CIKEL KISIKA: ZNAČILNOSTI, REZERVOARJI IN STOPNJE - OKOLJE - 2026

Cikel kisika se nanaša na obtočil pretok kisika na Zemlji. Gre za plinasti biogeokemični cikel. Kisik je drugi najbogatejši element v ozračju po dušiku, drugi pa v hidrosferi po vodiku. V tem smislu je cikel kisika povezan z vodnim ciklom.

Kroženje gibanja kisika vključuje proizvodnjo dioksigena ali molekularnega kisika dveh atomov (O ₂ ). Do tega pride zaradi hidrolize med fotosintezo, ki jo izvajajo različni fotosintetski organizmi.

Akumulacija kisika: Oblačni gozd, Nacionalni park Waraira Repano, Venezuela. Arnaldo Noguera Sifontes, z Wikimedia Commons

O ₂ živi organizmi uporabljajo pri celičnem dihanju in ustvarjajo proizvodnjo ogljikovega dioksida (CO ₂ ), ki je ena od surovin za postopek fotosinteze.

Po drugi strani pa v zgornji atmosferi pride do fotolize (hidrolize, ki jo aktivira sončna energija) vodne pare, ki jo povzroča ultravijolično sevanje iz sonca. Voda razpade in sprosti vodik, ki se izgubi v stratosferi, kisik pa se vključi v ozračje.

Ko molekula O ₂ vzajemno deluje z atomom kisika, nastane ozon (O ₃ ). Ozon sestavlja tako imenovano ozonsko plast.

značilnosti

Kisik je nekovinski kemični element. Njegova atomska številka je 8, torej ima 8 naravnih protonov in 8 elektronov. V normalnih pogojih temperature in tlaka je prisoten v obliki dioksigena, brez barve in brez vonja. Njegova molekularna formula je O ₂ .

O ₂ vključuje tri stabilne izotope: ¹⁶ O, ¹⁷ O in ¹⁸ O. Prevladujoča oblika v vesolju je ¹⁶ O. Na Zemlji predstavlja 99,76% celotnega kisika. ¹⁸ ° predstavlja 0,2%. Oblika ¹⁷ O je zelo redka (~ 0,04%).

Poreklo

Kisik je tretji najpogostejši element v vesolju. Proizvodnja izotopa ¹⁶ O se je začela v prvi generaciji gorenja helija, ki se je zgodila po velikem naletu.

Vzpostavitev cikla nukleosinteze ogljik-dušik-kisik v poznejših generacijah zvezd je zagotovila prevladujoč vir kisika na planetih.

Visoke temperature in tlaki proizvajajo vodo (H ₂ O) v vesolju z generiranjem reakcijo vodika in kisika. Voda je del ličila Zemljinega jedra.

Izlivi magme oddajajo vodo v obliki pare in ta vstopi v vodni krog. Voda razpade s fotolizo v kisik in vodik s pomočjo fotosinteze ter z ultravijoličnim sevanjem v zgornjih nivojih atmosfere.

Primitivno vzdušje

Primitivno ozračje pred evolucijo fotosinteze s cianobakterijami je bilo anaerobno. Za žive organizme, prilagojene tej atmosferi, je bil kisik strupen plin. Tudi danes ozračje čistega kisika celicam povzroča nepopravljivo škodo.

Fotosinteza je nastala v evolucijski liniji današnjih cianobakterij. To je pred približno 2,3-2,7 milijarde let začelo spreminjati sestavo Zemljine atmosfere.

Širjenje fotosinteziranih organizmov je spremenilo sestavo ozračja. Življenje se je razvijalo v smeri prilagajanja aerobnemu vzdušju.

Energije, ki poganjajo cikel

Sile in energije, ki delujejo na pogon kisikovega cikla, so lahko geotermalne, kadar magma izloči vodno paro ali pa izvira iz sončne energije.

Slednje zagotavlja temeljno energijo za proces fotosinteze. Kemična energija v obliki ogljikovih hidratov, ki nastane pri fotosintezi, poganja vse žive procese skozi prehransko verigo. Na enak način Sonce proizvaja planetno diferencialno ogrevanje in povzroča morske in atmosferske tokove.

Povezava z drugimi biogeokemičnimi cikli

Cikel kisika je zaradi svoje številčnosti in visoke reaktivnosti povezan z drugimi cikli, kot so CO ₂ , dušik (N ₂ ) in vodni cikel (H ₂ O). To mu daje večcikličen značaj.

The O ₂ in CO ₂ rezervoarji so povezane s postopki, ki vključujejo nastanek (fotosintezo) in uničenje (dihanje in zgorevanja) organske snovi. Na kratko, te reakcije redoks so glavni vir variabilnosti koncentracije O ₂ v atmosferi.

Denitrifikacijske bakterije pridobivajo kisik za dihanje iz nitratov v tleh in sproščajo dušik.

Rezervoarji

Geosfera

Kisik je ena glavnih sestavnih delov silikatov. Zato predstavlja pomemben del Zemljinega plašča in skorje.

• Zemljino jedro : v tekočem zunanjem plašču Zemljinega jedra so poleg železa še drugi elementi, vključno s kisikom.
• Tla : v prostorih med delci ali porami tal se zrak razprši. Ta kisik uporablja mikrobiota v tleh.

Atmosfera

21% ozračja tvori kisik v obliki dioksigena (O ₂ ). Druge oblike prisotnosti atmosferskega kisika so vodna para (H ₂ O), ogljikov dioksid (CO ₂ ) in ozon (O ₃ ).

• Vodna para : koncentracija vodne pare je spremenljiva, odvisno od temperature, atmosferskega tlaka in atmosferskega kroženja (vodni cikel).
• Ogljikov dioksid : CO ₂ predstavlja približno 0,03% prostornine zraka. Od začetka industrijske revolucije se je koncentracija CO ₂ v atmosferi povečala za 145%.
• Ozon : to je molekula, ki je v stratosferi prisotna v majhni količini (0,03 do 0,02 vol. Deleža na milijon).

Hidrosfera

71% zemeljske površine pokriva voda. Več kot 96% vode, prisotne na zemeljski površini, je koncentrirano v oceanih. 89% mase oceanov predstavlja kisik. CO _{2 se} raztopi tudi v vodi in je podvržen postopku izmenjave z atmosfero.

Kriosfera

Kriosfera se nanaša na maso zamrznjene vode, ki pokriva določena območja Zemlje. Te ledene mase vsebujejo približno 1,74% vode v zemeljski skorji. Po drugi strani led vsebuje različne količine ujetega molekularnega kisika.

ALI

Večina molekul, ki sestavljajo strukturo živih bitij, vsebuje kisik. Po drugi strani je velik delež živih biti voda. Zato je prizemna biomasa tudi rezerva kisika.

Obdobja

V splošnem cikel, ki mu kisik sledi kot kemično sredstvo, obsega dve veliki področji, ki imata svoj značaj kot biogeokemični cikel. Ta območja so predstavljena v štirih fazah.

Geo-okoljsko območje zajema premike in zadrževanje kisika v atmosferi, hidrosferi, kriosferi in geosferi. To vključuje okoljsko stopnjo rezervoarja in izvira ter fazo vračanja v okolje.

Cikel kisika. Eme Chicano, iz Wikimedia Commons

V biološko območje sta vključeni tudi dve stopnji. Povezani so s fotosintezo in dihanjem.

-Ekološka stopnja rezervoarja in vira: atmosfera-hidrosfera-kriosfera-geosfera

Atmosfera

Glavni vir atmosferskega kisika je fotosinteza. Obstajajo pa tudi drugi viri, iz katerih lahko kisik vstopi v ozračje.

Ena izmed teh je tekoča zunanja prevleka Zemljinega jedra. Kisik doseže atmosfero kot vodna para s pomočjo vulkanskih izbruhov. Vodna para se dviga v stratosfero, kjer se podvrže fotolizi zaradi visokoenergijskega sevanja sonca in nastaja prosti kisik.

Po drugi strani dihanje oddaja kisik v obliki CO ₂ . Postopki zgorevanja, zlasti industrijski, porabijo tudi molekularni kisik in prispevajo CO ₂ v ozračje.

V izmenjavi med atmosfero in hidrosfero raztopljeni kisik v vodnih masah prehaja v ozračje. Atmosferski CO ₂ se v vodi raztopi kot ogljikova kislina. Raztopljeni kisik v vodi izvira predvsem iz fotosinteze alg in cianobakterij.

Stratosfera

V zgornjih nivojih atmosfere visoko energijsko sevanje hidrolizira vodno paro. Kratkoročno sevanje aktivira molekule O ₂ . Te se razdelijo na atome prostega kisika (O).

Ti prosti O atomi reagirajo z O ₂ molekule in tvorijo ozon (O ₃ ). Ta reakcija je reverzibilna. Zaradi učinka ultravijoličnega sevanja se O ₃ razpade na proste kisikove atome.

Kisik kot sestavni del atmosferskega zraka je del različnih oksidacijskih reakcij, ki vključujejo različne kopenske spojine. Glavni ponor za kisik je oksidacija plinov iz vulkanskih izbruhov.

Hidrosfera

Največja koncentracija vode na Zemlji so oceani, kjer obstaja enakomerna koncentracija kisikovih izotopov. To je posledica stalne izmenjave tega elementa z zemeljsko skorjo skozi hidrotermalne cirkulacijske procese.

Na mejah tektonskih plošč in oceanskih grebenov nastaja stalen proces izmenjave plinov.

Kriosfera

Kopenske ledene mase, vključno s polarnimi ledenimi masami, ledeniki in večno zmrzaljo, predstavljajo velik umivalnik kisika v obliki trdne vode.

Geosfera

Prav tako kisik sodeluje pri izmenjavi plinov s tlemi. Tam je bistveni element dihalnih procesov talnih mikroorganizmov.

Pomemben potop v tleh so procesi oksidacije mineralov in izgorevanje fosilnih goriv.

Kisik, da je del molekule vode (H ₂ O) sledi cikel vode v procesih uparjanja-transpiracijo in kondenzacije-precipitacijo.

- Starost fotosinteze

Fotosinteza poteka v kloroplastih. Med svetlobno fazo fotosinteze je potrebno redukcijsko sredstvo, torej vir elektronov. Omenjeno sredstvo je v tem primeru voda (H ₂ O).

Z odvzemom vodika (H) iz vode se kisik (O ₂ ) sprosti kot odpadni produkt. Voda v rastlino vstopa iz zemlje skozi korenine. V primeru alg in cianobakterij prihaja iz vodnega okolja.

Ves molekulski kisik (O ₂ ), ki nastane med fotosintezo, prihaja iz vode, uporabljene v postopku. Pri fotosintezi se porablja CO ₂ , sončna energija in voda (H ₂ O), sprošča se kisik (O ₂ ).

-Atmosferska stopnja povratka

O _2, ustvarjen pri fotosintezi, se v primeru rastlin izloči v ozračje skozi stomete. Alge in cianobakterije jih vračajo v okolje z membransko difuzijo. Podobno procesi vračajo dihalni kisik v ozračje kot ogljikov dioksid (CO ₂ ).

-Respiratorna faza

Žive organizme morajo za opravljanje svojih življenjskih funkcij učinkovito izkoristiti kemično energijo, nastalo s fotosintezo. Ta energija se v primeru rastlin hrani v obliki zapletenih molekul ogljikovih hidratov (sladkorjev). Preostali organizmi ga pridobivajo iz prehrane

Postopek, s katerim živa bitja odpirajo kemične spojine, da sprostijo potrebno energijo, imenujemo dihanje. Ta proces poteka v celicah in ima dve fazi; en aerobni in en anaerobni.

Aerobno dihanje poteka v mitohondrijih pri rastlinah in živalih. Pri bakterijah se izvaja v citoplazmi, saj jim primanjkuje mitohondrijev.

Temeljni element za dihanje je kisik kot oksidacijsko sredstvo. Pri dihanju se porablja kisik (O ₂ ) in sprošča se CO ₂ in voda (H ₂ O), kar ustvarja koristno energijo.

CO ₂ in voda (vodna para) se skozi rastline sproščajo v rastlinah. CO ₂ se pri živalih sprošča skozi nosnice in / ali usta, voda pa skozi potenje. V algah in bakterijah se CO ₂ sprošča z membransko difuzijo.

Fotorespiracija

V rastlinah se ob prisotnosti svetlobe razvije proces, ki porabi kisik in energijo, imenovan fotorespiracija. Fotorespiracija narašča z naraščajočo temperaturo, zaradi povečanja koncentracije CO ₂ glede na koncentracijo O ₂ .

Fotorespiracija vzpostavi negativno energijsko ravnovesje za rastlino. Porabi O ₂ in kemično energijo (nastaja s fotosintezo) in sprošča CO ₂ . Zato so razvili evolucijske mehanizme za boj proti njej (presnove C4 in CAN).

Pomen

Danes je velika večina življenja aerobna. Brez kroženja O ₂ v planetarnem sistemu bi bilo življenje, kakršno poznamo danes, nemogoče.

Poleg tega kisik predstavlja pomemben delež zemeljskih zračnih mas. Zato prispeva k atmosferskim pojavom, ki so z njim povezani, in njegovim posledicam: erozivnim vplivom, uravnavanju podnebja, med drugim.

Neposredno ustvarja oksidacijske procese v tleh, vulkanskih plinih in na umetnih kovinskih strukturah.

Kisik je element z visoko oksidacijsko sposobnostjo. Čeprav so molekule kisika zelo stabilne zaradi dejstva, da tvorijo dvojno vez, saj ima kisik visoko elektronegativnost (sposobnost privlačenja elektronov), ima visoko reaktivno sposobnost. Zaradi visoke elektronegativnosti kisik sodeluje v mnogih oksidacijskih reakcijah.

Spremembe

Velika večina zgorevalnih procesov, ki se pojavljajo v naravi, zahteva sodelovanje kisika. Podobno velja tudi za tiste, ki jih ustvari človek. Ti procesi izpolnjujejo tako pozitivne kot negativne funkcije v antropičnem smislu.

Izgorevanje fosilnih goriv (premog, nafta, plin) prispeva k gospodarskemu razvoju, hkrati pa predstavlja resen problem zaradi njegovega prispevka k globalnemu segrevanju.

Veliki gozdni požari vplivajo na biotsko raznovrstnost, čeprav so v nekaterih primerih del naravnih procesov v določenih ekosistemih.

Učinek tople grede

Ozonska plast (O ₃ ) v stratosferi je zaščitni ščit atmosfere pred vdorom presežka ultravijoličnega sevanja. To visoko energijsko sevanje poveča segrevanje Zemlje.

Po drugi strani je zelo mutagena in škodljiva za živa tkiva. Pri ljudeh in drugih živalih je rakotvoren.

Emisija različnih plinov povzroči uničenje ozonske plasti in zato olajša vstop ultravijoličnega sevanja. Nekateri od teh plinov so klorofluoroogljikovodiki, hidroklorofluoroogljikovodiki, etil bromid, dušikovi oksidi iz gnojil in haloni.

Reference

1. Anbar AD, Y Duan, TW Lyons, GL Arnold, B Kendall, RA Creaser, AJ Kaufman, WG Gordon, S Clinton, J Garvin in R Buick (2007) Whiff of kisik pred velikim dogodkom oksidacije? Znanost 317: 1903–1906.
2. Bekker A, HD Holland, PL Wang, D Rumble, HJ Stein, JL Hannah, LL Coetzee in NJ Beukes. (2004) Ob dvigu atmosferskega kisika. Narava 427: 117–120.
3. Farquhar J in DT Johnston. (2008) Cikel kisika zemeljskih planetov: vpogled v predelavo in zgodovino kisika v površinskih okoljih. Recenzije iz mineralogije in geokemije 68: 463–492.
4. Keeling RF (1995) Cikel v atmosferskem kisiku: Dopolnjujejo se izotopi kisika atmosferskega CO ₂ in O ₂ in Ofi / O ₂ / N ₂ iz geofizike. ZDA: Nacionalno poročilo Mednarodne zveze za geodezijo in geofiziko 1991-1994. pp 1253-1262.
5. Purves WK, D Sadava, GH Orians in HC Heller (2003) Life. Znanost o biologiji. 6. edt. Sinauer Associates, Inc. in WH Freeman in Company. 1044 str.