Περιβαλλοντική Γεωχημεία

Transcript

1 Περιβαλλοντική Γεωχημεία Ενότητα 1: Βασικές αρχές και γνώσεις υποβάθρου Αριάδνη Αργυράκη Σχολή Θετικών Επιστημών Τμήμα Γεωλογίας και Γεωπεριβάλλοντος

2 Βασικές αρχές και γνώσεις υποβάθρου Στοιχεία βιογεωχημείας

3 Περιεχόμενα μαθήματος Στοιχεία βιογεωχημείας Ταξινόμηση μικροοργανισμών που σχετίζονται με γεωχημικές διεργασίες Παραδείγματα περιβαλλόντων και αντιδράσεων όπου η γεωμικροβιολογία έχει πρωτεύοντα ρόλο Βασικές αρχές και γνώσεις υποβάθρου 3

4 ΠΛΑΙΣΙΟ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝΤΙΚΗΣ ΓΕΩΧΗΜΕΙΑΣ Βροχόπτωση ΥΔΡΟΣΦΑΙΡΑ Υδροθερμική Δραστηριότητα Εξάτμιση Χημική ιζηματογένεση Αποσάθρωση ΑΤΜΟΣΦΑΙΡΑ Τροφή ΛΙΘΟΣΦΑΙΡΑ Αναπνοή / Φωτοσύνθεση ΒΙΟΣΦΑΙΡΑ Βιοορυκτογένεση Ηφαιστειακές Εκρήξεις Βασικές αρχές και γνώσεις υποβάθρου 4

5

6 ΑΛΛΗΛΕΠΙΔΡΑΣΗ ΜΕ ΟΡΥΚΤΑ Ρόλος καταλύτη σε αντιδράσεις : Οξειδαναγωγής ->Διάλυση- μεταφορά- απόθεση μετάλλων Σύνθεσης- αποσύνθεσης οργανικής ύλης Παραγωγής ή κατανάλωσης οξυγόνου Οξείδωσης-αναγωγής θρεπτικών (S, N, Fe) Δημιουργίας κοιτασμάτων (π.χ. BIF, placer gold, SEDEX, supergene enrichment)

7 ΜΙΚΡΟΟΡΓΑΝΙΣΜΟΙ (ΜICROORGANISMS)!!! OLD (probably inhabiting at least a few salubrious environments on the earth as early as 3.8 billion years ago) Martin Polz Environmental Microbiology. Fall Massachusetts Institute of Technology: MIT OpenCourseWare, License: Creative Commons BY-NC-SA.

8

9

10 ΜΕΤΑΒΟΛΙΣΜΟΣ ΜΙΚΡΟΟΡΓΑΝΙΣΜΩΝ Μεταβολισμός= κυτταρικές βιοχημικές λειτουργίες Στόχοι μεταβολισμού βακτηρίων: 1. Να αναπτυχθούν 2. Να διπλασιαστούν Καταβολισμός (dissimilatory metabolism)-> Εξασφάλιση ενέργειας μέσω οξείδωσης κατάλληλου θρεπτικού συστατικού. Μπορεί να εξασφαλίσει και χρήσιμα συστατικά για το κύτταρο. Με ή χωρίς οξυγόνο μέσω αεροβικής ή αναεροβικής αναπνοής, ζύμωσης ή μεθανογένεσης Αναβολισμός (assimilatory metabolism) -> Εξασφάλιση δομικών μονάδων (DNA, RNA, πρωτεΐνες) μέσω συγκέντρωσης θρεπτικών. Αύξηση κυτταρικής μάζας και διπλασιαμός ζωτικών μορίων

11 ΑΕΡΟΒΙΟΙ- ΑΝΑΕΡΟΒΙΟΙ ΜΙΚΡΟΟΡΓΑΝΙΣΜΟΙ Αερόβιοι- επιβιώνουν και αναπτύσσονται σε οξυγονωμένο περιβάλλον. Χρησιμοποιούν μόρια οξυγόνου ως τελικό δέκτη e- Αναερόβιοι- ανάγουν ενώσεις εκτός οξυγόνου (π.χ. θειικά, νιτρικά ιόντα). Obligate - λειτουργούν μόνο απουσία οξυγόνου Faculative λειτουργούν και με οξυγόνο Aerotolerant- ανέχονται το οξυγόνο αλλά δεν το χρησιμοποιούν

12 ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝΤΟΣ Hyperthermophiles - >60 ο C (κυρίως Αρχαία αλλά και Βακτήρια) Thermophiles ο C (κυρίως Αρχαία) Mesophiles ο C (pathogenic ~37 ο C, πολλά με χρήση στην παρασκευή τροφίμων) Psychrophiles ο C (Αρχαία και Βακτήρια, έρευνα ύπαρξης ζωής σε άλλους πλανήτες) Acidophiles όξινα περιβάλλοντα Halophiles υψηλή αλμυρότητα Thermoacidophiles- Υψηλές θερμοκρασίες και χαμηλό ph

13 ΜΕΤΑΒΟΛΙΣΜΟΣ ΟΡΓΑΝΙΣΜΩΝ Ετερότροφοι: Χρησιμοποιούν τον υπάρχων άνθρακα για παραγωγή ενέργειας Αυτότροφοι: παράγουν οργανικό άνθρακα με αναγωγή CO2 χρησιμοποιώντας ενέργεια: 1. Από τον ήλιο (φωτοσύνθεση) 2. Οξειδώνοντας ανόργανα στοιχεία (Fe 2+, NH 4+, H 2 ) (χημειοαυτότροφοι) Βασικές αρχές και γνώσεις υποβάθρου 13

14

15 ΣΥΣΤΑΣΗ ΓΗΙΝΗΣ ΑΤΜΟΣΦΑΙΡΑΣ ΒΙΟΛΟΓΙΚΕΣ ΔΙΕΡΓΑΣΙΕΣ Παραγωγή οξυγόνου Φωτοσύνθεση: CO 2 + 2H 2 O = CH 2 O + O 2 Παραγωγή CO2 αερόβια αναπνοή και αβιοτική οξείδωση: CH 2 O + O 2 = CO 2 + 2H 2 O Μεθανογένεση Προκαρυωτικοί οργανισμοί «αρχαία»: 4H 2 + CO 2 CH 4 + 2H 2 O CH 3 COOH CH 4 + CO 2 Βασικές αρχές και γνώσεις υποβάθρου 15

16 Αποσάθρωση (1.07) Ηφαιστειακές εκρήξεις (0.07) ΚΥΚΛΟΣ ΤΟΥ ΑΝΘΡΑΚΑ (Gt C) Διάλυση CO2 ΕΠΙΦΑΝΕΙΑ ΩΚΕΑΝΩΝ (580) ΑΤΜΟΣΦΑΙΡΑ (CO 2 = 720) Καθίζηση CaCO3 Διάλυση CaCO3 ΒΑΘΟΣ ΩΚΕΑΝΩΝ (37500) Αναπνοή (35) Φωτοσύνθεση (35) ΒΙΟΣΦΑΙΡΑ (45) Ενταφιασμός CaCO3 (0.57) Ενταφιασμός οργανικών (0.13) ΛΙΘΟΣΦΑΙΡΑ (ανθρακικά= 60x10 6, οργανικά=15x10 6 ) Βασικές αρχές και γνώσεις υποβάθρου 16

17 ΣΤΟΙΧΕΙΑ ΒΙΟ-ΓΕΩΧΗΜΕΙΑΣ ΣΥΣΤΑΣΗ ΑΤΜΟΣΦΑΙΡΑΣ Αέριο Μερική πίεση (bar) Αφροδίτη Γη Άρης N x 10-4 O x x 10-5 Ar 2.7 x x x 10-4 CO x x 10-3 CH x 10-6 Ίχνη (!) H x Βασικές αρχές και γνώσεις υποβάθρου 17

18 ΕΤΕΡΟΤΡΟΦΙΚΟΣ ΜΕΤΑΒΟΛΙΣΜΟΣ Αναπνοή (aerobic respiration): Οξείδωση οργανικού άνθρακα και παραγωγή CO 2. To O 2 λαμβάνει μέρος ως δέκτης e - (οξειδωτικός παράγων) CH 2 O + O 2 = CO 2 + H 2 O Ζύμωση: απουσία οξυγόνου ο οργανικός άνθρακας δρα και ως οξειδωτικός παράγων: 3CH 2 O + H 2 O = CO 2 + 2CH 3 OH Μεθανογένεση: Βιολογική παραγωγή μεθανίου (φυσικού αερίου) σε ανοξικό περιβάλλον 2CH 2 O = CΗ 4 + CO 2 Βασικές αρχές και γνώσεις υποβάθρου 18

19

20 ΧΗΜΕΙΟΛΙΘΟΤΡΟΦΙΚΟΣ ΜΕΤΑΒΟΛΙΣΜΟΣ 2H 2 S + O 2 H 2 O + 2S Thiobacillus ferrooxidans 2S + O H 2 O H 2 SO 4 4Fe H+ +O 2 2 H 2 O + 4Fe 3+ Karaevangelou, 2016 Βασικές αρχές και γνώσεις υποβάθρου 20

21 ΣΗΜΑΣΙΑ ΜΙΚΡΟΒΙΩΝ ΣΤΗΝ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝΤΙΚΗ ΓΕΩΧΗΜΕΙΑ Οι ετερότροφοι μικροοργανισμοί έχουν την ικανότητα να μεταβολίζουν (διασπούν) τους οργανικούς ρύπους Οι χημειολιθοαυτότροφοι μικροοργανισμοί προάγουν την οξείδωση του σιδηροπυρίτη και την όξινη απορροή Βασικές αρχές και γνώσεις υποβάθρου 21

22 Kilias et al. Scientific Reports, 2013 Πιθανή δράση μικροοργανισμών στο υποθαλάσσιο ηφαίστειο Κολούμπο, Σαντορίνη