Aineringed

iDevice ikoon Teema 12
 
 
 
 
 
 
 
 
 
ineringed
 
 
 
 
 
Energia kohta ökosüsteemides võib üldistatult öelda, et see läbib ökosüsteeme, vastavalt termodünaamika seadustele selle kogus jääb samaks aga kvaliteet muutub. Teisiti öeldes, energia saabub Maale päikeselt valgusena ja lahkub maailmaruumi soojusena. Seega, elusorganismide jaoks energia ammendub aga see ei tähenda mitte selle koguse vähenemist vaid kvaliteedi halvenemist (tuleta meelde termodünaamika seadused). Valgust on elusorganismid võimelised energeetiliste vajaduste rahuldamiseks kasutama, soojust aga otseselt mitte (ehkki ka soojusest on kasu).
Aineid Maale juurde ei tule (kui välja arvata meteoriidid jms.) ja ära ka ei lähe (kui välja arvata kosmoseprogrammid). Seega tuleb neid tahes tahtmata korduvalt kasutada.
Üldistatult võime aineringeid kirjeldada nii: taimed panevad lihtsatest anorgaanilistest ainetest kokku keerulised orgaanilised ained, loomad ja lagundajad lõhustavad taimede poolt sünteesitud orgaanilisi aineid jälle lihtsateks anorgaanilisteks. Ja tsükkel kordub. Erinevad ained ringlevad erineva kiirusega. Paljude ainete ringed pole päris tasakaalus. On keemilisi (kivimite porsumine) ja geoloogilisi (vulkanism) protsesse, mis lisavad aineid ringlusesse ning on protsesse, mis neid ringlusest eemaldavad (settimine, orgaanilise aine kuhjumine). Üldjuhul elusorganismidele (eriti taimedele) omastatavad peavad ained olema vees lahustuvad. Suurem osa teie keha kuivmassi moodustavast ainest on olnud mõne teise organismi koosseisus, paljud lausa mitu korda.
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Joonis. Elusorganismidele vajalikud ained. Loe näiteks H. Karik "Hämmastavad ained" 1991.
 
 
Veeringe
 
Veeringe on enamasti seotud Maal toimuvate füüsikaliste protsessidega kuid oma osa on selles ka elusorganismidel.
Aurumine toimub enamjaolt vabalt veepinnalt (enamus siis maailmamerest), mullapinnalt, taimedest ja ka loomadest. Vee aurumine ookeanilt on suurem kui sinna langevate sademete hulk. Maismaal reeglina vastupidi. Ookean saab oma vee pikkamööda maismaalt tagasi põhja- ja pinnavee tagasivooluga (jõed voolavad reeglina merre).
Aurumine on energiat nõudev protsess, vajalik energia tuleb peamiselt päikeselt (aga ka Maa sisesoojuse arvelt). Atmosfääri ülemistes kihtides veeaur kondenseerub õhurõhu vähenemise ja temperatuuri alanemise tõttu (kondenseerumisel teatavasti vabaneb soojus). Kui kondenseerunud osakeste suurus ületab õhu üleslükkejõu poolt ülevalhoitavat, hakkab sadama. Sademete langedes vabaneb teine osa vee potentsiaalsest energiast, mille ta sai aurumisel päikeselt. Osa sellest energiast vabaneb veel veevooluna jõgedes (ka hüdroenergia on päikeseenergia). Osa veest aurub maapinnalt või transpiratsiooni teel taimedest, osa aga filtreerub läbi pinnase, jõuab vett mitteläbilaskvate kivimiteni ja moodustab põhjavee.
Vesi on:
  • fotosünteesi üks lähteaineid
  • hingamise üks produkte
  • üks organismide ehitusmaterjale
  • biokeemiliste protsesside keskkond
  • paljude organismide elukeskkond
  • maa kliima oluline mõjutaja
  • elu „häll"
  • sageli limiteerivaks teguriks maismaaökosüsteemides

 
 
 
 
 
 
Joonis. Veeringe. Loe teksti!
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Süsinikuringe

Elemendina moodustab süsinik suure osa organismide kuivmassist (inimesel 48%). Süsinikuühendid on seotud organismide nii organismide ehituse kui energeetikaga. See on isendile hea lahendus kuna võimaldab metabolismist ülejäänud materjali kasutada kasvuks ja sigimiseks, kui aga süüa vähe, võib kasvu negatiivseks pöörata. Süsiniku varud on peamiselt kivimites (99%) ja setetes, elusorganismidele on süsinik kättesaadav õhust CO2-na (anorgaaniline aine, mis siseneb ringlusesse).
Süsinikuringe on võrrelduna teiste oluliste ainete ringetega ebatavaline sest ei vaja ilmtingimata lagundajate olemasolu. Taimsesse massi seotud süsiniku saavad CO2-ks teha kõik aeroobselt hingavad organismid. Tegelikkuses on lagundajad muidugi esindatud ka süsiniku ringluses, ka neil on süsinikku vaja.

Osa süsinikust võib aktiivsest ringest kõrvalduda. Nii moodustub näiteks turvas ja on tekkinud fossiilsed kütused ja lubjakivi. Talletunud süsinik pääseb kaasajal uuesti ringlusesse tänu inimtegevusele, tänu fossiilsete kütuste põletamisele ja turba kaevandamisele. Suures koguses CO2 vabaneb ka vulkaanipursetel. U. 99% süsinikust ei osale süsinikuringes vaid paikneb maakoore kivimites.

Süsinik on:

  • kõikide orgaaniliste ühendite koostisosa
  • organismidele ehitusmaterjaliks ja energeetiliste protsesside vahendaja 

Peamised elusorganismidega seotud süsinikuringe protsessid on:

  • Süsiniku sidumine (foto- või kemosüntees):
    • CO2 + H2O + energia → (CH2O)n + O2
  • Aeroobne hingamine
    • (CH2O)n + O2 → CO2 + H2O + energia
  • Anaeroobne hingamine
    • (CH2O)n + Xox → CO2 + Xred
    • "Xox" võib olla nitraat (NO3-), sulfaat (SO42-), väävel (S0), rauaioonid (Fe3+)

 

Kui kõik oksüdeerijad (peamiselt O2) on keskkonnas juba kasutatud (redutseeritud), saab ka süsinikku kasutada elektroni aktseptorina (teda redutseerida). Seda kasutavad mõned bakterid (metanogeensed) anaeroobsetes tingimustes (elavad ka kõrgemate loomade, sealhulgas inimeste, soolestikus), moodustub metaan CH4 (nimetatakse ka soogaasiks, biogaasiks, prügilagaasiks). Bakteriaalselt toodetud metaan on viimasel ajal palju kõneainet tekitanud. Nimelt on metaan oluline kasvuhoonegaas, mida vabaneb suurtes kogustes prügilatest (toidujäätmete anorgaanilisel lagunemisel), loomapidamisel (sõnniku anaeroobne lagunemine, loomade kõhugaasid), heitvee puhastusjaamadest jpm. Teisestküljest on metaan põlev gaas ja kasutatav energiatootmisel. Mõnedes prügilates (näiteks Pääsküla) ja põllumajandusettevõtetes (Saarema seakasvatusettevõtetes näiteks) seda energiasaamisviisi juba kasutatakse.
Bioloogiline süsinikuringe on seotud ka hapnikuringe ning veeringega.

 

 

 

 

 

Joonis. Süsinikuringe. Loe teksti!

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Kasvuhooneefekt
Ilma atmosfäärita oleks Maa pinnatemperatuur -18°, sama mis Kuul. Tegelikult on Maa temperatuur keskmiselt +15°. Selle põhjus on atmosfääri olemasolu. Maa atmosfäär käitub kui kasvuhoone, pidurdades pikalainelise soojuskiirguse kadumist maailmaruumi. Maa kasvuhooneefekt on elusorganismidele eluliselt vajalik.
Muret valmistab aga inimtegevuse tõttu atmosfääri paisatavate nn. kasvuhoonegaaside kogused. Peamine probleemne kasvuhoonegaas on CO2, mis eraldub fossiilsete kütuste põlemisel. Suur osa CO2-st tuleb ka metsade hävitamisest (puutüvedesse on seotud väga palju süsinikku), rabade kuivendamisest (kuivendamisel pääseb O2 turbale ligi ja algab kiire turba lagunemine, millest eraldud CO2) ja igikeltsa sulamisest (kaasneb kliima soojenemisega, efekt sarnane rabade kuivendamisega). Ilmselt tuleb süsihappegaasi atmosfääri tunduvalt rohkem, kui taimed jõuavad ära siduda. Enamus looduslikke kooslusi hingab samapalju kui fotosünteesib ja nii pole neist CO2 sidumisel asja. Kasumlikult töötavad vaid kooslused, kus toimub orgaanilise aine talletumine (rabad, kasvav mets) kuid nende koosluste saatus sõltub samuti inimtegevusest, see aga pole just soosiv.

Joonis. Süsihappegaasi ja hapniku atmosfäärse kontsentratsiooni mõõtmised 1970 - 2005. Must joon - Süsihappegaasi kontsentratsioon Mauna Loal, Hawaii's (19°N laiuskraad), tumesinine - süsihappegaasi mõõtmised Uus-Meremaal (41°S). Hapnikukontsentratsioonid: roosa - Kanadas (82°N) ja helesinine Austraalias (41°S). Allikas IPCC raport 2007.

 

 

 

 


Tegelikult on nn. kasvuhoonegaase rohkem. Nimetagem siin veel CFC (kloroflorosüsivesinikud), metaan, veeaur. Nendest viimase hulk inimtegevusest märkimisväärselt ei sõltu. Metaanil ja CFC-del on aga märksa tugevam efekt kui CO2-l. Näiteks CFC-de ühe molekuli efekt võrdub ligikaudu 7000 CO2 efektiga.
Pikemaid ja esinduslikumad CO2 kontsentratsiooni mõõtmised on tehtud Mauna Loa observatooriumis Hawaiil alates 1958. aastast. Igal suvel kontsentratsioon langeb tänu vegetatsiooniperioodile, talviti aga kontsentratsioon tõuseb. Keskmiselt on täheldatav aga kontsentratsiooni pidev peaaegu lineaarne tõus.
Ajaloolise perioodi (enne industrialiseerumist) atmosfääri koostist on uuritud kasutades pooluste igijäässe jäänud õhumulle. Nende andmete põhjal võib näha, et CO2 kontsentratsioonid ajavahemikul 500 aastat eKr. kuni 1880 ei muutunud olles keskeltläbi 260 - 280 ppm (osakest miljoni kohta e. 0,026 - 0,028%).
Kuivõrd see mõjutab Maa kliimat, on veel selgusetu kuid viimase 100 aasta temperatuurivaatlused näitavad, et keskmine temperatuur sellel perioodil on tõusnud ca. 0,5°C.

 

Lämmastikuringe

Vesi koosneb ainult vesinikust ja hapnikust, süsivesikutes ja rasvades sisaldub lisaks süsinik. Kõigis ülejäänud bioloogiliselt tähtsates molekulides, näiteks valgud, nukleiinhapped, klorofüll, esineb olulisel kohal lämmastik. Inimese kuivkaalust moodustab lämmastik 13%, vaid süsinikku (48%) ja hapnikku (24%) on rohkem. Peamiseks lämmastiku anorgaaniliseks varuks õhulämmastik (N2), 78% õhust.
Lämmastik on:

  • oluline element aminohapetes (valkudes)
  • oluline element nukleiinhapetes (DNA, RNA)
  • sageli limiteerivaks teguriks ökosüsteemides
  • oluline bakteriaalses ainevahetuses

 

 

 

 

Joonis. Lämmastikuringe. Loe teksti!

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Lämmastikuringet saab jagada etappideks:

Lämmastiku fikseerimine
Ehkki lämmastikku on palju ja see on kättesaadav kõikjal kus on õhku, on produktsioon sageli limiteeritud just lämmastiku poolt (ka põllumajanduses on lämmastikväetised tähtsaimad). Põhjuseks on lämmastiku äärmine keemiline inertsus (ta ei taha moodustada ühendeid), gaasina teda elusorganismid kasutada ei saa.
Lämmastiku fikseerimiseks nimetatakse õhulämmastiku (N2) redutseerimist ammooniumiooniks (NH4-). Koos äikesega (mis on võimeline valmistama lämmastikoksiide) on see protsess võimaluseks elusorganismidel kasutada tohutuid atmosfääris leiduvaid lämmastikuvarusid. Lämmastiku fikseerimisega saavad hakkama vaid mõned bakteriliigid, kellest osa elavad vabalt (sinikud e. tsüanobakterid), teised on aga mutualistlikes suhetes taimedega. Tuntuim bakteriperekond selles vallas on Rhizobium, keda võib leida paljude liblikõieliste taimede juurtel nn. juuremügarates.
Lämmastiku redutseerimine on energeetiliselt väga kulukas tegevus. Nii kulub bakteritel ühe lämmastikumolekuli sidumiseks 16 ATP-d.

Ammonifikatsioon
Kui organismid eritavad oma lämmastikuainevahetuse jääke (imetajatel uriiniga karbamiid, lindudel ja roomajatel kusihape, kaladel jt. veeorganismidel ammoonium) asuvad nende kallale bakterid ja seened ning valmistavad nendest ammooniumi (NH3). Ammooniumit saavad osad lagundajad kasutada enda lämmastikuvajaduse rahuldamiseks. Suurele osale taimedest sobib ammoonium ka lämmastikuallikaks (aga eelistatakse nitraate).

Nitrifikatsioon
Soojades ja neutraalse mullaga tingimustes lagundajate toimel vabanenud või väetisena kasutatud ammoonium oksüdeeritakse. Seda protsessi kasutavad mõningad bakterid ATP sünteesiks (kemosüntees). Protsess toimub kahes etapis: kõigepealt oksüdeeritakse ammoonium nitritiks (NO2-), seejärel oksüdeerivad teised bakterid nitriti nitraadiks (NO3-). Nende bakterite kooselu võib nimetada ka kommensalismiks, kuna nitraadiks oksüdeerivad bakterid sõltuvad teiste poolt valmistatavast nitritist.
Enamus taimi eelistab lämmastikku nitraadi kujul kuid hakkama saadakse ka ammooniumiga. Happelistes muldades on nitrifikatsioon aeglane ja taimed kasutavad eelistatult ammooniumit.

Denitrifikatsioon
Denitrifikatsioon on protsess, mille käigus redutseeritakse nitraat (NO3-) lämmastikdioksiidiks (NO2), seejärel lämmastikmonooksiidiks (NO) ja viimaks molekulaarseks lämmastikuks (N2). Denitrifikatsiooniga tegelevad teatud anaeroobsed bakterid, kes kasutavad lämmastikuühendeid oma hingamisel elektroni aktseptorina. Aeroobselt hingavad organismid kasutavad selleks otstarbeks teatavasti hapnikku. Seega on tegemist hingavate organismidega, kes saavad ühe glükoosi molekuli lõhustamisel 36 ATP-d kuid kes ei kasuta hingamiseks hapnikku. Selliseid organisme nimetatakse anaeroobseteks hingajateks. Antud juhul on tegemist nitraatsete hingajatega (vaata ka süsinikuringe juures olevat anaeroobse hingamise üldist valemit).

 

Fosforiringe

Fosfor on:

  • oluline komponent nukleiinhapetes (DNA, RNA)
  • oluline komponent rakumembraanides
  • oluline komponent luudes ja hammastes
  • osaline rakusisestes protsessides energiaülekandjana

 

 

 

 

Joonis. Foskoriringe. Loe teksti!

 

 

 

 

 

 

 

 

Erinevalt teistest eelpool käsitletud ainetest puudub fosforil gaasiline faas. Seetõttu ei saa pinnavee äravooluga merre kandunud fosfor kuigi lihtsalt maismaale tagasi. mõningal määral saab seda tagasi näiteks kalatoiduliste loomade väljaheidetega (linnud näiteks), randa uhutud vetikatega jne.
Õnneks sisaldavad paljud kivimid fosforit. Tuntumaid on näiteks apatiit ja fosforiit. Sellele vaatamata on fosfori defitsiit paljudes ökosüsteemides peamine produktsiooni limiteeriv tegur kuna fosfori vabanemine kivimitest on aeglane. Eriti tihti on fosfor limiteerivaks veeökosüsteemides.
Taimedele on fosfor kättesaadav fosfaatioonina PO43-. Organismis jääb fosfor endiselt fosfaadi kujule ja esineb fosfaatrühmana nii nukleiinhapetes kui muudes ainetes. Loomad saavad oma fosfori taimedelt (ikka fosfaadina) ja sealt saavad selle lagundajad. Vabanevaks ühendiks on jälle fosfaat, mida kasutavad taas taimed.
Sageli on fosfori ringe väga kiire ja enamus kättesaadavast fosfaadist on elusorganismide koosseisus. Korra vabanenult võetakse see kiiresti kasutusse taimede poolt.

 

Väävliringe

Väävel on:

  • oluline komponent mitmetes aminohapetes (tsüsteiin, metioniin)
 
 
 
 
Joonis. Väävliringe. Loe teksti!
 
 
 
 
 
 
Väävli anorgaanilised varud on peamiselt maakoores kips (CaSO4) ja püriit (FeS2), veekogudes sulfaat (SO42-), H2S ja S0. Mullas sulfaat, atmosfääris vääveloksiid (SO2), H2S.

Nagu lämmastikulgi, on väävlil mitu oksüdatsiooniastet (valents 2 - 6). Kõige oksüdeeritum vorm on sulfaat (SO42-), kõige redutseeritum sulfiid (S2-). Anaeroobsetes tingimustes saab sulfaati kasutada hingamisel oksüdeerijana (anaeroobne hingamine SO42-→ S2-). Aeroobsed hingajad kasutavad selleks otstarbeks hapnikku. Sulfiidi (S2-) on omakorda võimalik kasutada redutseerijana fotosünteesil (fotoautotroofsed bakterid), taimed kasutavad selleks otstarbeks vett.
Anaeroobsetes tingimustes sõltub sulfiidi (S2-) edasine saatus positiivsete ioonide kättesaadavusest. Sageli moodustub väävelvesinik (divesiniksulfiid H2S). See eraldub mullast või setetest gaasina. Viimane haiseb tugevalt mädamuna moodi ja on väga mürgine. Kui keskkonnas on raua ioone, moodustub sageli raudsulfiid (FeS). H2S on võimalik ka redutseerida ja kasutada selles sisalduvat energiat kemosünteesil.

Creative Commons License
Ökoloogia by Mart Meriste is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial-ShareAlike 3.0 Unported License.

iDevide ikoon Mõtisklus
Vaata veelkord joonist süsihappegaasi ja hapniku kontsentratsioonidega erinevates geograafilistes piirkondades. Millest need väikesed erinevused võivad olla tingitud?
iDevide ikoon Mõtisklus
Loe veelkord lämmastikuringest. Kust tuleb energia nitrifitseerijatele bakteritele?