C1200 Úvod do studia biochemie 4.2 Velké cykly prvků OpVK CZ.1.07/2.2.00/15.0233 Petr Zbořil

Biochemické cykly prvků Velké cykly prvků jako zobecnění přeměn látek při popisu jejich koloběhu Země jako superorganismus či bioreaktor Vlastnosti bioreaktoru Země

Biochemické cykly prvků Energetická a látková bilance Uzavřený systém Výměna energie Celkově ze Slunce 173 100 TW 100% Albedo 32% Absorpce v atmosféře 18% Absorpce zemským povrchem 50% Přeměna do chemické formy 40 TW 0,02% Příspěvek geotermální energie 32 TW Vyzáření prostřednictvím atmosféry 68%

Velké (globální) cykly Povaha cyklů Globální a lokální Geologické, fysikální, chemické … Látková a energetická bilance Bio(geo)chemické cykly - Velké cykly prvků Zobecnění komplikovaného souboru pochodů Cykly C, N, P, S Klíčový význam živých organismů Globální charakter v současné době

Superorganismus Země Země jako biochemický reaktor Homogenní x heterogenní systém Vzájemné vztahy dílčích pochodů Míchání a regulace

Cyklus uhlíku Anorganické formy – CO2, uhličitany, uhlí obsaženy v atmo-, hydro- i litosféře Organické formy – biomolekuly, ropa, CH4 obsaženy v biosféře i ostatních prostředích Přechody (geo)chemické a fysikální Přechody biochemické

Cyklus uhlíku Biochemické přeměny (zahrnují i cykly kyslíku a vodíku) Primární asimilační pochody – fixace CO2 – asimilace do organických sloučenin Další přeměny – bílkoviny, lipidy, nukleové kyseliny Disimilační pochody – dekomposice organických sloučenin Výrazným znakem je spojitost s přeměnami energie

Cyklus uhlíku Asimilace – fixace CO2 (zejména fotosyntéza) - cesta z anorganické do organické formy 6 CO2 + 6 H2O = C6H12O6 + 6 O2 + 672 kJ/mol Primární význam fixace CO2 pro rovnováhu parametrů na Zemi Vývojové aspekty, vznik kyslíkaté atmosféry Energetický význam přímý (relativně malý vzhledem k celkovému toku) nepřímý ovlivněním tepelné propustnosti atmosféry

Cyklus uhlíku Typické znaky fixace CO2 složitý proces zahrnující řadu dílčích kroků, vlastní fixace pomocí enzymu RUBISCO, nejvíce syntezovaným enzymem na Zemi limitována nedostatkem CO2, při nadbytku světla je využívána specifická energeticky náročná přípravná cesta

Cyklus uhlíku Disimilační pochody potravní řetězce a pyramidy dekomposice pro získání energie – zejména oxidační pochody – kvantitativně převažují dekomposice přijatých látek a syntéza vlastních – kvantitativně zaostávají, intensita závisí na typu a metabolickém (fysiologickém) stavu organismu

Cyklus uhlíku Vyrovnaná bilance asimilačních a disimilačních pochodů – stacionární stav Porušení rovnováhy následkem nevyrovnané bilance převaha fixace uhlíku – tvorba deposit převaha dekomposice – mobilisace deposit

Cyklus uhlíku Vznik deposit cestou asimilace a anaerobní dekomposice organických sloučenin do stabilní formy – ropa, uhlí, metan vznik ložisek fosilních paliv biogenní anorganické fixace CO2 vznik vápencových ložisek Snížení množství uhlíku v koloběhu (množství CO2 v atmosféře)

Cyklus uhlíku Mobilisace deposit Přirozenou cestou málo pravděpodobné Významné množství se přivádí zpět do koloběhu industriální činností člověka Těžba a využívání fosilních paliv - oxidační pochody a zisk energie Těžba a využívání vápencových deposit Zvýšení množství uhlíku v koloběhu (množství CO2 v atmosféře)

Cyklus uhlíku

Cyklus uhlíku

Cyklus uhlíku Problémy Řešení snížení tepelné vodivosti atmosféry – zvýšení teploty (skleníkový efekt) vyčerpání deposit – zdrojů energie a vápenců Řešení Samočinná kompensace (funguje u vápenců, možnost zvýšení intensity fotosyntézy) Aktivní příspěvek ze strany člověka (snižování produkce CO2, nová energetická politika, genetické manipulace)

Cyklus dusíku Anorganické formy Organické formy Přechody abiogenní N2 v atmosféře, NH4+ a dusičnany v hydro- a litosféře (i biosféře) Organické formy Aminosloučeniny (typicky bílkoviny), zejména v biosféře Přechody abiogenní Přechody biogenní

Cyklus dusíku Abiogenní přeměny dusíkatých látek Přirozené Oxidace N2 elektrickými výboji v atmosféře N2 + n O2 = NxOy - význam spíše v evoluci Industriální Katalytická redukce N2 N2 + 3 H2 = 2 NH3 + 91,2 kJ/mol (Fe, 500 oC, 30 MPa) – 1% celosvětové produkce energie Tvorba NxO jako vedlejších produktů spalovacích procesů (automobilové motory)

Cyklus dusíku Biogenní přechody primární asimilace Fixace N2, produkce NH4+ Nitrogenázovým systémem katalysovaný pochod, nízkoteplotní analogie průmyslové výroby Vlastní omezenému okruhu mikroorganismů Další asimilační pochody Vznik aminokyselin a další cesty dusíku v organických molekulách

Cyklus dusíku Další biogenní procesy Disimilační Asimilační dekomposice dusíkatých biomolekul – produkce NH4+ Oxidace NH4+ na NO3- (nitrifikace) – zisk energie Redukce NO3- až na N2 (nitrátová respirace) – zisk energie Asimilační Redukce NO3- na NH4+ (denitrifikace – na rozdíl od nitrogenázové dráhy vlastní více organismům i rostlinám) následovaná jeho inkorporací do organických sloučenin Cyklus přeměn uzavřen produkcí N2 (nitrátová respirace)

Cyklus dusíku

Cyklus dusíku

Cyklus dusíku Problémy Řešení Produkce NH4 biogenní a industriální Produkce NxO Řešení Konverse toxických produktů na inertní N2 Inovace technologií a snížení jejich produkce

Cyklus síry Formy a výskyt síry Anorganické – volná, sulfáty a sulfidy Především v litosféře (elementární, nerozpustné sulfidy a sulfáty), též hydrosféra a biosféra Ekologicky významné anorganické formy biogenního původu ve fosilních palivech Organické – sulfo- a merkaptosloučeniny Biosféra (bílkoviny, polysacharidy)

Cyklus síry Přeměny sloučenin síry Abiogenní Biogenní přeměny spontánní (sopečná činnost) industriální (oxidace síry při spalování fosilních paliv, výroba H2SO4 a další) Biogenní přeměny Katabolické – disimilační Anabolické - asimilační

Cyklus síry S2- S0 S2O32- SO32- SO42- Biosféra anaerobní aerobní Hlavní depositní formy Biosféra

Cyklus síry Problémy Řešení Aktivace depositních forem industriální činností Biogenní produkce kyselých vod jako nepřímý důsledek industriální činnosti Řešení Technologické způsoby nápravy (odsiřování) Biotechnologická opatření prevence

Cyklus fosforu Formy a výskyt Vzájemné přeměny Anorganické sloučeniny – fosfáty, polyfosfáty Litosféra a hydrosféra i biosféra (kosti) Organické sloučeniny – fosforečné estery a další biomolekuly Biosféra (nukleové kyseliny) Vzájemné přeměny Jednoduché – vratné pochody, malá pestrost

Cyklus fosforu Porušení rovnovážného stavu Depositní a cyklující formy Hromadění reserv a jejich uvolňování Depositní a cyklující formy Nerozpustné fosfáty v litosféře – ložiska apatitu Rozpustné fosfáty produkované industriální činností člověka

Cyklus fosforu Problémy Řešení Významný pro růst, eutrofisace vod Omezení aplikace fosfátů a jejich úniku do vod Odstraňování z odpadních vod

Cykly kovů Forma a výskyt Anorganické, elementární, sloučeniny (i amfotery) Přirozeného původu Umělé vyrobené Organické, organokovové sloučeniny Většinou přirozené Lito- a hydrosféra, biosféra

Cykly kovů Přeměny, jejich zvláštnosti Jednoduché chemické reakce, změna vlastností Oxidoredukční pochody Soli (většinou jako kationty) Změna rozpustnosti event. toxicity – deposita, usazeniny Asimilace a disimilace (biogenní kovy) Forma kovů v biomase Konverse omezená, v podstatě se nemění

Cykly kovů Problémy Řešení Toxicita, těžké kovy (Hg, Cd, Pb) Salinita Vhodné výrobní technologie Promyšlené nakládání s odpady, bioremediace

Biochemické cykly prvků Závěr Současný stav je následkem dosavadního vývoje Jsme adaptováni na dané podmínky Výrazné odchylky mohou být fatální Nutnost prognózy založené na poznání Problém je komplexní, vyčerpání deposit může být závažnější než produkce odpadů

Děkuji Vám za pozornost