معلومة

20.2: الدورات البيوجيوكيميائية - علم الأحياء

20.2: الدورات البيوجيوكيميائية - علم الأحياء


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.

تتدفق الطاقة بشكل مباشر عبر النظم البيئية ، حيث تدخل في صورة ضوء الشمس (أو جزيئات غير عضوية للتغذية الكيميائية) وتترك كحرارة أثناء عمليات النقل بين المستويات الغذائية. بدلاً من التدفق عبر نظام بيئي ، يتم الحفاظ على المادة التي تتكون منها الكائنات الحية وإعادة تدويرها. تأخذ العناصر الستة الأكثر شيوعًا المرتبطة بالجزيئات العضوية - الكربون والنيتروجين والهيدروجين والأكسجين والفوسفور والكبريت - مجموعة متنوعة من الأشكال الكيميائية وقد توجد لفترات طويلة في الغلاف الجوي أو على الأرض أو في الماء أو تحت سطح الأرض. تلعب العمليات الجيولوجية ، مثل التجوية والتعرية وتصريف المياه واندساس الصفائح القارية ، دورًا في تدوير العناصر على الأرض. نظرًا لأن للجيولوجيا والكيمياء دورًا رئيسيًا في دراسة هذه العملية ، فإن إعادة تدوير المواد غير العضوية بين الكائنات الحية وبيئتها غير الحية تسمى دورة الكيمياء الحيوية.

الماء ، الذي يحتوي على الهيدروجين والأكسجين ، ضروري لجميع العمليات الحية. الغلاف المائي هو مساحة الأرض التي تحدث فيها حركة المياه وتخزينها: مثل المياه السائلة على السطح (الأنهار والبحيرات والمحيطات) وتحت السطح (المياه الجوفية) أو الجليد (القمم الجليدية القطبية والأنهار الجليدية) ، وكبخار ماء في الجو. يوجد الكربون في جميع الجزيئات العضوية الكبيرة وهو مكون مهم للوقود الأحفوري. يعتبر النيتروجين مكونًا رئيسيًا للأحماض والبروتينات النووية لدينا وهو أمر بالغ الأهمية للزراعة البشرية. يعد الفوسفور ، وهو مكون رئيسي للأحماض النووية ، أحد المكونات الرئيسية (إلى جانب النيتروجين) في الأسمدة الصناعية المستخدمة في الزراعة ، والتي لها تأثيرات بيئية على المياه السطحية لدينا. يتم إطلاق الكبريت ، وهو عنصر حاسم في الطي ثلاثي الأبعاد للبروتينات (كما هو الحال في ارتباط ثاني كبريتيد) ، في الغلاف الجوي عن طريق حرق الوقود الأحفوري.

إن دورة هذه العناصر مترابطة. على سبيل المثال ، تعتبر حركة المياه أمرًا بالغ الأهمية لتسرّب النيتروجين والفوسفات في الأنهار والبحيرات والمحيطات. المحيط هو أيضًا خزان رئيسي للكربون. وبالتالي ، يتم تدوير المغذيات المعدنية ، إما بسرعة أو ببطء ، عبر المحيط الحيوي بأكمله بين العالم الحيوي وغير الحيوي ومن كائن حي إلى آخر.

المفهوم في العمل

توجه إلى هذا الموقع لمعرفة المزيد عن الدورات البيوجيوكيميائية.

دورة المياه

الماء ضروري لجميع العمليات الحية. يتكون جسم الإنسان من أكثر من نصف ماء وخلايا الإنسان أكثر من 70 بالمائة ماء. وبالتالي ، تحتاج معظم الحيوانات البرية إلى إمدادات المياه العذبة للبقاء على قيد الحياة. من مخزون المياه على الأرض ، 97.5 في المائة من المياه المالحة (الشكل 20.2.1). من المياه المتبقية ، 99 في المائة محجوز كمياه جوفية أو جليد. وبالتالي ، يوجد أقل من واحد في المائة من المياه العذبة في البحيرات والأنهار. تعتمد العديد من الكائنات الحية على هذه الكمية الصغيرة من إمدادات المياه العذبة السطحية ، والتي يمكن أن يكون لنقصها تأثيرات مهمة على ديناميكيات النظام البيئي. طور البشر ، بالطبع ، تقنيات لزيادة توافر المياه ، مثل حفر الآبار لتجميع المياه الجوفية ، وتخزين مياه الأمطار ، واستخدام تحلية المياه للحصول على مياه صالحة للشرب من المحيط. على الرغم من أن هذا السعي للحصول على المياه الصالحة للشرب كان مستمرًا عبر تاريخ البشرية ، إلا أن توفير المياه العذبة لا يزال يمثل مشكلة رئيسية في العصر الحديث.

يوضح الشكل 20.2.2 العمليات المختلفة التي تحدث أثناء تدوير المياه. تشمل العمليات ما يلي:

  • التبخر والتسامي
  • التكثيف وهطول الأمطار
  • تدفق المياه الجوفية
  • الجريان السطحي وذوبان الجليد
  • التدفق

دورة المياه مدفوعة بطاقة الشمس لأنها تعمل على تدفئة المحيطات والمياه السطحية الأخرى. يؤدي هذا إلى تبخر (الماء إلى بخار الماء) من الماء السطحي السائل وتسامي (الجليد إلى بخار الماء) من الماء المتجمد ، وبالتالي نقل كميات كبيرة من الماء إلى الغلاف الجوي كبخار ماء. بمرور الوقت ، يتكثف بخار الماء هذا في السحب على شكل قطرات سائلة أو مجمدة ويؤدي في النهاية إلى هطول الأمطار (المطر أو الثلج) ، مما يعيد الماء إلى سطح الأرض. قد يتبخر المطر الذي يصل إلى سطح الأرض مرة أخرى ، أو يتدفق على السطح ، أو يتسرب إلى الأرض. أسهل ملاحظة هو الجريان السطحي: تدفق المياه العذبة إما من المطر أو ذوبان الجليد. يمكن للجريان السطحي أن يشق طريقه عبر الجداول والبحيرات إلى المحيطات أو يتدفق مباشرة إلى المحيطات نفسها.

في معظم البيئات الأرضية الطبيعية ، يصطدم المطر بالنباتات قبل أن يصل إلى سطح التربة. تتبخر نسبة كبيرة من الماء فورًا من أسطح النباتات. ما تبقى يصل إلى التربة ويبدأ في النزول. سيحدث الجريان السطحي فقط إذا أصبحت التربة مشبعة بالماء في هطول الأمطار الغزيرة. ستمتص جذور النباتات معظم المياه الموجودة في التربة. سيستخدم النبات بعضًا من هذه المياه في عملية التمثيل الغذائي الخاصة به ، وسيجد بعضًا طريقه إلى الحيوانات التي تأكل النباتات ، ولكن الكثير منه سوف يضيع مرة أخرى في الغلاف الجوي من خلال عملية تعرف باسم التبخر. يدخل الماء إلى نظام الأوعية الدموية للنبات من خلال الجذور ويتبخر أو يتحول من خلال ثغور الأوراق. الماء في التربة الذي لا يمتصه النبات والذي لا يتبخر قادر على الترشيح في باطن الأرض والصخور الصخرية. هنا تشكل المياه الجوفية.

المياه الجوفية هي خزان مهم للمياه العذبة. يوجد في المسام بين الجزيئات في الرمل والحصى ، أو في الشقوق في الصخور. تتدفق المياه الجوفية الضحلة ببطء عبر هذه المسام والشقوق ، وفي النهاية تجد طريقها إلى مجرى أو بحيرة حيث تصبح جزءًا من المياه السطحية مرة أخرى. لا تتدفق التيارات لأنها تتجدد من مياه الأمطار مباشرة ؛ تتدفق بسبب وجود تدفق مستمر من المياه الجوفية أدناه. توجد بعض المياه الجوفية في عمق الصخور ويمكن أن تستمر هناك لآلاف السنين. معظم خزانات المياه الجوفية ، أو طبقات المياه الجوفية ، هي مصدر مياه الشرب أو مياه الري التي يتم سحبها من خلال الآبار. في كثير من الحالات ، يتم استنفاد طبقات المياه الجوفية بشكل أسرع مما يتم تجديده عن طريق المياه المتسربة من الأعلى.

المطر والجريان السطحي من الطرق الرئيسية التي يتم من خلالها تدوير المعادن ، بما في ذلك الكربون والنيتروجين والفوسفور والكبريت ، من الأرض إلى الماء. ستتم مناقشة الآثار البيئية للجريان السطحي لاحقًا حيث يتم وصف هذه الدورات.

دورة الكربون

الكربون هو رابع أكثر العناصر وفرة في الكائنات الحية. يوجد الكربون في جميع الجزيئات العضوية ، ودوره في بنية الجزيئات الكبيرة له أهمية أساسية للكائنات الحية. تحتوي مركبات الكربون على طاقة ، وقد ظلت العديد من هذه المركبات من النباتات والطحالب مخزنة ككربون متحجر يستخدمه البشر كوقود. منذ القرن التاسع عشر ، تسارع استخدام الوقود الأحفوري. مع تزايد الطلب العالمي على إمدادات الوقود الأحفوري المحدودة للأرض منذ بداية الثورة الصناعية ، زادت كمية ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي مع احتراق الوقود. ارتبطت هذه الزيادة في ثاني أكسيد الكربون بتغير المناخ وهي مصدر قلق بيئي رئيسي في جميع أنحاء العالم.

تتم دراسة دورة الكربون بسهولة على أنها دراجتان فرعيتان مترابطتان: واحدة تتعامل مع التبادل السريع للكربون بين الكائنات الحية والأخرى تتعامل مع دورة الكربون على المدى الطويل من خلال العمليات الجيولوجية. تظهر دورة الكربون بأكملها في الشكل 20.2.3.

دورة الكربون البيولوجية

ترتبط الكائنات الحية بطرق عديدة ، حتى بين النظم البيئية. وخير مثال على هذا الارتباط هو تبادل الكربون بين الكائنات غيرية التغذية والتغذية الذاتية داخل النظم البيئية وفيما بينها عن طريق ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي. ثاني أكسيد الكربون هو لبنة البناء الأساسية التي يستخدمها autotroph لبناء مركبات متعددة الكربون وعالية الطاقة ، مثل الجلوكوز. تستخدم هذه الكائنات الطاقة المستخرجة من الشمس لتكوين الروابط التساهمية التي تربط ذرات الكربون ببعضها البعض. تخزن هذه الروابط الكيميائية هذه الطاقة لاستخدامها لاحقًا في عملية التنفس. تحصل معظم ذاتية التغذية الأرضية على ثاني أكسيد الكربون مباشرة من الغلاف الجوي ، بينما تكتسبه ذاتية التغذية البحرية في الصورة المذابة (حمض الكربونيك ، HCO3). ومع ذلك ، يتم الحصول على ثاني أكسيد الكربون ، فإن المنتج الثانوي لتثبيت الكربون في المركبات العضوية هو الأكسجين. كائنات التمثيل الضوئي هي المسؤولة عن الحفاظ على ما يقرب من 21 في المائة من محتوى الأكسجين في الغلاف الجوي الذي نلاحظه اليوم.

الشركاء في تبادل الكربون البيولوجي هم الكائنات غيرية التغذية (خاصة المستهلكين الأساسيين ، والحيوانات العاشبة إلى حد كبير). تكتسب الكائنات غيرية التغذية مركبات الكربون عالية الطاقة من ذاتية التغذية عن طريق استهلاكها وتحطيمها عن طريق التنفس للحصول على الطاقة الخلوية ، مثل ATP. أكثر أنواع التنفس كفاءة ، التنفس الهوائي ، يتطلب أكسجين يتم الحصول عليه من الجو أو مذابًا في الماء. وبالتالي ، هناك تبادل مستمر للأكسجين وثاني أكسيد الكربون بين ذاتية التغذية (التي تحتاج إلى الكربون) وغيرية التغذية (التي تحتاج إلى الأكسجين). كما تتنفس ذاتية التغذية وتستهلك الجزيئات العضوية التي تشكلها: باستخدام الأكسجين وإطلاق ثاني أكسيد الكربون. يطلقون غاز الأكسجين كمنتج نفايات لعملية التمثيل الضوئي أكثر مما يستخدمونه في التنفس ؛ لذلك ، هناك فائض متاح لتنفس الكائنات الهوائية الأخرى. يعد تبادل الغازات عبر الغلاف الجوي والماء إحدى الطرق التي تربط بها دورة الكربون جميع الكائنات الحية على الأرض.

دورة الكربون البيوجيوكيميائية

تعتبر حركة الكربون عبر الأرض والماء والهواء معقدة ، وفي كثير من الحالات ، تحدث بشكل أبطأ بكثير من الناحية الجيولوجية من الحركة بين الكائنات الحية. يتم تخزين الكربون لفترات طويلة فيما يعرف باسم خزانات الكربون ، والتي تشمل الغلاف الجوي ، وأجسام المياه السائلة (المحيطات في الغالب) ، ورواسب المحيطات ، والتربة ، والصخور (بما في ذلك الوقود الأحفوري) ، وداخل الأرض.

كما هو مذكور ، الغلاف الجوي هو خزان رئيسي للكربون على شكل ثاني أكسيد الكربون الضروري لعملية التمثيل الضوئي. يتأثر مستوى ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي بشكل كبير بخزان الكربون في المحيطات. يؤثر تبادل الكربون بين الغلاف الجوي وخزانات المياه على مقدار الكربون الموجود في كل منهما ، ويؤثر كل منهما على الآخر بشكل تبادلي. ثاني أكسيد الكربون (CO2) من الغلاف الجوي يذوب في الماء ، وعلى عكس الأكسجين وغاز النيتروجين ، يتفاعل مع جزيئات الماء لتكوين مركبات أيونية. تتحد بعض هذه الأيونات مع أيونات الكالسيوم في مياه البحر لتكوين كربونات الكالسيوم (CaCO3) ، وهو مكون رئيسي لأصداف الكائنات البحرية. تشكل هذه الكائنات في النهاية رواسب في قاع المحيط. مع مرور الوقت الجيولوجي ، تشكل كربونات الكالسيوم الحجر الجيري ، والذي يضم أكبر خزان للكربون على الأرض.

على الأرض ، يتم تخزين الكربون في التربة ككربون عضوي نتيجة تحلل الكائنات الحية أو من تجوية الصخور الأرضية والمعادن. أعمق تحت الأرض ، في البر والبحر ، يوجد الوقود الأحفوري ، بقايا النباتات المتحللة اللاهوائية التي يستغرق تشكيلها ملايين السنين. يعتبر الوقود الأحفوري موردًا غير متجدد لأن استخدامه يتجاوز بكثير معدل تكوينه. إما أن يتم تجديد المورد غير المتجدد ببطء شديد أو لا يتم تجديده على الإطلاق. هناك طريقة أخرى لدخول الكربون إلى الغلاف الجوي وهي من اليابسة (بما في ذلك الأرض تحت سطح المحيط) عن طريق ثوران البراكين وأنظمة الطاقة الحرارية الأرضية الأخرى. يتم أخذ رواسب الكربون من قاع المحيط في أعماق الأرض من خلال عملية الاندساس: حركة إحدى الصفائح التكتونية تحت الأخرى. ينطلق الكربون في صورة ثاني أكسيد الكربون عندما ينفجر البركان أو من الفتحات الحرارية المائية البركانية.

يضاف ثاني أكسيد الكربون أيضًا إلى الغلاف الجوي من خلال ممارسات تربية الحيوانات للإنسان. يؤدي العدد الكبير من الحيوانات البرية التي يتم تربيتها لإطعام السكان البشريين المتزايدين على الأرض إلى زيادة مستويات ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي بسبب التنفس. هذا مثال آخر على كيفية تأثير النشاط البشري بشكل غير مباشر على الدورات البيوجيوكيميائية بطريقة ملحوظة. على الرغم من أن الكثير من الجدل حول الآثار المستقبلية لزيادة الكربون في الغلاف الجوي على تغير المناخ يركز على الوقود الأحفوري ، فإن العلماء يأخذون العمليات الطبيعية ، مثل البراكين ونمو النباتات ومستويات الكربون في التربة والتنفس ، في الاعتبار عند وضع النماذج والتنبؤ بالتأثير المستقبلي. من هذه الزيادة.

دورة النيتروجين

من الصعب إدخال النيتروجين إلى العالم الحي. النباتات والعوالق النباتية غير مجهزة لدمج النيتروجين من الغلاف الجوي (الموجود على شكل N تساهمية ثلاثية الترابط بإحكام.2) على الرغم من أن هذا الجزيء يشتمل على حوالي 78 بالمائة من الغلاف الجوي. يدخل النيتروجين إلى العالم الحي عبر بكتيريا تعيش بحرية وتكافل ، والتي تدمج النيتروجين في جزيئاتها الكبيرة من خلال تثبيت النيتروجين (تحويل N2). تعيش البكتيريا الزرقاء في معظم النظم البيئية المائية حيث يوجد ضوء الشمس ؛ يلعبون دورًا رئيسيًا في تثبيت النيتروجين. البكتيريا الزرقاء قادرة على استخدام مصادر غير عضوية للنيتروجين "لتثبيت" النيتروجين. ريزوبيوم تعيش البكتيريا بشكل تكافلي في العقيدات الجذرية للبقوليات (مثل البازلاء والفول والفول السوداني) وتزودها بالنيتروجين العضوي الذي تحتاجه. البكتيريا التي تعيش بحرية ، مثل أزوتوباكتر، هي أيضًا من المثبتات المهمة للنيتروجين.

النيتروجين العضوي مهم بشكل خاص لدراسة ديناميات النظام البيئي لأن العديد من عمليات النظام البيئي ، مثل الإنتاج الأولي والتحلل ، محدودة بسبب الإمداد المتاح من النيتروجين. كما هو مبين في الشكل 20.2.4 ، يتم تحويل النيتروجين الذي يدخل الأنظمة الحية عن طريق تثبيت النيتروجين في النهاية من النيتروجين العضوي مرة أخرى إلى غاز النيتروجين بواسطة البكتيريا. تحدث هذه العملية في ثلاث خطوات في الأنظمة الأرضية: ammonification ، و nitrification ، ونزع النتروجين. أولاً ، تقوم عملية التحصين بتحويل النفايات النيتروجينية من الحيوانات الحية أو من بقايا الحيوانات الميتة إلى أمونيوم (NH4+ ) بواسطة بعض البكتيريا والفطريات. ثانيًا ، يتم تحويل هذا الأمونيوم بعد ذلك إلى نيتريت (NO2) عن طريق البكتيريا الآزوتية ، مثل نيتروسوموناس، من خلال النترجة. بعد ذلك ، يتم تحويل النتريت إلى نترات (NO3) بواسطة كائنات مماثلة. أخيرًا ، تحدث عملية نزع النتروجين ، حيث تقوم البكتيريا ، مثل الزائفة و المطثية، وتحويل النترات إلى غاز النيتروجين ، مما يسمح لها بالدخول مرة أخرى إلى الغلاف الجوي.

اتصال فني

أي العبارات التالية خاطئة عن دورة النيتروجين؟

  1. يحول Ammonification المواد النيتروجينية العضوية من الكائنات الحية إلى الأمونيوم (NH4+).
  2. نزع النتروجين بواسطة البكتيريا يحول النترات (NO3) لغاز النيتروجين (N2).
  3. النترجة بواسطة البكتيريا يحول النترات (NO3) لنتريت (NO2)
  4. تقوم بكتيريا تثبيت النيتروجين بتحويل غاز النيتروجين (N2) في مركبات عضوية.

يمكن للنشاط البشري إطلاق النيتروجين في البيئة عن طريق وسيلتين أساسيتين: احتراق الوقود الأحفوري الذي يطلق أكاسيد النيتروجين المختلفة ، وباستخدام الأسمدة الاصطناعية (التي تحتوي على مركبات النيتروجين والفوسفور) في الزراعة ، والتي يتم غسلها بعد ذلك في البحيرات ، والجداول والأنهار عن طريق الجريان السطحي. نيتروجين الغلاف الجوي (بخلاف N2) يرتبط بالعديد من التأثيرات على النظم البيئية للأرض بما في ذلك إنتاج المطر الحمضي (مثل حمض النيتريك ، HNO3) وتأثيرات غازات الاحتباس الحراري (مثل أكسيد النيتروز ، N2O) ، يحتمل أن يسبب تغير المناخ. التأثير الرئيسي لجريان الأسمدة هو المياه المالحة والمياه العذبة المغذيات ، وهي عملية يتسبب فيها جريان المغذيات في زيادة نمو الطحالب وعدد من المشاكل المترتبة على ذلك.

تحدث عملية مماثلة في دورة النيتروجين البحري ، حيث يتم إجراء عمليات ammonification ، و nitrification ، ونزع النتروجين بواسطة البكتيريا البحرية والعتائق. يسقط بعض هذا النيتروجين في قاع المحيط كرواسب ، والتي يمكن بعد ذلك نقلها إلى اليابسة في الزمن الجيولوجي عن طريق رفع سطح الأرض ، وبالتالي دمجها في الصخور الأرضية. على الرغم من أن حركة النيتروجين من الصخور مباشرة إلى الأنظمة الحية كان يُنظر إليها تقليديًا على أنها غير مهمة مقارنة بالنيتروجين الثابت من الغلاف الجوي ، فقد أظهرت دراسة حديثة أن هذه العملية قد تكون مهمة بالفعل ويجب تضمينها في أي دراسة لدورة النيتروجين العالمية.1

دورة الفوسفور

الفوسفور عنصر غذائي أساسي للعمليات الحية ؛ إنه مكون رئيسي من الأحماض النووية والفوسفوليبيدات ، وفوسفات الكالسيوم ، يشكل المكونات الداعمة لعظامنا. غالبًا ما يكون الفوسفور هو العنصر الغذائي المحدد (الضروري للنمو) في النظم البيئية المائية ، وخاصة المياه العذبة.

يحدث الفوسفور في الطبيعة مثل أيون الفوسفات (PO43-). بالإضافة إلى الجريان السطحي للفوسفات نتيجة النشاط البشري ، يحدث الجريان السطحي الطبيعي عند ارتشائه من الصخور المحتوية على الفوسفات عن طريق التجوية ، وبالتالي إرسال الفوسفات إلى الأنهار والبحيرات والمحيطات. تعود أصول هذه الصخرة إلى المحيط. تتكون رواسب المحيطات المحتوية على الفوسفات بشكل أساسي من أجسام كائنات المحيط ومن إفرازاتها. ومع ذلك ، قد يكون الرماد البركاني ، والهباء الجوي ، والغبار المعدني مصادر مهمة للفوسفات. ثم يتم نقل هذه الرواسب إلى اليابسة على مر الزمن الجيولوجي عن طريق رفع سطح الأرض. (الشكل 20.2.5)

يتم أيضًا تبادل الفوسفور بشكل متبادل بين الفوسفات المذاب في المحيط والكائنات البحرية. حركة الفوسفات من المحيط إلى الأرض وعبر التربة بطيئة للغاية ، حيث يبلغ متوسط ​​أيون الفوسفات فترة بقاء محيطية بين 20000 و 100000 سنة.

الفسفور والنيتروجين الزائدين اللذين يدخلان هذه النظم البيئية من جريان الأسمدة ومن مياه الصرف الصحي يسبب نموًا مفرطًا للطحالب. يؤدي موت هذه الكائنات وتعفنها لاحقًا إلى استنفاد الأكسجين المذاب ، مما يؤدي إلى موت الكائنات المائية ، مثل المحار والأسماك الزعنفية. هذه العملية مسؤولة عن المناطق الميتة في البحيرات وعند مصبات العديد من الأنهار الرئيسية وعن نفوق الأسماك على نطاق واسع ، والتي تحدث غالبًا خلال أشهر الصيف (انظر الشكل 20.2.6).

المنطقة الميتة هي منطقة في البحيرات والمحيطات بالقرب من مصبات الأنهار حيث يتم استنفاد مساحات كبيرة بشكل دوري من النباتات والحيوانات الطبيعية ؛ يمكن أن تكون هذه المناطق ناتجة عن التخثث ، وانسكاب الزيت ، وإلقاء المواد الكيميائية السامة ، والأنشطة البشرية الأخرى. زاد عدد المناطق الميتة لعدة سنوات ، وكان أكثر من 400 من هذه المناطق موجودة اعتبارًا من عام 2008. واحدة من أسوأ المناطق الميتة قبالة ساحل الولايات المتحدة في خليج المكسيك: جريان الأسمدة من نهر المسيسيبي أنشأ حوض منطقة ميتة تزيد مساحتها عن 8463 ميل مربع. كما يؤثر جريان الفوسفات والنترات من الأسمدة سلبًا على العديد من النظم البيئية للبحيرات والخليج بما في ذلك خليج تشيسابيك في شرق الولايات المتحدة.

وظائف في العمل: خليج تشيسابيك

خليج تشيسابيك (الشكل 20.2.7أ) هي واحدة من أكثر المناطق ذات المناظر الخلابة على وجه الأرض ؛ إنه الآن في محنة ويتم التعرف عليه كدراسة حالة لنظام بيئي متدهور. في سبعينيات القرن الماضي ، كان خليج تشيسابيك من أوائل النظم البيئية المائية التي حددت المناطق الميتة ، والتي تستمر في قتل العديد من الأسماك والأنواع التي تعيش في القاع مثل المحار والمحار والديدان. تراجعت العديد من الأنواع في خليج تشيسابيك لأن جريان المياه السطحية يحتوي على مغذيات زائدة من استخدام الأسمدة الاصطناعية على الأرض. لا يقتصر مصدر الأسمدة (التي تحتوي على نسبة عالية من النيتروجين والفوسفات) على الممارسات الزراعية. هناك العديد من المناطق الحضرية القريبة وأكثر من 150 نهراً وجداول تصب في الخليج وتحمل جريان الأسمدة من المروج والحدائق. وبالتالي ، فإن تدهور خليج تشيسابيك هو قضية معقدة وتتطلب تعاون الصناعة والزراعة وأصحاب المنازل الأفراد.

تعتبر تجمعات المحار ذات أهمية خاصة لدعاة الحفاظ على البيئة (الشكل 20.2.7ب) ؛ تشير التقديرات إلى وجود أكثر من 200000 فدان من شعاب المحار في الخليج في القرن الثامن عشر الميلادي ، ولكن هذا العدد انخفض الآن إلى 36000 فدان فقط. كان حصاد المحار في يوم من الأيام صناعة رئيسية في خليج تشيسابيك ، لكنه انخفض بنسبة 88 في المائة بين عامي 1982 و 2007. لم يكن سبب هذا الانخفاض هو جريان الأسمدة والمناطق الميتة فحسب ، بل أيضًا بسبب الإفراط في الحصاد. يتطلب المحار كثافة سكانية دنيا معينة لأنه يجب أن يكون على مقربة من التكاثر. لقد أدى النشاط البشري إلى تغيير أعداد المحار ومواقعه ، مما أدى إلى اضطراب كبير في النظام البيئي.

استمرت عملية استعادة تجمعات المحار في خليج تشيسابيك منذ عدة سنوات وحققت نجاحًا متباينًا. لا يجد الكثير من الناس المحار جيدًا للأكل فحسب ، بل إن المحار ينظف الخليج أيضًا. إنها مغذيات بالترشيح ، وعندما تأكل ، فإنها تنظف الماء من حولها. تتغذى مغذيات الفلتر عن طريق ضخ تيار مستمر من الماء على الزوائد المقسمة بدقة (الخياشيم في حالة المحار) والتقاط بدائيات النوى والعوالق والجزيئات العضوية الدقيقة في مخاطها. في القرن الثامن عشر الميلادي ، كان من المقدر أن الأمر استغرق بضعة أيام فقط لتجمع المحار لترشيح الحجم الكامل للخليج. اليوم ، مع تغير ظروف المياه ، تشير التقديرات إلى أن السكان الحاليين سيستغرقون ما يقرب من عام للقيام بنفس العمل.

استمرت جهود الترميم لعدة سنوات من قبل المنظمات غير الربحية مثل مؤسسة خليج تشيسابيك. هدف الاستعادة هو إيجاد طريقة لزيادة الكثافة السكانية حتى يتمكن المحار من التكاثر بكفاءة أكبر. تتوفر الآن العديد من الأصناف المقاومة للأمراض (التي تم تطويرها في معهد فيرجينيا للعلوم البحرية لكلية وليام وماري) وقد تم استخدامها في بناء الشعاب المرجانية التجريبية. تم إعاقة جهود فرجينيا وديلاوير لتنظيف الخليج وترميمه لأن الكثير من التلوث الذي يدخل الخليج يأتي من ولايات أخرى ، مما يؤكد الحاجة إلى التعاون بين الولايات لتحقيق الاستعادة الناجحة.

كما أن سلالات المحار القلبية الجديدة قد ولدت أيضًا صناعة جديدة ومجدية اقتصاديًا - تربية الأحياء المائية للمحار - والتي لا تزود المحار فقط بالطعام والربح ، ولكن لها أيضًا فائدة إضافية تتمثل في تنظيف الخليج.

دورة الكبريت

الكبريت عنصر أساسي في الجزيئات الكبيرة للكائنات الحية. كجزء من الحمض الأميني السيستين ، فإنه يشارك في تكوين البروتينات. كما هو مبين في الشكل 20.2.8 ، دورات الكبريت بين المحيطات والأرض والغلاف الجوي. تم العثور على الكبريت الجوي في شكل ثاني أكسيد الكبريت (SO2) ، والذي يدخل الغلاف الجوي بثلاث طرق: أولاً ، من تحلل الجزيئات العضوية ؛ ثانياً ، من النشاط البركاني وفتحات الطاقة الحرارية الأرضية ؛ وثالثاً ، حرق الوقود الأحفوري من قبل البشر.

على الأرض ، يتم ترسيب الكبريت بأربع طرق رئيسية: هطول الأمطار ، والتساقط المباشر من الغلاف الجوي ، وتجوية الصخور ، والفتحات الحرارية الأرضية (الشكل 20.2.9). تم العثور على الكبريت الجوي في شكل ثاني أكسيد الكبريت (SO2) ، ومع هطول الأمطار في الغلاف الجوي ، يذوب الكبريت في صورة حامض كبريتيك ضعيف (H2وبالتالي4). يمكن أن يسقط الكبريت أيضًا مباشرة من الغلاف الجوي في عملية تسمى السقوط. أيضًا ، مع طقس الصخور المحتوية على الكبريت ، يتم إطلاق الكبريت في التربة. تنشأ هذه الصخور من رواسب المحيطات التي تنتقل إلى اليابسة عن طريق الرفع الجيولوجي لرواسب المحيطات. يمكن للنظم البيئية الأرضية بعد ذلك الاستفادة من كبريتات التربة هذه (SO42-) ، والتي تدخل شبكة الغذاء عن طريق تناول جذور النباتات. عندما تتحلل هذه النباتات وتموت ، يتم إطلاق الكبريت مرة أخرى في الغلاف الجوي على شكل كبريتيد الهيدروجين (H2ق) الغاز.

يدخل الكبريت إلى المحيط في الجريان السطحي من الأرض ، ومن تداعيات الغلاف الجوي ، ومن فتحات الطاقة الحرارية الأرضية تحت الماء. تعتمد بعض النظم البيئية على المواد الكيميائية التي تستخدم الكبريت كمصدر للطاقة البيولوجية. ثم يدعم هذا الكبريت النظم البيئية البحرية في شكل كبريتات.

لعبت الأنشطة البشرية دورًا رئيسيًا في تغيير توازن دورة الكبريت العالمية. يؤدي حرق كميات كبيرة من الوقود الأحفوري ، وخاصة من الفحم ، إلى إطلاق كميات أكبر من غاز كبريتيد الهيدروجين في الغلاف الجوي. مع تساقط المطر من خلال هذا الغاز ، فإنه يخلق ظاهرة تعرف باسم المطر الحمضي ، والذي يضر بالبيئة الطبيعية عن طريق خفض درجة الحموضة في البحيرات ، وبالتالي قتل العديد من النباتات والحيوانات المقيمة. المطر الحمضي هو مطر تآكل ناتج عن سقوط مياه الأمطار على الأرض من خلال غاز ثاني أكسيد الكبريت ، مما يحولها إلى حمض كبريتيك ضعيف ، مما يتسبب في إلحاق الضرر بالنظم البيئية المائية. يؤثر المطر الحمضي أيضًا على البيئة التي من صنع الإنسان من خلال التدهور الكيميائي للمباني. على سبيل المثال ، تعرضت العديد من الآثار الرخامية ، مثل نصب لنكولن التذكاري في واشنطن العاصمة ، لأضرار كبيرة من الأمطار الحمضية على مر السنين. تُظهر هذه الأمثلة الآثار واسعة النطاق للأنشطة البشرية على بيئتنا والتحديات المتبقية لمستقبلنا.

ملخص القسم

يتم تدوير المغذيات المعدنية من خلال النظم البيئية وبيئتها. كل هذه الدورات لها تأثيرات كبيرة على هيكل ووظيفة النظام الإيكولوجي. نظرًا لأن الأنشطة البشرية تسببت في اضطرابات كبيرة في هذه الدورات ، فإن دراستها ونمذجةها مهمة بشكل خاص. تضررت النظم البيئية من خلال مجموعة متنوعة من الأنشطة البشرية التي تغير الدورات الكيميائية الحيوية الطبيعية بسبب التلوث وانسكاب النفط والأحداث التي تسبب تغير المناخ العالمي. تعتمد صحة المحيط الحيوي على فهم هذه الدورات وكيفية حماية البيئة من أضرار لا رجعة فيها.

اتصالات فنية

الشكل 20.2.4 أي العبارات التالية خاطئة عن دورة النيتروجين؟

A. Ammonification يحول المادة النيتروجينية العضوية من الكائنات الحية إلى الأمونيوم (NH4+).
ب. نزع النتروجين بواسطة البكتيريا يحول النترات (NO3-) لغاز النيتروجين (N2).
جيم- النترجة بواسطة البكتيريا يحول النترات (NO3-) لنتريت (NO2-).
د- تقوم بكتيريا تثبيت النيتروجين بتحويل غاز النيتروجين (N2) في مركبات عضوية.

ج: النترجة بواسطة البكتيريا يحول النترات (NO3-) لنتريت (NO2-).

متعدد الخيارات

غالبية المياه الموجودة على الأرض هي:

A. الجليد
ب. بخار الماء
C. المياه العذبة
د- الماء المالح

د

العملية التي يتم من خلالها استنفاد الأكسجين عن طريق نمو الكائنات الحية الدقيقة بسبب المغذيات الزائدة في النظم المائية تسمى ________.

أ. تقسيم المناطق الميتة
ب. التخثث
C. retrophication
استنفاد د

ب

إستجابة مجانية

لماذا لا تزال إمدادات مياه الشرب مصدر قلق كبير للعديد من البلدان؟

معظم المياه الموجودة على الأرض عبارة عن مياه مالحة لا يستطيع الإنسان شربها إلا بعد إزالة الملح. يتم حبس بعض المياه العذبة في الأنهار الجليدية والقلنسوات الجليدية القطبية ، أو موجودة في الغلاف الجوي. إمدادات مياه الأرض مهددة بالتلوث والإرهاق. يُنظر إلى الجهود المبذولة لتوفير المياه الصالحة للشرب للسكان البشريين الذين يتزايد عددهم باستمرار على أنها تحدٍ كبير في هذا القرن.

الحواشي

  1. 1 سكوت إل مورفورد ، بنجامين ز. هولتون ، وراندي إيه دالغرين ، "زيادة تخزين الكربون والنيتروجين في النظام البيئي للغابات من حجر الأساس الغني بالنيتروجين ،" طبيعة سجية 477 ، لا. 7362 (2011): 78-81.

قائمة المصطلحات

أمطار حمضية
أمطار أكالة ناتجة عن اختلاط مياه الأمطار بغاز ثاني أكسيد الكبريت أثناء سقوطها في الغلاف الجوي ، مما يحولها إلى حمض كبريتيك ضعيف ، مما يتسبب في تلف النظم البيئية المائية
دورة الكيمياء الحيوية
دورة المعادن والمغذيات عبر العالم الحيوي واللاأحيائي
منطقة شديدة الخطورة
منطقة في بحيرة ومحيط بالقرب من مصبات الأنهار حيث يتم استنفاد مساحات كبيرة من النباتات والحيوانات الطبيعية ؛ يمكن أن تكون هذه المناطق ناتجة عن التخثث ، وانسكاب الزيت ، وإلقاء المواد الكيميائية السامة ، والأنشطة البشرية الأخرى
التخثث
العملية التي يتسبب فيها جريان المغذيات في النمو الزائد للكائنات الحية الدقيقة والنباتات في النظم المائية
يسقط
الترسب المباشر للمعادن الصلبة على الأرض أو في المحيط من الغلاف الجوي
المحيط المائي
منطقة الكوكب التي توجد فيها المياه ، بما في ذلك الغلاف الجوي الذي يحتوي على بخار الماء والمنطقة الموجودة تحت الأرض التي تحتوي على المياه الجوفية.
طاقة غير متجددة
مورد ، مثل الوقود الأحفوري ، الذي يتم تجديده ببطء شديد أو لا يتم تجديده على الإطلاق

دورة الكيمياء الحيوية

في علم البيئة وعلوم الأرض ، أ دورة الكيمياء الحيوية هو المسار الذي يتم من خلاله قلب مادة كيميائية أو نقلها عبر الأجزاء الحيوية (الغلاف الحيوي) واللاأحيائية (الغلاف الصخري والغلاف الجوي والغلاف المائي) للأرض. هناك دورات بيوجيوكيميائية للعناصر الكيميائية كالكالسيوم والكربون والهيدروجين والزئبق والنيتروجين والأكسجين والفوسفور والسيلينيوم والدورات الجزيئية للحديد والكبريت للمياه ودورات السيليكا العيانية مثل دورة الصخور وكذلك الدورات التي يسببها الإنسان للمركبات الاصطناعية مثل مركبات ثنائي الفينيل متعدد الكلور (PCBs). في بعض الدورات هناك الخزانات حيث تبقى المادة أو يتم عزلها لفترة طويلة من الزمن.


تعتمد أي دورتين بيوجيوكيميائيتين بشكل مباشر على التمثيل الضوئي

دورة الأكسجين ودورة الكربون هما دورتان بيوجيوكيميائية تعتمدان على عملية التمثيل الضوئي.

التمثيل الضوئي هو عملية تلتقط فيها النباتات الخضراء أشعة الشمس وتستخدمها كمصدر للطاقة لتخليق الكربوهيدرات (الغذاء) من ثاني أكسيد الكربون والماء. أثناء عملية التمثيل الضوئي ، يتم إطلاق الأكسجين كمنتج ثانوي.

يستخدم الأكسجين المنطلق أثناء عملية التمثيل الضوئي في التنفس الخلوي. أثناء التنفس الخلوي ، يتم إطلاق ثاني أكسيد الكربون الذي يستخدم في عملية التمثيل الضوئي. وبالتالي ، تعتمد دورة الأكسجين ودورة الكربون على عملية التمثيل الضوئي.

الجواب هو "دورة الأكسجين ودورة الكربون".

في علم الأرض ، تعتبر الدورة البيوجيوكيميائية أو دوران المواد مسارًا تنتقل من خلاله مادة اصطناعية عبر كل من الأجزاء الحيوية (الغلاف الحيوي) واللاأحيائية (الغلاف الصخري والهواء والغلاف المائي) من الأرض.

الدورتان البيوجيوكيميائية اللتان تعتمدان بشكل مباشر على التمثيل الضوئي وتعملان معًا هما دورات ثاني أكسيد الكربون والأكسجين.

أثناء عملية التمثيل الضوئي ، في النباتات الخضراء ، يتم التقاط الطاقة الضوئية لاستخدامها كمصدر لتحويل الماء وثاني أكسيد الكربون والمعادن إلى أكسجين ومركبات عضوية أخرى غنية بالطاقة.

يتم إنتاج الطاقة من عملية التمثيل الضوئي بواسطة النباتات منذ ملايين السنين وهي مسؤولة عن الوقود الأحفوري الذي يدعم قوى المجتمع الصناعي.


4 دورات بيوجيوكيميائية شائعة: (موضحة بالرسم البياني)

بعض الدورات البيوجيوكيميائية الرئيسية هي كما يلي: (1) دورة المياه أو الدورة الهيدرولوجية (2) دورة الكربون (3) دورة النيتروجين (4) دورة الأكسجين.

يأخذ منتجو النظام البيئي العديد من العناصر الغذائية الأساسية غير العضوية من بيئتهم غير الحية. تتحول هذه المواد إلى الكتلة الحيوية للمنتجين. ثم يتم استخدامها من قبل المستهلكين ويتم إعادتهم في النهاية إلى البيئة بمساعدة المخفضات أو المحللات.

هذا التبادل الدوري للمواد الغذائية بين الكائنات الحية والخجولة وبيئتها غير الحية يسمى الدورة البيوجيوكيميائية. كما يتضح من الاسم ، تنتشر العناصر الغذائية خلال الحياة

الدورات البيوجيوكيميائية الشائعة هي:

(1) دورة المياه أو الدورة الهيدرولوجية:

(أ) يتبخر الماء من النباتات المتدفقة والمحيطات والأنهار والبحيرات في الغلاف الجوي

(ب) هذه الأبخرة المائية تبرد فيما بعد وتتكثف لتشكل السحب والمياه.

(ج) يعود الماء إلى الأرض كمطر وثلج.

(2) دورة الكربون:

يدخل معظم ثاني أكسيد الكربون إلى العالم الحي من خلال عملية التمثيل الضوئي. يتم تمرير المركبات العضوية المركبة من المنتجين (النباتات الخضراء) إلى المستهلكين (العواشب والحيوانات آكلة اللحوم). أثناء التنفس ، تطلق النباتات والحيوانات الكربون مرة أخرى إلى الوسط المحيط مثل ثاني أكسيد الكربون. تتحلل جثث النباتات والحيوانات وكذلك فضلات الجسم ، التي تتراكم فيها مركبات الكربون ، بفعل الكائنات الدقيقة لتطلق ثاني أكسيد الكربون.

يتم أيضًا إعادة تدوير الكربون أثناء حرق الوقود الأحفوري.

(3) دورة النيتروجين:

النيتروجين الموجود في الغلاف الجوي هو في شكل عنصري ولا يمكن استخدامه على هذا النحو من قبل الكائنات الحية. يجب أن يكون & # 8220 ثابتًا & # 8221 أي مدمجًا مع عناصر أخرى مثل الهيدروجين أو الكربون أو الأكسجين ليصبح صالحًا للاستخدام في النباتات الخضراء.

يدخل النيتروجين باستمرار إلى الهواء من خلال عمل البكتيريا المزيلة للنيتروجين والعودة إلى الدورة من خلال عمل التفتيح والكهرباء.

(4) دورة الأكسجين:

يدخل الأكسجين اللازم للتنفس في النباتات والحيوانات إلى الجسم مباشرة من الوسط المحيط (الهواء أو الماء).

يعود الأكسجين إلى المناطق المحيطة به في صورة ثاني أكسيد الكربون أو الماء. كما أنه يدخل إلى جسم النبات كثاني أكسيد الكربون والماء أثناء عملية التمثيل الضوئي ويتم إطلاقه في شكل أكسجين جزيئي كمنتج ثانوي في نفس العملية والخجل لاستخدامه في التنفس. وهكذا ، فإن الدورة قد اكتملت.

النظام البيئي هو نظام وظيفي يتمتع بالاكتفاء الذاتي والتنظيم الذاتي في حالة متوازنة. النظام البيئي المتوازن ضروري لبقاء جميع الكائنات الحية. الكائنات الحية في كل مستوى تغذوي في سلسلة غذائية تفترس من قبل كائن حي في المستوى الغذائي الأعلى التالي ، على سبيل المثال ، تتغذى الحيوانات العاشبة على النباتات وتتغذى بدورها من قبل الحيوانات المفترسة.

إذا زادت أعداد الحيوانات العاشبة في منطقة معينة ، فسيحدث تدمير سريع للنباتات ، والذي بدوره سيؤدي في النهاية إلى تدمير الحيوانات العاشبة (بسبب نقص الغذاء). لذلك ، يتم التحكم في عدد الحيوانات العاشبة من قبل الحيوانات المفترسة مثل الأسود والنمور.

من خلال هذه التفاعلات في شبكة الغذاء ، يتم تقييد عدد سكان كل نوع من خلال القدرة الاستيعابية للبيئة ، أي قدرة البيئة على توفير المساحة والغذاء للكائنات الحية ، ويحافظ النظام البيئي على توازنه (التوازن البيئي أو توازن الطبيعة).

يُعرف ميل الأنظمة البيولوجية لمقاومة التغيير والبقاء في حالة توازن ديناميكي بالتوازن (homeo = نفس الركود = الوقوف).

بشكل عام ، يتم تسمية النظم البيئية على اسم نوع الكائن الحي وظروف الموائل ، على سبيل المثال:

ومع ذلك ، يمكن أن تكون العديد من النظم البيئية مترابطة وأحيانًا تشكل العديد من النظم البيئية الصغيرة (النظم البيئية الدقيقة) نظامًا بيئيًا كبيرًا (النظام البيئي الكلي) على سبيل المثال ،

النظام البيئي للطيور ← النظام البيئي للشجرة ← النظام البيئي للغابات ← النظام البيئي الأرضي ← النظام البيئي العالمي


ركوب الدراجات البيوجيوكيميائية للنيترو والشيغين | علم الاحياء المجهري

العمليات الرئيسية للدوران البيوجيوكيميائي للنيترو والشيجين هي: 1. تثبيت النيتروجين 2. التحلية 3. النترجة 4. نزع النتروجين.

1. تثبيت النيتروجين:

تثبيت النيترو والشيجين هو عملية تقارب وخلل الشكل الغازي للنيتروجين (N2) في أشكال مجمعة مثل الذخيرة والشينيا أو النيتروجين العضوي بواسطة بعض البكتيريا والبكتيريا الزرقاء. هناك كائنات دقيقة تعيش بحرية وكذلك الكائنات الحية الدقيقة التكافلية التي تثبت N2 في البروتينات. تسمى الكائنات الدقيقة والخجولة المثبتة للنيتروجين بالديازوتروف ، وتعرف ظاهرة هذا النشاط باسم ديازوتروفي.

2. Ammonification:

أثناء تحلل المادة العضوية ، يتم تحويل الشكل المعقد من النيتروجين العضوي بواسطة الكائنات الحية الدقيقة إلى الشكل غير العضوي الأكثر قابلية للتغير. هذه العملية تسمى تمعدن النيتروجين. نتيجة تمعدن الأمونيا والنترات يتشكل ويختفي النيتروجين العضوي.

تُعرف عملية تكوين مركب عضوي من الأمونيا باسم ammonification (الشكل 30.7) كما هو موضح أدناه:

في الغالب يكون كل النيتروجين الموجود في أفق التربة السطحية في تركيبة عضوية ، والتركيب الكيميائي لها غير مفهوم تمامًا. ومع ذلك ، هناك عدد قليل من التركيبات المعروفة هي الأحماض الأمينية الحرة والسكريات الأمينية (مثل الجلوكوزامين والجالاكتوزامين) والعديد من البيورينات والبيريميدين المشتقة من الأحماض النووية. تشكل الأحماض الأمينية المربوطة حوالي 20-50٪ من إجمالي نيتروجين الدبال ، في حين أن 5-11٪ عبارة عن نيتروجين سكر أميني.

علاوة على ذلك ، فإن صافي التغيير في كمية النيتروجين غير العضوي (Nأنا) على النحو التالي:

أين ، نأ = نيتروجين تمتصه الكائنات الدقيقة

نص = نيتروجين تزيله النباتات

نل = النيتروجين المفقود عن طريق النض

ند = النيتروجين المتطاير بنزع النتروجين

نبتة دقيقة متنوعة تحرر الأمونيا من مركبات النيتروجين العضوية. وتشمل هذه البكتيريا (مثل Pseudomonas و Bacillus و Clostridium و Serratia و Micrococcus وما إلى ذلك) والفطريات (مثل Alternaria و Aspergil & shylus و Mucor و Penicillium و Rhizopus وما إلى ذلك) ، والفطريات الشعاعية. إنهم يصنعون الإنزيمات المحللة للبروتين خارج الخلية من أجل تفكيك البروتينات واختلالها. السكان المتضخمون في & shycludes aerobes و anaer & shyobes.

يتم تحويل البروتينات إلى الببتيدات والأحماض الأمينية عن طريق الإنزيمات المحللة للبروتين exracellu & shylar.

يتم إنتاج الأمونيا بعد نزع الأمين (على سبيل المثال نزع الأمين المؤكسد أو الاختزالي) أو توافق الأحماض الأمينية مع ردود الفعل الخجولة على النحو التالي:

نيو هامبشاير4 يسود في البيئة الحمضية والمحايدة مع زيادة الرقم الهيدروجيني ، وبالتالي ، NH3 يسود ويتم إطلاقه في الغلاف الجوي.

يتكون الأمونيوم ببطء عند مستويات الماء التي تقل قليلاً عن نسبة الذبول الدائم. لا يتم القضاء على Ammonification عن طريق غمر التربة وتكون العملية سريعة في حقول الأرز الرطبة ، حيث O2 المستوى منخفض جدًا.

تم العثور على اليوريا في التربة التي يتم توفيرها كمنتج متحلل من القواعد النيتروجينية ، كسماد وكمنتج مطرح حيواني. ومع ذلك ، يتحلل اليوريا بسهولة ويتحول إلى أمونيا.

3. النترجة:

تُعرف عملية أكسدة أيونات الأمونيوم (مستوى الأكسدة = & # 8211 3) إلى أيونات النتريت (مستوى الأكسدة = +3) وبعد ذلك إلى أيونات النترات (مستوى الأكسدة = +5) بالنترة. وهكذا ، فإن الأمونيوم (الشكل الأكثر اختزالًا من النيتروجين غير العضوي) يعمل كنقطة انطلاق للنيتروجين. يتم إنتاج النترات أيضًا (بالإضافة إلى التربة) في أكوام السماد الطبيعي ، أثناء معالجة مياه الصرف الصحي ، والبيئة البحرية.

في عام 1877 ، قدم T. Schloesing و A. Muntz لأول مرة دليلًا تجريبيًا على أن النترجة من أصل بيولوجي. في عام 1890 ، عزل S. Winogradsky الكائنات الحية الدقيقة المسؤولة عن التربة. ومع ذلك ، افترض L. Pasteur في وقت سابق أن تكون النترات ميكروبيولوجية ومماثلة لتحويل الكحول إلى الخل.

هناك خصائص كيميائية معينة للموئل الميكروبيولوجي تعمل على تغيير حجم التحول. تتناسب النترجة مع قدرة التربة على التبادل الكاتيوني.

في التربة القلوية حيث يكون تركيز الملح مرتفعًا ، ينخفض ​​إنتاج النترات على الأرجح بسبب انخفاض تحمل النترات. In environment having a near neutral reaction, formation of nitrate from ammonia is rapid, whereas in acidic soils nitrate is formed faster from organic material.

The nitrifying bacteria are very important for plants because they affect nutrient availability. Nitric acid is formed from ammonia which drops the pH. This affect changes in concentration of soluble potassium, phosphate, magnesium, iron, manganese and calcium.

Nitrifi­cation is an example of aerobic respiration and appears to be present in a few autotrophic bacteria. The chemolithotrophs derive energy through these two processes (conversion of ammonia to nitrite, and nitrite to nitrate). These steps are carried out by two different types of nitrifying bacteria.

(a) Bacteria oxidizing ammonium to nitrite:

The nitrifying bacteria are Nitrosomonas, Nitrosococcus, Nitrosolobus, Nitrosospira, Nitrosovibrio, etc.

The reaction characterizing the chemoautotrophic bacteria of the first step of nitrification is as below:

Here the oxidation state is changed from -3 of ammonia to +3 of nitrous acid through the removal of electrons.

The complete reaction is as below:

Ammonium is first converted to hydroxylamine (NH2OH) which in turn is changed to undefined metabolite (possible nitroxyl, HNO). This intermediate is oxidized to nitrite by the way of NO. Here accumulation of NH2OH may lead toxicity to cells.

(b) Bacteria oxidizing nitrite to nitrate:

The example of such bacteria is Nitrobacter, Nitrospira and Nitrococcus.

They change nitrogen oxidation state from +3 to +5 as given below:

Mostly nitrification is carried out by autotrophic bacteria but there are some heterotrophic bacteria and fungi which also take part in nitrification. The examples are strains of Nitrosomonas, Aspergillus flavus, etc.

4. Denitrification:

Nitrogen is converted into different forms by microorganisms.

When nitrate is added to soil, N2، ن2O (nitrous oxide) and NO (nitric oxide) are evolved after reduction of nitrate as given below:

Thus, microbial reduction of nitrate and nitrite with the liberation of molecular nitrogen and nitrous oxide is called denitrification. These are the volatile products and, therefore, are lost to the atmosphere and fail to enter the cell structure. Thus, denitrification is essentially a respiratory mechanism in which nitrate replaces the molecular oxygen.

Therefore, denitrification may be termed as nitrate respiration. There are three possible reactions through which volatilization of nitrogen occurs: non-biological losses of ammonia, chemical decomposition of nitrite, and microbial denitrification resulting in evolution of N2، ن2O and NO into the atmosphere. For the purpose of crop production, nitrogen volatilization has deleterious effect because it depletes part of soil reserves of essential nutrients.

Fungi and actinomycetes have not been found to be associated with denitrification. It is carried out only by certain bac­teria such as the genera: Pseudomonas, Bacillus, Paracoccus as well as oc­casionally Thiobacillus denitrificans, Chromobacterium, Corynebacterium, Hyphomicrobrium and Serratia species.

Denitrifying bacteria are abundant in arabic fields and count for about a mil­lion per gram soil. Their population is higher in rhizosphere soil. Denitrify­ing bacteria are aerobic but nitrate is used as the elec­tron donor for their growth in absence of O2. In addi­tion, several chemoautotrophs (Thiobacillus denitrificans and Paracoccus denitrificans) are capable of reducing nitrate to nitrogen.

There are three microbiological reactions of nitrate: first, a complete reduction to ammonia, second an incomplete reduction and accumulation of nitrite, and third, a reduction to nitrite followed by the evolution of gases (i.e. denitrification).

The biochemical pathway of nitrate reduction and denitrification is given below:

In contrast to ammonia oxidizing bacteria, recently some chemoautotrophic ammonia oxidizing bacteria have been observed in soil, sewage, fresh and marine water, for example Nitrosomonas europea, Nitrococcus oceanus and Nitrospora briensis. Kuyper et al. (2003) isolated these bacteria from black sea which is the biggest anoxic basin in the world.

These flagellated bacteria reproduce by binary fission and also oxidize ammonia to nitrite as given below:

The above reaction occurs in the absence of oxygen hence it is called ‘anammox reaction’.

The anammox bacteria are full of surprises. They contain membrane bound intracytoplasmic sacs like compartment called ‘anammoxosomes’ which helps in packing toxic hydrazine. Such complex structures are present in eukaryotic cell. Simpler prokaryotic cells including bacteria should lack them.

Only one kind of bacterium-the Planktomycetes, contains features of all three domains of life i.e. bacteria, eukaryotes and archaea. DNA studies place them with bacteria but their internal organelles resemble with eukaryotes.

These microbes lack the rigid polymer peptidoglycan in their cell wall, making them similar to the single celled archaea domain. Genetic analysis confirm these two anaerobic microbes and named Brocadia anammoxidans and Kuenema stuttgartiensis due to the unique property and their bright red color.

Recently, it has been observed that the anammox reaction occurs inside the membrane bag or anammoxosomes produced hydrazine as an intermediate. This high energy hydrazine is required to derive the anammox reaction. Hydrazine can easily diffuse through cell membrane so the bacterial membrane must be unusual.

The membrane’s lipids are made of five carbon based rings fused together to form a ladder. This ‘ladderin’ lipid is peculiar because it has a lot of energy built into it and is very unstable. This makes membrane exceptionally strong, and hence stops hydrazine i.e. N2ح4 (rocket fuel) living into rest of cells.

The steps of chemical reaction are given below:

The significance of anammox bacteria lies in waste water treatment, sewage plants and industrial process such as fertilizers manufacture and petroleum refining which generates millions of ammonia as waste. The conventional method is used by nitrifying bacteria to convert ammonia into nitrite and nitrate, and later gives rise to nitrogen. This process is uneconomical because it requires oxygen.

Electricity is also needed to aerate the sludge. The nitrifying bacteria need an energy source. Hence, the whole process becomes costly and is unsafe to the environment. On the other hand, anammox bacteria use ammonia as their fuel. They do not need oxygen anammox bacteria consume carbon dioxide, so the method is eco-friendly.


تقدير

Formative Assessment Options are built into the above activities and include:

  1. Concept maps
  2. Responses to primary literature and video clips
  3. Homework activities (written summaries)
  4. End of class journal responses

Summative Unit Assessment Options:

1) Nutrient Challenge. Depending on class size, this activity can be assigned individually or to groups of students. One particular strength of this activity is its real-world basis and that it necessitates building on both units of this module. This activity, based on a real world challenge grant, prompts students to apply their knowledge learned in the geochemistry and biogeochemistry unit to devise a transformative strategy for reducing excess nutrients in the waterways. This activity should serve as an effective way to tie together the unit by necessitating the utilization of the biogeochemical and geochemical processes that take place in the Critical Zone.


ملخص القسم

يتم تدوير المغذيات المعدنية من خلال النظم البيئية وبيئتها. من الأهمية بمكان الماء والكربون والنيتروجين والفوسفور والكبريت. كل هذه الدورات لها تأثيرات كبيرة على هيكل ووظيفة النظام الإيكولوجي. نظرًا لأن الأنشطة البشرية تسببت في اضطرابات كبيرة في هذه الدورات ، فإن دراستها ونمذجةها مهمة بشكل خاص. Ecosystems have been damaged by a variety of human activities that alter the natural biogeochemical cycles due to pollution, oil spills, and events causing global climate change. The health of the biosphere depends on understanding these cycles and how to protect the environment from irreversible damage.


الجديد في هذا الإصدار

دراسات الحالة: Written in the personal narrative format shown to enhance long term knowledge retention, these patient scenarios frame each chapter. Students are exposed to medical scenarios that accurately simulate true patient/care provider interactions. The realistic experience nurtures critical thinking skills while also encouraging development of patient empathy, improving comprehension of patient compliance problems, and facilitating student understanding of transcultural health care concerns.

Microbiology Toolbox Videos: Videos of key experiments in Microbiology. These include many classic and common clinical lab experiments along with more recent lab techniques. These provide students exposure into the lab and seeing best practices and application of techniques being learned.

Common Culprits: The most significant infections of each body system and risk group will be thoroughly addressed in Visualizing Microbiology. However, to illustrate the scope of medical microbiology, each section will conclude with a list of pathogens that were not targeted for specific discussion in the chapter but should not be ignored.

Animations. A comprehensive library of animations, designed to aid student self-learning and to provide faculty with the tools to bring the core Microbiology concepts into the classroom. Visualizing Microbiology will benefit from the development of an animated learning system, consisting of vibrant art, 5-7 3D animations that focus on the core topics of Microbiology, and supplemental 2D animations which allow students to review and revisit the concepts from their class and text.

In the Hospital: Chapter opening Video vignettes introducing the chapter material and providing context for better student understanding and engagement. These openers are all shot in clinical settings to provide better student context.

Clinical Decision Trees: A number of cases covering a range of topics. These activities allow students to apply the basic information learned within a clinical application helping them building critical thinking skills.


شاهد الفيديو: احياء 12 (قد 2022).