Cicluri Biogeochimice Globale

Ciclul biogeochimic al unui element reprezintă etapele de transformare, fizică şi chimică, şi de transfer dintr-un înveliş geografic în altul prin intermediul organismelor vii.

Activitatea biochimică a sistemelor vii se manifestă, în linii mari, prin realizarea, în raport cu mediul, a două funcţii esenţiale: concentrarea (acumularea) şi dispersarea selectivă a elementelor.

Acumularea atomilor în organisme este, în general, independentă de proporţia acestora în mediul extern, ca un rezultat al perfecţionării selective a metabolismului de-a lungul evoluţiei. Carbonul, azotul, fosforul realizează concentraţii mult mai mari în substanţa vie decât în mediul înconjurător.

Acumularea de către organisme a unor elemente este uneori proporţională cu conţinutul lor în mediu, fenomenul având caracter de adaptabilitate, bine fixat genetic, care conferă speciilor respective avantaje competitive. Astfel, în unele medii organismele concentrează elemente rare: algele brune – iod, brom, potasiu, până la 18-20% din cenuşă; lichenii – cupru; lintiţa (Lemna trisluca) – mangan; plantele halofile (Salicornia herbacea) acumulează până la 10.1% ioni de Na+, Cl-, SO42-; cele calcifile (Saxigrafa aizoon) acumulează şi secretă ioni de Ca2+, iar animalele marine inferioare realizează o compoziţie chimică generală similară cu cea a mediului extern.

Acumularea biogeochimică realizată de organisme în diferite perioade geologice a avut ca efect formarea depozitelor sedimentare, terestre sau marine, a unor zăcăminte minerale.

Zăcămintele de petrol şi gaze naturale s-au format din material organică transformată, prin activitatea organismelor, în hidrocarburi. Fosforitele s-au constituit din depunerile marine ale fito- şi zooplanctonului în proterozoic şi cambrian. Guanoul provine din dejecţiile unor populaţii de păsări, iar salpetrul prin acumularea unor resturi organice atât pe continent, cât şi în bazine oceanice.

Efectul acumulării biogeochimice actuale devine evident în cazul unor metale grele sau substanţe toxice, a căror concentrare de-a lungul lanţurilor trofice poate deveni periculoasă pentru consumatorii de ordin superior, inclusiv pentru om.

Dispersarea în mediu a elementelor este, în general, o funcţie dependentă de organismele mobile; acestea vehiculează la distanţe variabile de la locul absorbţiei atomii pe care îi pun în libertate în urma proceselor de excreţie sau după moarte prin descompunerea substanţelor care le alcătuiesc. Păsările migratoare transportă la mii de kilometri elementele chimice.

Prin activitatea metabolică sau descompunerea cadavrelor, biosfera împrăştie în atmosferă şi hidrosferă cantităţi importante de gaze, estimându-se că 95-97% din substanţa vie se transformă, după moarte, în gaze (Vernadski, 1934). Oxigenul atmosferic este, aproape în exclusivitate, rezultat din fotosinteză. Concentraţiile de azot, dioxid de carbon se menţin constante ca urmare a activităţii biosferei; această activitate asigură nu numai absorbţia elementelor respective, ci şi revenirea lor în atmosferă.

Sub aspect cantitativ, materia vie constituie biomasa estimată la 2 429 x 109 tone global, ceea ce reprezintă numai 0.001% din masa crustei terestre.4 Biomasa este formată din fitomasă şi zoomasă. Cea mai mare pondere o are fitomasa pe uscat (circa 99% din biomasa totală), iar în ocean, ponderea acesteia este sub 50%. În sistemele vii, elementele chimice participă la realizarea structurilor, a reacţiilor chimice şi la ciclurile biogeochimice, în mod diferit în funcţie de proprietăţile lor. Astfel, carbonul are o viteză mai mare de circulaţie decât azotul, fosforul şi sulful, elemente care participă la formarea acizilor nucleici, proteinelor.

În organisme, au fost identificate circa 50 de elemente chimice, diferenţiate prin participarea lor relativă la formarea substanţelor organice. Categoria cea mai importantă o reprezintă macroelementele, care contribuie cu peste 99%, fapt pentru care sunt cunoscute şi sub denumirea de elemente biogene, fiind reprezentate de: carbon, hidrogen, oxigen, azot, fosfor, sulf. Acestora li se adaugă microelementele (Na, Ca, Fe, Al, Mg etc.) şi ultramicroelementele (As, Mo, Se etc.) importante mai ales sub raport calitativ, funcţional.

Fiecare dintre elementele chimice se înglobează într-un ciclu biogeochimic specific, dar în continuare ne vom referi la circulaţia celor din prima categorie.

CICLUL CARBONULUI

Circulaţia carbonului este strâns legată de activitatea energetică a biosferei, reducerea lui chimică la compuşii organici constituind modul principal de înmagazinare şi transfer ale energiei de către sistemele vii.

Ciclul biogeochimic al carbonului relevă faptul că cea mai mare parte (95%) din acest element se află depozitat în litosferă, sub formă de carbonat de calciu şi alţi carbonaţi (fig.1), deci într-o formă mai puţin accesibilă.

Producătorii primari consumă anual aproximativ 105 miliarde tone de dioxid de carbon, din care 32 miliarde tone (aproximativ 30%) se reîntorc relativ repede în atmosferă datorită respiraţiei aceloraşi organisme. Cea mai mare contribuţie la reîntoarcerea dioxidului de carbon în atmosferă o au celelalte categorii de organisme, care elimină anual în atmosferă circa 73 miliarde tone.

Fig.1. Ciclul biogeochimic al carbonului

Dioxidul de carbon circulat prin organismele vegetale şi animale reprezintă circa 0.2-0.3% din totalul uşor accesibil. Un calcul simplu demonstrează faptul că în actualul echilibru al ecosferei, punerea în circulaţie a întregului fond de rezervă a carbonului accesibil vieţii necesită între 300 şi 500 de ani. Acest echilibru multimilenar este astăzi în pericol de a fi tulburat prin arderea în cantităţi tot mai mari a cărbunelui, a petrolului, lemnului etc.

Ricklefs (1974) apreciază că, în momentul de faţă, prin consumarea combustibililor fosili, se elimină în atmosferă o cantitate de CO2 echivalentă cu 2% din actualul fond de schimb al carbonului pe Terra, ceea ce depăşeşte cu 1.70-1.75% cantitatea de CO2 consumată anual în fotosinteză de vegetaţie. Prin acţiunile sale, omul a amorsat un proces de acumulare a dioxidului de carbon în atmosferă, ale cărui urmări în viitor vor produce dereglări majore.

Din ecuaţia generală a fotosintezei şi a respiraţiei rezultă faptul că împlinirea ciclului biogeochimic al carbonului este intercondiţionată de desfăşurarea sincronică a ciclului biogeochimic al oxigenului şi al apei (fig.2).