CALCIUMCYCLUS: KENMERKEN, STADIA EN BELANG - CHEMIE - 2026

De calciumcyclus is de circulatie en opslag op aarde van dit element, dat levende wezens, de lithosfeer en de hydrosfeer omvat. Het is een sedimentaire biogeochemische cyclus waarin calcium circuleert als een zacht aardalkalimetaal, zonder gasvormige fase.

Het stadium van een grotere circulatie van calcium is het biologische stadium, aangezien het wordt geconsumeerd door levende wezens en gebruikt in hun structuren en metabolisme. Als levende wezens eenmaal dood zijn, wordt calcium opnieuw in de fysieke omgeving opgenomen als onderdeel van de bodem en de zeebodem.

Calcium. Bron: Pumbaa (origineel werk van Greg Robson) / CC BY-SA 2.0 UK (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/2.0/uk/deed.en)

Er zijn uitgebreide afzettingen van schelpen en botten, vooral op de zeebodem en in de grote meren. Deze structuren vermengen zich met sedimenten en zijn bedekt met opeenvolgende lagen gedurende miljoenen jaren.

De onderste lagen van sedimenten worden blootgesteld aan hoge drukken en vormen sedimentair gesteente dat vervolgens aan het oppervlak wordt blootgesteld als gevolg van aardse geologische processen. Blootgestelde rotsen worden blootgesteld aan verwering en erosie, waardoor calcium vrijkomt dat in de grond is geïntegreerd of wordt weggespoeld.

In de bodem wordt het voornamelijk opgenomen door de wortels van planten en in de zee door fytoplankton en andere organismen. Calcium wordt gebruikt voor verschillende structurele en metabolische doeleinden, bijvoorbeeld voor het maken van schelpen.

De calciumcyclus is belangrijk omdat het ervoor zorgt dat dit element in verschillende stadia beschikbaar is en verschillende functies vervult. Dus, als onderdeel van de structuur van levende organismen, neemt het deel aan de vorming van het terrestrische reliëf, reguleert het de pH van bodems en wateren en dient het als grondstof voor de menselijke industrie.

Algemene karakteristieken

- Het calcium

Calcium (Ca) is een aardalkalimetaal met atoomnummer 20 en atoommassa 40.078, waarvan de gewone toestand vast is. Vormt oxiden die werken als sterke basen en heftig reageren bij contact met zuren.

- Jouw cyclus

Calcium vervult een biogeochemische cyclus van het sedimentaire type, aangezien het geen gasfase heeft en de grootste reserves zich in de lithosfeer bevinden. Het is nauw verwant aan de koolstof-, water- en fosforcycli.

Rots erosie

De cyclus ontstaat door de verwering en erosie van kalkhoudende gesteenten die het calcium vrijgeven dat zich in de bodem afzet. Evenzo kan het worden weggespoeld opgelost in afvoerwater in rivieren, meren en oceanen.

Wanneer regenwater in contact komt met atmosferische CO2, vormt het H2CO3 dat kalksteenrots oplost, waarbij Ca2 + en HCO3- vrijkomen. Aan de andere kant zet de door het regenwater meegevoerde CO2 het onoplosbare carbonaat om in oplosbaar bicarbonaat.

Opname en gebruik door levende wezens

Calcium (Ca2 +) in de bodem wordt opgenomen door planten en in waterlichamen door waterorganismen. In het lichaam vervult calcium verschillende metabolische functies en wanneer organismen afsterven, keert het terug naar de fysieke omgeving, weggevoerd door afgevoerd water naar rivieren, meren en oceanen.

Rotsformatie

Dierlijke skeletten (intern en extern of schelpen) worden als onderdeel van de sedimenten op de zeebodem afgezet. De sedimentlagen zijn gedurende miljoenen jaren bedekt en verdicht om kalkhoudende gesteenten te vormen.

Kalkhoudende rotsen. Bron: Ferdous / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0)

Latere diastrofische processen (scheuren en opwaartse bewegingen van de aardkorst) stellen de rotsen bloot aan het oppervlak. Op deze manier wordt de kringloop gesloten, want de rotsen zijn weer verwering (werking van de klimaatelementen) en zijn verweerd en geërodeerd.

Stadia van de calciumcyclus

De stadia die calcium doorloopt in zijn opslag- en circulatiecyclus worden bepaald door de compartimenten waarin deze processen plaatsvinden. Dit zijn de korst en een deel van de aardmantel (lithosfeer), watermassa's (hydrosfeer) en levende organismen.

- Geologische fase

In de geologische fase, gecompartimenteerd in de korst en de mantel, wordt hier de grootste hoeveelheid calcium opgeslagen. Calcium is het vijfde meest voorkomende element in de lithosfeer en vormt 3,5% van de aardkorst.

Het wordt gevonden als onderdeel van rotsen zoals kalksteen, dolomiet, mergel en marmer, terwijl kalksteen en dolomiet enorme bergketens vormen over de hele planeet. Op dezelfde manier maakt het deel uit van andere natuurlijke verbindingen zoals gips en albast (calciumsulfaat).

In minerale vorm wordt het verkregen als calciumcarbonaat (CaCO3) uit calciet, dolomiet en andere kristallijne vormen zoals aragoniet.

Kalksteen

Het is een zeer overvloedig type sedimentair gesteente afkomstig van oude zee- of lacustriene afzettingen (meren), bestaande uit 99% calciumcarbonaat. Deze rotsen vormen horizontale lagen of vervormd door diastrofische bewegingen en hun verwering geeft aanleiding tot neutrale tot basische bodems (pH 7 of hoger), rijk aan calcium.

Dolomiet

Het bestaat uit een sedimentair gesteente gevormd in ondiepe mariene afzettingen door een chemische substitutiereactie. In dit geval neemt magnesium deel aan de minerale conformatie en vormt het dolomiet of calciummagnesiumcarbonaat (CaMg (CO3) 2).

Margas

Het zijn afzettingsgesteenten gevormd door 1/3 tot 2/3 calciumcarbonaat en de rest van klei. Deze rotsen overleven in droge gebieden, omdat ze erg gevoelig zijn voor watererosie.

Marmeren

Als kalksteenrotsen worden blootgesteld aan hoge temperaturen en drukken in diepe lagen van de aardkorst, wordt marmer gevormd. Dit is een zeer compact metamorf gesteente met een hoge kristallisatiegraad.

- Hydrologische fase

Calcium wordt in rivieren, meren en oceanen opgelost als calciumchloride (het meest voorkomende ion in dit medium) en calciumcarbonaat. In de oceanen is calciumcarbonaat (CaCO3) stabiel op een diepte van minder dan 4.500 m.

Calcium in dit medium wordt aangetroffen in levende organismen en in kalksteenafzettingen op de zeebodem. Dit is de dieptelimiet van carbonaatcompensatie, waarna CaCO3 oplost en geen kalkafzettingen vormt.

- Biologische fase

Verplaatsing van calcium van de grond naar de wortels. Van het xyleem tot de bladeren van de plant. Dhagerty / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0)

In dit stadium bereikt de calciumcyclus zijn grootste circulatie, wat van vitaal belang is voor levende wezens, omdat het als Ca2 + -ion deel uitmaakt van de uitwisselingsmechanismen van celmembranen. Aan de andere kant is het een essentieel bestanddeel van botten, tanden, eierschalen en schelpen.

Calciumschalen bij tweekleppige dieren. Bron: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Bivalvia.jpg

Op deze manier circuleert calcium in de biosfeer en wanneer organismen afsterven, keert het terug naar de sedimenten om na verloop van tijd nieuwe rotsen te vormen.

De mens

Een opvallend element van de biologische fase van de calciumcyclus is de rol van de mens bij het gebruik van dit element als grondstof. Dit element wordt op verschillende manieren in grote hoeveelheden gewonnen, getransporteerd en gebruikt.

In dagbouwmijnen wordt kalksteen gewonnen om het te gebruiken als constructie-element of om het te vermalen en te gebruiken als industriële grondstof. De schelpen worden ook vermalen om meststoffen en andere producten te bereiden.

De schelpen van foraminiferen en weekdieren

De schelpen van deze dieren zijn gevormd uit calciumcarbonaat, gekristalliseerd als calciet of aragoniet. Dit zijn twee minerale vormen met dezelfde samenstelling (CaCO3) maar die verschillend kristalliseren.

Weekdieren vormen hun schelp uit een vloeibare vorm van calcium die wordt afgescheiden door gespecialiseerde cellen. De binnenste laag van de schaal is het paarlemoer gevormd uit aragonietkristallen gemengd met het conchioline-eiwit.

Belang

De circulatie van calcium, dat zijn kenmerkende cyclus vormt, is essentieel om dit element beschikbaar te maken voor levende wezens. Dankzij de processen die calcium uit gesteenten vrijkomen en het laten circuleren, bestaat het leven zoals wij het kennen.

- Essentieel element voor het leven

Calcium is essentieel voor het leven, aangezien het zowel een structureel als een metabolisch element is. Structureel is het een fundamenteel onderdeel van de conformatie van zowel interne als externe skeletten.

Bij benige dieren is calcium het hoofdbestanddeel van de botten (intern skelet), ook van de tanden. In foraminiferen (protisten) en weekdieren (slakken en tweekleppige dieren) is het het belangrijkste ingrediënt voor de vorming van het uitwendige skelet, dat wil zeggen de schelpen.

Metabolisme

Calcium is een transportmiddel in celmembranen en speelt dus een belangrijke rol bij de stofwisseling. In celmembranen zijn er calciumkanalen die de passieve intrede van dit element in cellen mogelijk maken.

Calciumkanalen. Bron: Ulrich Förstermann - Elsevier GmbH / Openbaar domein

Dit reguleert de relatie van calciumconcentraties tussen de binnenkant en de buitenkant van de cel, waardoor verschillende metabolische processen worden geactiveerd. Deze mechanismen zijn bijvoorbeeld essentieel voor het functioneren van het zenuwstelsel en het spierstelsel en spelen daarom een ​​relevante rol bij de hartfunctie.

- Voedsel en gezondheid

Vanuit menselijk oogpunt maakt de calciumcyclus het mogelijk om dit element beschikbaar te maken voor voedsel en menselijke gezondheid. Het is vooral essentieel bij de productie en bereiding van zuivelproducten voor kinderen.

Evenzo wordt de inname voor medicinale doeleinden gebruikt bij de behandeling van calciumgebrekziekten zoals osteoporose. Deze botverzwakkende ziekte is vooral ernstig bij oudere mensen, vooral bij vrouwen.

- De parels

Wanneer een vreemd lichaam de oester binnendringt, bedekt het deze met parelmoer en zo wordt een parel gevormd. Parels bereiken wereldwijd hoge waarden op de sieradenmarkt.

- Industriële grondstof

Kalksteen wordt industrieel gebruikt voor verschillende doeleinden, bijvoorbeeld voor het maken van cement. Ook worden deze stenen direct als bouwmateriaal gebruikt, vanwege hun gemakkelijke snijwerk.

Bovendien wordt calcium gebruikt als desoxidatiemiddel en reductiemiddel in verschillende processen, vooral in de metallurgische industrie.

Limoen

Als ongebluste kalk, ook wel bouwkalk genoemd, zijn het calciumoxiden die in de bouw als bindmiddel en coating worden gebruikt. Op dezelfde manier wordt het gebruikt bij de vervaardiging van zeep, papier, glas, rubber en bij het looien van leer.

Evenzo heeft het verschillende toepassingen in de voedingsindustrie en bij waterbehandeling. Hoewel het als gebluste kalk of calciumhydroxide wordt gebruikt, wordt het ook gebruikt in de industrie en de landbouw.

- pH-regeling van de bodem

Het gehalte aan calciumoxiden in de bodem beïnvloedt de pH-regeling. In de landbouw wordt ongebluste kalk gebruikt als landbouwamendement om de zuurgraad van bodems te verminderen en ook als meststof.

- Kalkhoudend water of hard water

Wanneer water circuleert in omgevingen die rijk zijn aan calcium en magnesium, lost het de zouten van deze elementen op en staat bekend als kalkhoudend of hard water. De waterkwaliteitslimiet is 120 mg CaCO3 / liter, waarboven het water als hard wordt beschouwd.

Water met een hoog calciumgehalte kan gezondheidsproblemen veroorzaken, vooral met betrekking tot het cardiovasculaire systeem. Bovendien veroorzaakt hard water kalkaanslag in de leidingen die de circulatie belemmeren.

- Kalkhoudende grotten en watervoerende lagen

In kalkhoudende gesteenten vormt hydrische erosie vaak ondergrondse grottenstelsels met interessante interne configuraties. Onder deze valt de vorming van stalactieten en stalagmieten op vanwege de calciumcarbonaatafzettingen van de lekken op de daken van deze grotten.

Deze kalkhoudende systemen vervullen ook de filterfunctie van grondwater vanwege de porositeit ervan en vormen watervoerende lagen.

Referenties

1. Calow, P. (Ed.) (1998). De encyclopedie van ecologie en milieubeheer.
2. Christopher R. en Fielding, CR (1993). Een overzicht van recent onderzoek in de sedimentologie van de rivier. Sedimentaire geologie.
3. Margalef, R. (1974). Ecologie. Omega-edities.
4. Miller, G. en TYLER, JR (1992). Ecologie en milieu. Grupo Hoofdartikel Iberoamérica SA de CV
5. Odum, EP en Warrett, GW (2006). Grondbeginselen van ecologie. Vijfde editie. Thomson.