Biogeokimika

Biogeokimika ekosistemetan zeharreko elementuen fluxua aztertzen duen zientziaren adarra da. Biosferan, litosferan, hidrosferan eta atmosferan elementuak egoera ezberdinetan topa ditzakegu eta Lurraren azpisistema batetik bestera aldatzeko prozesu ezberdinak jasaten dituzte. Beraz, elementu ezberdinen ziklo biogeokimikoak aztertzen ditu biogeokimikak. Hala ere, ziklo hauek uraren zikloari esker gertatzen dira, honek eragin handia baitu prozesu askotan. Aztergai diren ziklo nagusiak, hidrologikoa, karbonoarena, nitrogenoarena, sufrearena eta fosforoarena dira.

Energia fluxua 
Biogeokimikan aritzeko energia fluxua ulertu beharra dago. Lurrera iristen den energia ia dena Eguzkitik dator. Uhinen %99 atmosferan edo Lurraren gainazalean islatzen dira edo bero moduan transmititzen dira eta gainontzekoaren %3 (hau da, energia totalaren %0,03) baina gutxiago organismo autotrofoek fotosintesi bidez argi energia energia kimiko bihurtzeko erabiltzen dute. Horrela ekoizleei esker (landare, alga eta bakterio batzuk) sartzen da energia biosferan.

Energia kimiko hori belarjaleetara, haragijaleetara eta deskonposatzaileetara igarotzen da azkenean bero moduan askatu arte. Hala ere, ez da energia guztia igarotzen maila trofiko bakoitzetik hurrengora (gutxi gora behera energiaren %10) eta horregatik daude espezie gutxiago maila trofikoak igotzerakoan. Energia guztiak azkenean bero forman bukatzen du, baina elementuak etengabe birziklatzen ditugu.

Ziklo biogeokimikoak 
Ziklo biogeokimikoak bi multzotan banatu daitezke, gaseosoak (edo globalak) eta sedimentarioak. Biosferak elementua lortzeko iturri nagusiaren araberakoa da. Iturri nagusia atmosfera edo hidrosfera bada, zikloa globala izango da; aldiz, iturri nagusia litosfera bada, sedimentarioa. Aurrerago azaltzen den eran karbonoaren zikloa globala da, karbonoa, biosferan, atmosferako karbono dioxidoa finkatuz sartzen baita. Fosforoa berriz ez dugu atmosferan topatzen eta landareen fosfori iturri nagusia arrokak dira, beraz fosforoaren zikloa sedimentarioa da. Nitrogenoaren zikloa globala dela ikusiko dugu eta sufrearena bien arteko hibridoa.

Karbonoaren zikloa 

Karbonoa materia organikoaren oinarria da, energiaren finkapenean garrantzitsua. Karbonoaren zikloa guztiz loturik dago energia fluxuarekin, biak elkarrekin mugitzen baitira, atmosferatik landaredira, landareditik belarjaleetara eta azken hauetatik haragijaleetara.

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

CO2 + H2O + \epsilon -> (CH2O) + O2 

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

Hidrosferan 
Atmosferako karbono dioxidoa uretan disolbatu daiteke bikarbonato (HCO3-) eta karbonato (CO3^2-) anioiak sortuz:

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. Ozeanoek, karbono dioxido osoaren %90 gordetzen dute. Hidrosferatik, bikarbonatoa atmosferara itzuli daiteke berriro, organismo fotosintetiko itsastarrek fotosintesi bidez biosferara bideratu dezakete edo litosferan barneratu daiteke sedimentazioz.

Litosferan 
Arroka sedimentarioak dira karbonoaren biltegi nagusia. 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 (Ca^2+ + CO3^2- -> CaCO3) eta kaltzio karbonatoaren (CaCO3) disolbagarritasun baxua dela eta prezipitatu eta sedimentatu egiten da.

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. 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 zikloa 

Atmosferaren %78 N2 gasez eraturik dago. Gainera, nitrogenoa aminoazidoen oinarrizo elementua da, beraz proteinena ere bada. Proteinek (entzimak, hormona ugari...) zelula deshidratatuen %80 osatze dute; hortaz, nitrogenorik gabe guk ezagutzen dugun bizia ez litzateke posible izango. Nitrogenoak, erredox egoera ugari izan ditzake, -3 (adibidez amonioak, NH3) eta +5 (adibidez nitratoak, NO3-) artean. Nitrogenoaren zikloko aldaketa nagusiek mikrobioen metabolismoa dute oinarri eta 5 prozesu nagusitan biltzen dira:

Nitrogenoaren finkapena 

Atmosferako nitrogenoa erreduzitu eta amoniakoa sortzen den erreakzioa da.

N2 + 3H2 -> 2NH3

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

Beste alde batetik, sumendi, deskarga elektriko edo prozesu industrialen bidez (biologikoak ez diren bideak) nitrogenoa nitratoan (NO3-) finkatu daiteke.

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

NO3- + 2e- -> NO2- (nitrato erreduktasa)

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.

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

NH4+ + 3/2O2 -> NO2- + H2O + 2H+

eta gero nitritotik nitratora:

NO2- + 1/2O2 -> NO3-

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

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

Desnitrifikazioa 
Oxigenorik gabeko egoeratan nitratoak oxidatzaile gisa joka dezake oxido nitrosoa (N2O) edo nitrogeno atmosferikoa (N2) sortuz. Adibidez:

  C6H12O6 + 6KNO3 -> 6CO2 + 3H2O + 6KOH + 3N2O (Nitrococcus denitrificans) 
 5S + 6KNO3 + 2CaCO3 -> 3K2SO4 + 2CaSO4 + 2CO2 + 3N2 (Thiobacillus denitrificans) 

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

Fosforoaren zikloa 

Fosforoa garrantzi biologiko eta ekologiko handikoa da. Fosforoa ez da atmosferan topatzen eta bere zikloa sedimentarioa dela esan genezake. Fosforo iturri nagusia arroka fosfatatuak dira, ekoizleentzat eskuragarria ez den egoera kimikoa. Arroka hauek nagusiki apatitoz osaturik daude; fosforo guztiaren %95 godetzen du, baina apatito guztia ez dago fosfatoz osaturik. Hainbat ioik fosfato taldea (PO4^3-) ordezkatu dezakete; karbonatoek (CO3^2-) edo sulfatoek (SO4^2-) besteak beste. Arroketako fosfatoa uretan disolbatu daiteke ioi ezberdinak eratuz eta fosfato ioi hauek ziklo trofikoan sartzen dira ekoizleen bidez.

Bizidunontzat fosforoa ezinbestekoa da, prozesu metaboliko gehienetan parte hartzen baitu eta beharrezkoak ditugun molekula ugariren parte da (ATP, ADN, ARN, fosfolipidoak). Hezurretan ere ezinbesteko elementua da. Bizidunak hiltzerakoan hauen arrastoak lurzoruan geratzen dira, humusean.

Gizakion jardueraren eraginez, batzuetan ibai batzuk fosfato gehiegi daramazkite eta eutrofizazio azeleratua eragiten dute. Alga eta organismo fotosintetiko ugari sortzen dira, uretako oxigeno disolbatua murriztuz eta egoera anaerobiko bat eraginez. Ondorioz bertako fauna desagertu egiten da.

Sufrearen zikloa 

Biologikoki, sufrea garrantzi handikoa da, metabolismoan eta molekulen konformazioa finkatzea ahalbidetzen baitu. Hainbat aminoazidok tiol taldea (-SH) dute (zisteina eta metionina). Nitrogenoaren zikloan bezala, sufrearen zikloko aldaketa asko mikrobioen metabolismoaren ondorio dira. Sufrearen iturri nagusiak litosferako pirita minerala, kaltzio sulfatoa eta magnesio sulfatoa dira eta bertatik sulfato ioiak lortzen dira (SO4^2^-):

(Ca/Mg)SO4 -> (Ca/Mg)^2+ + SO4^2- (prozesu kimikoa)

2FeS2 + 2H2O + 7O2 -> 2FeSO4 + 2H2SO4 (prozesu kimikoa)

Baina ez da prozesu kimiko hauetatik soilik lortzen; Thiobacillus thiooxidans sufrearen bakterio oxidatzaileak ere piritaren oxidazioan parte hartzen du: 

4FeSO4 + O2 + 2H2SO4 -> 2Fe2(SO4)3 + 2 H2O (T. thiooxidans)

Fe2(SO4)3 + FeS2 -> 3FeSO4 + 2S^0 (prozesu kimikoa)

2S^0 + 3O2 + 2H2O -> 2H2SO4 (T. thiooxidans)

Prozesu biologikoak 
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. Egoera anaerobikoan berriz, Escherichia eta Proteus bakterien bidez detrituak mineralizatu eta sulfuro eta hidrogeno sulfuroak lortzen dira.

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.

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. 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.

CO2 + 2H2S -> CH2O + 2S + H2O (sufrearen bakterio berde eta purpurek)

S -> SO4^2^- (sufrearen bakterio purpurek)

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

Fe^2+ + H2S -> 2H+ + FeS v

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

(Ca/Mg)^2+ + SO4^2^- -> (Ca/Mg)SO4 v

Erreferentziak

Kanpo estekak 

Geokimika
Sistemen biologia
Sistemen ekologia