CICLUL OXIGENULUI: CARACTERISTICI, REZERVOARE ȘI TREPTE - MEDIU INCONJURATOR - 2025

Ciclul de oxigen se referă la mișcarea circulator al oxigenului pe Pământ. Este un ciclu biogeochimic gazos. Oxigenul este al doilea element cel mai abundent din atmosferă după azot, iar al doilea cel mai abundent în hidrosferă după hidrogen. În acest sens, ciclul oxigenului este conectat la ciclul apei.

Mișcarea circulatorie a oxigenului include producerea de dioxigen sau oxigen molecular a doi atomi (O ₂ ). Aceasta se datorează hidrolizei în timpul fotosintezei efectuate de diferitele organisme fotosintetice.

Rezervorul de oxigen: Pădurea norului, Parcul Național Waraira Repano, Venezuela. Arnaldo Noguera Sifontes, de la Wikimedia Commons

O ₂ este utilizat de organisme în respirația celulară vie, generând producerea de dioxid de carbon (CO ₂ ), acesta din urmă fiind una dintre materiile prime pentru procesul de fotosinteză.

Pe de altă parte, în atmosfera superioară, se produce fotoliza (hidroliza activată de energia solară) a vaporilor de apă, cauzată de radiațiile ultraviolete de la soare. Apa descompune eliberarea hidrogenului care se pierde în stratosferă și oxigenul este integrat în atmosferă.

Atunci când o O ₂ interactioneaza molecula cu un atom de oxigen, ozon (O ₃ este produs). Ozonul constituie așa-numitul strat de ozon.

caracteristici

Oxigenul este un element chimic nemetalic. Numărul său atomic este 8, adică are 8 protoni și 8 electroni în starea sa naturală. În condiții normale de temperatură și presiune, este prezent sub formă de gaz dioxigen, incolor și inodor. Formula sa moleculara este O ₂ .

O ₂ include trei izotopi stabili: ¹⁶ O, ¹⁷ O și ¹⁸ O. Forma predominantă în univers este ¹⁶ O. Pe Pământ reprezintă 99,76% din totalul oxigenului. ¹⁸ O reprezintă 0,2%. Forma ¹⁷ O este foarte rară (~ 0,04%).

Origine

Oxigenul este al treilea element cel mai abundent din univers. Producția izotopului ¹⁶ O a început în prima generație de ardere solară a heliului care a avut loc după Big Bang.

Stabilirea ciclului de nucleozinteză carbon-azot-oxigen în generațiile ulterioare de stele a furnizat sursa predominantă de oxigen pe planete.

Temperaturile și presiunile ridicate produc apă (H ₂ O) în Univers, generând reacția hidrogenului cu oxigenul. Apa face parte din machiajul miezului Pământului.

Afectele de magmă emană apă sub formă de aburi și acest lucru intră în ciclul apei. Apa este descompusă prin fotoliză în oxigen și hidrogen prin fotosinteză și prin radiații ultraviolete în nivelurile superioare ale atmosferei.

Atmosfera primitivă

Atmosfera primitivă înainte de evoluția fotosintezei prin cianobacterii a fost anaerobă. Pentru organismele vii adaptate acelei atmosfere, oxigenul era un gaz toxic. Chiar și astăzi, o atmosferă cu oxigen pur provoacă daune ireparabile celulelor.

Fotosinteza își are originea în linia evolutivă a cianobacteriilor de astăzi. Aceasta a început să schimbe compoziția atmosferei Pământului în urmă cu aproximativ 2,3-2,7 miliarde de ani.

Proliferarea organismelor fotosintetizante a schimbat compoziția atmosferei. Viața a evoluat spre adaptarea la o atmosferă aerobă.

Energii care conduc ciclul

Forțele și energiile care acționează pentru a conduce ciclul oxigenului pot fi geotermale, când magma expulzează vaporii de apă, sau pot proveni din energia solară.

Acesta din urmă furnizează energia fundamentală pentru procesul de fotosinteză. Energia chimică sub formă de carbohidrați rezultată din fotosinteză, conduce la rândul său toate procesele vii prin lanțul alimentar. În același mod, Soarele produce încălzirea diferențială planetară și provoacă curenții marini și atmosferici.

Relația cu alte cicluri biogeochimice

Datorită abundenței și a reactivității ridicate, ciclul oxigenului este conectat cu alte cicluri precum CO ₂ , azot (N ₂ ) și ciclul apei (H ₂ O). Acest lucru îi conferă un caracter multiciclic.

Rezervoarele O ₂ și CO ₂ sunt legate prin procese care implică crearea (fotosinteza) și distrugerea (respirația și arderea) materiei organice. Pe termen scurt, aceste reacții de oxidare-reducere sunt sursa majoră de variabilitate a concentrației de O ₂ în atmosferă.

Bacteriile denitrifiante obțin oxigen pentru respirația lor din nitrații din sol, eliberând azot.

rezervoare

Geosferă

Oxigenul este una dintre componentele principale ale silicatelor. Prin urmare, constituie o fracțiune semnificativă din mantia și crusta Pământului.

• Nucleul Pământului : în mantaua exterioară lichidă a miezului Pământului există, pe lângă fier, și alte elemente, inclusiv oxigenul.
• Solul : în spațiile dintre particule sau porii solului, aerul este difuz. Acest oxigen este folosit de microbiota solului.

Atmosfera

21% din atmosfera de oxigen se face sub forma dioxigenați (O ₂ ). Celelalte forme de prezență a oxigenului atmosferic sunt vaporii de apă (H ₂ O), dioxidul de carbon (CO ₂ ) și ozonul (O ₃ ).

• Vaporii de apă : concentrația vaporilor de apă este variabilă, în funcție de temperatură, presiunea atmosferică și curenții de circulație atmosferică (ciclul apei).
• Dioxid de carbon : CO ₂ reprezintă aproximativ 0,03% din volumul de aer. De la începutul Revoluției industriale, concentrația de CO ₂ în atmosferă a crescut cu 145%.
• Ozon : este o moleculă care este prezentă în stratosferă într-o cantitate mică (0,03 - 0,02 părți pe milion în volum).

Hidrosferă

71% din suprafața pământului este acoperită de apă. Peste 96% din apa prezentă pe suprafața pământului este concentrată în oceane. 89% din masa oceanelor este formată din oxigen. CO _{2 este, de} asemenea, dizolvat în apă și este supus unui proces de schimb cu atmosfera.

criosferă

Criosfera se referă la masa de apă înghețată care acoperă anumite zone ale Pământului. Aceste mase de gheață conțin aproximativ 1,74% din apa din scoarța terestră. Pe de altă parte, gheața conține cantități diferite de oxigen molecular prins.

SAU

Majoritatea moleculelor care alcătuiesc structura viețuitoarelor conțin oxigen. Pe de altă parte, o proporție mare de lucruri vii este apa. Prin urmare, biomasa terestră este, de asemenea, o rezervă de oxigen.

etape

În termeni generali, ciclul pe care oxigenul îl urmează ca agent chimic cuprinde două zone mari care alcătuiesc caracterul său de ciclu biogeochemic. Aceste zone sunt reprezentate în patru etape.

Zona geo-ambientală cuprinde deplasările și reținerea în atmosferă, hidrosferă, criosferă și geosferă de oxigen. Aceasta include stadiul de mediu al rezervorului și sursei și stadiul de revenire la mediu.

Ciclul oxigenului. Eme Chicano, de la Wikimedia Commons

Două etape sunt de asemenea incluse în zona biologică. Sunt asociate cu fotosinteza și respirația.

-Stadiu ambiental al rezervorului și sursei: atmosferă-hidrosferă-criosferă-geosferă

Atmosfera

Principala sursă de oxigen atmosferic este fotosinteza. Există însă și alte surse din care oxigenul poate intra în atmosferă.

Unul dintre acestea este mantaua exterioară lichidă a miezului Pământului. Oxigenul ajunge în atmosferă ca vapori de apă prin erupții vulcanice. Vaporii de apă se ridică în stratosferă unde suferă fotoliză ca urmare a radiațiilor cu energie mare de la soare și se produce oxigen gratuit.

Pe de altă parte, respirația emite oxigen sub formă de CO ₂ . Procesele de ardere, în special procesele industriale, consuma de asemenea oxigenul molecular și să contribuie CO ₂ în atmosferă.

În schimbul dintre atmosferă și hidrosferă, oxigenul dizolvat din masele de apă trece în atmosferă. La rândul său, CO ₂ atmosferic este dizolvat în apă sub formă de acid carbonic. Oxigenul dizolvat în apă provine în principal din fotosinteza algelor și cianobacteriilor.

Stratosferă

În nivelurile superioare ale atmosferei, radiațiile cu energie mare hidrolizează vaporii de apă. Radiația cu unde scurte activează moleculele O ₂ . Acestea sunt împărțite în atomi de oxigen liber (O).

Acești atomi de O liberi reacționează cu O ₂ molecule și ozon produse (O ₃ ). Această reacție este reversibilă. Datorită efectului radiațiilor ultraviolete, O _{3 se} descompune din nou în atomi liberi de oxigen.

Oxigenul ca componentă a aerului atmosferic face parte din diferite reacții de oxidare, integrând diferiți compuși terestre. O chiuvetă majoră pentru oxigen este oxidarea gazelor din erupțiile vulcanice.

Hidrosferă

Cea mai mare concentrație de apă pe Pământ sunt oceanele, unde există o concentrație uniformă de izotopi de oxigen. Acest lucru se datorează schimbului constant al acestui element cu scoarța terestră prin procese de circulație hidrotermică.

La limitele plăcilor tectonice și ale crestelor oceanice, se generează un proces constant de schimb de gaze.

criosferă

Masele de gheață terestră, inclusiv mase de gheață polară, ghețari și permafrost, constituie o chiuvetă majoră pentru oxigen sub formă de apă în stare solidă.

Geosferă

La fel, oxigenul participă la schimbul de gaze cu solul. Acolo constituie elementul vital pentru procesele respiratorii ale microorganismelor din sol.

O chiuvetă importantă în sol este procesele de oxidare a mineralelor și arderea combustibililor fosili.

Oxigenul care face parte din molecula de apă (H ₂ O) urmărește ciclul apei în procesele de evaporare-transpirație și condensare-precipitare.

- Etapa fotosintetică

Fotosinteza are loc în cloroplaste. În faza ușoară a fotosintezei, este necesar un agent reducător, adică o sursă de electroni. Agentul menționat în acest caz este de apă (H ₂ O).

Prin preluarea hidrogenului (H) din apă, oxigenul (O ₂ ) este eliberat ca produs rezidual. Apa intră în plantă din sol prin rădăcini. În cazul algelor și cianobacteriilor, provine din mediul acvatic.

Tot oxigenul molecular (O ₂ ) produs în timpul fotosintezei provine din apa folosită în proces. În fotosinteză, se consumă CO ₂ , energie solară și apă (H ₂ O) și se eliberează oxigen (O ₂ ).

-Stadiu de revenire atmosferică

De O ₂ generat în fotosinteză este expulzat în atmosferă prin intermediul stomatelor în cazul plantelor. Algele și cianobacteriile o readuc în mediu prin difuzia membranei. În mod similar, procesele respiratorii readuc oxigenul în mediu sub formă de dioxid de carbon (CO ₂ ).

-Stadiu respirator

Pentru a-și îndeplini funcțiile vitale, organismele vii trebuie să eficientizeze energia chimică generată de fotosinteză. Această energie este stocată sub formă de molecule complexe de carbohidrați (zaharuri) în cazul plantelor. Restul organismelor îl obțin din dietă

Procesul prin care ființele vii desfășoară compuși chimici pentru a elibera energia necesară se numește respirație. Acest proces are loc în celule și are două faze; unul aerob și unul anaerob.

Respirația aerobă are loc în mitocondrii la plante și animale. La bacterii se efectuează în citoplasmă, deoarece acestea nu au mitocondrii.

Elementul fundamental pentru respirație este oxigenul ca agent oxidant. În respirație, se consumă oxigen (O ₂ ) și se eliberează CO ₂ și apă (H ₂ O), producând energie utilă.

CO ₂ și apă (vaporii de apă) sunt eliberate prin stomate în plante. La animale, CO ₂ este eliberat prin nări și / sau gură, iar apa prin transpirație. În alge și bacterii, CO ₂ este eliberat prin difuzia membranei.

photorespiration

La plante, în prezența luminii, se dezvoltă un proces care consumă oxigen și energie numit fotorespirație. Crește photorespiration cu creșterea temperaturii, datorită creșterii concentrației de CO ₂ cu privire la concentrația de O ₂ .

Fotorepirația stabilește un echilibru energetic negativ pentru instalație. Consumă O ₂ și chimică a energiei (produsă prin fotosinteză) și eliberează CO ₂ . Din acest motiv, au dezvoltat mecanisme evolutive pentru a-l contracara (metabolizmele C4 și CAN).

Importanţă

Astăzi marea majoritate a vieții este aerobă. Fără circulația O ₂ în sistemul planetar, viața așa cum o știm astăzi ar fi imposibilă.

În plus, oxigenul constituie o proporție semnificativă din masele de aer ale pământului. Prin urmare, contribuie la fenomenele atmosferice legate de acesta și la consecințele sale: efecte erozive, reglarea climatului, printre altele.

În mod direct, generează procese de oxidare în sol, gaze vulcanice și pe structuri metalice artificiale.

Oxigenul este un element cu o capacitate mare de oxidare. Deși moleculele de oxigen sunt foarte stabile datorită faptului că formează o dublă legătură, deoarece oxigenul are o electronegativitate ridicată (capacitatea de a atrage electroni), are o capacitate reactivă ridicată. Datorită acestei electronegativități ridicate, oxigenul ia parte la multe reacții de oxidare.

alterări

Marea majoritate a proceselor de ardere care apar în natură necesită participarea oxigenului. La fel și în cele generate de oameni. Aceste procese îndeplinesc atât funcții pozitive, cât și negative în termeni antropici.

Arderea combustibililor fosili (cărbune, petrol, gaze) contribuie la dezvoltarea economică, dar în același timp reprezintă o problemă serioasă datorită contribuției sale la încălzirea globală.

Incendiile forestiere mari afectează biodiversitatea, deși în unele cazuri fac parte din procesele naturale din anumite ecosisteme.

Efect de sera

Stratul de ozon (O ₃ ) din stratosferă este scutul protector al atmosferei împotriva intrării excesului de radiații ultraviolete. Această radiație puternic energizantă crește încălzirea Pământului.

Pe de altă parte, este foarte mutagen și dăunător țesuturilor vii. La oameni și alte animale este cancerigen.

Emisia diferitelor gaze determină distrugerea stratului de ozon și, prin urmare, facilitează intrarea radiațiilor ultraviolete. Unele dintre aceste gaze sunt clorofluorocarburi, clorofluorocarburi, bromură de etil, oxizi de azot din îngrășăminte și haloni.

Referințe

1. Anbar AD, Y Duan, TW Lyons, GL Arnold, B Kendall, RA Creaser, AJ Kaufman, WG Gordon, S Clinton, J Garvin și R Buick (2007) Un vârtej de oxigen înainte de marele eveniment de oxidare? Știință 317: 1903-1906.
2. Bekker A, HD Holland, PL Wang, D Rumble, HJ Stein, JL Hannah, LL Coetzee și NJ Beukes. (2004) Datând creșterea oxigenului atmosferic. Natura 427: 117-120.
3. Farquhar J și DT Johnston. (2008) Ciclul de oxigen al planetelor terestre: perspective asupra procesării și istoriei oxigenului în mediile de suprafață. Recenzii în Mineralogie și Geochimie 68: 463–492.
4. Keeling RF (1995) Ciclul oxigenului atmosferic: Izotopii de oxigen ai CO ₂ și O ₂ atmosferici și Reviții O ₂ / N ₂ ai Geofizicii, suplimentează. SUA: Raport național la Uniunea Internațională de Geodezie și Geofizică 1991-1994. pp. 1253-1262.
5. Purves WK, D Sadava, GH Orians și HC Heller (2003) Viața. Știința Biologiei. 6 Ed. Sinauer Associates, Inc. și WH Freeman and Company. 1044 p.