الأربعاء، 16 نوفمبر 2016

أهمية الدورات البيوجيوكيميائية

أهمية الدورات البيوجيوكيميائية
نستنتج من الدورات البيوجيوكيميائية للعناصر أن المواد داخل النظام البيئي محدودة، ويعاد استخدامها وتدويرها باستمرار وذلك عكس عملية سريان الطاقة. وعلى هذا الأساس فإننا نعد النظام البيئي بالنسبة لحركة المواد فيه نظاماً مغلقاً، إذ تتم إعادة تدوير المواد لتستخدم مرات ومرات ومرات.
وبما أن المواد على سطح الأرض محدودة، لذا يجب علينا عند استغلالها أن نستخدمها بطريقة عقلانية رشيدة بحيث يعاد تدويرها باستمرار. فإذا لم نحسن استخدامها فإن هذا يؤدي إلى أن تصبح الدورات غير متزنة (أي لا يعاد تدويرها) الأمر الذي يؤدي إلى تراكمها، وتسمى عندئذ مواد ملوثة، وهذا ينطبق على كل عنصر أو مادة.
وبشكل عام: ماذا يمكن أن نستفيده من دراستنا للدورات البيوجيوكيميائية للعناصر ما يأتي:
1-      معرفة المستودعات التي يختزن فيها العنصر.
2-      معرفة العمليات التي تربط بين المستودعات.
3-      معرفة المسارات التي يتبعها العنصر في حركته من مستودع إلى آخر.
4-      التنبؤ بمعدل حركة العنصر في الدورة.
5-      التنبؤ بعملية دخول العنصر إلى الدورة أو فقدانه.
6-      معرفة الأشكال التي يوجد فيها العنصر.
سؤال
اذكر فوائد أخرى لدراسة دورات العناصر في الطبيعة.

الأسئلة
1-      اذكر مصادر غاز ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي.
2- وضّح أهمية بكتيريا النترتة في تزويد النبات بما يحتاجه من نتروجين.
3- علّل كلاً مما يأتي:
أ‌-       زيادة خصوبة تربة زراعية زرعت بالفول.
ب‌-     تزايد نسبة غاز ثاني أكسيد الكربون في الجو.
ج- النباتات مصانع تزود الهواء الجوي بالأكسجين.
د- للطحالب البحرية العوالق النباتية دور كبير في تزويد الجو بالأكسجين وتزويد الحيوانات البحرية بالغذاء.
هـ- النباتات أكبر مطابخ للطعام على سطح الأرض.
4-ارسم شكلاً تخطيطياً يوضح دورة الأكسجين وثاني أكسيد الكربون في الطبيعة.
5-صف ما يحدث لنسبة غاز (CO2) في الغلاف الجوي في الحالتين التاليتين:
أ‌-       الزيادة في التشجير (اتساع في المساحة الخضراء).
ب‌-     احتراق واسع للغابات.
ثم وضح أثر ذلك في:
1)      كمية الكربون التي تختزن في الرسوبيات.
2)      حالة التوازن بين إنتاج الأوكسجين واستهلاكه.
6-وضّح دور كل من الآتية في دورة النتروجين:
أ- بكتيريا عكس النترتة            ب- بكتيريا التحلل        ج- بكتيريا النترتة
د- البرق          هـ- صناعة الأسمدة النتروجينية    و- بناء البروتين في النبات.
ز- تغذي الإنسان على النبات.
7-      بيّن –بإعطاء أمثلة- أن هناك أكثر من الدورة غير مكتملة للعناصر التالية (N, O, C).
8-      وضح حالة يمكن أن تجعل من الدورة غير مكتملة للعناصر التالية:-
أ- دورة الأكسجين     ب-دورة الكربون         دورة النتروجين.
9-      هناك ارتباط وثيق بين دورات العناصر. ناقش هذا الارتباط بين دورتي الكربون والكسجين ودورتي النتروجين والكسجين موضحاً: المستودعات والعمليات المشتركة بينهما.
10-    إن نشاطات الإنسان وبخاصة في القرن الأخير، لها تأثير كبير على دورات العناصر في الطبيعة، وضح هذا التأثير على دورات العناصر (N, O, C) مبيناً المخاطر البيئية التي يمكن أن تنتج عنها، ثم اقترح طريقة للحدّ من هذه المخاطر.




دورة النتروجين
النتروجين عنصر أساسي في تركيب البروتينات التي هي من مركبات أساسية في بروتوبلازم الكائنات الحية. ويوجد في الغلاف الجوي بنسبة 78% من حجم الهواء (76% كتلة) بشكل حر (N2). كما أنه يوجد في التربة على شكل أملاح النترات (NO-3)، وأملاح الأمونيوم (NH+4)،وفي الغلاف الصخري في صخور تشيلي على شكل (NO-3)، وفي الغلاف المائي على شكل (NO-3).
تعد دورة النتروجين الموضحة في الشكل (3-4) أكثر تعقيداً من دورتي الأكسجين والكربون، فهو لا يدخل في عمليتي التنفس، والبناء الضوئي، إذ لا تستطيع الكائنات الحية (المنتجات والمستهلكات) الإفادة منه بشكل حر إلا إذا كان
الشكل (3-4): دورة النتروجين.
على شكل مركبات النترات أو مركبات الأمونيوم الذائبة في الماء. والسبب في ذلك هو ان جزيء النتروجين يعد غير فاعلاً كيميائياً لاحتوائه على ثلاث روابط (N≡N). ومثل هذت الروابط الثلاث لا تسمح للنتروجين بالاتحاد مع عنصر آخر بسهولة إلا إذا استخدمت طاقة كبيرة لتحطيم هذه الروابط أولاً. ولكن بعض أنواع البكتيريا تتمكن من ذلك وتسمى عملية تحويل النتروجين الحر إلى مركبات النتروجين (أملاح النترات وأملاح الأمونيوم وبكميات قليلة من الأمونيا) بتثبيت النتروجين. ويتم تثبيت النتروجين بالطرائق الآتية:
1- طرائق طبيعية
وهذه تتم بطرائق حيوية وكيميائية هي:
أ‌-       التثبيت الجوي: وتتم بواسطة:
1.      كائنات حية دقيقة تعيش تكافلية مع بعض أنواع النباتات مثل البقوليات التي تتكافل جذورها مع بكتيريا الرايزوبيوم إذ تقوم بتحويل غاز النتروجين الخامل نسبياً إلى نترات تقدمه إلى النباتات الخضراء ليقوم بامتصاصها.
2.      كائنات حية دقيقة تعيش حرة مثل البكتيريا الخضراء المزرقة تعمل عمل الأولى ولكن بفاعلية أقل.
ب‌-     التثبيت الجوي: تحدث هذه العملية بسبب حدوث البرق في الغلاف الجوي، فيتفاعل الأكسجين مع النتروجين الحر بفعل الطاقة الهائلة وتتكون أكاسيد نتروجينية تتحول إلى النترات التي تسقط مع مياه الأمطار على سطح الأرض.
2- الطرائق الناتجة عن النشاطات البشرية
وهذه تشمل تصنيع الأسمدة النتروجينية؛ إذ يتم تحويل النتروجين إلى مركبات كيميائية يسهل امتصاصها من قبل النباتات، بالإضافة إلى عمليات احتراق الوقود الحفوري والذي يؤدي إلى  تلوث الهواء بأكاسيد النتروجين.
سؤال
على أي شكل (أو أشكال) غالباً ما يوجد النتروجين في الأسمدة الكيميائية؟
يعد تثبيت النتروجين مرحلة من مراحل دورته، التي تتضمن سلسلةمن التفاعلات الكيميائية بدءاً من النتروجين وانتهاءاً بالبروتين كما يأتي:
شكل

احسب عدد التأكسد للنتروجين (NO-3, NO-2, NH3, N2)، ماذا تلاحظ؟
لاحظ من السلسلة أنه في كل خطوة سواء أكانت من اليسار إلى اليمين، أم من اليمين إلى اليسار، تحتاج العملية إلى كائن حي دقيق كالبكتيريا لإتمام الخطوة، ففي الخطوة الأولى التي يتحول فيها النتروجين الحر إلى أمونيا تحتاج العملية إلى بكتيريا الأوزباكتر وإلى بذل طاقة، وتسمى هذه العملية تثبيت الأمونيا (Ammonification). وفي الخطوة الثانية تتأكسد الأمونيا (في وسط يتوفر فيه الأكسجين) إلى نتريت وبعد ذلك يتأكسد النتريت إلى نترات، وتسمى هذه العملية بالنترتة (Nitrification). لاحظ أن هذه الخطوات تعد جزءاً من دورة الأكسجين.
وتبدأ دورة النتروجين بامتصاص النباتات مادة النترات وبواسطة أنزيمات خاصة تصنع الحموض الأمينية والبروتينات، وتسمى هذه العملية بالبناء. والبروتينات تختزن في أحد الأماكن التالية:
1-      تختزن كبروتينات وحموض نووية في خلايا النبات.
2-      تختزن كبروتينات في خلايا الحيوانات بعدتغذيها على البروتينات النباتية.
سؤال
انقل سلسلة تفاعلات النتروجين على دفترك وارسم سهماً أسفلها يبين كيف تزداد الطاقة، وسهماً آخر في أعلاها يبين كيف يزداد الثبات والخمول الكيميائي.
وبعدموت الكائنات الحية (المنتجات والمستهلكات) تنتهي البروتينات بتحللها إلى أمونيا، كما تتحلل في أثناء حياة الحيوانات إلى اليوريا ومنتجات إخراجية أخرى، وهذه بدورها تتحلّل منتجة المونيا فالنتروجين، وتتحرر في كل خطوة كمية من الطاقة.
تستكمل دورة النتروجين بعودة النتروجين إلى صيغته الجزيئية (N2) بفعل تأثير البكتيريا ومنها بكتيريا بسيدوموناس (وهي بكتيريا لا هوائية)، وتسمى هذه العملية بعملية انتزاع النتروجين أو عكس النترتة (Denitrification) وهي عكس عملية تثبيت النتروجين.
ومن الممكن أن لا تصل دورة النتروجين إلى مرحلة بناء البروتينات، وذلك إذا كان الوسط لا يتوفر فيه الأكسجين، ففي هذه الحالة تختزل مادة النترات بواسطة بكتيريا بسيدوموناس إلى نتريت ومن ثم إلى غاز النتروجين، وبذلك تُستكمل الدورة.

ويمكن أن يتبع النتروجين مساراً أطول أوان بفقد من الدورة، والسبب في ذلك هو أن ماجة النترات قابلة للذوبان في الماء. فمثلاً يمكن أن يحصل غسل التربة بمياه الأمطار فيتم نقل النترات إلى المياه الجوفية والمياه السطحية، ويمكن أن تنقل إلى البحار. ففي حالة البحار مثلاً؛ إذا لم يتم امتصاص النترات من قبل العوالق وغيرها فإنها ستفقد تدريجياً وتكوّن صخور تشيلي. إذا تعرضت هذه الصخور إلى عمليات الرفع ومن ثم عمليات التجوية يؤدي ذلك إلى عودة جزء من النتروجين إلى الدورة من جديد بوساطة بكتيريا عكس النترتة.
سؤال
اذكر طرقاً أخرى يمكن أن تؤدي إلى فقدان النتروجين من الدورة.
مما سبق يتضح لنا: أن دورة النتروجين في النظام البيئي تتطلب توازناً لعمل عدة أنواع من البكتيريا، فإذا انعدمت مصادر النترات فلا يمكن للنباتات أن تنتج البروتينات وبالتالي لا يمكن بناء DNA و RNA، لذلك فلقد أشارت تقارير كثيرة أنه يمكنه للحياة أن تتلاشى على الأرض باندثار عشرة أنواع من البكتيريا التي تدخل في دورة النتروجين.
بحث مكتبي
هناك دورات العناصر في البيئة تدعى بالدورات الرسوبية، لأن المواد المكونة لها تنتهي داخل الصخور الرسوبية ومنها دورة الكبريت، ودورة الفسفور وغيرها. وتعد هذه الدورات غير مكتملة لأن العناصر تخرج ببطء من الصخور وبالتالي يصعب استنزاف الدورة، بينما تدور الدورات الغازية (مثل الكربون والأكسجين) بسهولة فهي أكثر اكتمالاً.ودورات العناصر الرسوبية تؤكد على العلاقات المترابطة بين المكونات الحية وغير الحية للنظام البيئي. اكتب بحثاً حول دورتي الكبريت والفسفور.

ليست هناك تعليقات:

إرسال تعليق