfer alış verişi
• CO2 suda kendiliğinden çözünür; okyanuslar atmosferin 50 katı CO2 içerir
• CO2 okyanus/atmosfer sınırlarında sürekli alıp verilir.– Okyanustaki CO2 miktarı okyanus-atmosfer
sistemi dışında bir kaynaktan yenisi eklenmedikçe sabit kalır
• Ör: Fosil yakıtlar
• Okyanus, insan etkileri sonucu oluşan fazla CO2 için bir çukur oluşturmaktadır
=tamponlayıcı etki
3.3 Karbonat çökelmesi
• Karbon dioksit suda çözündükten sonra hidrojen, bikarbonat ve karbonat iyonlarına dönüşür
• Suda bulunan kalsiyum, karbonat iyonlarıyla dengelenerek kalsiyum karbonat oluşturur
• Kalsiyum karbonatın çözünürlüğü düşüktür ve suda çöker
Karbon döngüsü
Atmosfer (CO2)Solunum
Fotosentez
Solunum
Doğal ve insan
eliyle yakma
Arazi değişimi
(biyokütle yıkımı)
Toprakta ayrışma
Doğal gaz
PetrolKireçtaşı
Organik tortu
Deniz plankton solunumu ve
fotosentez
Suda çözünmüş
CO2
Erozyon
Kömür
Karbon Döngüsüne İnsan Etkisi
• Fosil yakıtlar ve biyokütle (ağaç) yakılması, karbon çukurları (okyanus, orman) tarafından yeterince hızlı alınamayacak miktarda CO2
açığa çıkarır.
• CO2 ısının uzaya çıkışını engelleyen bir sera gazıdır– Bu da küresel ısınmaya katkıda bulunur.
– Sonuçta biyoçeşitliliğin azalmasına, deniz seviyelerinin yükselmesine, daha şiddetli fırtınalara ve bunlarla ilişkili pekçok değişime yol açar
Karbon döngüsüne insan etkisi
• Bitki örtüsünün bozulması –– birincil üretimi azaltır
– Karbon bağlanmasını azaltır
– Enerji akışını aksatır
– Küresel ısınmaya katkıda bulunur
• Fosil yakıtların kullanımında artış ve bitki örtüsünde azalma = C bağlanmasında azalma = atmosferde CO2 artışı
• Karbon, CO2 haricinde CO (karbon monoksit) ve CH4 (metan) olarak atmosferde bulunur
• CO: egzoz gazlarından açığa çıkar, zehirli
• CH4: anaerobik bakteriler üretir
– Maden ve petrol aramaları sırasında yeraltından açığa çıkar
– Fosil yakıtlar ve arazi doldurması
– Metanın emdiği ısı CO2’nin 25 katıdır
• Önemli sera gazı
• Donmuş topraklar ve soğuk deniz diplerinde depo halde bulunur
– Küresel ısınma ile Sibirya ve Alaska’da açığa çıkmaya başlamıştır
Karbon döngüsüne insan etkisi
3. Azot döngüsüHavanın yaklaşık %78-80’ini atmosferdeki N2 (Azot) oluşturur
Organizmalar azotu bu haliyle kullanamazlar
Atmosferdeki azotun çok az bir kısmı okyanusta çözünür.
Yıldırımlar (az miktarda) ve bazı bakteri türleri azotu kullanılabilir formlara dönüştürür
Azot bağlayıcı mikroorganizmalar
Baklagillerle simbiyotik yaşam süren bakteriler.
Nodüllerde yaşarlar
Nodüller
Kökler
Azot bağlanması atmosferdeki azotu (N2) amonyuma dönüştürür (NH4
+) = amonifikasyon
Bu, bitkiler tarafından amino asitler gibi organik moleküllerin yapımında kullanılabilir.
N2 NH4+
Sadece belirli bakteri türleri ve endüstriyel teknolojiler azotu dönüştürebilir.
Amonyum diğer bazı toprak bakterileri tarafından nitrata dönüştürülür = nitrifikasyon
Bu da bitkiler tarafından kullanılır ve onları yiyen hayvanlara aktarılır.
Organizma öldüğünde ayrıştırıcılar tarafından amonyağa dönüştürülür ve tekrar cansız kaynaklara döner.
Buradan diğer mikroorganizmalar tarafından azota dönüştürülerek atmosfere salınır = denitrifikasyon
Atmosferdeki azot (N2)
Bitkiler
Ayrıştırıcılar
(oksijenli/oksijensiz solunum
yapan bakteri/mantarlar)
Amonyum Nitrit
Nitrat
Köklerdeki Azot-
bağlayan
bakteriler
Topraktaki Azot-
bağlayan bakteriler
Amonifikasyon
Asimilasyon Denitrifaksyon
bakterileri
Nitrifikasyon
bakterileriNitrifikasyon
Nitrifikasyon
bakterileri
İnsanlar azot döngüsünde önemli rol oynar
Havadan gübreleme (azot içerir)
Azot döngüsüne insan etkisi
• Sentetik azot gübrelerinin kullanımı, bunların sulara karışması alglerin aşırı çoğalmasına sebep olur– Bu da oksijeni ve dolayısıyla biyoçeşitliliği
azaltır!!!
• Algler veya fitoplanktonlar fotosentez yaparlar
Peki neden oksijen tükenir?
Mississippi nehrinin Meksika Körfezine döküldüğü noktada mevsimsel olarak bir «ölü bölge» meydana gelir.
Aşırı alg üremesi sonucu aşırı alg ölümü –zooplanktonlar tarafından ayrıştırılma ve oksijen tüketimi –yüzeyde ışık geçirmeyen tabaka ve tükenmiş oksijen
Tarım
arazilerinden
gelen azot
http://oceantoday.noaa.gov/happnowdeadzone/
Azot döngüsüne insan etkisi
• Tarım yönetimi: Azot-bağlayan bitkilerin ekimi toprağa kullanılabilir azot sağlar– Ör: ürün değişimi: mısır – soya fasülyesi
dönüşümlü olarak ekilebilir
– Yine de aşırı düzeyde ekim topraktaki azotu tüketir.
– Bataklık alanlar oluşturularak azotun bağlanması sağlanabilir
Azot döngüsüne insan etkisi
• Fosil yakıtlar – Atmosferde azot dioksit oluşturur (NO2) – Su ile tepkimeye girerek nitrik asit
oluşturur (HNO3)
– Asit yağmuru
3. Fosfor Döngüsü
Fosfor – genellikle kalsiyum fosfat olarak toprak ve kayalarda bulunur.
• Kalsiyum fosfat suda çözünür ve fosfat iyonlarını oluşturur. Bu inorganik form, çoğu canlı tarafından kullanılamaz.
** Fosfor DNA, kemikler ve dişlerin önemli yapı taşıdır
• Bitkiler inorganik fosfatı kökleri yardımıyla alır. Daha sonra organik fosfata dönüştürür.
• Tüketiciler organik fosfatı bitkilerden alır.
• Ayrıştırıcılar fosfatı toprağa tekrar inorganik olarak verir
• Fosfat su kaynaklarına karışır– Yeni kaya oluşumuna katılabilir
Bu döngünün diğerlerinden farkı nedir?
CEVAP: Fosfor döngüsünde atmosfer evresi bulunmaz!
Hücresel solunum
Fosfat atılır
Fosfat bitkilerce
alınır. Organik
fosfata
dönüştürülerek
kendi
yapılarında
kullanılırTarım
Gübre
Fosfat
kayalarında
madencilik
Çökelme ile
fosfat kayaları
oluşumu
Topraktaki
fosfat
Suda çözünmüş
fosfat
Alg
fitoplankton
Heterotrof
beslenme
Gübreden
sızıntı
Milyonlarca
yıl
Fosfor döngüsüne insan etkisi
• Büyük miktarlarda fosfat kayası organik gübre ve deterjan yapımı için kullanılır
• Tarım alanları ve evsel atıklardaki fosfat göl ve göletlerde birikir
– Alg patlamasına – oksijen azalmasına – diğer canlıların ölümüne – biyoçeşitliliğin azalmasına yol açar = ötrofikasyon (aşırı beslenme)
Besin dengesinde bozulmanın
etkileriAşırı besin karışımı karasal ekosistemlerde de çeşitliliğin azalmasına sebep olur:
Birkaç tür daha iyi hayatta kalır ve diğerleri onlarla yarışamaz