Information

1.4.19.24: Der Kohlenstoffkreislauf - Biologie

1.4.19.24: Der Kohlenstoffkreislauf - Biologie


We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

Lernziele

  • Diskutieren Sie den Kohlenstoffkreislauf und warum Kohlenstoff für alle Lebewesen wichtig ist

Kohlenstoff ist das zweithäufigste Element in lebenden Organismen. Kohlenstoff ist in allen organischen Molekülen vorhanden und seine Rolle in der Struktur von Makromolekülen ist für lebende Organismen von größter Bedeutung. Kohlenstoffverbindungen enthalten besonders viel Energie, insbesondere solche aus fossilen Organismen, hauptsächlich Pflanzen, die der Mensch als Brennstoff verwendet. Seit dem 19. Jahrhundert ist die Zahl der Länder, die riesige Mengen fossiler Brennstoffe verbrauchen, gestiegen. Seit Beginn der Industriellen Revolution ist die weltweite Nachfrage nach den begrenzten fossilen Brennstoffen der Erde gestiegen; Daher hat die Menge an Kohlendioxid in unserer Atmosphäre zugenommen. Dieser Anstieg des Kohlendioxids wurde mit dem Klimawandel und anderen Störungen der Ökosysteme der Erde in Verbindung gebracht und ist weltweit ein großes Umweltproblem. Somit basiert der „Carbon Footprint“ darauf, wie viel Kohlendioxid produziert wird und wie viel fossile Brennstoffe Länder verbrauchen.

Der Kohlenstoffkreislauf lässt sich am einfachsten als zwei miteinander verbundene Unterzyklen untersuchen: Einer befasst sich mit dem schnellen Kohlenstoffaustausch zwischen lebenden Organismen und der andere befasst sich mit dem langfristigen Kohlenstoffkreislauf durch geologische Prozesse. Der gesamte Kohlenstoffkreislauf ist in Abbildung 1 dargestellt.

Klicken Sie auf diesen Link, um Informationen über das Carbon Cycle Science Program der Vereinigten Staaten zu lesen.

Der biologische Kohlenstoffkreislauf

Lebende Organismen sind auf vielfältige Weise miteinander verbunden, sogar zwischen Ökosystemen. Ein gutes Beispiel für diesen Zusammenhang ist der Austausch von Kohlenstoff zwischen Autotrophen und Heterotrophen innerhalb und zwischen Ökosystemen über atmosphärisches Kohlendioxid. Kohlendioxid ist der Grundbaustein, den die meisten Autotrophen verwenden, um energiereiche Verbindungen mit mehreren Kohlenstoffen wie Glukose aufzubauen. Die von der Sonne gewonnene Energie wird von diesen Organismen verwendet, um die kovalenten Bindungen zu bilden, die die Kohlenstoffatome miteinander verbinden. Diese chemischen Bindungen speichern dabei diese Energie für die spätere Verwendung im Atmungsprozess. Die meisten terrestrischen Autotrophen beziehen ihr Kohlendioxid direkt aus der Atmosphäre, während marine Autotrophe es in gelöster Form (Kohlensäure, H2CO3). Allerdings wird Kohlendioxid aufgenommen, ein Nebenprodukt des Prozesses ist Sauerstoff. Die photosynthetischen Organismen sind für die Ablagerung von etwa 21 Prozent Sauerstoffgehalt der Atmosphäre verantwortlich, die wir heute beobachten.

Heterotrophe und Autotrophe sind Partner im biologischen Kohlenstoffaustausch (insbesondere die Hauptkonsumenten, hauptsächlich Pflanzenfresser). Heterotrophe nehmen die energiereichen Kohlenstoffverbindungen von den Autotrophen auf, indem sie sie konsumieren und sie durch Atmung abbauen, um Zellenergie wie ATP zu gewinnen. Die effizienteste Art der Atmung, die aerobe Atmung, erfordert Sauerstoff, der aus der Atmosphäre gewonnen oder in Wasser gelöst wird. Somit findet ein ständiger Austausch von Sauerstoff und Kohlendioxid zwischen den Autotrophen (die den Kohlenstoff benötigen) und den Heterotrophen (die den Sauerstoff benötigen) statt. Der Gasaustausch durch Atmosphäre und Wasser ist eine Möglichkeit, wie der Kohlenstoffkreislauf alle lebenden Organismen auf der Erde verbindet.

Der biogeochemische Kohlenstoffkreislauf

Die Bewegung von Kohlenstoff durch Land, Wasser und Luft ist komplex und erfolgt in vielen Fällen geologisch viel langsamer als zwischen lebenden Organismen. Kohlenstoff wird über lange Zeiträume in sogenannten Kohlenstoffspeichern gespeichert, zu denen die Atmosphäre, flüssige Gewässer (meist Ozeane), Meeressedimente, Böden, Landsedimente (einschließlich fossiler Brennstoffe) und das Erdinnere gehören.

Wie bereits erwähnt, ist die Atmosphäre ein wichtiger Kohlenstoffspeicher in Form von Kohlendioxid und für den Prozess der Photosynthese unerlässlich. Der Kohlendioxidgehalt der Atmosphäre wird stark durch die Kohlenstoffspeicher in den Ozeanen beeinflusst. Der Austausch von Kohlenstoff zwischen Atmosphäre und Wasserreservoirs beeinflusst, wie viel Kohlenstoff an jedem Ort vorkommt, und jeder beeinflusst den anderen wechselseitig. Kohlendioxid (CO2) aus der Atmosphäre löst sich in Wasser auf und verbindet sich mit Wassermolekülen zu Kohlensäure, und dann ionisiert es zu Karbonat- und Bikarbonat-Ionen:

Die Gleichgewichtskoeffizienten sind so, dass mehr als 90 Prozent des Kohlenstoffs im Ozean als Bikarbonat-Ionen vorkommt. Einige dieser Ionen verbinden sich mit Meerwassercalcium zu Calciumcarbonat (CaCO3), ein Hauptbestandteil der Schalen von Meeresorganismen. Diese Organismen bilden schließlich Sedimente auf dem Meeresboden. Im Laufe der geologischen Zeit bildet das Kalziumkarbonat Kalkstein, der das größte Kohlenstoffreservoir der Erde darstellt.

An Land wird Kohlenstoff durch die Zersetzung lebender Organismen (durch Zersetzer) oder durch die Verwitterung von Landgestein und Mineralien im Boden gespeichert. Dieser Kohlenstoff kann durch Oberflächenabfluss in die Wasserreservoirs ausgewaschen werden. Tiefer unter der Erde, an Land und auf See, befinden sich fossile Brennstoffe: die anaerob zersetzten Überreste von Pflanzen, deren Entstehung Millionen von Jahren braucht. Fossile Brennstoffe gelten als nicht erneuerbare Ressource, da ihre Nutzung ihre Entstehungsrate bei weitem übersteigt. EIN Nicht erneuerbare Ressource, wie fossile Brennstoffe, werden entweder nur sehr langsam oder gar nicht regeneriert. Eine weitere Möglichkeit für Kohlenstoff, in die Atmosphäre einzudringen, ist von Land (einschließlich Land unter der Meeresoberfläche) durch den Ausbruch von Vulkanen und anderen geothermischen Systemen. Kohlenstoffsedimente vom Meeresboden werden durch den Prozess der Subduktion: die Bewegung einer tektonischen Platte unter einer anderen. Kohlenstoff wird als Kohlendioxid freigesetzt, wenn ein Vulkan ausbricht oder aus vulkanischen hydrothermalen Quellen.

Auch durch die Tierhaltung des Menschen wird Kohlendioxid in die Atmosphäre eingetragen. Die große Anzahl von Landtieren, die zur Ernährung der wachsenden Weltbevölkerung gezüchtet werden, führt aufgrund der landwirtschaftlichen Praktiken, der Atmung und der Methanproduktion zu einem erhöhten Kohlendioxidgehalt in der Atmosphäre. Dies ist ein weiteres Beispiel dafür, wie menschliche Aktivitäten indirekt biogeochemische Kreisläufe in signifikanter Weise beeinflussen. Obwohl sich ein Großteil der Debatte über die zukünftigen Auswirkungen einer Zunahme des atmosphärischen Kohlenstoffs auf den Klimawandel auf fossile Brennstoffe konzentriert, berücksichtigen Wissenschaftler natürliche Prozesse wie Vulkane und Atmung, wenn sie die zukünftigen Auswirkungen dieser Zunahme modellieren und vorhersagen.

Lernziele

Dieses Video spricht über zwei der biogeochemischen Kreisläufe: Kohlenstoff und Wasser. Der Wasserkreislauf beschreibt, wie sich Wasser auf, über und unter der Erdoberfläche bewegt, angetrieben durch die Energie von Sonne und Wind. Der Kohlenstoffkreislauf tut das gleiche. für Kohle!

Ein YouTube-Element wurde aus dieser Textversion ausgeschlossen. Sie können es hier online ansehen: pb.libretexts.org/bionm2/?p=600


Kohlenstoffkreislauf, Stickstoffkreislauf, Phosphor- und Schwefelkreislauf

Basierend auf der Austauschperiode wird ein Nährstoffzyklus als Perfect- oder Imperfect-Zyklus bezeichnet.

  • Ein perfekter Nährstoffkreislauf ist einer, in dem Nährstoffe werden so schnell ersetzt, wie sie verbraucht werden.
  • Die meisten Gaskreisläufe werden im Allgemeinen als perfekte Zyklen angesehen.
  • Im Gegensatz Sedimentkreisläufe gelten als relativ unvollkommen, da einige Nährstoffe gehen aus dem Kreislauf verloren und werden in Sedimenten eingeschlossen und werden so für das sofortige Radfahren nicht verfügbar.

Aufgrund der Beschaffenheit des Reservoirs wird ein Nährstoffkreislauf als gasförmiger oder sedimentärer Kreislauf bezeichnet

  • Gasförmiger Kreislauf: Das Reservoir ist der Atmosphäre oder HydrosphäreWasserkreislauf, Kohlenstoffkreislauf, Stickstoffkreislauf , usw. und
  • Sedimentationszyklus: der Reservoir ist die Erdkruste (lösliche Elemente, die hauptsächlich in der Erdkruste vorkommen) — Phosphorkreislauf, Schwefelkreislauf, Calciumkreislauf, Magnesiumkreislauf usw.

Kohlenstoffkreislauf (gasförmiger Kreislauf)

  • Kohlenstoff ist im Vergleich zu Sauerstoff und Stickstoff ein untergeordneter Bestandteil der Atmosphäre.
  • Ohne Kohlendioxid könnte jedoch kein Leben existieren, da es für die Produktion von Kohlenhydraten durch Photosynthese durch Pflanzen unerlässlich ist.
  • Es ist das Element, das alle organischen Substanzen von Kohle und Öl in der DNA verankert (Desoxyribonukleinsäure: die Verbindung, die die genetische Information trägt).
  • Kohlenstoff kommt in der Atmosphäre vor allem in Form von Kohlendioxid (CO2).
  • Der Kohlenstoffkreislauf beinhaltet einen kontinuierlichen Kohlenstoffaustausch zwischen der Atmosphäre und den Organismen.
  • Kohlenstoff aus der Atmosphäre wandert durch den Prozess von . zu grünen Pflanzen Photosynthese, und dann zu den Tieren.
  • Durch den Prozess der Atmung und Zersetzung von totem organischem Material kehrt es in die Atmosphäre zurück. Es ist normalerweise ein kurzfristiger Zyklus.
  • Ein Teil des Kohlenstoffs tritt auch in einen langfristigen Kreislauf ein. Es sammelt sich als unzersetztes organisches Material in den Torfschichten des sumpfigen Bodens oder als unlösliche Karbonate in Bodensedimenten aquatischer Systeme, deren Freisetzung lange dauert.
  • In tiefen Ozeanen kann dieser Kohlenstoff für Millionen von Jahren vergraben bleiben, bis geologische Bewegungen diese Gesteine ​​über den Meeresspiegel heben können.
  • Diese Gesteine ​​können Erosion ausgesetzt sein und ihr Kohlendioxid, Karbonate und Bikarbonate in Bäche und Flüsse abgeben.
  • Fossile Brennstoffe wie Kohle, Öl und Erdgas etc. sind organische Verbindungen, die vor ihrer Zersetzung vergraben und anschließend durch Zeit und geologische Prozesse in fossile Brennstoffe umgewandelt wurden. Bei der Verbrennung wird der darin gespeicherte Kohlenstoff als Kohlendioxid wieder an die Atmosphäre abgegeben.
F. Bedenken Sie Folgendes:

Welche der oben genannten hinzufügen Kohlendioxid in den Kohlenstoffkreislauf der Erde?

  1. Nur 1 und 4
  2. Nur 2 und 3
  3. Nur 2,3 und 4
  4. 1, 2, 3 und 4
  • Photosynthese entfernt CO2 aus dem Kohlenstoffkreislauf. Rest alle CO . hinzufügen2.
F. Welcher der folgenden Prozesse ist an der Photosynthese beteiligt?
  1. Potentielle Energie wird freigesetzt, um freie Energie zu bilden
  2. Freie Energie wird in potentielle Energie umgewandelt und gespeichert
  3. Lebensmittel werden oxidiert, um Kohlendioxid und Wasser freizusetzen
  4. Sauerstoff wird aufgenommen und Kohlendioxid und Wasserdampf werden abgegeben
  • Es wird potentielle Energie freigesetzt, um freie Energie zu bilden (falsch – die freie Energie der Sonne wird bei der Photosynthese in potentielle Energie umgewandelt)
  • Lebensmittel werden oxidiert, um Kohlendioxid und Wasser freizusetzen (falsch – Sauerstoff wird freigesetzt und nicht Kohlendioxid)
  • Sauerstoff wird entnommen und Kohlendioxid und Wasserdampf werden abgegeben (falsch – CO2 wird eingenommen und Sauerstoff abgegeben)
  • Antwort: b) Sonnenlicht (freie Energie) wird mit Wasser und Kohlendioxid in Kohlenhydrate (potentielle Energie) umgewandelt. Dabei wird Sauerstoff freigesetzt.

Stickstoffkreislauf (gasförmiger Kreislauf)

  • Außer, abgesondert, ausgenommen Kohlenstoff, Wasserstoff und Sauerstoff, Stickstoff ist das am häufigsten vorkommende Element in lebenden Organismen.
  • Stickstoff ist ein Bestandteil von Aminosäuren, Proteine, Hormone, Chlorophylle und viele der Vitamine (erklärt in Biologie NCERT).
  • Pflanzen konkurrieren mit Mikroben um den begrenzten Stickstoff, der im Boden verfügbar ist. Somit ist Stickstoff a limitierende Nährstoffe sowohl für natürliche als auch für landwirtschaftliche Ökosysteme.
  • Stickstoff existiert als zwei Stickstoffatome (N2) verbunden durch eine sehr starke dreifache kovalente Bindung (N ≡ N).
  • In der Natur, Blitz und ultraviolette Strahlung liefern genug Energie, um Stickstoff umzuwandeln zu Stickoxiden (NO, NO2, N2Ö).
  • Industrielle Verbrennungen, Waldbrände, Autoabgase und Kraftwerke sind auch Quellen für atmosphärische Stickoxide.

Stickstofffixierung – Stickstoff zu Ammoniak (N2 nach NH3)

  • Stickstoff ist in der Atmosphäre unerschöpflich, aber die elementare Form kann von den meisten lebenden Organismen nicht direkt genutzt werden.
  • Stickstoff muss „fixiert“ werden, d.h. in Ammoniak, Nitrite oder Nitrate umgewandelt , bevor es von Pflanzen aufgenommen werden kann.
  • Die Stickstofffixierung auf der Erde erfolgt auf drei verschiedene Arten:
  1. Durch Mikroorganismen (Bakterien und Blaualgen),
  2. Durch den Menschen mit industriellen Prozessen (Düngemittelfabriken) und
  3. In begrenztem Umfang durch atmosphärische Phänomene wie Donner und Licht.
  • Bestimmte Mikroorganismen sind in der Lage, atmosphärischen Stickstoff in Ammoniak (NH3) und Ammoniumionen (NH4+).
  • Ammoniak (NH3) ist ein Molekül aus Stickstoff und Wasserstoff, während Ammonium (NH4+) ein Ammoniak-Ion ist, das durch die Aufnahme eines Wasserstoff-Ions entsteht.
  • Das Enzym, Nitrogenase das zur Stickstoffreduktion befähigt ist ausschließlich in Prokaryoten. Solche Mikroben heißen N2-Fixierer. Diese beinhalten:
  • frei lebende stickstofffixierende Bakterien (nicht symbiotische stickstoffbindende Bakterien oder stickstoffbindende Bodenbakterien) (z.B. aerobe Azotobacter und Beijemickia anaerobes Clostridium und Rhodospirillum ),
  • symbiotische stickstofffixierende Bakterien (z.B. Rhizobium ) in Verbindung mit leben Hülsenfrüchte und Nicht-Leguminosen-Wurzelknollenpflanzen und
  • einige Cyanobakterien (eine Hauptquelle der Stickstofffixierung in Ozeanen) (Blaualgen. z.B. Nostoc, Anabaena, Spirulina etc.).
  • Leguminosen: bezeichnet Pflanzen der Erbsenfamilie (Leguminosae), typischerweise mit Samen in Schoten, markanten Blüten und Wurzelknollen, die stickstofffixierende Bakterien enthalten.

Nitrifikation – Ammoniak zu Nitraten

  • Ammoniumionen können von einigen Pflanzen direkt als Stickstoffquelle aufgenommen werden.
  • Andere absorbieren Nitrate, die durch Oxidation von Ammoniak und Ammoniumionen gewonnen werden.
  • Ammoniak und Ammoniumionen werden von zwei Gruppen spezialisierter Bakterien zu Nitriten oder Nitraten oxidiert.
  • Ammoniumionen werden zunächst zu oxidiert Nitrit durch die Bakterien Nitrosomonas und/oder Nitrococcus .
  • Das Nitrit wird weiter oxidiert zu Nitrat mit Hilfe des Bakteriums Nitrobacter .
  • Diese Schritte heißen Nitrifikation. Diese nitrifizierende Bakterien sind Chemoautotrophe (sie verwenden anorganische chemische Energiequellen, um organische Verbindungen aus Kohlendioxid zu synthetisieren).
  • Das so gebildete Nitrat wird von Pflanzen aufgenommen und zu den Blättern transportiert.
  • In Blättern wird es zu Form reduziertAmmoniak das bildet schließlich die Amingruppe von Aminosäuren, die Bausteine ​​von Proteinen sind. Diese durchlaufen dann höhere trophische Ebenen des Ökosystems.
  • Nitrifikation ist in landwirtschaftlichen Systemen wichtig , wo Dünger oft als Ammoniak ausgebracht wird.
  • Die Umwandlung dieses Ammoniaks in Nitrat erhöht den Stickstoff Auslaugen da Nitrat ist wasserlöslicher als Ammoniak.
  • Auch die Nitrifikation spielt eine wichtige Rolle bei der Entfernung von Stickstoff aus kommunalem Abwasser.
  • Die konventionelle Entfernung ist die Nitrifikation, gefolgt von Denitrifikation.

Ammonifikation – Harnstoff, Harnsäure zu Ammoniak

  • Lebende Organismen produzieren stickstoffhaltige Abfallprodukte wie Harnstoff und Harnsäure (organischer Stickstoff).
  • Diese Abfallprodukte sowie abgestorbene Überreste von Organismen werden wieder in anorganisches Ammoniak und Ammoniumionen durch die Bakterien. Dieser Vorgang heißt Ammonifikation.
  • Ein Teil dieses Ammoniaks verflüchtigt sich und gelangt wieder in die Atmosphäre, der größte Teil wird jedoch von Bodenbakterien in Nitrat umgewandelt.

Denitrifikation – Nitrat zu Stickstoff

  • Im Boden vorhandenes Nitrat wird durch den Prozess von . zu Stickstoff reduziert Denitrifikation.
  • Sowohl im Boden als auch in den Ozeanen gibt es spezielle denitrifizierende Bakterien ( Pseudomonas und Thiobacillus ), die die Nitrate/Nitrite zu elementarem Stickstoff.
  • Dieser Stickstoff entweicht in die Atmosphäre und schließt damit den Kreislauf.
  • Der größte Teil des Ammoniaks entweicht in die Atmosphäre. Der Rest wird zu Nitraten nitrifiziert (Schritt 2).
  • Ein Teil der Nitrate ist für Pflanzen verfügbar. Der Rest ist denitrifiziert (Schritt 4).
  • Die Menge an Stickstoff, die der Mensch durch den industriellen Prozess fixiert, hat die Menge an Stickstoff, die durch den natürlichen Kreislauf festgelegt wird, weit überschritten.
  • Dadurch ist vom Menschen fixierter Stickstoff zu einem Schadstoff geworden, der das Stickstoffgleichgewicht stören kann. Es kann zu Saurer Regen, Eutrophierung und schädliche Algenblüten .
F. Welche der folgenden Substanzen fügt dem Boden Stickstoff hinzu/hinzu?

Wählen Sie die richtige Antwort mit den unten angegebenen Codes aus.

  • Alle oben genannten drei tragen zum Stickstoffkreislauf bei.
  • Beim Verbrennen von Kohle wird CO, CO . freigesetzt2, Schwefeldioxid und Stickoxide – Luftschadstoffe.
  • Stickstoffoxide fallen als saurer Regen auf die Erde. Saurer Regen ist eine komplexe Mischung aus Salpeter-, Salpeter-, Schwefel- und Schwefelsäure, die alle zusammen den pH-Wert senken.
  • Aber die Frage lautet: "Welche der folgenden fügt dem Boden Stickstoff hinzu / fügt ihm hinzu?"
  • Tierische Abfälle wie Harnstoff, Harnsäure und das Absterben der Vegetation führen Stickstoff in Form von Nitraten direkt in den Boden ein.
  • Durch die Kohleverbrennung wird der Atmosphäre Stickstoff zugeführt und von dort fällt er in Form von saurem Regen auf die Erde zurück und saurer Regen fügt dem Boden Stickstoff hinzu.
  • „Die Freisetzung von Stickoxiden in großen Mengen in die Luft verursacht Smog und sauren Regen. Der Anstieg von Stickstoff und Lachgas wird durch Automobile, Kraftwerke und verschiedenste Industrien verursacht.“
  • Und auch http://chemistry.elmhurst.edu/vchembook/307nitrogen.html sagt:
  • „Nur bei hohen Temperaturen und Drücken, die in der Nähe von Blitzen und bei Verbrennungsreaktionen in Kraftwerken oder Verbrennungsmotoren vorkommen, reagiert Stickstoff mit Sauerstoff. Stickoxid, NO, und Stickstoffdioxid, NO2, werden unter diesen Bedingungen gebildet. Letztlich, Stickstoffdioxid kann im Regen mit Wasser unter Bildung von Salpetersäure, HNO . reagieren3. Die so gebildeten Nitrate können von Pflanzen als Nährstoff verwertet werden (der Boden erhält also Stickstoff aus saurem Regen).“
  • Aus der obigen Erklärung ist klar, dass die Verbrennung von Kohle durch den Menschen dem Boden Stickstoff beifügt, jedoch indirekt durch sauren Regen.

Antwort: Der offizielle UPSC-Schlüssel sagt, dass die Antwort nur c) 1 und 3 ist.

F. Bedenken Sie Folgendes:

Welche der oben genannten Emissionen sind/sind die Emissionen aus der Kohleverbrennung in thermischen Kraftwerken?

  1. Nur 1
  2. Nur 2 und 3
  3. Nur 1 und 3
  4. 1, 2 und 3
  • Beim Verbrennen von Kohle wird CO, CO . freigesetzt2, Schwefeldioxid und Stickoxide.
F. Welche Auswirkungen kann eine übermäßige/unangemessene Verwendung von stickstoffhaltigen Düngemitteln in der Landwirtschaft haben?
  1. Es kann zu einer Vermehrung von stickstofffixierenden Mikroorganismen im Boden kommen.
  2. Der Säuregehalt des Bodens kann erhöht werden.
  3. Es kann zu einer Auswaschung von Nitrat in das Grundwasser kommen.

Wählen Sie die richtige Antwort mit dem unten angegebenen Code aus.

  • Die Nitrifikation ist in landwirtschaftlichen Systemen wichtig, in denen Dünger oft als Ammoniak ausgebracht wird. Konvertierung davon Ammoniak zu Nitrat erhöht die Stickstoffauswaschung weil Nitrat wasserlöslich ist.
  • Auch die landwirtschaftliche Düngung und der Einsatz stickstoffbindender Pflanzen tragen zum atmosphärischen NO . beix, durch Förderung der Stickstofffixierung durch Mikroorganismen. Überschüssiges NOx führt zu saurem Regen. Saurer Regen senkt den pH-Wert des Bodens (Erhöhung des Säuregehalts des Bodens)
  • Die Hülsenfrucht-Rhizobium-Symbiose ist ein klassisches Beispiel für Mutualismus – Rhizobien liefern der Pflanze Ammoniak oder Aminosäuren und erhalten im Gegenzug organische Säuren als Kohlenstoff- und Energiequelle.
  • Sokann die übermäßige/unangemessene Verwendung von stickstoffhaltigen Düngemitteln die Pflanzen unabhängig von symbiotischen und freilebenden Stickstofffixierern machen. Fixierer erhalten die Nahrung aufgrund einer zerbrochenen Beziehung und anderer Faktoren nicht von den Pflanzen. Ihre Population nimmt also ab.

Phosphorzyklus (Sedimentationszyklus)

  • Phosphor spielt eine zentrale Rolle bei aquatische Ökosysteme und Wasserqualität.
  • Im Gegensatz zu Kohlenstoff und Stickstoff, die hauptsächlich aus der Atmosphäre stammen, kommt Phosphor in großen Mengen als Mineral in Phosphatgesteinen und tritt in den Zyklus ein von Erosions- und Bergbauaktivitäten.
  • Dies ist der Nährstoff, der als der Hauptursache für übermäßiges Wachstum von bewurzelten und frei schwebenden mikroskopischen Pflanzen (Phytoplankton) in Seen (führt zur Eutrophierung) .
  • Der Hauptspeicher für Phosphor liegt in der Erdkruste.
  • An Land findet man Phosphor normalerweise in Form von Phosphate.
  • Durch Verwitterung und Erosion gelangen Phosphate in Flüsse, Bäche und schließlich in die Ozeane.
  • Im Ozean reichert sich Phosphor in Form von unlöslichen Ablagerungen auf Kontinentalschelfs an.
  • Nach Millionen von Jahren erheben sich die Krustenplatten vom Meeresboden und legen die Phosphate an Land frei.
  • Nach einiger Zeit werden sie durch Verwitterung aus dem Gestein freigesetzt und die geochemische Phase des Zyklus beginnt erneut.

Schwefelzyklus (Sedimentationszyklus)

  • Das Schwefelreservoir befindet sich im Boden und Sedimente wo es in organischem ( Kohle, Öl und Torf ) und anorganische Ablagerungen ( Pyritgestein und Schwefelgestein ) in Form von Sulfate, Sulfide und organischer Schwefel.
  • Es wird durch Verwitterung von Gesteinen, Erosionsabfluss und Zersetzung organischer Stoffe freigesetzt und in Salzlösung in terrestrische und aquatische Ökosysteme transportiert.
  • Der Schwefelkreislauf ist hauptsächlich sedimentär, mit Ausnahme von zwei seiner Verbindungen, Schwefelwasserstoff (H2S) und Schwefeldioxid (SO2), die eine gasförmige Komponente hinzufügen.
  • Schwefel gelangt aus mehreren Quellen in die Atmosphäre wie Vulkanausbrüche, Verbrennung fossiler Brennstoffe (Kohle, Diesel etc.), von der Meeresoberfläche und durch Zersetzung freigesetzte Gase .
  • Auch atmosphärischer Schwefelwasserstoff wird zu Schwefeldioxid oxidiert.
  • Atmosphärisch Schwefeldioxid wird nach dem Auflösen in Regenwasser als schwach auf die Erde zurückgetragen Schwefelsäure (saurer Regen).
  • Was auch immer die Quelle ist, Schwefel in Form von Sulfate wird von Pflanzen aufgenommen und durch eine Reihe von Stoffwechselprozessen in schwefelhaltige Aminosäure welches in die Proteine ​​autotropher Gewebe eingebaut wird. Anschließend durchläuft es die Nahrungskette der Beweidung.
  • In einem lebenden Organismus gebundener Schwefel wird zurück in den Boden, auf den Grund von Teichen und Seen und Meeren transportiert durch Ausscheidung und Zersetzung von totem organischem Material .
F. Berücksichtigen Sie in Bezug auf landwirtschaftliche Böden die folgenden Aussagen:
  1. Ein hoher Gehalt an organischer Substanz im Boden verringert die Wasserhaltekapazität drastisch.
  2. Boden spielt im Schwefelkreislauf keine Rolle.
  3. Bewässerung über einen bestimmten Zeitraum kann zur Versalzung einiger landwirtschaftlicher Flächen beitragen.

Welche der obigen Aussagen ist/sind richtig?

  1. Nur 1 und 2
  2. nur 3
  3. Nur 1 und 3
  4. 1, 2 und 3
  • Ein hoher Gehalt an organischer Substanz (Humus) im Boden erhöht dessen Wasserhaltevermögen.

Abonnements & Downloads

Anscheinend haben Sie noch keine Downloads! Abonnieren!

Bereits gekauft? Vielleicht haben Sie eine andere E-Mail-Adresse verwendet. Sie müssen sich mit dieser E-Mail-Adresse anmelden, um herunterladen zu können. Abmelden Anmelden Melden Sie sich zum Herunterladen an.

Kommentare

Sir, ein Zweifel, dass Sie eine Liste von etwa 500 Nationalparks gegeben haben. Müssen wir sie vollständig stopfen? Ich finde es nicht menschenmöglich.

Nein, Sie sollten sich nur an diejenigen erinnern, die kürzlich in den Nachrichten erschienen sind.

Hinterlasse eine Antwort Antwort verwerfen

Bedingungen & Datenschutz

Folge uns

Unterstützung

Copyright © 2016-21 Pmfias.com. Alle Rechte vorbehalten


1.4.19.24: Der Kohlenstoffkreislauf - Biologie

Kohlenstoffdatierung zur Altersbestimmung fossiler Überreste

In diesem Abschnitt werden wir die Verwendung der Kohlenstoffdatierung untersuchen, um das Alter fossiler Überreste zu bestimmen.

Kohlenstoff ist ein Schlüsselelement in biologisch wichtigen Molekülen. Während der Lebensdauer eines Organismus wird Kohlenstoff aus der Umgebung entweder in Form von Kohlendioxid oder kohlenstoffbasierten Nahrungsmolekülen wie Glukose in die Zelle gebracht und dann zum Aufbau biologisch wichtiger Moleküle wie Zucker, Proteine, Fette und Nukleinsäuren verwendet . Diese Moleküle werden anschließend in die Zellen und Gewebe eingebaut, aus denen Lebewesen bestehen. Daher hinterlassen Organismen, von einzelligen Bakterien bis hin zu den größten Dinosauriern, kohlenstoffbasierte Überreste.

Die Kohlenstoffdatierung basiert auf dem Zerfall von 14 C, einem radioaktiven Kohlenstoffisotop mit einer relativ langen Halbwertszeit (5700 Jahre). Während 12 C das am häufigsten vorkommende Kohlenstoffisotop ist, gibt es in der Umwelt und damit in den Molekülen, Zellen und Geweben lebender Organismen ein nahezu konstantes Verhältnis von 12 C zu 14 C. Dieses konstante Verhältnis wird bis zum Tod eines Organismus beibehalten, wenn 14 C nicht mehr aufgefüllt wird. An diesem Punkt beginnt die Gesamtmenge von 14 C im Organismus exponentiell zu zerfallen. Wenn Sie also die Menge an 14 C in fossilen Überresten kennen, können Sie bestimmen, vor wie lange ein Organismus gestorben ist, indem Sie die Abweichung des beobachteten 12 C zu 14 C-Verhältnisses vom erwarteten Verhältnis für einen lebenden Organismus untersuchen.

Zerfall radioaktiver Isotope

Radioaktive Isotope wie 14 C zerfallen exponentiell. Die Halbwertszeit eines Isotops ist definiert als die Zeit, die benötigt wird, bis die Hälfte der anfänglichen Menge des radioaktiven Isotops vorhanden ist.

Nehmen wir zum Beispiel an, Sie haben n0 Gramm eines radioaktiven Isotops mit einer Halbwertszeit von T * Jahre. Dann wissen wir, dass nach einer Halbwertszeit (oder T * Jahre später) haben Sie

Gramm dieses Isotops.

T* Jahre danach (d. h. 2t* Jahre ab der Erstmessung) gibt es

Gramm.

3t* Jahre nach der Erstmessung wird es

Gramm,

und so weiter.

Wir können unser allgemeines Modell für den exponentiellen Zerfall verwenden, um die Kohlenstoffmenge zu einem bestimmten Zeitpunkt mit der Gleichung zu berechnen:

n (T) = n0e kt .

Modellierung des Zerfalls von 14 C.

Kehren wir zu unserem Beispiel von Kohlenstoff zurück und wissen, dass die Halbwertszeit von 14 C 5700 Jahre beträgt, und können dies verwenden, um die Konstante zu finden, k. Das heißt, wenn t = 5700 ist, gibt es die Hälfte der anfänglichen Menge von 14 C. Natürlich ist die anfängliche Menge von 14 C die Menge von 14 C, wenn T = 0 , oder n0 (d.h. n(0) = n0e k&sdot0 = n0e 0 = n0). Somit können wir schreiben:

.

Vereinfachen dieses Ausdrucks durch Aufheben des n0 auf beiden Seiten der Gleichung ergibt,


.

Auflösen nach dem Unbekannten, k , nehmen wir den natürlichen Logarithmus beider Seiten,

.

Somit ist unsere Gleichung zur Modellierung des Zerfalls von 14 C gegeben durch:

.

Andere radioaktive Isotope werden auch verwendet, um Fossilien zu datieren.

Die Halbwertszeit für 14 C beträgt etwa 5700 Jahre, daher ist das 14 C-Isotop nur für die Datierung von Fossilien bis zu einem Alter von etwa 50.000 Jahren geeignet. Fossilien, die älter als 50.000 Jahre sind, können eine nicht nachweisbare Menge von 14 C aufweisen. Für ältere Fossilien sollte ein Isotop mit einer längeren Halbwertszeit verwendet werden. Beispielsweise zerfällt das radioaktive Isotop Kalium-40 zu Argon-40 mit einer Halbwertszeit von 1,3 Milliarden Jahren. Andere häufig zur Datierung verwendete Isotope sind Uran-238 (Halbwertszeit 4,5 Milliarden Jahre) und Thorium-232 (Halbwertszeit 14,1 Milliarden Jahre).

*****


Kohlenstoffkreislauf und Ökosysteme

Kohlenstoff ist ein grundlegender Bestandteil des Erdsystems. Es ist einer der Hauptbausteine ​​aller organischen Stoffe auf der Erde und ein Schlüsselelement bei der Einstellung der Temperatur der Erde. Kohlenstoff bewegt sich durch biologische, chemische, geologische und physikalische Prozesse aus der Atmosphäre in das Land, in den Ozean und in das Leben in einem Kreislauf, der als Kohlenstoffkreislauf bezeichnet wird. Da einige Kohlenstoffgase Treibhausgase sind, erwärmen Veränderungen im Kohlenstoffkreislauf, die mehr Kohlenstoff in die Atmosphäre bringen, auch das Klima der Erde.

Auf der kurzen Zeitskala ist der Kohlenstoffkreislauf im Leben am sichtbarsten. Pflanzen an Land und im Meer wandeln Kohlendioxid durch Photosynthese in Biomasse (wie Blätter und Stängel) um. Der Kohlenstoff kehrt in die Atmosphäre zurück, wenn die Pflanzen zerfallen, von Tieren gefressen und verdaut werden oder in Feuer verbrennen. Da Pflanzen und Tiere integraler Bestandteil des Kohlenstoffkreislaufs sind, ist der Kohlenstoffkreislauf eng mit Ökosystemen verbunden. Wenn sich Ökosysteme unter einem sich ändernden Klima verändern, wird sich auch der Kohlenstoffkreislauf ändern. Pflanzen können beispielsweise früher im Jahr blühen und länger wachsen (vorausgesetzt, es ist genügend Wasser vorhanden), wenn die Vegetationsperiode länger wird, was die Nahrungsversorgung für Tiere im Ökosystem verändert. Wenn mehr Pflanzen wachsen, entziehen sie der Atmosphäre mehr Kohlenstoff und kühlen die Temperaturen ab. Wenn andererseits die Erwärmung das Pflanzenwachstum verlangsamt, verschieben sich die Lebensräume und mehr Kohlenstoff gelangt in die Atmosphäre, wo er eine zusätzliche Erwärmung verursachen kann.

Terra und der Kohlenstoffkreislauf

Die fünf Instrumente von Terra liefern Messungen der Zusammensetzung, Struktur, Ausdehnung und Veränderung von Pflanzen (Vegetation). Alle vier Messungen sind notwendig, um abzuschätzen, wie viel Kohlenstoff Pflanzen während ihres Wachstums aufnehmen und wie viel im Laufe der Zeit in die Atmosphäre abgegeben wird. Terra misst auch die Konzentrationen von Kohlenmonoxid in der Atmosphäre. Seit Terra-Messungen im Jahr 2000 beginnen, dokumentieren sie die Geschwindigkeit und das Ausmaß der Veränderungen seit mehr als einem Jahrzehnt.

MODIS misst Chlorophyllkonzentrationen und Fluoreszenz an der Meeresoberfläche, um die Konzentration und Gesundheit von photosynthetischen Organismen wie Phytoplankton zu beurteilen. Solche Messungen zeigen, wie viel Kohlenstoff von der Meeresbiologie aufgenommen wird. MODIS misst auch partikulären organischen Kohlenstoff und partikulären anorganischen Kohlenstoff, mit dem gemessen werden kann, wie viel Kohlenstoff der Ozean direkt mit der Atmosphäre austauscht. Siehe Die Kohlenstoffbilanz des Ozeans auf dem Earth Observatory.

Landvegetation

MISR sammelt Daten über die allgemeine Höhe und Struktur breiter Vegetationsflächen (die Baumkronenstruktur), die von photosynthetischen Blättern bedeckte Fläche und die von den Blättern absorbierte Energiemenge. Solche Messungen geben Aufschluss über den Kohlenstofffluss. MODIS sammelt eine Vielzahl von Messungen, die anzeigen, wie viel Pflanzen wachsen, einschließlich Vegetationsindizes, Blattflächenindex, Primärproduktivität und Evapotranspiration. Siehe Messung der Vegetation am Erdobservatorium.

Änderung der Bodenbedeckung

Das MODIS-Produkt Landbedeckung gibt an, welche Vegetationsart (Wald, Grünland usw.) an einem bestimmten Standort wächst. Störungsprodukte, einschließlich des Produkts der verbrannten Fläche, zeigen, wie sich die Landbedeckung durch Abholzung oder Aufforstung, Landwirtschaft, Feuer, Urbanisierung usw. verändert. Die Bilder von ASTER mit einer Auflösung von 15 Metern können verwendet werden, um Veränderungen der Landbedeckung auf lokaler Ebene zu beurteilen, insbesondere im Zusammenhang mit Ereignissen wie Bränden, Überschwemmungen, Erdrutschen oder Vulkanausbrüchen. Obwohl CERES keine direkten Kohlenstoffdaten sammelt, sammelt es Daten über den Energiefluss in Bezug auf die Energiebilanz, der in der Vegetation und der Landoberfläche stattfindet.

MOPITT misst Kohlenmonoxid in der Atmosphäre. Obwohl Kohlenmonoxid (CO) selbst kein Treibhausgas ist, ist CO chemisch mit Methan, Ozon und Kohlendioxid verbunden und beeinflusst daher sowohl das Klima als auch die Luftqualität. Zu den primären CO-Quellen gehören die Verbrennung fossiler Brennstoffe, die Verbrennung von Biomasse und die Methanoxidation. MOPITT-Messungen der CO-Konzentration in der Troposphäre basieren auf Beobachtungen mit einer Reihe von Gaskorrelationsradiometern, die in zwei CO-empfindlichen Spektralbändern arbeiten. MOPITT CO-Produkte werden verwendet, um die Bewegung der Luftverschmutzung in der Atmosphäre zu untersuchen, CO-Emissionen zu quantifizieren und Luftqualitätsprognosen zu unterstützen.


Neue Studie zeigt, dass Mikroben riesige Mengen Kohlenstoff einfangen

Heftige Kontinentalkollisionen und Vulkanausbrüche werden normalerweise nicht mit komfortablen Lebensbedingungen in Verbindung gebracht. Eine neue Studie unter Beteiligung der University of Tennessee, Knoxville, Associate Professor für Mikrobiologie Karen Lloyd, enthüllt jedoch ein großes mikrobielles Ökosystem, das tief in der Erde lebt und von Chemikalien angetrieben wird, die während dieser tektonischen Kataklysmen produziert werden.

Wenn ozeanische und kontinentale Platten kollidieren, wird eine Platte nach unten gedrückt oder in den Mantel subduziert und die andere Platte wird nach oben gedrückt und mit Vulkanen übersät. Dies ist der Hauptprozess, bei dem chemische Elemente zwischen der Erdoberfläche und dem Inneren der Erde bewegt und schließlich wieder an die Oberfläche zurückgeführt werden.

„Subduktionszonen sind faszinierende Umgebungen – sie produzieren vulkanische Berge und dienen als Portale für Kohlenstoff, der sich zwischen dem Inneren und Äußeren der Erde bewegt“, sagte Maarten de Moor, außerordentlicher Professor an der National University of Costa Rica und Mitautor der Studie.

Normalerweise wird angenommen, dass dieser Prozess aufgrund der extrem hohen Drücke und Temperaturen außerhalb der Reichweite des Lebens stattfindet. Obwohl es unter den extremen Bedingungen, bei denen sich der Erdmantel mit der Erdkruste zu Lava vermischt, mit ziemlicher Sicherheit kein Leben gibt, haben Wissenschaftler in den letzten Jahrzehnten gelernt, dass Mikroben viel tiefer in die Erdkruste eindringen als bisher angenommen.

Dies eröffnet die Möglichkeit, bisher unbekannte Arten von biologischen Wechselwirkungen zu entdecken, die mit tiefen plattentektonischen Prozessen auftreten.

Ein interdisziplinäres und internationales Wissenschaftlerteam hat gezeigt, dass ein riesiges mikrobielles Ökosystem hauptsächlich die Kohlenstoff-, Schwefel- und Eisenchemikalien frisst, die bei der Subduktion der ozeanischen Platte unter Costa Rica entstehen. Das Team erhielt diese Ergebnisse, indem es die tief unter der Oberfläche liegenden mikrobiellen Gemeinschaften beprobte, die in natürlichen heißen Quellen an die Oberfläche gebracht wurden, in einer vom Deep Carbon Observatory und der Alfred P. Sloan Foundation finanzierten Arbeit.

Das Team fand heraus, dass dieses mikrobielle Ökosystem eine große Menge Kohlenstoff speichert, der während der Subduktion entsteht und sonst in die Atmosphäre entweichen würde. Der Prozess führt zu einer geschätzten Verringerung der Kohlenstoffmenge, die in den Mantel transportiert wird, um bis zu 22 Prozent.

„Diese Arbeit zeigt, dass Kohlenstoff abgeschöpft werden kann, um ein großes Ökosystem zu ernähren, das weitgehend ohne Zufuhr von Sonnenenergie existiert. Dies bedeutet, dass die Biologie den Kohlenstofffluss in und aus dem Erdmantel beeinflussen könnte, was Wissenschaftler dazu zwingt, ihre Denkweise zu ändern.“ den tiefen Kohlenstoffkreislauf über geologische Zeitskalen", sagte Peter Barry, Assistenzwissenschaftler an der Woods Hole Oceanographic Institution und Mitautor der Studie.

Das Team fand heraus, dass diese Mikroben – Chemolithoautotrophe genannt – aufgrund ihrer einzigartigen Ernährung so viel Kohlenstoff speichern, die es ihnen ermöglicht, ohne Sonnenlicht Energie zu gewinnen.

"Chemolithoautotrophe sind Mikroben, die chemische Energie verwenden, um ihren Körper aufzubauen. Sie sind also wie Bäume, aber anstatt Sonnenlicht verwenden sie Chemikalien", sagte Lloyd, ein mitkorrespondierender Autor der Studie. "Diese Mikroben verwenden Chemikalien aus der Subduktionszone, um die Basis eines großen Ökosystems zu bilden, das mit verschiedenen Primär- und Sekundärproduzenten gefüllt ist. Es ist wie ein riesiger Wald, aber unterirdisch."

Diese neue Studie legt nahe, dass die bekannte qualitative Beziehung zwischen Geologie und Biologie erhebliche quantitative Auswirkungen auf unser Verständnis davon haben könnte, wie sich Kohlenstoff im Laufe der Zeit verändert hat. "Wir wissen bereits von vielen Wegen, in denen die Biologie die Bewohnbarkeit unseres Planeten beeinflusst hat, was beispielsweise zum Anstieg des Luftsauerstoffs geführt hat", sagte Donato Giovannelli, Professor an der Universität Neapel Federico II und Mitautor der lernen. "Jetzt enthüllt unsere laufende Arbeit eine weitere aufregende Art und Weise, wie sich Leben und unser Planet gemeinsam entwickelt haben."

Haftungsausschluss: AAAS und EurekAlert! sind nicht verantwortlich für die Richtigkeit von Pressemitteilungen, die an EurekAlert! durch beitragende Institutionen oder für die Nutzung von Informationen über das EurekAlert-System.


Zwei Seiten der selben Münze

Mehrere kürzlich erschienene Artikel von Journalisten und Wissenschaftlern haben das Problem der Plastikverschmutzung als Ablenkung vom Problem des Klimawandels dargestellt. Das Problem der Plastikverschmutzung könnte mit dem Klimawandel um Finanzierung und Aufmerksamkeit konkurrieren und Maßnahmen verzögern, was ein dringenderes Umweltproblem ist, sagen sie.

Ich bin nicht einverstanden. Untersuchungen zeigen, dass das Plastikproblem nicht unabhängig vom Klimawandel ist.

Treibhausgasemissionen aus der Verbrennung fossiler Brennstoffe. (Pixabay)

Kunststoff und Klima sind zwei Seiten einer Medaille: Die meisten Kunststoffpolymere werden aus petrochemischen Rohstoffen hergestellt und ihre Syntheserohstoffe sind Ethylen und Propylen. Diese Verbindungen werden aus Naphtha gewonnen, einer von mehreren Chemikalien, die aus Erdöl raffiniert werden. Was wird noch aus Erdöl raffiniert? Benzin, der fossile Brennstoff, den wir für Energie verbrennen, die Treibhausgase emittiert.

Diese Schwesterverbindungen werden unterschiedlich verwendet, aber sie haben einen gemeinsamen Ursprung und lösen genau die fraglichen Probleme aus. Wenn die Nachfrage nach Erdöl sinkt, steigern Unternehmen ihre Kunststoffproduktion. Wenn die Nachfrage nach Kunststoff sinkt, könnten Unternehmen mit fossilen Brennstoffen dazu neigen, ihr Produktionsverhältnis erneut zu verschieben. Wenn die engen Zusammenhänge zwischen diesen Problemen nicht erkannt werden, wird die Bewältigung dieser Probleme nicht nur ineffizient, sondern kann auch die Bemühungen an beiden Fronten untergraben.


Kohlenstoffzyklus

Der Kohlenstoffkreislauf ist ein komplexer zyklischer Prozess, durch den alle vorhandenen Kohlenstoffatome rotieren. Dieselben Kohlenstoffatome, die heute in Ihrem Körper vorhanden sind, wurden seit Anbeginn in vielen anderen Molekülen verwendet - in einem Baum, in einer Pflanze und sogar in einem Dinosaurier.

Schritt 1: Erzeugung fossiler Brennstoffe

Unter den richtigen Bedingungen entstehen fossile Brennstoffe auf Kohlenstoffbasis, Kohle, Öl und Gas. Diese werden vom Boden aus abgebaut.

Schritt 2: Fossile Brennstoffe setzen Kohlenstoff frei

Bei der Verbrennung fossiler Brennstoffe wird Kohlenstoff in die Atmosphäre freigesetzt.

Schritt 3: Zersetzer

Durch die Atmung von Zersetzern wird mehr Kohlenstoff in die Atmosphäre freigesetzt.

Schritt 4: Atmung

Und schließlich wird Kohlenstoff durch die Atmung lebender Organismen in die Atmosphäre freigesetzt.

Schritt 5: Photosynthese

Photosynthetische Mikroben und grüne Pflanzen nehmen während der Photosynthese Kohlenstoff auf und produzieren Glukose (einen Zucker).

Schritt 6: Zersetzung

Tote Organismen und Abfallprodukte zerfallen und bringen den Kohlenstoff in den Boden.

Überstunden (Millionen von Jahren) und unter den richtigen Bedingungen werden einige zersetzte Überreste in fossile Brennstoffe wie Kohle und Gas umgewandelt.

Algen sowie Bakterien, die Cyanobakterien genannt werden, ähneln grünen Pflanzen, da sie alle durch einen Prozess namens Photosynthese ihre eigene Nahrung herstellen können.

Photosynthese

Chlorophyll, der Stoff, der Algen und Pflanzen grün macht, nutzt die Energie des Sonnenlichts. In Algen und Pflanzen ist es in einer Struktur namens Chloroplast enthalten. Cyanobakterien betreiben Photosynthese direkt im Zytoplasma der Zelle. Die Mikrobe nutzt diese Energie, um Kohlendioxidgas aus der Luft und dem sie umgebenden Wasser in einen Zucker namens Glukose umzuwandeln. Der Zucker wird entweder zu anderen Zellen transportiert und als Nahrung verwendet oder als unlösliche Stärke gespeichert. Dieser Vorgang wird Photosynthese genannt. Als Abfallprodukt wird das Gas Sauerstoff freigesetzt. Dies ist sehr wichtig, da Tiere einschließlich des Menschen Sauerstoff zum Leben benötigen. Tatsächlich stammen 70 und 80 % des gesamten Sauerstoffs, den wir atmen, aus Algen.

Die chemische Reaktion für die Photosynthese:

Kohlenstoff, der in der Gleichung durch den Buchstaben C dargestellt wird, wird vom Kohlenstoff im Kohlendioxid auf den Kohlenstoff in der Glucose übertragen. Diese Reaktion ist Teil des Kohlenstoffkreislaufs.

Aerobe Atmung

Die aerobe Atmung findet in Gegenwart von Sauerstoff statt und läuft in entgegengesetzter Richtung zur Photosynthesereaktion ab. Aerobic respiration is the release of energy from glucose, which takes place inside the mitochondria of living cells.

The chemical reaction for aerobic respiration:

This reaction forms part of the carbon cycle.

Stickstoffkreislauf

Similar to the carbon cycle the nitrogen cycle is the process by which nitrogen in all its forms, cycles to the environment.

Nahrungskette

All living things depend on each other to live. Find out where microbes are in the food chain.

Microbes and the human body

Ever wondered why when we are surrounded by microbes we are not ill all the time?

Mikroben und Nahrung

Denkanstöße – Brot, Schokolade, Joghurt, Blauschimmelkäse und Tofu werden alle mit Mikroben hergestellt.


Where is all our carbon?

  • Carbon is stored in all living things, the ocean, the atmosphere, soil and a lot of rock.
  • All carbon eventually passes through the atmosphere.
  • 99.9 per cent of carbon is stored in rock, mostly as limestone.
  • After rock, the ocean is the next biggest storage site with 38,000 billion tonnes of dissolved CO2.
  • Soil stores three times as much carbon as all the world's plants.
  • Plants and the ocean absorb slightly more CO2 than they release each year, making up for half the excess carbon we release.

Individual atoms of carbon constantly move from one form to another - in air, water, living things and rock. The movement is managed by different chemical and physical processes, from photosynthesis, respiration, combustion and plate tectonics, to plain old dissolving and off-gassing.

And the one thing that all of these carbon paths have in common is that they all pass through the atmosphere, because they all at some stage turn carbon into a gas, and gases float.

Together those paths that carbon can take make up a cycle. But unlike the simple water cycle (evaporation - clouds - rain - evaporation), the carbon cycle takes place in all parts of the planet and across all time scales.

In fact, the cycle takes place in such different time scales - from a fraction of a second to many millions of years - that there are really two carbon cycles, the quick and the slow.


Inhalt

The two main cycles are the land-atmosphere cycle, and the ocean-atmosphere cycle. They both occur on very different timescales, with the land cycle occurring at a high rate while the ocean cycle is much slower.

  • Land-atmosphere - this cycle occurs via two main drivers photosynthesis and respiration. In photosynthesis, carbon dioxide is absorbed from the atmosphere to create a fuel for the plant, while respiration consumes oxygen and produces carbon dioxide. Respiration also occurs via decaying matter, in which the compounds making up the matter decompose by bacteria which consumes oxygen along with the matter to produce energy and carbon dioxide. ΐ]
  • Ocean-atmosphere - the driving mechanism for this cycle is the difference in carbon dioxide's partial pressure between the ocean and atmosphere (partial pressure is the pressure the gas would have if it occupied the entire volume of the mixed solutions, in this case the volume of the ocean and atmosphere). This pressure varies with both the temperature of the ocean, and the local marine photosynthesis. The lower the ocean temperature is the less carbon is emitted (much like how a warm glass of pop becomes flat more quickly). Therefore some regions of the ocean take in carbon (carbon sink) while some emit carbon (carbon source). ΐ]

35 gigatonnes of carbon dioxide) becomes an extra 4 gigatonnes in the atmosphere, an extra 3 gigatonnes of photosynthesis and an extra 2 gigatonnes in the ocean every year. This is how humans are changing the natural carbon cycle.


Follow the Carbon

Understanding the carbon cycle is fundamental to making sense of environmental changes such as global warming and ocean acidification. This model shows the relative abundance of carbon in each of the earth’s main carbon reservoirs, and also shows the yearly exchanges between these reservoirs.

Tools and Materials

  • Five pounds rice (or other small grain or material)
  • Cups or other containers for counting and weighing rice
  • Skala
  • Permanent-Marker
  • Four gallon-sized plastic zip-top bags
  • Five quart or sandwich-sized plastic bags
  • A box with the dimensions 10 cm x 10 cm x 10 cm (this can be made from a 1/2 gallon paperboard milk carton, cut in half)
  • Meter stick
  • Carbon reservoir images

Assembly

Note: A gigaton of carbon (GtC) and a petagram of carbon (PgC) are the fundamental units of measurement of carbon at planetary cycling scales. One gigaton is equal to one billion metric tons of carbon (or one petagram, which is 10 15 grams). They are interchangeable, and we will use GtC in this Snack.

  1. Before you begin, ask participants if they can think of any of the earth’s carbon reservoirs. The five major carbon reservoirs are: Rock, Atmosphere, Oceans, Terrestrial Biosphere, and Fossil Fuels.
  2. Each participant should count 100 grains of rice, and combine 5 of these to make 500 grains total. Find the mass of this amount. (In our sample, 500 grains of rice had a mass of 15 grams.) To create an accurate model of the relative abundance of carbon present in each of the five major carbon reservoirs, let each grain of rice represent 1 gigaton of carbon (GtC). If you have a large group, you will be able to use all those "extra" 100s of grains of rice for the next step.
  3. Using the chart below (click to enlarge), calculate how many grams of rice represents the amount of carbon in each of the four reservoirs (listed in bold) except Rock.
  4. Use a marker to label four of the gallon-sized bags with the name of each of the four major reservoirs except Rock. (Because rock contains a large amount of carbon, it cannot be physically represented by this model, so no bag will be needed for it.) Then, using the scale, measure the amount of rice that corresponds to the amount of carbon in each reservoir and place it into the correct bags. You may want to divide participants into four groups—one for each carbon reservoir—to do this step most efficiently.
  5. If something is too large to be represented by a physical model, it can help to find a way to visualize it. To help imagine the amount of rice needed to represent the carbon in the Rock reservoir, determine how many grains will fit inside the 10 cm x 10 cm x 10 cm box. How many of those rice-filled boxes would you need to represent the amount of carbon in the Rock reservoir? How much space in the room would all those boxes take up? (A meter stick might be helpful to make these calculations.)
  6. Place the appropriate carbon reservoir image with the bag of rice that represents that reservoir.

To Do and Notice

These investigations will help you model how carbon flows from one reservoir to another.

Note: Before you begin, notice the relative abundance of carbon in each of the five reservoirs. Rock contains far more carbon than the other four reservoirs combined. Since rock is part of the slow carbon cycle, it is not part of the exchanges you will model in this snack.

Pathway 1: Flow between the Atmosphere and Terrestrial Biosphere

The natural flux between the atmosphere and terrestrial biosphere is about 120 GtC per year in each direction. In the terrestrial biosphere, photosynthesis removes about 120 GtC from the atmosphere each year. Decomposition of biological material and respiration from plants and soil microbes returns 120 GtC to the atmosphere each year.

To model this interaction, remove 120 grains of rice from the Atmosphere bag and place it in a quart-sized bag. Then do the same with the Terrestrial Biosphere bag. Exchange these two equal-sized bags while discussing how the carbon flows from one reservoir to another. Model this yearly exchange several times while reviewing the ways in which carbon cycles from one reservoir to the other.

Pathway 2: Flow between the Ocean and the Atmosphere

Carbon cycles between the ocean and the atmosphere at a rate of 90 GtC per year in each direction. Most of this exchange occurs by diffusion at the surface of the ocean.

To model this interaction, remove 90 grains of rice from the Atmosphere bag and place it in a new quart-sized bag. Then do the same with the Ocean bag. Exchange these two equal-sized bags while discussing how the carbon flows from one reservoir to another. Model this yearly exchange several times, while reviewing the ways in which carbon cycles from one reservoir to the other.

Notice that, until now, the carbon cycle has remained in balance, and no reservoir has a net gain or loss.

Pathway 3: Flow from Fossil Fuels

Human use of fossil fuels (the burning of which releases carbon dioxide into the atmosphere) is changing the balance of carbon, adding an additional 9.4 (±0.5) GtC to the atmosphere each year. Land use changes, such as deforestation, remove part of the carbon sink (materials in the natural environment capable of absorbing excess carbon), thereby “contributing” that addition of 1.5 (±0.7) GtC excess carbon. Human impacts are therefore contributing almost 11 GtC per year to the atmosphere.

To model this interaction, count 11 grains of rice from the Fossil Fuels bag.

Not all of this carbon goes into the Atmosphere, as other reservoirs are absorbing some of this added carbon. Each year 4 GtC (represented by 4 grains of rice) from the Fossil Fuels reservoir are absorbed by the Terrestrial Biosphere, and 3 GtC (3 grains of rice) are absorbed by the Ocean reservoir. This results in a net gain in the Atmosphere reservoir of 5 GtC (5 grains of rice) per year with a budget imbalance of 0.5 GtC per year indicating overestimated emmisions and/or underestimated sinks (see the equation below).

What’s Going On?

This activity models the fast carbon cycle, which involves the carbon reservoirs of the ocean, atmosphere, and biosphere. The fast carbon cycle takes place over months to years. The slow carbon cycle, which is the geochemical part of the carbon cycle, involves the cycling of carbon-containing rocks, takes thousands to millions of years, and is not modeled in this exercise.

The carbon cycling between the ocean, atmosphere, and biosphere was in balance until the Industrial Revolution, when fossil fuels were brought out of the rock (where they were part of the slow carbon cycle) and burned for energy, releasing a huge amount carbon (in the form of CO2) into the atmosphere, and into the fast carbon cycle. As a result, the carbon cycle is no longer in balance.

Today, carbon from fossil fuels, normally part of the slow carbon cycle, is being added to the atmosphere, and the fast carbon cycle cannot absorb it at the same rate. This has increased the amount of carbon in the atmosphere by about 5 GtC per year (2018). While natural processes can use up this additional carbon, these processes are part of the slow carbon cycle, and take hundreds of thousands to millions of years.

The consequences of the additional atmospheric carbon are many, and include increased atmospheric and oceanic temperatures, sea level rise, and ocean acidification.

Each year, the oceans absorb and release about 90 GtC, largely via diffusion across the air-ocean interface. The physical processes that control the sinking of CO2 into colder, deeper waters (where CO2 is more soluble), and the mixing of ocean water at intermediate depths, are known collectively as the “solubility pump,” and are not part of this model. Phytoplankton photosynthesis converts CO2 into organic carbon that is largely returned to ocean water as CO2 via microbial respiration and decomposition. The small fraction of organic carbon that is encapsulated by certain plankton into degradation-resistant clumps that sink to the ocean floor is called the “biological pump.” Together, the solubility pump and biological pump control the amount of carbon transported to ocean depths and the exchange of CO2 between ocean and atmosphere.

Weitergehen

The carbon amounts used in this model are based on solid carbon, which is not the form that carbon takes in all of the earth’s carbon reservoirs. As you can see from this list, carbon can take many different forms.

Rock: 65,300,000 GtC

The carbon in rock is mostly solid carbonate, such as limestone (calcium carbonate, CaCO3). Rocks are by far the largest reservoir of carbon on earth, but changes in the flow of carbon to and from this reservoir are extremely slow, and have no real impact on changes to the global carbon cycle at human timescales (tens to thousands of years). The carbon rock cycle is part of the slow carbon cycle, which takes hundreds of thousands to millions of years.

Atmosphere: 879 GtC (in 2018)

In the atmosphere, carbon is in a gaseous form. The most abundant carbon-containing gas is carbon dioxide (CO2) others are methane (CH4), and carbon monoxide (CO).

Ocean: 40,453 GtC

At the surface of the ocean, carbon shows up as dissolved carbon dioxide (CO2), carbonic acid (H2CO3), bicarbonate ions (HCO3 - ), and carbonate ions (CO3 -2 ). The relative abundance of these carbon compounds is controlled by the pH of the water. CO2 dissolves in seawater, creating carbonic acid, which releases H+ ions. H+ ions combine with carbonate in seawater to form bicarbonate, which doesn’t easily escape the ocean.

Terrestrial Biosphere: 1,950 GtC

The carbon in the biosphere—mostly organic plant material and soils—takes the form of simple sugars like glucose or fructose, and more complex molecules like starch and cellulose.

Fossil Fuels: 1,000 GtC

The carbon in fossil fuels includes solid coal, liquid hydrocarbon petroleum, and gas hydrocarbon methane, which resulted from photosynthesis hundreds of millions of years ago and subsequent burial. Because fossil fuels are sequestered in rock, they are also part of the slow carbon cycle.

Ressourcen

The amount of carbon moving between reservoirs is changing every year. The data use in this Snack were based on annual fluxes from 2005–2014. Here are some of the sources we used:

Le Quéré, Corinne et al. "Global carbon budget 2018." Earth System Science Data, 10, 2041 - 2194, 2018.


Schau das Video: Prof. Horst Lüdecke: 1. Modell des CO2 Zyklus, 2. Temperaturen und Niederschlagsmuster (Juli 2022).


Bemerkungen:

  1. Moogujora

    Bemerkenswert, die nützliche Nachricht

  2. Oved

    Diese Informationen sind korrekt

  3. Chagai

    Es tut mir leid, dass ich einmischt, aber Sie konnten nicht ein bisschen im Detail malen.

  4. Mischa

    Lustiges Thema

  5. Voodooshakar

    Sie werden lange nach einem solchen Wunder suchen

  6. Joseph Harlin

    Ich glaube, ich mache Fehler. Wir müssen diskutieren. Schreiben Sie mir in PM, sprechen Sie.



Eine Nachricht schreiben