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Wörterbuch

Biochemische Zyklen

Die Mineralien, davon die menschliche Wirtschaft abhängig ist, sind Teil eines globalen Zyklus. Wie funktionieren sie, und wie viel unterbrechen die Menschen die natürlichen Zyklen?

  • Apatit
    • Die allgemeine, chemische Formel für Apatit ist: Ca5(PO4)3(F,Cl,OH)

      Apatit ist eine der wenigen Mineralien, die von biologischen Systemen hergestellt und eingesetzt werden können.

  • Kohlenstoffkreislauf
    • Joseph Priestley und Antoine Lavoisier werden als die Entdecker des Kohlenstoffkreislaufs zugeschrieben, in 1770-80.

      Kohlenstoff im Kohlenstoffkreislauf der Erde hat sowohl organische als auch anorganische Formen. Anorganischen Kohlenstoff ist vor allem zu finden in Form von Kohlendioxid (CO2), Karbonat (CO32-) und Hydrogencarbonat (HCO3-, aka Bikarbonat). Organische Kohlenstoff ist Kohlenstoff in lebenden und toten Organismen, fossile Brennstoffe und andere organischen Ablagerungen in Gestein, Wasser und der Atmosphäre.

      Respiration von lebenden Organismen freisetzt die Sonnenenergie, die in Glukose bei der Photosynthese gespeichert wurde.

      Kohlenstoff ist ständig in Austausch zwischen den anorganischen und organischen Formen. Anorganische Kohlenstoff ist in einer oxidierten Form, die durch die Photosynthese reduziert wird, wenn sie den Lebenszyklus durch den pflanzliche Biomassewachstum eintritt. Daher CO2 reduziert sich zu Glukose (C6H12O6). Als komplexe Kette von Kohlenstoffatome, ist Glukose wesentlich energiereicher als CO2. Es ist dieser Energiespeicher, der lebenden Organismen mit ihrem nötigen Brennstoffe versorgt. Durch die Respiration wird Kohlenstoff durch eine Reihe von Schritten zu das niedrigste Energieniveau, oxidierten anorganischen CO2 zurückgebracht.

      Kohlenstoff in der Erdkruste ist von hauptsächlich biologischen Ursprung, und hat eine Verweilzeit von 2,7 x 105 Jahre. Dieser Kohlenstoff wird hauptsächlich geformt durch die Ablagerungen von lebenden Organismen, die Calciumcarbonat (CaCO3) in ihren Schalen verwendet haben, und bildet Sedimentgesteine, wie Kalkstein, oder andere durch Metamorphismus. Karbonategestein ist im Wesentlichen ein permanentes Reservoir an Kohlenstoff, jedoch eine geringe Menge an Kohlenstoff in die Atmosphäre durch Vulkane freigesetzt wird.

      Unter anaeroben Bedingungen, beispielsweise in Sümpfen, gibt es nicht genügend Sauerstoff verfügbar, um die Kohlenstoff in Detritus (Blätter und toten Organismen) zu oxidieren, so wird Kohlenstoff aus der Oberfläche-Umgebung entfernt, in was als Kohlenstoffspeicher bekannt ist. Es ist dieser Kohlenstoff, der unterirdisch komprimiert und erwärmt wird, um die fossilen Brennstoffe zu bilden: Kohle, Gas und Öl. Dank der anaeroben Land und Ozean Kohlenstoffsenken, hat sich die Erde, ein Gleichgewicht zwischen Sauerstoff und Kohlendioxid durch den Mechanismus des Lebens beibehalten.

      Menschliche Aktivitäten sind derzeit die größte Quelle des Ungleichgewichts zum fein abgestimmten Kohlenstoffkreislauf

      Kohlenstoff als CO2 in die Atmosphäre hat eine kurze Verweilzeit. Im durchschnitt, ein Molekül CO2, das bei der Atmung und Zersetzung freigesetzt ist, wird für nur 3,2 Jahre in der Luft zirkulieren, vor es in den Lebenszyklus durch Fotosynthese zurückkehrt. Die Atmosphäre mischt durch Windanlagen auf etwa der gleichen Zeitskala. Dies bedeutet, dass lokale Variationen in CO2 Konzentrationen erstellt werden können. Es gibt auch natürliche Schwankungen der Zustrom und Fortzüge von Kohlenstoff, aufgrund von Schwankungen in Klima, Wetter und vulkanischer Aktivität.Menschliche Aktivitäten sind derzeit die Hauptursache von Kohlenstoff-Ungleichgewicht im Kohlenstoffkreislauf der Erde, dank die Freisetzung von über 50 Gt Kohlendioxid pro Jahr aus der Verbrennung fossiler Brennstoffe.

      Schätzungen der Kohlenstoffspeicher

      /Gt (Milliarden Tonnen Kohlenstoff)

      • Atmosphäre: 800
      • Biomass: 550
      • Boden: 2300
      • Reaktive Sedimenten: 6000
      • Ozeane Oberfläche: 1000
      • tiefe Ozean: 37,000
      • Fossilen-Brennstoffe: 10,000
      Schätzungen der natürlichen Kohlenstoffflüsse

      /Gt (Milliarden Tonnen Kohlenstoff) jährlich

      • Pflanzenatmung: 60
      • Fotosynthese: 120
      • Mikrobielle Zersetzung und Atmung: 60
      • Luft-Meer Gasaustausch: 90 freigegeben/ 92 aufgenommen
      Estimates of carbon accumulation/sinks

      /Gt (Milliarden Tonnen Kohlenstoff) jährlich

      • Anthropogene (vor allem die Verbrennung fossiler Brennstoffe) Beiträge zur Atmosphäre: 9
      • Insgesamt natürliche Atmosphäre Austausch: 5
        • Net terrestrische Aufnahme: 3
        • Net Ozean-Aufnahme: 2

      Fazit: Die Atmosphäre hat eine Netto-4GT pro Jahr Akkumulation von Kohlenstoff durch die Verbrennung von fossilen Brennstoffen und anderen menschlichen Aktivitäten verursacht.

  • Sauerstoff
    • Sauerstoff ist eine der häufigsten Elemente auf und in der Erde. Es ist ein Hauptbestandteil von Siliziumdioxid (SiO2) oder Quarz und als O2 ist knapp 21% der Atmosphäre (Volumen).

      89% der Masse des Wassers ist Sauerstoff. In der Stratosphäre, Sauerstoff nimmt die Form Ozon (O3), die uns einen wesentlichen Schutz gegen UV-Strahlung der Sonne schafft.

      Sauerstoff O2 nimmt die zentrale Rolle bei der Zellatmung an. Es wird von Tieren eingeatmet, und als CO2 ausgeatmet. Das Gegenstück zum Tieratmung ist Pflanzentranspiration, wobei bei der Photosynthese Chloroplasten in den Blättern CO2 einnehmen, und O2 ausgeben.

  • Stickstoff
    • Stickstoff (N) wird in beiden biotische und abiotische Prozesse beteiligt: Fixierung, Ammonifikation, Nitrifikation und Denitrifikation.

      78% der Atmosphäre ist molekularer Stickstoff (N2). Jedoch, anders als beim Sauerstoff, Stickstoff kann nicht durch Organismen direkt verwendet werden. Die Pflanzen sind abhängig von Nitrobakter für ihre Stickstoff. Dieser Bakterienstamm "fixieren" Stickstoff aus der Luft und liefern Pflanzen die Stickstoff in Knötchen an ihren Wurzeln.

      Nitrate (NO3-) sind aus der Luft durch den Haber-Bosch- Prozess hergestellt, und die Freisetzung von großen Mengen in der Landwirtschaft kann in Gewässern akkumulieren, die Eutrophierung genannt ist.

  • Schwefel
    • Schwefel ist ein wesentliches Element für das Leben, und bewegt sich zu und von den Bodenmineralien durch biologische und physikalische Prozesse.

      Die Formen von Schwefel in der Natur gehören H2S (Schwefelwasserstoff - "faules-Ei Gas"), Sulfidmineralien (z.B. Pyrit (Katzengold) FeS2) und Elementar Schwefel. Schwefel wird während der vulkanischen Aktivität ausgewiesen.

      Als Verunreinigung in Kohle und Öl, ist Schwefeldioxid SO2 ein wichtiger Schadstoff bei der Verbrennung fossiler Brennstoffe. Schwefeloxide (SOx = SO, S2O, SO2) sind verantwortlich für die Bildung von sauren Regen.

  • Phosphor
    • Phosphor (P) ist ein Element, das wesentlich für das Leben ist, und durch den Bergbau erhalten. Die Balance von Phosphat in der Umwelt, insbesondere in Gewässern, ist ein wichtiges Anliegen im Bereich Umweltmanagement.

      Lebende Zellen verwenden Phosphat um zelluläre Energie in Form von Adenosintriphosphat (ATP) zu transportieren. Phosphat (PO4-3) ist natürlich in jedem Ökosystem als Düngemittel verfügbar, aber jetzt wird künstlich in großen Mengen hergestellt. Organophosphorverbindungen sind eine kommerziell wichtige Gruppe von Phosphorverbindungen.

      Das Überangebot von Phosphat in einem Wassereinzugsgebiet kann zur Eutrophierung von Seen und Flüssen führen. Eutrophierung ist ein Überangebot an Nährstoffen und fördert Oberflächenspezies, wie Algen, zu dominieren, auf Kosten der Unterfläche Gemeinschaften. Der Verlust an photosynthetischen Pflanzen in der euphotischen Zone und Benthosgemeinschaft führt zu Erschöpfung der Sauerstoffgehalt und damit anaeroben Bedingungen.

      Etwa 1010 Mol Phosphor werden durch Ablagerungen in den Ozeanen jedes Jahr abgelagert. Ablagerungen die P tragen, sind von drei Arten:

      1. Phosphor im Zusammenhang mit Calciumcarbonat
      2. Organische Phosphor (in Verbindung mit organischem Kohlenstoff)
      3. Apatit