Cicluri biogeochimice

Cicluri biogeochimice

Amplul flux de materie intre organismele vii si lumea anorganica include diverse elemente chimice necesare pentru a asigura cresterea normala si buna functionare a microorganismelor, plantelor, animalelor si omului, numite elemente esentiale (macroelemente si microelemente). Macroelementele sunt prezente in tesuturile vii in cantitati relativ mari; deficitul in aceste substante poate provoca disfunctionalitati grave. Dintre ele carbonul, hidrogenul, oxigenul si azotul sunt componenti de baza ai materiei organice. Lor li se adauga calciul, fosforul, potasiul, sodiul, clorul, sulful si magneziul care ating in general valori mai mari de 0,005% in corpul organismelor.

Circuitul in natura a acestor elemente poate fi analizat in interiorul ecosistemelor, dar si pe spatii mai vaste si chiar la nivelul intregului glob terestru.

Circuitul carbonului este strans legat de transferul materiei intre biomasa, necromasa (materia organica moarta) si sol, deoarece, alaturi de oxigen si hidrogen, el constituie un component de baza al substantelor organice. In aer are o pondere redusa (0,03%), este preluat de plante din aer sub forma de CO₂, iar in procesul de fotosinteza, pe baza carbonului se sintetizeaza diverse substante organice. Acestea transporta carbonul de-a lungul lanturilor trofice, atat la consumatorii de biomasa de diferite ordine, cat si la consumatorii si descompunatorii de necromasa. In procesul de metabolism, prin oxidarea substantelor organice, carbonul este din nou pus in libertate, tot sub forma de CO₂, si revine in atmosfera prin procesul de respiratie a plantelor, animalelor si microorganismelor.

Stocarea temporara in lemn, scoarta si humus este de obicei compensata prin descompunerea materialului lemnos din necromasa si prin mineralizarea humusului.Totusi, in unele ere geologice cantitatea stocata a depasit cu mult consumul, astfel ca mari cantitati de carbon s-au acumulat, dand nastere unor combustibili fosili (carbune, petrol, gaz metan, sisturi bituminoase).

Circuitul oxigenului. Oxigenul (prezent in atmosfera in proportie de 21%) este luat din aer si folosit pentru respiratie de plante si animale, dar revine imediat in atmosfera sub forma de CO₂. Alte cantitati ajung in atmosfera, fiind eliberate de plante in procesul de fotosinteza. In procesele de ardere, oxigenul din atmosfera se combina cu carbonul, dand nastere la CO₂.

Circuitul azotului. Azotul se afla din abundenta in atmosfera (78,44%), dar nu poate fi utilizat direct de plante. Poate ajunge in sol odata cu aerul dintre granulele de sol sau sub forma de oxizi de azot formati sub actiunea precipitatiilor si a descarcarilor electrice. Prin diverse procese se transforma in azotati (nitrati) accesibili plantelor. Cantitatea cea mai mare de nitrati din sol se datoreaza actiunii bacteriilor fixatoare de azot, care pot fi libere sau formeaza nodozitati pe radacini, indeosebi la plante din familia Fabacee (leguminoase), iar uneori traiesc in simbioza cu plante lemnoase ca aninul, salcioara, catina. In general ecosistemele forestiere isi asigura in mare parte nevoia de azot prin reciclare (prin mineralizarea necromasei si humusului sub actiunea bacteriilor descompunatoare).

Dar pentru aceasta este necesar ca necromasa sa ramana in ecosistem, stimulandu-se procesele de descompunere si mineralizare a ei. In acest scop este necesara conservarea humusului, impiedicarea spalarii lui ca urmare a eroziunii, dar si evitarea distrugerii microorganismelor implicate in acest circuit (care pot fi afectate, de exemplu, prin utilizarea pesticidelor cu spectru larg de actiune).

Pe terenurile cultivate cu cereale sau plante prasitoare, materia organica rezultata din procesul de fotosinteza este in cea mai mare parte preluata de om prin recoltarea culturilor, astfel ca nu este asigurata suficienta masa organica de natura ca prin descompunere sa furnizeze azot. De aceea este necesara aplicarea unor mari cantitati de ingrasaminte azotoase (organice sau chimice), ce pot asigura productii mari, dar care creeaza serioase probleme de poluare a solurilor si a apei. O alta cale de mentinere a fertilitatii solului prin procedee naturale o constituie rotatia culturilor, plantele consumatoare de azot fiind cultivate in asolament cu leguminoase fixatoare de azot (lucerna, trifoi, borceag, ghizdei s.a.).

Numeroase alte saruri minerale necesare plantelor, in special cele de potasiu, calciu, magneziu, fier, fosfor, sulf, sunt in cea mai mare parte provenite din mineralele ce compun diversele roci parentale; un rol important in circuitul lor il are apa din sol, incarcata cu CO₂ si acizi proveniti din descompunerea substantei organice. In apa, aceste saruri se despart in ioni (anioni si cationi), iar circuitul lor il urmareste pe cel al apei in ecosistem (apa servind ca mijloc de transport al acestora). Prin descompunerea necromasei, sarurile minerale asimilate de plante sunt reintroduse in circuit, de aceea, chiar daca solul nu dispune de rezerve prea mari, procesele biologice se pot desfasura in bune conditii. Totusi, o oarecare cantitate este antrenata de apa provenita din precipitatii (prin scurgere si infiltratie) in afara ecosistemului, astfel ca circuitul include si o veriga legata de mediul acvatic.

Circuitul fosforului. Fosfatii anorganici sunt absorbiti de plante din sol si din bazinele acvatice, iar prin transformari succesive din corpul plantelor, pot ajunge si in corpul animalelor, circuland in lungul lanturilor trofice. Cand plantele sau animalele mor, fosfatii revin in mediul abiotic sub actiunea bacteriilor. La scara timpului geologic, ajung sa se depuna sub forma de sedimente, formand diferite roci, iar prin procesul de dezagregare, alterare si eroziune, revin treptat in soluri, rauri, lacuri si mari. Somonii (care la maturitate revin din ocean in rauri pentru
a-si depune icrele si apoi mor) si pasarile ihtiofage (care utilizeaza resursele marii, dar isi depun excrementele mai mult pe uscat) contribuie la readucerea fosforului din mare in apele dulci sau pe uscat. Unele soluri sunt deficitare in fosfor, ceea ce face necesara utilizarea unor ingrasaminte fosfatice.

Circuitul sulfului implica, la randul lui, preluarea de plante a sulfatilor din sol. Prin descom­punerea materiei organice moarte de catre bacterii, sulful revine in mediul abiotic sub forma de hidrogen sulfurat (H₂S), care adesea se acumuleaza in exces in ape, daca nu exista o buna ventilatie a bazinului acvatic respectiv (situatie intalnita, de exemplu, in Marea Neagra sau in unele mlastini din zona boreala). In schimb, in conditii prielnice, bacteriile transforma din nou H₂S in sulfati, ceea ce permite reluarea ciclului, sau in sulf elementar, care poate fi ulterior incorporat in roci.

Circuitul calciului. Calciul circula in geosisteme atat prin intermediul apei cat si in lungul lanturilor trofice. Se gaseste in cantitati mari in diferite roci, indeosebi sub forma de carbonat de calciu (CaCO₃), de unde, prin procesele pedogenetice, ajunge in sol. Apa ploilor antreneaza din roci si din sol cantitati mai mari sau mai mici de CaCO₃ (in functie de aciditate, temperatura etc), pe care le transporta in rauri si in final in mari si oceane, unde o oarecare cantitate se depune, ducand in timp la formarea de roci sedimentare carbonatice. In regiunile cu precipitatii abundente o mare parte a calciului este indepartat din sol prin levigare (se formeaza soluri    sarace in calciu si acide).

Din sol calciul este preluat de plante si este incorporat in diverse organe. Organismele animale preiau calciul direct din apa sau din plantele pe care le consuma; este un component important al oaselor si dintilor, dar este prezent si in muschi (avand un rol important in contractia musculara), sange si lapte. Organismele acvatice il preiau din apa si isi construiesc cochilii iar dupa moartea lor prin depunerea cochiliilor se formeaza calcarele organogene. Calciul este un constituient important al recifilor de corali, care contribuie de asemenea la formarea rocilor calcaroase. Readucerea acestor carbonati in circuit se realizeaza, la scara timpului geologic, prin procesele de orogeneza, in urma carora rocile formate prin sedimentare sunt supuse din nou actiunii agentilor externi (Botnariuc, Vadineanu, 1982).

Microelementele (numite si oligoelemente) sunt substante necesare organismelor in cantitati foarte mici. Printre cele mai importante se numara fierul, manganul, zincul, cuprul, iodul, cobaltul, seleniul, molibdenul, cromul, borul si siliciul. Lipsa sau insuficienta lor determina carente nutritive, dar in unele cazuri daca sunt prezente in concentratii mai mari, apare fenomenul de toxicitate. De pilda, manganul poate fi deficitar in unele soluri carbonatice, in schimb in unele soluri tropicale se constata fenomene de toxicitate prin exces al acestui element. Alte microelemente care pot determina toxicitate sunt cuprul, zincul, borul, molibdenul.

Pe langa circulatia elementelor intre uscat si mediul acvatic, la nivelul globului este foarte importanta circulatia pe verticala a acestor elemente in oceane, atat prin procese fizice cat si prin intermediul lanturilor trofice. De asemenea un transport de nutrienti are loc prin intermediul curentilor oceanici, parte componenta a unui vast circuit legat de diferentele de densitate determinate de salinitatea si temperatura apei.