Chimia mediului

CURS II Straturile Pământului. Ciclurile

nutrienţilor în natură

Diferenţierea Pământului în straturi

Pământul s-a format acum 4,7 miliarde ani sub forma unei structuri sferice omogene şi dense, lipsit fiind deapă pe suprafaţa sa.

În timp, temperatura Pământului a crescut deoarece:► particulele cosmice s-au ciocnit şi unit pentru a forma Pământul; au fost atrase către centrul acestuiadatorită gravitaţiei; energia calorică rezultată din ciocniri a fost parţial eliberată şi, în decursul formăriiPământului, parţial reţinută;►materialul din centrul Pământului a fost comprimat de greutatea materialului nou care lovea suprafaţaterestră; ToC a crescut deoarece o parte din energia de compresie a fost transformată în căldură;► ToC a crescut, de asemenea, prin dezintegrarea spontană a elementelor radioactive (eliberare deenergie calorică).

Cercetătorii au calculat că energia calorică acumulată în timp în centrul Pământului este suficientă pentru aridica temperatura, în decursul a aproximativ 1 miliard de ani de la formarea Pământului, la valori care săpermită existenţa materialului în stare topită.

Pământul a încetat să mai fie omogen diferențiindu-se în trei straturi distincte:• nucleul format din Fe și cantități mici de Ni; se crede că în nucleul interior metalele sunt în staresolidă și în nucleul exterior în stare topită;• mantaua - stratul superior, relativ subțire, este solid și rigid; straturile imediat următoare, denumiteastenosferă, se prezintă ca un lichid foarte vâscos;• crusta - cu grosime variabilă, de la 6Km în zonele de sub oceane până la 75Km sub zonele muntoase.

În funcție de masă cele mai abundente elemente sunt Fe, O2, Si și Mg care reprezintă împreună în jur de 93%din masa Pământului. Ni, S, Ca şi Al reprezintă aproximativ 6,5%. Restul de 0,5% din masa Pământuluieste alcătuit din aproximativ 84 elemente apărute natural.

Modificările chimice din perioada de diferențiere au făcut ca distribuția elementelor pe Pământ sa fiefoarte inegală.

Straturi ale Pământului

1. Crusta continentală2. Crusta oceanică 3– 4. Mantaua5. Nucleul exterior6. Nucleul interior

Analiza ţesuturilor organismelor vii arată că mai mult de 95% din masa lor este alcătuită din 6elemente naturale: C, H, O, N, S şi P. Aceste elemente intră în structura carbohidraţilor,proteinelor şi lipidelor. Alături de aceste elemente organismele vii necesită şi altele pentrucreştere şi dezvoltare (Fe, Mg, Ca, Cu, Zn, K, Na etc).

Plantele obţin elementele esenţiale din sol şi atmosferă în timp ce animalele le obţin din plante şi alteanimale.

1. Macroelemente – elemente se găsesc în organismele vii încantităţi mai mari de 0.01% din greutatea corpului uman (GCU);C – principalul element organogen, 18,5 % GCU;H – transportor de e-, în alcătuirea apei şi a majorității compușilororganici, 9.5 % GCU;O – important în respiraţia celulară, 65 % GCU;N – structura proteinelor şi acizilor nucleici, 3,3 % GCUP – structura acizilor nucleici şi a moleculelor energetice, 1,0 %GCU;Na – important în transmiterea impulsului nervos, 0,2 % GCU;K - important în transmiterea impulsului nervos, 0,4 % GCU;S – în alcătuirea majorităţii proteinelor, 0,3 % GCU;Mg – element esenţial în majoritatea reacţiilor energetice, 0,1 %GCU;Cl – principalul ion negativ, 0,1 % ;Ca – constituent al scheletului, implicat în contracţia musculară, 1,5% GCU;2. Microelemente – Fe, Zn, Mn, B, Cu, Mo, Ni

Distribuţia elementelor în lumea vie:

Tabelul periodic ale elementelor.Abundenţa elementelor în scoarţaterestră este indicată prin înălţimeacoloanei. Elementele întâlnite încantităţi semnificative înorganismele vii sunt marcate cualbastru.

Abundenţa în scoarţă vs în lumea vie?

Formarea oceanelor și atmosferei

Materialul topit din interiorul Pământului s-a ridicat către suprafaţă ceea ce a permis O2 şi H2 careerau legaţi chimic de anumite minerale să se elibereze în atmosferă prin reacții energice(erupţii vulcanice) sub formă de vapori de apă. În aceste numeroase erupții vulcanice au fosteliberate şi alte gaze care, în funcție de masa lor moleculară, au ajuns în spaţiu. Cele maigrele (CO2, vapori de apă) au fost reţinute de forţa gravitaţională în jurul Pământului.

În timp, suprafaţa Pământului s-a răcit, vaporii de apă s-au condensat şi ca urmare au apărutploile; în multe milioane de ani vulcanii au continuat să erupă şi ca urmare cantităţile de apăs-au acumulat în oceane.

Alături de vaporii de apă şi dioxidul de carbon volumele enorme de gaze eliberate mai conțineauN2, cantități mici de CO, HCl etc.

După milioane de ani de activitate vulcanică atmosfera s-a îmbogăţit în N2 şi CO2 dar era extremde săracă în O2. În zilele noastre atmosfera este în continuare bogată în N2 (78%) darcantitatea de CO2 a diminuat considerabil (0.03%) deoarece cantităţi importante s-audizolvat în apa oceanelor (CaCO3) sau au fost transformate de cianobacterii (algeprimitive) în carbohidraţi simpli şi O2 prin procesul de fotosinteză. Oxigenul eliberat dinapă intră în atmosferă, concentrația sa crescând odată cu multiplicarea cianobacteriilor(21%).

Odată cu Revoluţia Industrială, oamenii au început să introducă niveluri fără precedent de CO2înapoi în atmosferă ca urmare a arderii combustibililor care conţin C. Această comportareconduce la creşterea temperaturii Pământului cu repercusiuni serioase asupra planetei.

Ciclurile nutrienţilor în naturăNoţiunea de ciclu natural al unui element este frecvent utilizată în ecologie și științele naturii sub

titulatura de ciclu biogeochimic sau ciclu de nutrienţi.Ciclul natural - cale prin care un element chimic sau o moleculă circulă prin compartimentele biotice

(biosfera) şi abiotice (litosferă, pedosferă, atmosferă şi hidrosferă) ale ecosistemului planetar.

Elementul este reciclat, dar, în anumite cicluri există compartimente (rezervoare) unde elementulrespectiv se acumulează şi este stocat pentru o perioadă îndelungată de timp, el fiind disponibilîntr-o măsură mai mare sau mai mică; există şi aşa numitele „imperfecţiuni accidentale”,respectiv cantităţi de materie scoase din circuit prin depunere în forme stabile, pentruintervale mari de timp (cum este cazul C din humus, combustibili fosili etc.).

Elemente chimice, compuşi chimici, precum şi alte forme ale materiei sunt transmise de la un organismla altul şi de la o parte a biosferei la alta prin intermediul acestor cicluri biogeochimice.

O comunitate de plante şi animale are nevoie pentru a supravieţui de un aport constant deenergie şi nutrienţi. Energia care susţine un sistem nu este reciclată ci, preluată continuu de lasoare, ea pleacă de la consumator sub formă de căldură reziduală. Nutrienţii sunt continuureciclaţi şi reutilizaţi.

C este eliberat în atmosferă, în mare parte,sub formă de CO2, provenit din:►arderea combustibililor fosili;►respiraţie animală şi vegetală;►reacţii de descompunere a materiei vii;►reacţii chimice naturale sau provocateantropic ale rocilor calcaroase;►erupţii vulcanice şi fenomenemetamorfice, eliberare la suprafaţa apelorîncălzite.

CICLUL CARBONULUIEste cel mai complex circuit natural

CO2 atmosferic este preluat de organisme fotosintetizante şi prelucrat pentru diferite procese metabolice:

O parte din glucoza rezultată este stocată în frunze iar o alta este transformată în carbohidraţi şialte molecule implicate în metabolismul organismelor vegetale.

Plantele sunt consumate de animale care utilizează energia rezultată din oxidarea glucozei(reacţia inversă celei anterioare) care, la rândul ei provine din scindarea carbohidraţilor până la glucidesimple. Oxidarea glucozei în organismele animale are loc prin procesul numit respiraţie.Reacţii chimice desfăşurate în perioade îndelungate au transformat resturile de plante şi animale îndepozite de materie organica - combustibili fosili. Arderea acestora conduce la eliberarea de energiestocată în legăturile intermoleculare, iar prezenţa oxigenului atmosferic transformă carbonul în dioxid decarbon

Sursele majore de C sunt:► CO2 atmosferic ►CO2 dizolvat în oceane

CO2 atmosferic este preluat, de asemenea, de apele oceanice şi cele interioare şi stocat, majoritar înformă de ion bicarbonat sau, în cantităţi mici, la suprafaţa rocilor calcaroase, prin reacţii chimice. Este unproces important deoarece menţine nivelul constant de CO2 în atmosferă.

Formarea rocilor şi intemperiile care le dizolvă gradual, eliberând CO2 în atmosferă cu viteze foarte mici,sunt alte aspecte ale ciclului carbonului.

Cantităţi mari de C sunt stocate:

►în masa organică (vegetală şi animală);

►în rezerve de carbon din sol (combustibili fosili);

►în masa apelor oceanice şi continentale (sub formă ionică).

CICLUL AZOTULUICiclul azotului - importanţă majoră în procesele biologicedeoarece N este:

• prezent în structura aminoacizilor (proteinelor);• prezent în structura bazelor azotate (acizi nucleici).

Deşi în concentraţie mare în atmosfera Pământului (78%), N2nu poate fi utilizat direct de organismele vii ci abia după ceeste transformat în compuşi asimilabili.Ciclul este iniţiat de N2 atmosferic, prezent în cantitate foartemare, care este preluat şi fixat în sol şi plante; ulterior esteeliberat în atmosferă prin procese antagonice proceselor depreluare.Majoritatea etapelor ciclului sunt mediate de bacteriispecializate, direct sau indirect (simbioză) care transformăazotul atmosferic în amoniac.

O altă cale de transformare a azotului atmosferic cu o impartanta redusa este sub acţiunea descărcărilorelectrice (fulgere).

Fixare biologică a azotului este ințiat de către microorganisme prin intermediul unei enzime numitenitrogenază:

N2 + 8 H+ + 8 e− → 2 NH3 + H2Cele mai multe plante pot utiliza direct amoniacul produs de bacteriile fixatoare de azot, dar altele doar

azotul care se află sub formă de nitraţi (NO3-) în sol. Transformarea amoniacului în nitraţi se realizeazăde către bacterii specializate din sol, procesul numindu-se nitrificare. Reacţia de nitrificare are loc îndouă etape, în soluri cu pH între 6,5 şi 8:

Plantele transformă amoniacul sau nitraţii în proteine sau alţi compuşi cu azot esenţiali pentru creştere şidezvoltare. Animalele preiau necesarul de azot din plante.

Organismele moarte se descompun, compuşii cu azot sunt scindaţi iar azotul se reîntoarce în sol. Azotul sereîntoarce în sol şi prin intermediul produsilor de metaboliti eliminati prin excretie.

Un alt proces care transferă nitraţii din sol este denitrificarea. Procesul are loc sub acţiunea unor bacteriicare transformă nitraţii direct în azot în stare gazoasă:

În mediul natural se menţine un echilibru între nivelurile azotului preluat şi returnat în atmosferă. Balanţapoate fi dezechilibrată datorită azotului prezent în fertilizatorii sintetici care conţin amoniac sau nitraţi.