ΒΙΟΓΕΩΧΗΜΙΚΟΙ ΚΥΚΛΟΙ Το σύνολο των μετασχηματισμών βιολογικής ή χημικής φύσης που λαμβάνουν χώρα κατά την ανακύκλωση ορισμένων στοιχείων
Επιβίωση οργανισμών Ύλη o Η ύλη που υπάρχει διαθέσιμη στη βιόσφαιρα είναι περιορισμένη, καθώς ο πλανήτης δέχεται ελάχιστα ποσά ύλης από το Διάστημα (μετεωρίτες κ.λπ.). o Για το λόγο αυτό τα χημικά στοιχεία (C, H, O, N, S, P κ.ά.) που είναι απαραίτητα για τη σύνθεση των χημικών ενώσεων των οργανισμών πρέπει να ανακυκλώνονται ώστε να γίνονται εκ νέου διαθέσιμα. Ενέργεια o Ο ήλιος τροφοδοτεί συνεχώς τα οικοσυστήματα με ενέργεια, η οποία δεσμεύεται από τους παραγωγούς, μετατρέπεται σε χημική ενέργεια και μέσω των τροφικών αλυσίδων ρέει μονόδρομα προς τους καταναλωτές και τους αποικοδομητές. o Η ενέργεια που φτάνει στα οικοσυστήματα του πλανήτη είναι άφθονη.
Βιογεωχημικοί κύκλοι Οι επαναλαμβανόμενες κυκλικές πορείες των χημικών στοιχείων στα οικοσυστήματα χαρακτηρίζονται ως βιογεωχημικοί κύκλοι, διότι διεκπεραιώνονται με τη συμμετοχή βιολογικών, γεωλογικών και χημικών διαδικασιών.
Ο κύκλος του άνθρακα
Εναλλαγή διαδικασιών o Στον κύκλο του άνθρακα πραγματοποιείται διαρκής ανταλλαγή του διοξειδίου του άνθρακα μεταξύ της ατμόσφαιρας (αβιοτικό περιβάλλον) και των ζωντανών οργανισμών (βιοτικοί παράγοντες). o Στη βάση της ανταλλαγής αυτής βρίσκεται η εναλλαγή δύο διαδικασιών, της φωτοσύνθεσης και της κυτταρικής αναπνοής.
Παρέμβαση του ανθρώπου 1. Η καύση του άνθρακα οδήγησε στην απελευθέρωση τεράστιων ποσοτήτων διοξειδίου του άνθρακα στην ατμόσφαιρα. 2. Η καταστροφή των δασών, είτε λόγω της υλοτόμησης, που γίνεται με σκοπό την εκμετάλλευση των προϊόντων της ξυλείας, είτε λόγω των εκχερσώσεων, που αποσκοπούν στην εξεύρεση νέων χώρων κατοικίας και καλλιέργειας, περιορίζει το συνολικό αριθμό των φωτοσυνθετικών οργανισμών του πλανήτη.
Ο κύκλος του αζώτου
Ατμοσφαιρική αζωτοδέσμευση Κατά την ατμοσφαιρική αζωτοδέσμευση, το άζωτο της ατμόσφαιρας με ενέργεια που προέρχεται από τις ηλεκτρικές εκκενώσεις (αστραπές, κεραυνοί) αντιδρά με: 1. τους υδρατμούς και παράγεται αμμωνία, 2. το οξυγόνο και παράγονται νιτρικά ιόντα. Η αμμωνία και τα νιτρικά ιόντα μεταφέρονται με τη βροχή στο έδαφος. Τα νιτρικά ιόντα απορροφώνται άμεσα από τα φυτά. Η ατμοσφαιρική αζωτοδέσμευση αποτελεί το 10% της συνολικής αζωτοδέσμευσης.
Βιολογική αζωτοδέσμευση Η βιολογική αζωτοδέσμευση πραγματοποιείται από ελεύθερους ή συμβιωτικούς μικροοργανισμούς. Σημαντικότερα αζωτοδεσμευτικά βακτήρια είναι αυτά που ζουν συμβιωτικά στις ρίζες των ψυχανθών (μίας κατηγορίας φυτών στα οποία ανήκουν το τριφύλλι, η μπιζελιά, η φασολιά, η φακή, η σόγια) σε ειδικά εξογκώματα, που ονομάζονται φυμάτια. Τα αζωτοδεσμευτικά βακτήρια έχουν την ικανότητα να δεσμεύουν το μοριακό άζωτο της ατμόσφαιρας και να το μετατρέπουν σε νιτρικά ιόντα, τα οποία απορροφώνται από τα ψυχανθή. Τα ψυχανθή παράγουν τα όσπρια, που για το λόγο αυτό είναι πλούσια σε πρωτεϊνες. Η βιολογική αζωτοδέσμευση αποτελεί το 90% της συνολικής αζωτοδέσμευσης.
Το άζωτο στις τροφικές αλυσίδες o Τα φυτά χρησιμοποιούν τα νιτρικά ιόντα που προσλαμβάνουν από το έδαφος είτε με την ατμοσφαιρική είτε με τη βιολογική αζωτοδέσμευση, προκειμένου να συνθέσουν τις αζωτούχες ενώσεις τους, δηλαδή πρωτεϊνες και νουκλεϊκά οξέα. o Το άζωτο που περιέχεται στις ενώσεις αυτές διακινείται μέσω των τροφικών αλυσίδων στις διάφορες τάξεις καταναλωτών και χρησιμοποιείται για την παραγωγή πρωτεϊνών και νουκλεϊκών οξέων τους.
Το άζωτο της νεκρής οργανικής ύλης o Φυτά και ζώα εγκαταλείπουν στο έδαφος νεκρή οργανική ύλη (καρπούς, φύλλα, νεκρά σώματα, τρίχωμα) που περιέχει άζωτο. Τα ζώα επιπλέον αποβάλλουν αζωτούχα προϊόντα του μεταβολισμού τους, όπως η ουρία, το ουρικό οξύ και τα περιττώματα. Όλες αυτές οι ουσίες διασπώνται από τους αποικοδομητές του εδάφους και παράγεται αμμωνία. o Η αμμωνία που συγκεντρώνεται στο έδαφος (τόσο από την ατμοσφαιρική αζωτοδέσμευση όσο και από τη δράση των αποικοδομητών), υφιστάμενη τη δράση των νιτροποιητικών βακτηρίων μετατρέπεται σε νιτρικά ιόντα, που παραλαμβάνονται από τα φυτά και έτσι κλείνει ένας κύκλος αζώτου στο εσωτερικό του οικοσυστήματος.
Επιστροφή του αζώτου στην ατμόσφαιρα Το άζωτο επιστρέφει στην ατμόσφαιρα με τη δράση των απονιτροποιητικών βακτηρίων του εδάφους, τα οποία μετατρέπουν τα νιτρικά ιόντα σε μοριακό άζωτο.
Παρέμβαση του ανθρώπου o Ο άνθρωπος εισάγει αζωτούχα λιπάσματα στα αγροτικά οικοσυστήματα προκειμένου να αυξήσει την παραγωγικότητά τους. Με αυτόν τον τρόπο επηρεάζει τον κύκλο του αζώτου. o Στο παρελθόν χρησιμοποιούνταν οργανικά φυσικά λιπάσματα, όπως η κοπριά, τα περιττώματα δηλαδή διαφόρων ζώων. Τα οργανικά λιπάσματα δεν επιβαρύνουν το περιβάλλον. o Ο άνθρωπος όμως πέτυχε την παραγωγή αζωτούχων λιπασμάτων από το ατμοσφαιρικό άζωτο (βιομηχανικά λιπάσματα). Το μειονέκτημα όμως είναι ότι λιγότερο από το 1/3 της εκάστοτε προστιθέμενης ποσότητας προσλαμβάνεται από τα καλλιεργούμενα φυτά, ενώ το υπόλοιπο παρασύρεται με τη βροχή και καταλήγει στα γλυκά ή θαλασσινά νερά, οδηγώντας στο φαινόμενο του ευτροφισμού.
Τρόποι εμπλουτισμού του εδάφους σε άζωτο Οι δύο πιο οικολογικοί τρόποι εμπλουτισμού του εδάφους σε άζωτο αποτελούν: 1. η αγρανάπαυση, 2. η αμειψισπορά. Η αγρανάπαυση είναι η παύση της καλλιέργειας ενός αγρού ή τμήματός του για κάποιο χρονικό διάστημα, ώστε το έδαφος να εμπλουτιστεί με νιτρικά ιόντα των νερών της βροχής ή της βιολογικής αζωτοδέσμευσης. Η αμειψισπορά είναι η εναλλαγή στην καλλιέργεια σιτηρών και ψυχανθών, ώστε να εμπλουτίζεται το έδαφος σε άζωτο και να μην εξασθενεί. Η αμειψισπορά στηρίζεται στην ιδιότητα των ψυχανθών να φέρουν στις ρίζες τους τα αζωτοδεσμευτικά βακτήρια.
Ρόλος του νερού στα οικοσυστήματα Το νερό: 1. καλύπτει το μεγαλύτερο τμήμα της Γης, 2. οριοθετεί τα υδάτινα οικοσυστήματα και καθορίζει τις ιδιότητές τους, 3. αποτελεί το μέσο με το οποίο τα θρεπτικά συστατικά εισέρχονται και κυκλοφορούν στο εσωτερικό των αυτότροφων οργανισμών, 4. αποτελεί σημαντικό τμήμα των ζωντανών ιστών, περίπου το 75% του νωπού βάρους τους, 5. συμβάλλει στη θερμορύθμιση των φυτικών και ζωικών οργανισμών, 6. χρησιμοποιείται στη φωτοσύνθεση των φυτικών οργανισμών.
Κυκλοφορία του νερού Το νερό υπάρχει στην ατμόσφαιρα, στην επιφάνεια του πλανήτη και στο υπέδαφος (υπόγεια ύδατα). Χάρη στην κινητικότητά του, το νερό κυκλοφορεί διαρκώς στον υδρολογικό κύκλο (ή κύκλο του νερού) και έτσι γίνεται διαθέσιμο στα οικοσυστήματα και τους οργανισμούς. Το νερό κυκλοφορεί με τρεις κυρίως τρόπους: 1. τις κατακρημνίσεις δηλαδή τη βροχή, το χιόνι, το χαλάζι, 2. την εξάτμιση που είναι η απομάκρυνση του νερού με τη μορφή υδρατμών από οποιαδήποτε επιφάνεια. Μία ειδική μορφή εξάτμισης είναι η επιδερμική εξάτμιση, που είναι η απομάκρυνση του νερού από την επιφάνεια των φύλλων των φυτών. 3. τη διαπνοή που είναι η απομάκρυνση του νερού διαμέσου των στομάτων των φύλλων των φυτών και η ταυτόχρονη αντικατάστασή του με νερό που προσλαμβάνεται από τις ρίζες.
Ρόλος της διαπνοής Η διαπνοή αποτελεί την κινητήρια δύναμη για τη μεταφορά των θρεπτικών στοιχείων στο εσωτερικό των φυτικών οργανισμών και συνδέεται αναπόσπαστα με τους βιογεωχημικούς κύκλους των στοιχείων που εισέρχονται στις τροφικές αλυσίδες των οικοσυστημάτων με πύλη εισόδου τα φυτά.
Κύκλος του νερού στα υδάτινα οικοσυστήματα o Η ανταλλαγή του νερού μεταξύ των ωκεανών και της ατμόσφαιρας πραγματοποιείται με απλό μηχανισμό. o Το νερό καταφθάνει στους ωκεανούς με τις κατακρημνίσεις και απομακρύνεται από αυτούς με την εξάτμιση.
Κύκλος του νερού στα χερσαία οικοσυστήματα Το νερό που καταφθάνει στα χερσαία οικοσυστήματα με τις κατακρημνίσεις είναι δυνατό: 1. να εξατμιστεί, 2. να εισχωρήσει στο υπέδαφος και στο σύστημα των υπογείων υδάτων, 3. να προσληφθεί από τα φυτά και να απομακρυνθεί με τη διαπνοή, 4. να απομακρυνθεί με την επιφανειακή απορροή από το χερσαίο περιβάλλον.
Τα φυτά συγκρατούν το νερό o Τα φυτά με τις ρίζες τους συγκρατούν το νερό και παίζουν καθοριστικό ρόλο στην απορρόφηση του νερού από το έδαφος ώστε να μην καταφθάσει στη θάλασσα, αλλά να επιστρέψει στην ατμόσφαιρα. o Αυτό φαίνεται σε μικρές λεκάνες απορροής, όπου αφαιρέθηκαν όλα τα δέντρα, ο όγκος του επιφανειακού νερού αυξήθηκε πάνω από 200%. o Το νερό αυτό κατέληξε στη θάλασσα, ενώ αν είχε διεισδύσει στο έδαφος, θα είχε αποδοθεί στην ατμόσφαιρα με τη διαπνοή.
Τα δέλτα των ποταμών o Τα επιφανειακά ρέοντα ύδατα απομακρύνουν από το έδαφος και τα θρεπτικά συστατικά τα οποία έχουν δημιουργηθεί με μακροχρόνιες διαδικασίες για να γίνουν τελικά διαθέσιμα στους οργανισμούς. o Αυτά τα συστατικά καταλήγουν σε υδάτινους αποδέκτες. Έτσι εξηγείται το γεγονός ότι τα δέλτα των ποταμών, στα οποία καταφθάνουν μεγάλες ποσότητες νερού πλούσιες σε θρεπτικά συστατικά εμφανίζουν πολύ υψηλή παραγωγικότητα!