C1200 Úvod do studia biochemie 4.2 Velké cykly prvků

Prezentace na téma: "C1200 Úvod do studia biochemie 4.2 Velké cykly prvků"— Transkript prezentace:

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

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

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

4 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

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

6 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

7 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

8 Cyklus uhlíku Asimilace – fixace CO2 (zejména fotosyntéza) - cesta z anorganické do organické formy 6 CO2 + 6 H2O = C6H12O6 + 6 O 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

9 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

10 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

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

12 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)

13 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)

14 Cyklus uhlíku

15 Cyklus uhlíku

16 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)

17 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

18 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)

19 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

20 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)

21 Cyklus dusíku

22 Cyklus dusíku

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

24 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)

25 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

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

27 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

28 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

29 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

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

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

32 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

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

34 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

35 Děkuji Vám za pozornost