In deze les leer je over
Een nutriëntenkringloop verwijst naar de beweging en uitwisseling van organische en anorganische materie terug in de productie van levende materie. Het proces wordt gereguleerd door de voedselwebroutes die organisch materiaal ontleden in anorganische voedingsstoffen. Nutriëntenkringlopen vinden plaats binnen ecosystemen.
Voedingscycli in de natuur worden biogeochemische cycli genoemd omdat de elementen cyclisch van de omgeving naar levende organismen en terug naar de omgeving bewegen.
Ecosystemen illustreren closed-loop recycling waarbij de vraag naar nutriënten die bijdragen aan de groei van de biomassa groter is dan het aanbod in dat systeem. Er zijn regionale en ruimtelijke verschillen in de groei en wisselkoersen van materialen, waarbij sommige ecosystemen een nutriëntenschuld kunnen hebben (sinks) en andere een extra voorraad hebben (bronnen). Deze verschillen worden veroorzaakt door geologische geschiedenis en topografie.
In een voedselweb wordt een lus of een cyclus gedefinieerd als een gerichte opeenvolging van een of meer schakels die begint bij en eindigt bij dezelfde soort. In de oceaan worden bacteriën bijvoorbeeld uitgebuit door protozoa, zoals heterotrofe microflagellaten, die vervolgens worden uitgebuit door de ciliaten. Deze begrazingsactiviteit wordt gevolgd door de uitscheiding van stoffen die vervolgens door bacteriën worden gebruikt, zodat de werking van het systeem een gesloten circuit is.
De enzymatische vertering van cellulose is een voorbeeld van ecologische recycling. Cellulose, een van de meest voorkomende organische verbindingen op aarde, is het belangrijkste polysacharide in planten waar het de celwanden vormt. Enzymen die cellulose afbreken, nemen deel aan de ecologische recycling van de natuurlijke plantaardige materialen. Verschillende ecosystemen kunnen verschillende percentages afvalrecycling hebben.
De chemische elementen worden constant gerecycled nadat ze als volgt zijn gebruikt:
Elk element heeft zijn voedingscyclus en elke cyclus heeft een uniek pad dat reservoirs, uitwisselingspools en verblijfstijden omvat.
Reservoir - Een gebied waar het element zich in de hoogste concentratie bevindt en enige tijd wordt vastgehouden en opgeslagen. Steenkool of fossiele brandstoffen zijn bijvoorbeeld reservoirs voor koolstof.
Exchange pools - Wanneer elementen voor korte tijd worden vastgehouden. Planten en dieren gebruiken deze elementen bijvoorbeeld tijdelijk in hun systemen en geven ze weer af aan de omgeving.
Bewonertijd – De hoeveelheid tijd dat een element op een plaats wordt vastgehouden.
Energie stroomt gericht door de ecosystemen van de aarde, meestal binnenkomen in de vorm van zonlicht en uitgaan in de vorm van warmte. De chemische componenten waaruit levende organismen bestaan, zijn echter anders: ze worden gerecycled.
Kooldioxide en methaan zijn voorbeelden van koolstofverbindingen die in de atmosfeer circuleren en mondiale klimaten beïnvloeden. Door de processen van fotosynthese en ademhaling wordt koolstof ook gecirculeerd tussen levende organismen en niet-levende componenten van het ecosysteem.
De 'snelle' koolstofcyclus is de beweging van koolstof door biotische componenten in het milieu. Planten en andere organismen die in staat zijn tot fotosynthese, halen koolstofdioxide uit hun omgeving en gebruiken het om biologische stoffen te bouwen. Planten, dieren en afbraakproducten zoals bacteriën en schimmels, brengen koolstofdioxide door ademhaling terug naar de atmosfeer.
De beweging van koolstof door de abiotische elementen in de omgeving zoals rotsen, bodem en oceanen vormt de langzame koolstofcyclus. Het verplaatsen van koolstof door deze abiotische elementen kan wel 200 miljoen jaar duren.
Omdat organismen zoals stikstofbindende bacteriën stikstof gebruiken om de biologische moleculen te synthetiseren die nodig zijn om te overleven, moet atmosferische stikstof eerst worden omgezet in ammoniak door stikstofbindende bacteriën in water- en bodemmilieus. Ammoniak wordt vervolgens door de bacteriën omgezet in nitriet en nitraat. Planten halen stikstof uit de bodem door via hun wortels ammonium (NH4-) en nitraat op te nemen. Nitraat en ammonium worden vervolgens gebruikt om organische verbindingen te produceren. Dieren consumeren vervolgens planten en bereiken zo de stikstof in de organische verbindingen. De stikstof in organische vorm wordt vervolgens door de voedselketen doorgegeven wanneer andere dieren deze dieren eten. Afbrekers brengen vervolgens ammoniak terug in de bodem door vast afval en dode of rottende materie af te breken. Nitrificerende bacteriën zetten ammoniak om in nitriet en nitraat. Denitrificerende bacteriën zetten vervolgens nitriet en nitraat om in stikstof, waardoor stikstof weer vrijkomt in de atmosfeer.
Fosfor is een essentiële voedingsstof die nodig is voor plantengroei en ook voor dieren. Het speelt een vitale rol bij de celontwikkeling en is een belangrijk onderdeel van moleculen die energie opslaan, zoals adenosinetrifosfaat (ATP), deoxyribonucleïnezuur (DNA) en lipiden.
Gesteenten die in contact komen met regenwater geven na verloop van tijd fosfaationen en andere mineralen af. Dit anorganische fosfaat wordt vervolgens verdeeld in bodem en water. Planten nemen dan anorganisch fosfaat op uit de bodem en deze planten kunnen dan door dieren worden geconsumeerd. Het fosfaat wordt vervolgens opgenomen in organische moleculen zoals DNA, en wanneer planten of dieren sterven en vergaan, wordt het organische fosfaat teruggevoerd naar de bodem. Bacteriën in de bodem breken de organische stof vervolgens af tot fosfaatvormen die voor planten opneembaar zijn. Het is ook een proces dat mineralisatie wordt genoemd. Fosfor in de bodem kan dan in waterwegen en oceanen terechtkomen en na verloop van tijd in sedimenten worden opgenomen.
Zwavel is een vaste stof in zijn natuurlijke vorm en in deze vorm; het is beperkt tot de sedimentaire cyclus. Het kan worden getransporteerd door fysieke processen zoals wind, erosie door water en geologische gebeurtenissen zoals vulkaanuitbarstingen. Het kan ook door de oceaan en naar de atmosfeer, het land en terug naar de oceanen worden vervoerd via verbindingen zoals zwaveldioxide, zwavelzuur, sulfaatzouten of organische zwavel door regenval en rivieren.
Planten en dieren spelen beide een rol bij het rondpompen van zuurstof door de atmosfeer. Zoals u weet, is zuurstof cruciaal voor veel dieren, inclusief mensen. We ademen zuurstof in en ons lichaam gebruikt het om energie te maken tijdens een proces dat cellulaire ademhaling wordt genoemd. Bij dit proces komt koolstofdioxide vrij als afvalproduct, dat is wat we uitademen. Planten nemen tijdens de fotosynthese koolstofdioxide op, waarin ze voedsel en zuurstof maken. De zuurstof komt vrij en de cyclus begint opnieuw.
Het belangrijkste levenscriterium is water. Net als de koolstofkringloop is de waterkringloop het proces van het verplaatsen van water tussen levende wezens, de aarde en de atmosfeer. Water verdampt uit watermassa's op aarde, zoals meren, rivieren en oceanen. De waterdamp condenseert in de wolken en vormt neerslag dat water terugvoert naar de aarde. Op aarde keert een deel van het water terug naar de meren en oceanen waar het vandaan komt, en een deel zakt in de grond en vormt grondwater. Levende organismen, zoals planten en dieren, verbruiken water. Het water verdampt weer en zet de cyclus voort.
Sommige wetenschappers beweren dat het ecosysteem volledig kan worden gerecycled. Volledige recycling houdt in dat 100% van het afvalmateriaal onbeperkt kan worden gereconstitueerd. Andere wetenschappers betwisten dit idee en beweren dat volledige recycling van technologisch afval niet mogelijk is.
Ecologische recycling is heel gebruikelijk in de biologische landbouw. Biologische boerderijen die ecosysteemrecycling uitvoeren, ondersteunen meer soorten en hebben daarom een andere voedselwebstructuur. Het ecologische recyclinglandbouwmodel houdt vast aan onderstaande principes:
1. Transformatie van materie van de ene vorm naar de andere - Nutriëntencycli maken de transformatie van materie naar verschillende specifieke vormen mogelijk die het gebruik van dat element in verschillende organismen mogelijk maken.
2. Overdracht van elementen van de ene locatie naar de andere – Nutriëntencycli maken de overdracht van elementen van de ene naar de andere locatie mogelijk. Sommige elementen zijn sterk geconcentreerd in gebieden die voor de meeste levende organismen ontoegankelijk zijn, zoals stikstof in de atmosfeer. Nutriëntenkringlopen zorgen ervoor dat deze elementen kunnen worden overgebracht naar meer toegankelijke locaties zoals de bodem.
3. Functioneren van ecosystemen – Nutriëntenkringlopen helpen het functioneren van ecosystemen. Het ecosysteem, dat de evenwichtstoestand nodig heeft om goed te kunnen functioneren, herstelt zich door de nutriëntenkringlopen naar de evenwichtstoestand.
4. Opslag van elementen – Voedingscycli vergemakkelijken de opslag van elementen. Elementen die door de nutriëntenkringlopen worden gedragen, worden opgeslagen in hun natuurlijke reservoirs en worden afgegeven aan organismen in kleine hoeveelheden die consumeerbaar zijn.
5. Koppel organismen, levende en niet-levende - Voedingscycli verbinden levende organismen met levende organismen, levende organismen met de niet-levende organismen en niet-levende organismen met niet-levende organismen. Dit is essentieel omdat alle organismen van elkaar afhankelijk zijn en van vitaal belang zijn voor het voortbestaan van levende organismen. Deze organismen zijn met elkaar verbonden door de stroom van voedingsstoffen die is ontwikkeld door de nutriëntenkringlopen.
6. Regel de stoffenstroom – Nutriëntenkringlopen reguleren de stoffenstroom. Terwijl de voedingskringlopen door verschillende bollen gaan, wordt de stroom van elementen gereguleerd, aangezien elke bol een bepaald medium heeft en de snelheid waarmee de stroom van elementen wordt bepaald door de viscositeit en dichtheid van het medium. Daarom stromen de elementen in de voedingscycli met verschillende snelheden binnen de cyclus en dit regelt de stroom van elementen in die cycli.
