Anorganické Látky v Ekosystému: Uhlík

Uhlík (chemická značka C) je chemický prvek, který tvoří základní stavební kámen všech organických sloučenin, a tím i všech živých organismů na této planetě. Je jednou z nejdůležitějších křižovatek neživého a živého světa. Prostřednictvím fotosyntézy se anorganický uhlík stává součástí organických molekul uhlovodíků, které jsou základní kostrou všech organických sloučenin.

Výskyt Uhlíku na Zemi

Uhlík se na Zemi vyskytuje v různých formách, a to jak ve formě volného prvku, tak ve sloučeninách. V čisté podobě se vyskytuje jako grafit a diamant.

• Grafit: Poměrně rozšířený nerost, vyskytující se v přeměněných sedimentovaných horninách.
• Diamant: Krystalizuje v soustavě krychlové a je nejtvrdším a velmi cenným přírodním nerostem.

Uhlík je také často vázaný ve sloučeninách, jako jsou uhlovodíky (ropa), uhličitany, oxid uhličitý a metan.

Globální Cyklus Uhlíku

Koloběh uhlíku je pro biosféru zásadní, neboť je neoddělitelně spjat s podnebím, koloběhem vody a živin a s produkcí biomasy na souši i v oceánech. Správné pochopení globálního koloběhu uhlíku je proto zásadní pro porozumění historii naší planety, její osídlení lidmi a hlavně pro předpověď a usměrňování společné budoucnosti prostředí i člověka.

Hlavní rezervoáry uhlíku na Zemi:

Čtěte také: Zdroje anorganických látek v ovzduší

• Atmosféra
• Oceán
• Půda
• Litosféra

Pro cyklus uhlíku je charakteristický významný přenos mezi suchozemskými ekosystémy a oceány na jedné straně a atmosférou na straně druhé. Uhlík v suchozemských ekosystémech je nahromaděn v opadu a jiných zbytcích rostlin a živočichů, v biomase mikroorganizmů, a hlavně v půdě.

Největším zásobníkem uhlíku na Zemi je litosféra. Množství uhlíku v zemské kůře ve formě prvku se odhaduje na 20 milionů Pg, což je o několik řádů víc než v ostatních rezervoárech dohromady. Přesto je to jen asi čtvrtina veškerého uhlíku - tři čtvrtiny jsou vázány v uhličitanech. Ve srovnání s jinými toky uhlíku v globálním systému je však přenos mezi litosférou a ostatními složkami prostředí poměrně malý.

Uhlík v Půdě a Jeho Zdroje

Půdy obsahují celkově obrovské množství organického uhlíku (1100-2400 Pg) i uhlíku vázaného v anorganických látkách, zejména v uhličitanech (zhruba 700 Pg). Bez ohledu na rozdíly v odhadech jde o množství přesahující množství uhlíku v biomase rostlin a živočichů i v atmosféře dohromady.

Primárním zdrojem půdní organické hmoty jsou různé části rostlin včetně kořenů a metabolity. Menší množství organických látek se do půdy dostává spadem a splachem. Hlavním sekundárním zdrojem organické hmoty jsou živočichové.

V zemědělských ekosystémech se úbytek organické hmoty vyrovnává organickými hnojivy - chlévským hnojem, komposty, zbytky rostlin apod. Příznivě působí také pěstování rostlin s velkým množstvím posklizňových zbytků bohatých na dusík, například jetelovin.

Čtěte také: Anorganické emise: hrozba pro životní prostředí

Rozklad Organických Látek a Tvorba Humusu

Rychlost degradace organických látek je různá. Nejsnadněji se rozkládají jednodušší cukry a škrob, hůře bílkoviny, ještě obtížněji hemicelulózy a celulóza, velmi těžko tuky a vosky a nejobtížněji lignin. V dobře provzdušněné půdě se většina kyslíku spotřebuje enzymatickou oxidací.

Při rozkladu organických látek v půdě nedojde k jejich stoprocentní mineralizaci, mnoho meziproduktů je v půdním prostředí ihned znovu využito. Částečnému rozkladu nicméně nakonec podléhají i odolné organické látky typu ligninu.

Vedle humusu vzniká při rozkladu a humifikaci oxid uhličitý. Podle hmotnosti je dokonce hlavním produktem. Relativní obohacování humusových látek o dusík zároveň znamená relativní ochuzování o uhlík (uvolněný hlavně jako CO2).

Oxid uhličitý je klíčovou sloučeninou koloběhu uhlíku v biosféře. Nejprve je odčerpán fotosyntézou z atmosféry a fixován v biomase. Odtud se buď vrací zpět do atmosféry, nebo se dočasně (byť na dlouhou dobu) váže v humusu. Ten se však posléze také rozkládá a vzniklý CO2 doplňuje zásobu uhlíku v atmosféře.

Kromě CO2 mohou při rozkladu organických látek bez přístupu kyslíku vznikat i další uhlíkaté plyny, zejména metan a sirouhlík. Metan hraje důležitou úlohu v atmosféře jako jeden z hlavních skleníkových plynů.

Čtěte také: Anorganická chemie - základy

Mikroorganizmy - Hlavní Hybatelé Cyklu Uhlíku

Půdní organická hmota a odumřelá biomasa jsou zdrojem energie a uhlíku pro mikroorganizmy (bakterie, mikromycety, archea). Pokud se do půdy dostane rozložitelná organická hmota, velmi rychle se zvýší produkce CO2 a klesne koncentrace O2 v okolí.

Část uvolňovaného uhlíku je zabudována do biomasy mikroorganizmů, zatímco část organické hmoty slouží jako zdroj energie pro růst. Mikromycety jsou nejefektivnější - využijí 30-40 % metabolizovaného uhlíku na tvorbu biomasy, aerobní bakterie v průměru 5-20 % a anaerobní mikroorganizmy pouze 2-5 %.

V půdě ovšem vedle mikroorganizmů žijí i půdní živočichové a jsou zde kořeny rostlin. Jejich dýchání významně přispívá k tvorbě a emisím CO2 z půd.

Vliv Lidské Činnosti

Ovlivňování globálního cyklu uhlíku člověkem probíhá již tisíce let. Člověk na něj působí zemědělskou činností, lesnictvím, průmyslovou a energetickou výrobou a dopravou. Obděláváním půdy „otevřel“ cyklus uhlíku tak, že intenzivně využívané půdy mohou být čistým zdrojem skleníkových plynů. Z půdy se více uhlíku uvolňuje, než se ho do ní ukládá.

Veškeré antropogenní emise CO2 dnes činí asi 8-9 Pg uhlíku za rok, avšak nárůst CO2 v atmosféře odpovídá množství pouze 3,2-3,5 Pg uhlíku. Zbytek, vlastně víc než polovina emitovaného CO2, se ukládá v suchozemských a vodních ekosystémech a většina uhlíku skončí v oceánech jako uhličitany a hydrogenuhličitany.

Na zvýšení koncentrací skleníkových plynů se zcela jistě podílejí těžba a využívání fosilních paliv, skládky odpadů, ale také zemědělství, zejména chov dobytka a pěstování rýže.

Izotopy Uhlíku

Uhlík se na Zemi nachází ve formě 7 izotopů, z nichž dva jsou stabilní (¹²C a ¹³C) a ostatní radioaktivní (¹⁰C, ¹¹C, ¹⁴C, ¹⁵C a ¹⁶C). Kromě stabilních izotopů má větší význam pouze uhlík ¹⁴C.

Oxid uhličitý v ovzduší obsahuje kromě izotopů ¹²C a ¹³C i malé množství izotopu ¹⁴C, který se nepřetržitě tvoří v horních vrstvách atmosféry. Rostliny přijímají oxid uhličitý z atmosféry, a tak se izotop ¹⁴C dostává do potravního řetězce a do biomasy. Po smrti se dynamická výměna izotopů uhlíku zastaví a obsah ¹⁴C v odumřelé biomase exponenciálně klesá. Tento jev je základem metody určování stáří biologických materiálů.

Pro detailní studium cyklu a přeměn uhlíku se využívá frakcionace izotopů uhlíku ¹³C a ¹²C. Při fyzikálních, chemických a biologických procesech často hraje roli atomová či molekulová hmotnost zúčastněných molekul. Výsledkem je posun v izotopovém složení sloučenin, respektive relativní obohacení nebo ochuzení o izotop uhlíku ¹³C.

Toky Uhlíku

Toky uhlíku mezi jednotlivými zásobníky se dají dělit podle různých hledisek, ale nám se bude hodit dělení na pomalé a rychlé toky. Vynecháme pomalé toky, které zahrnují horninové pochody - vznik vápence a procesy související s pohybem pevninských desek. Pro cyklus uhlíku je charakteristický významný přenos mezi suchozemskými ekosystémy a oceány na jedné straně a atmosférou na straně druhé.

Fotosyntézu provádějí zejména řasy/rostliny. Využívá (spotřebovává) se při ní oxid uhličitý a voda. Za účasti světla vznikají organické látky bohaté na energii a kyslík. Fotosyntéza tedy vede k odstraňování uhlíku z atmosféry a jeho ukládání do organické hmoty. Podle současných odhadů odstraňuje fotosyntéza z atmosféry 120 Pg C/rok.

Rostliny vypouštějí CO2 zpět do atmosféry při dýchání. Kromě odumírání celých rostlin dochází každým rokem také k opadu listů, kořenů a větví. Tím dochází k přesunu organické hmoty směrem od rostlin do půdy. Rozklad organických látek a tvorba humusu je proces, při kterém se uvolňuje oxid uhličitý. Oxid uhličitý je klíčovou sloučeninou koloběhu uhlíku v biosféře. Nejprve je odčerpán fotosyntézou z atmosféry a fixován v biomase. Odtud se buď vrací zpět do atmosféry, nebo se dočasně váže v humusu.

V některých suchozemských ekosystémech je mineralizace organických látek zpomalena, organická hmota se zde hromadí. Typickým příkladem jsou mokřady a jiné ekosystémy s nedostatkem kyslíku. Kromě CO2 mohou při rozkladu organických látek bez přístupu kyslíku vznikat i další uhlíkaté plyny, zejména metan a sirouhlík.

Alotropické modifikace uhlíku

Uhlík se vyskytuje v mnoha formách, známých jako alotropické modifikace. Mezi nejznámější patří:

• Grafit: Měkký, vrstevnatý materiál s dobrou elektrickou vodivostí.
• Diamant: Extrémně tvrdý krystal s vysokou tepelnou vodivostí.
• Fullereny: Sférické molekuly uhlíku, jako například C60.
• Uhlíkové nanotrubice: Válcovité struktury s nanometrickými rozměry.
• Grafen: Jednovrstvá forma grafitu s výjimečnými vlastnostmi.

Přehled zásob uhlíku a toků v ekosystému

tags: #anorganické #látky #v #ekosystému #uhlík

Oblíbené příspěvky:

• Charakteristika a význam ovocného sadu
• Průvodce výběrem odpadkových košů
• Proč mizí velké cruisery?
• Vše o zkoušce těsnosti odpadu
• Průvodce ekologickými farmami