Biogeokimika

Karbonoaren atmosferako egoera ugariena karbono dioxidoa (${\displaystyle {\ce {CO2}}}$) da, gasen %0,04 inguru, nahiz eta metanoa (${\displaystyle {\ce {CH4}}}$) eta karbono monoxidoa (${\displaystyle {\ce {CO}}}$) ere topa ditzakegun. Karbonoaren biosferarako sarrera fotosintesiari esker ematen da, karbono dioxidoa finkatuz biomolekula ororen sintesia ahalbidetuz. Fotosintesiaren erreakzio orokorra:

${\displaystyle {\ce {CO2 + H2O + \epsilon -> (CH2O) + O2}}}$ [3]

Beste alde batetik, arnasketa edo hartziduraren bidez organismoek biomolekulak oxidatu eta berriro ere karbono dioxidoa askatzen dute atmosferara.

Atmosferako karbono dioxidoa uretan disolbatu daiteke bikarbonato (${\displaystyle {\ce {HCO3-}}}$) eta karbonato (${\displaystyle {\ce {CO3^2-}}}$) anioiak sortuz:

${\displaystyle {\ce {CO2 + H2O -> HCO3- + H+ -> CO3^2- + 2H+}}}$

Ozeanoetan, uraren sakonera handitu ahala, tenperatura jaisten da, karbono dioxidoaren disolbagarritasuna handituz, beraz sakonera handietan karbono kontzentrazio altuagoak topatzen dira[4]. Ozeanoek, karbono dioxido osoaren %90 gordetzen dute[5]. Hidrosferatik, bikarbonatoa atmosferara itzuli daiteke berriro, organismo fotosintetiko itsastarrek fotosintesi bidez biosferara bideratu dezakete edo litosferan barneratu daiteke sedimentazioz.

Arroka sedimentarioak dira karbonoaren biltegi nagusia[3]. Sedimentazioa uretan gertatzen da, bikarbonato edo karbonato anioiek karbonatozko sedimentuak eratuz. Ura asetuta dagoenean; hau da, anioi hauen kontzentrazioa disolbagarritasuna baina handiagoa denean, anioi hauek beste konposatu batzuekin errakzionatuko dute. Askotan kaltzioa izaten da erreakzionatzen duena (${\displaystyle {\ce {Ca^2+ + CO3^2- -> CaCO3}}}$) eta kaltzio karbonatoaren (${\displaystyle {\ce {CaCO3}}}$) disolbagarritasun baxua dela eta prezipitatu eta sedimentatu egiten da[6].

Karbonatozko arroka hauek magma bihurtu daitezke astenosferara heldu ezkero eta karbonoa atmosferara kanporatu daiteke karbono dioxido moduan sumendien erupzio bidez. Karbonoak litosfera uzteko beste bide bat, arroka berriro ere uretan disolbatzea da (disoluzio asegabeetan).

Lurzoruan metatzen joan ziren antzinako landare eta animaliak ere presio eta tenperatura handiengatik petrolio, ikatz edo gas natural bilakatu daitezke litosferako karbono iturriak sortuz[1]. Gaur egun, gizakia erregai fosil hauen gehiegizko erabilera egiten ari da, energia lortzeko baliabide mugatua baita eta karbonoaren zikloaren oreka apurtzen duen karbono dioxido kantitate handiak askatzen baititugu atmosferara, negutegi efektuaren eragilea.

Nitrogenoaren lotura hirukoitza Lewis egituraren bidez adierazita.

Atmosferako nitrogenoa erreduzitu eta amoniakoa sortzen den erreakzioa da.

${\displaystyle {\ce {N2 + 3H2 -> 2NH3}}}$

Nahiz eta atmosferaren gehiengoa nitrogenoz osaturik egon, landare eta animaliok ez gara gai nitrogeno hori finkatzeko[1]. Energetikoki gastu handia suposatzen du finkapenak, lotura kobalente hirukoitzaren ondorioz, eta sistema katalitiko garatua duten bakterio batzuk soilik burutu dezakete[8], oxigeno gabezian jarduten duten nitrogenasa entzimen bidez[9][10]. Ekosistema lurtarrean Azotobacter eta Rhizobium bakterioak dira nagusi eta itsas ekosistean zianobakterioak[5][11].

Beste alde batetik, sumendi, deskarga elektriko edo prozesu industrialen bidez (biologikoak ez diren bideak) nitrogenoa nitratoan (${\displaystyle {\ce {NO3-}}}$) finkatu daiteke[10].

Amoniako, amonio eta nitratoa molekula organikoetan txertatzean datza; proteina, azido nukleiko eta klorofiletan[10]. Asimilazioa sustraietan egiten da eta animaliek landareak jaterakoan, landare-nitrogenoa animalia-nitrogenoan bilakatzen da.

${\displaystyle {\ce {NO3- + 2e- -> NO2-}}}$ (nitrato erreduktasa)

${\displaystyle {\ce {NO2- + 6e- -> NH4+}}}$ (nitrito erreduktasa)

Amonioa azido glutamiko eta azido aspartikoan azkar gehitzen da eta aitzindari hauetatik gainontzeko aminoazidoak eta nitrogenodun egitura biokimikoak sintetizatu daitezke[12].

Amonio molekulen oxidazioa da. Bi urratsetan ematen da; lehenik amoniotik nitritora oxidatzen da:

${\displaystyle {\ce {NH4+ + 3/2O2 -> NO2- + H2O + 2H+}}}$

eta gero nitritotik nitratora:

${\displaystyle {\ce {NO2- + 1/2O2 -> NO3-}}}$[5]

Bi erreakzioak bakterio espezializatu batzuk burutzen dituzte[11]. Nitrosomonas (lurrean) eta Nitrosococcus (ur sistemetan) bakterioek lehenengo erreakzioa eta Nitrobacter (lurrean) eta Nitrococcus (ur sistemetan) bakterioek bigarren erreakzioa.

Organismoek nitrogenodun hondakinak kanporatzerakoan (urea, azido urikoa), bakterio amonifikatzaileek hauek deskonposatu eta amonioa askatzen dute ingurunera[10]. Prozesu konplexua da eta mikroorganismo eta makroorganismo ugarik hartzen dute parte[12].

Oxigenorik gabeko egoeratan nitratoak oxidatzaile gisa joka dezake oxido nitrosoa (${\displaystyle {\ce {N2O}}}$) edo nitrogeno atmosferikoa (${\displaystyle {\ce {N2}}}$) sortuz[11]. Adibidez:

• ${\displaystyle {\ce {C6H12O6 + 6KNO3 -> 6CO2 + 3H2O + 6KOH + 3N2O}}}$ (Nitrococcus denitrificans) [13]
• ${\displaystyle {\ce {5S + 6KNO3 + 2CaCO3 -> 3K2SO4 + 2CaSO4 + 2CO2 + 3N2}}}$ (Thiobacillus denitrificans) [13]

Bakterio hauek lokatz, zingira eta estuarioetan topatzen dira (egoera anaerobikoetan)[1].

Sulfato ioiak, asimilazio bidez, biosferan landareen bidez sar daitezke. Prozesu ezberdinen bidez sufrea erreduzitu eta sufre organikoa; hau da, sufrea duten konposatu organikoak lortzen dira (zisteina eta metionina aminoazidoak, A koentzima, hainbat bitamina edo ferredoxina esaterako). Sufre organikoa kate trofikoan zehar garraiatzen da eta azkenik detritua lortzen da (materia organiko hila). Egoera aerobikoan bakterio eta onddo batzuen bidez (Aspergillus, Neuospora) detritu horiek mineralizatu eta berriro ere sulfatoa lortzen da[13]. Egoera anaerobikoan berriz, Escherichia eta Proteus bakterien bidez detrituak mineralizatu eta sulfuro eta hidrogeno sulfuroak lortzen dira[13].

${\displaystyle {\ce {SO4^2^- <-> S (organikoa) -> H2S / MeS}}}$ (Me: metal bat edo gehiago)

Sulfato ioiak beste bide anaerobiko bati esker, baina bakterioen bidez ere (Desulfovibrio, Desulfotobacter), erreduzitu daitezke hidrogeno sulfuroa lortzeko.

${\displaystyle {\ce {SO4^2^- -> H2S}}}$

Hidrogeno sulfuroaren oxidazioa sulfatora ur sakon edo azaleko uretan bakterio ezberdinek burutzen dute. Ur sakonetan Beggiatoa bezalako bakterioek hidrogeno sulfurotik sufre elementala lortzen dute eta Thiobacilus bakterioek sufre elementaletik sulfatoa[18]. Bakterio hauek kimioautotrofoak dira eta sufrearen oxidazioan lortutako energiarekin karbono dioxidoa erreduzitzen dute. Iturri hidrotermaletan ugariak dira. Azaleko uretan berriz sufrearen bakterio berdeek eta sufrearen bakterio purpurek fotosintesi anaerobiko bidez erreduzitzen dute karbono dioxidoa. Sufrearen bakterio berdeek hidrogeno sulfuroa sufre elementala arte oxidatzen dute eta sufrearen bakterio purpurek sulfatora arte oxidatu dezakete[13].

${\displaystyle {\ce {CO2 + 2H2S -> CH2O + 2S + H2O}}}$[12] (sufrearen bakterio berde eta purpurek)

${\displaystyle {\ce {S -> SO4^2^-}}}$ (sufrearen bakterio purpurek)

Ur anoxikoetan burdin katioi dibalenteak hidrogeno sulfuroarekin erreakzionatu eta sortzen den burdin sulfuroa sedimentatu egiten da. Burdina izaten da metal ohikoena.

${\displaystyle {\ce {Fe^2+ + H2S -> 2H+ + FeS v}}}$

Kaltzio eta magnesio katioiak eta sulfato anioiak, ura lurrunduz disoluzioak asetzerakoan prezipitatu egiten dira eta ebaporitak sortzen dira.

${\displaystyle {\ce {(Ca/Mg)^2+ + SO4^2^- -> (Ca/Mg)SO4 v}}}$