Značilnosti cikla kisika, rezervoarji, stopnje in pomen



The kisika nanaša se na krožni pretok kisika na Zemlji. Gre za plinasti biogeokemijski cikel. Kisik je drugi najpogostejši element v ozračju po dušiku in drugi najbolj razširjen v hidrosferi po vodiku. V tem smislu je kisikov krog povezan s ciklom vode.

Krožni pretok kisika vključuje proizvodnjo kisika ali molekularnega kisika dveh atomov (OR)2). To se zgodi zaradi hidrolize med fotosintezo, ki jo izvajajo različni fotosintetični organizmi.

O2 živijo organizmi uporabljajo v celičnem dihanju in ustvarjajo proizvodnjo ogljikovega dioksida (CO)2), ki je ena od surovin za proces fotosinteze.

Po drugi strani se v zgornji atmosferi pojavi fotoliza (hidroliza, ki jo aktivira sončna energija) vodne pare, ki jo povzroča ultravijolično sevanje sonca. Voda razgrajuje sproščanje vodika, ki je izgubljen v stratosferi in kisik je vgrajen v ozračje.

Pri medsebojnem delovanju O molekule2 s kisikovim atomom nastaja ozon (O3). Ozon predstavlja tako imenovani ozonski plašč.

Indeks

  • 1 Značilnosti
    • 1.1 Izvor
    • 1.2 Osnovno vzdušje
    • 1.3 Energije, ki poganjajo cikel
    • 1.4 Povezava z drugimi biogeokemičnimi cikli
  • 2 Rezervoarji
    • 2.1 Geosfera
    • 2.2 Atmosfera
    • 2.3 Hidrosfera
    • 2.4 Krisfera
    • 2.5 Živi organizmi
  • 3 Stopnje
    • 3.1 Okoljska faza rezervoarja in vir: atmosfera-hidrosfera-krisfera-geosfera
    • 3.2 Faza fotosinteze
    • 3.3 - Stopnja atmosferskega povratka
    • 3.4 - Dihalna faza
  • 4 Pomen
  • 5 Spremembe
    • 5.1 Učinek tople grede
  • 6 Reference

Funkcije

Kisik je nekovinski kemični element. Njegova atomska številka je 8, torej ima 8 protonov in 8 elektronov v svojem naravnem stanju. V normalnih pogojih temperature in tlaka je prisoten v obliki dioksigenskega, brezbarvnega in brez vonja plina. Njegova molekularna formula je O2.

O2 vključuje tri stabilne izotope: \ t 16O, 17O in 18O. Prevladujoča oblika v vesolju je 16O. Na Zemlji predstavlja 99,76% skupnega kisika. The 18Ali predstavlja 0,2%. Obrazec 17Ali je zelo redka (~ 0,04%).

Izvor

Kisik je tretji element v izobilju v vesolju. Proizvodnja izotopa 16Ali pa se je začela v prvi generaciji sončnega helija, ki se je požgal po velikem poku.

Vzpostavitev cikla nukleozinteze ogljik-dušik-kisik v poznejših generacijah zvezd je zagotovila prevladujoč vir kisika v planetih.

Visoke temperature in tlaki proizvajajo vodo (H2O) v vesolju z ustvarjanjem reakcije vodika s kisikom. Voda je del konformacije Zemljinega jedra.

Izlivi magme sproščajo vodo v obliki pare in vstopajo v vodni krog. Voda se razgradi s fotolizo v kisiku in vodiku s fotosintezo in z ultravijoličnim sevanjem v zgornjih ravneh ozračja..

Primitivno vzdušje

Prvotno vzdušje pred evolucijo fotosinteze s cianobakterijami je bilo anaerobno. Za žive organizme, prilagojene temu ozračju, je bil kisik strupen plin. Tudi danes atmosfera čistega kisika povzroča nepopravljivo škodo celicam.

V evolucijski liniji sedanjih cianobakterij je nastala fotosinteza. To je začelo spreminjati sestavo zemeljske atmosfere pred približno 2.300-2.700 milijoni let.

Proliferacija fotosintetičnih organizmov je spremenila sestavo ozračja. Življenje se je razvijalo v smeri prilagajanja aerobnemu vzdušju.

Energije, ki poganjajo cikel

Sile in energije, ki delujejo s poganjanjem kisikovega cikla, so lahko geotermalne, ko magma izloči vodno paro ali pa pride iz sončne energije.

Slednji zagotavlja temeljno energijo za proces fotosinteze. Kemična energija v obliki ogljikovih hidratov, ki nastane kot posledica fotosinteze, pa vse živahne procese vodi skozi prehranjevalno verigo. Na enak način Sun proizvaja planetarno diferencialno segrevanje in povzroča morske in atmosferske tokove.

Povezava z drugimi biogeokemičnimi cikli

Zaradi svoje številčnosti in visoke reaktivnosti je kisikov cikel povezan z drugimi cikli, kot je CO2, dušik (N2) in vodni cikel (H2O). To mu daje več ciklični značaj.

Rezervoarji O2 in CO2  povezane so s procesi, ki vključujejo ustvarjanje (fotosintezo) in uničevanje (dihanje in zgorevanje) organske snovi. Kratkoročno so te oksidacijsko-redukcijske reakcije glavni vir variabilnosti koncentracije O2 v ozračju.

Denitrificirajoče bakterije pridobivajo kisik za dihanje nitratov iz tal, ki sproščajo dušik.

Rezervoarji

Geosfera

Kisik je ena glavnih sestavin silikatov. Zato predstavlja pomemben del plašča in zemeljske skorje.

  • Zemeljsko jedro: v tekočem zunanjem plašču kopenskega jedra so poleg železa tudi drugi elementi, med njimi tudi kisik.
  • Tla: zrak se razprši v prostorih med delci ali porami v tleh. Ta kisik uporablja mikrobiota tal.

Atmosfera

21% atmosfere je sestavljeno iz kisika v obliki kisika (O2). Druge oblike prisotnosti atmosferskega kisika so vodna para (H2O), ogljikov dioksid (CO2) in ozona (O3).

  • Vodna para: koncentracija vodne pare je spremenljiva, odvisno od temperature, atmosferskega tlaka in tokov atmosferske cirkulacije (vodni krog).
  • Ogljikov dioksid: CO2 predstavlja približno 0,03% prostornine zraka. Od začetka industrijske revolucije se je koncentracija CO povečala2 v ozračju za 145%.
  • Ozon: je molekula, ki je v stratosferi prisotna v majhni količini (0,03 - 0,02 deleža na milijon po prostornini).

Hidrosfera

71% zemeljske površine je prekrito z vodo. V oceanih je koncentrirano več kot 96% vode na površini zemlje. 89% mase oceanov je kisik. CO2 Prav tako se raztopi v vodi in je predmet procesa izmenjave z atmosfero.

Kryosfera

Kriosfera se nanaša na maso zamrznjene vode, ki pokriva nekatera območja Zemlje. Te ledene mase vsebujejo približno 1,74% vode v zemeljski skorji. Po drugi strani pa led vsebuje različne količine ujetih molekularnih kisikov.

Oživih organizmov

Večina molekul, ki sestavljajo strukturo živih bitij, vsebujejo kisik. Po drugi strani je velik delež živih bitij voda. Zato je kopenska biomasa tudi rezerva za kisik.

Stopnje

Na splošno velja, da cikel, ki mu sledi kisik kot kemično sredstvo, obsega dve veliki površini, ki tvorita njen biogeokemični značaj. Ta območja so zastopana v štirih fazah.

Geoekonomsko območje vključuje premike in zadrževanje v atmosferi, hidrosfero, kriosfero in kisikovi geosferi. To vključuje okoljsko fazo rezervoarja in vir ter stopnjo vračanja v okolje.

V biološkem območju sta vključeni tudi dve stopnji. Povezani so s fotosintezo in dihanjem.

-Okoljska faza rezervoarja in vir: atmosfera-hidrosfera-krisfera-geosfera

Atmosfera

Glavni vir atmosferskega kisika je fotosinteza. Obstajajo pa tudi drugi viri, iz katerih se lahko kisik vključi v ozračje.

Eden od teh je tekoči zunanji plašč Zemljinega jedra. Kisik doseže atmosfero v obliki vodne pare skozi vulkanske izbruhe. Vodna para se dvigne v stratosfero, kjer se fotoliza zaradi visokega sevanja sonca in prostega kisika proizvaja..

Po drugi strani pa dihanje oddaja kisik v obliki CO2.  Procesi izgorevanja, zlasti industrijski procesi, prav tako porabijo molekularni kisik in zagotavljajo CO2 v ozračje.

V izmenjavi med atmosfero in hidrosfero raztopljeni kisik v vodnih masah prehaja v ozračje. Po drugi strani pa CO2 Atmosferski se raztopi v vodi kot ogljikova kislina. Kisik, raztopljen v vodi, prihaja predvsem iz fotosinteze alg in cianobakterij.

Stratosfera

Pri višjih ravneh atmosfere se z visoko energijskimi sevanji hidrolizira vodna para. Kratkotalovno sevanje aktivira O molekule2. Ti so razdeljeni na atome brez kisika (O).

Ti prosti atomi O reagirajo z molekulami O2 ozon (O3). Ta reakcija je reverzibilna. Zaradi ultravijoličnega sevanja O3 razgradi v atome brez kisika.

Kisik kot sestavni del atmosferskega zraka je del različnih oksidacijskih reakcij, ki povezujejo različne kopenske spojine. Pomemben ponor kisika je oksidacija plinov iz vulkanskih izbruhov.

Hidrosfera

Največja koncentracija vode na Zemlji so oceani, kjer je enakomerna koncentracija izotopov kisika. To je posledica stalne izmenjave tega elementa z zemeljsko skorjo skozi procese hidrotermalne cirkulacije.

Na mejah tektonskih plošč in oceanskih grebenov se ustvari stalen proces izmenjave plina.

Kryosfera

Mase kopenskega ledu, vključno z masami polarnega ledu, ledenikov in permafrosta, predstavljajo pomemben ponor kisika v obliki vode v trdnem stanju..

Geosfera

Tudi kisik sodeluje pri izmenjavi plinov z zemljo. Tam predstavlja bistveni element za dihalne procese mikroorganizmov v tleh.

Pomemben ponor v tleh so procesi mineralne oksidacije in sežiganje fosilnih goriv.

Kisik, ki je del molekule vode (H2O) sledi ciklu vode v procesih izhlapevanja-transpiracije in kondenzacije-padavin.

-Faza fotosinteze

Fotosinteza poteka v kloroplastih. Med svetlobno fazo fotosinteze je potreben reducent, to je vir elektronov. Navedeno sredstvo je v tem primeru voda (H2O).

Z odvzemanjem vodika (H) iz vode se sprosti kisik (O2) kot odpadni proizvod. Voda vstopa v zemljo iz zemlje skozi korenine. V primeru alg in cianobakterij izvira iz vodnega okolja.

Vsi molekularni kisik (O2), ki nastane med fotosintezo, prihaja iz vode, uporabljene v procesu. Pri fotosintezi se CO porabi2, sončna energija in voda (H2O) in sprosti kisik (O2).

-Stopnja atmosferskega povratka

O2 v fotosintezi izginejo v ozračje skozi puževe v primeru rastlin. Alge in cianobakterije ga vrnejo v okolje z difuzijo membrane. Podobno dihalni procesi v okolje vračajo kisik v obliki ogljikovega dioksida (CO2).

-Dihalna faza

Za opravljanje svojih vitalnih funkcij morajo živi organizmi učinkovito kemično energijo, ki jo proizvede fotosinteza. Ta energija je shranjena v obliki kompleksnih molekul ogljikovih hidratov (sladkorjev) v primeru rastlin. Preostali organizmi ga dobijo iz prehrane

Proces, s katerim živa bitja razkrivajo kemične spojine za sproščanje potrebne energije, se imenuje dihanje. Ta postopek se izvaja v celicah in ima dve fazi; eno aerobno in drugo anaerobno.

Aerobna respiracija poteka v mitohondrijih pri rastlinah in živalih. Pri bakterijah se izvaja v citoplazmi, ker nimajo mitohondrijev.

Temeljni element za dihanje je kisik kot oksidant. V dihanju se porabi kisik (O2) in CO se sprosti2 in vodo (H2O), ki proizvaja uporabno energijo.

CO2 in voda (vodna para) se sprošča skozi puževe v rastlinah. Pri živalih je CO2 sprošča se skozi nosnice in / ali usta in voda skozi potenje. V algah in bakterijah CO2 se sprosti z difuzijo membrane.

Photorespiration

Pri rastlinah v prisotnosti svetlobe se razvije proces, ki porabi kisik in energijo, imenovano fotospiranje. Zaradi povišanja koncentracije CO se fotorespiracija poveča s povišanjem temperature2 glede koncentracije O2.

Fotorespiracija vzpostavi negativno energetsko bilanco za rastlino. Porabite O2 in kemično energijo (proizvedeno s fotosintezo) in sprosti CO2. Zato so razvili evolucijske mehanizme za preprečevanje (metabolizem C4 in CAN)..

Pomen

Trenutno je velika večina življenja aerobna. Brez kroženja O2 v planetarnem sistemu bi bilo življenje, kot ga poznamo danes, nemogoče.

Poleg tega kisik predstavlja pomemben delež kopenskih zračnih mas. Zato prispeva k atmosferskim pojavom, povezanim z njim in njegovim posledicam: erozijski učinki, podnebna ureditev, med drugim.

Neposredno generira oksidacijske procese v tleh, vulkanskih plinih in kovinskih umetnih strukturah.

Kisik je element z visoko oksidacijsko zmogljivostjo. Čeprav so molekule kisika zelo stabilne, ker tvorijo dvojno vez, imajo kisik visoko elektronegativnost (sposobnost privabljanja elektronov), ima visoko reaktivno zmogljivost. Zaradi te visoke elektronegativnosti kisik intervenira v mnogih oksidacijskih reakcijah.

Spremembe

Velika večina procesov zgorevanja, ki se pojavljajo v naravi, zahteva sodelovanje kisika. Tudi v tistih, ki jih je ustvaril človek. Ti procesi izpolnjujejo tako pozitivne kot negativne funkcije v antropičnih izrazih.

Izgorevanje fosilnih goriv (premog, nafta, plin) prispeva h gospodarskemu razvoju, hkrati pa predstavlja resen problem zaradi svojega prispevka k globalnemu segrevanju..

Veliki gozdni požari vplivajo na biotsko raznovrstnost, čeprav so v nekaterih primerih del naravnih procesov v določenih ekosistemih.

Učinek tople grede

Ozonski plašč (O3) v stratosferi je zaščitni ščit atmosfere pred vstopom presežnega ultravijoličnega sevanja. To visoko energetsko sevanje povečuje segrevanje Zemlje.

Po drugi strani pa je zelo mutagena in škodljiva za živo tkivo. Pri ljudeh in drugih živalih je rakotvorna.

Emisija različnih plinov povzroči uničenje ozonskega plašča in s tem olajša vstop ultravijoličnega sevanja. Nekateri od teh plinov so klorofluoroogljikovodiki, delno halogenirani klorofluoroogljikovodiki, etil bromid, dušikovi oksidi iz gnojil in halonov.

Reference

  1. Anbar AD, in Duan, TW Lyons, GL Arnold, B Kendall, RA Creaser, AJ Kaufman, WG Gordon, S Clinton, J Garvin in R Buick (2007) Vihar kisika pred velikim dogodkom oksidacije? Science 317: 1903-1906.
  2. Bekker A, HD Holland, PL Wang, D Rumble, HJ Stein, JL Hannah, LL Coetzee in NJ Beukes. (2004) S podražitvijo kisika v atmosferi. Nature 427: 117-120.
  3. Farquhar J in DT Johnston. (2008) Cikel kisika zemeljskih planetov: vpogled v procesiranje in zgodovino kisika v površinskih okoljih. Pregledi v mineralogiji in geokemiji 68: 463-492.
  4. Keeling RF (1995) Cikel atmosferskega kisika: Izotopi kisika atmosferskega CO2 in O2 in O2/ N2 Reviws of Geophysics, dodatek. ZDA: Nacionalno poročilo Mednarodne geodetske zveze in geofizike 1991-1994. str. 1253-1262.
  5. Purves WK, D Sadava, GH Orians in HC Heller (2003) Življenje. Znanost o biologiji. 6. Edt. Sinauer Associates, Inc. in WH Freeman and Company. 1044 str.