ZUURSTOFCYCLUS: KENMERKEN, RESERVOIRS EN STADIA - MILIEU - 2026

De zuurstofcyclus verwijst naar de circulatiebeweging van zuurstof op aarde. Het is een gasvormige biogeochemische cyclus. Zuurstof is na stikstof het meest voorkomende element in de atmosfeer en na waterstof het meest voorkomende element in de hydrosfeer. In die zin is de zuurstofcyclus verbonden met de watercyclus.

De circulatie van zuurstof omvat de productie van dizuurstof of moleculaire zuurstof van twee atomen (O ₂ ). Dit gebeurt als gevolg van hydrolyse tijdens fotosynthese uitgevoerd door de verschillende fotosynthetische organismen.

Zuurstofreservoir: nevelwoud, Waraira Repano National Park, Venezuela. Arnaldo Noguera Sifontes, van Wikimedia Commons

O ₂ wordt door levende organismen gebruikt bij de cellulaire ademhaling, waardoor de productie van kooldioxide (CO ₂ ) ontstaat , dit laatste is een van de grondstoffen voor het fotosyntheseproces.

Aan de andere kant vindt in de bovenste atmosfeer fotolyse (hydrolyse geactiveerd door zonne-energie) van waterdamp plaats als gevolg van ultraviolette straling van de zon. Water wordt afgebroken waarbij waterstof vrijkomt dat verloren gaat in de stratosfeer en zuurstof wordt geïntegreerd in de atmosfeer.

Wanneer een O ₂ -molecuul interageert met een zuurstofatoom, wordt ozon (O ₃ ) geproduceerd. Ozon vormt de zogenaamde ozonlaag.

kenmerken

Zuurstof is een niet-metalen chemisch element. Het atoomnummer is 8, dat wil zeggen, het heeft 8 protonen en 8 elektronen in zijn natuurlijke staat. Onder normale temperatuur- en drukomstandigheden is het aanwezig in de vorm van dizuurstofgas, kleurloos en reukloos. De moleculaire formule is O ₂ .

O ₂ omvat drie stabiele isotopen: ¹⁶ O, ¹⁷ O en ¹⁸ O. De overheersende vorm in het universum is ¹⁶ O. Op aarde vertegenwoordigt het 99,76% van de totale zuurstof. De ¹⁸ O vertegenwoordigt 0,2%. De ¹⁷ O- vorm is zeer zeldzaam (~ 0,04%).

Oorsprong

Zuurstof is het derde meest voorkomende element in het universum. De productie van de ¹⁶ O- isotoop begon in de eerste generatie van zonne-heliumverbranding die plaatsvond na de oerknal.

De totstandbrenging van de koolstof-stikstof-zuurstof nucleosynthesecyclus in latere generaties sterren heeft de overheersende bron van zuurstof op de planeten opgeleverd.

Hoge temperaturen en drukken produceren water (H ₂ O) in het heelal door de reactie van waterstof met zuurstof op te wekken. Water maakt deel uit van de samenstelling van de kern van de aarde.

Magma-ontsluitingen geven water af in de vorm van stoom en dit komt in de watercyclus terecht. Water wordt door fotolyse afgebroken tot zuurstof en waterstof door fotosynthese en door ultraviolette straling in de bovenste niveaus van de atmosfeer.

Primitieve sfeer

De primitieve atmosfeer vóór de evolutie van fotosynthese door cyanobacteriën was anaëroob. Voor levende organismen die aan die atmosfeer waren aangepast, was zuurstof een giftig gas. Zelfs vandaag de dag veroorzaakt een atmosfeer van zuivere zuurstof onherstelbare schade aan cellen.

Fotosynthese is ontstaan ​​in de evolutionaire lijn van de huidige cyanobacteriën. Hierdoor begon de samenstelling van de atmosfeer van de aarde ongeveer 2,3-2,7 miljard jaar geleden te veranderen.

De proliferatie van fotosynthetiserende organismen veranderde de samenstelling van de atmosfeer. Het leven evolueerde naar aanpassing aan een aerobe atmosfeer.

Energieën die de cyclus aandrijven

De krachten en energieën die werken om de zuurstofcyclus aan te drijven, kunnen geothermisch zijn, wanneer magma waterdamp verdrijft, of het kan afkomstig zijn van zonne-energie.

Dit laatste levert de fundamentele energie voor het fotosyntheseproces. De chemische energie in de vorm van koolhydraten als gevolg van fotosynthese, drijft op zijn beurt alle levende processen door de voedselketen aan. Op dezelfde manier produceert de zon de planetaire differentiële verwarming en veroorzaakt ze de zee- en atmosferische stromingen.

Relatie met andere biogeochemische cycli

Door zijn overvloed en hoge reactiviteit is de zuurstofcyclus verbonden met andere cycli zoals CO ₂ , stikstof (N ₂ ) en de watercyclus (H ₂ O). Dit geeft het een multicyclisch karakter.

De O _{2 -} en CO ₂ -reservoirs zijn met elkaar verbonden door processen waarbij organische stof wordt aangemaakt (fotosynthese) en vernietigd (ademhaling en verbranding). Op korte termijn zijn deze oxidatiereductiereacties de belangrijkste bron van variabiliteit in de O ₂ -concentratie in de atmosfeer.

Denitrificerende bacteriën halen zuurstof voor hun ademhaling uit nitraten in de bodem, waardoor stikstof vrijkomt.

Reservoirs

Geosfeer

Zuurstof is een van de belangrijkste componenten van silicaten. Daarom vormt het een aanzienlijk deel van de aardmantel en aardkorst.

• Aardkern : in de vloeibare buitenmantel van de aardkern bevinden zich naast ijzer nog andere elementen, waaronder zuurstof.
• De bodem : in de ruimtes tussen deeltjes of poriën van de bodem wordt de lucht verspreid. Deze zuurstof wordt gebruikt door de microbiota in de bodem.

Atmosfeer

21% van de atmosfeer bestaat uit zuurstof in de vorm van dizuurstof (O ₂ ). De andere vormen van aanwezigheid van zuurstof uit de lucht zijn waterdamp (H ₂ O), kooldioxide (CO ₂ ) en ozon (O ₃ ).

• Waterdamp : de concentratie van waterdamp is variabel, afhankelijk van temperatuur, atmosferische druk en atmosferische circulatiestromen (watercyclus).
• Kooldioxide : CO ₂ vertegenwoordigt ongeveer 0,03% van het luchtvolume. Sinds het begin van de industriële revolutie is de concentratie CO ₂ in de atmosfeer met 145% gestegen .
• Ozon : het is een molecuul dat in een kleine hoeveelheid in de stratosfeer aanwezig is (0,03 - 0,02 volumedelen per miljoen).

Hydrosfeer

71% van het aardoppervlak is bedekt met water. Meer dan 96% van het water op het aardoppervlak is geconcentreerd in de oceanen. 89% van de massa van de oceanen bestaat uit zuurstof. CO _{2 wordt} ook opgelost in water en ondergaat een uitwisselingsproces met de atmosfeer.

Cryosphere

De cryosfeer verwijst naar de massa bevroren water die bepaalde delen van de aarde bedekt. Deze ijsmassa's bevatten ongeveer 1,74% van het water in de aardkorst. Aan de andere kant bevat ijs verschillende hoeveelheden ingesloten moleculaire zuurstof.

OF

De meeste moleculen die de structuur van levende wezens vormen, bevatten zuurstof. Aan de andere kant is een groot deel van de levende wezens water. Daarom is de terrestrische biomassa ook een zuurstofreserve.

Stadia

In algemene termen omvat de cyclus die zuurstof als chemisch agens volgt, twee grote gebieden die zijn karakter als biogeochemische cyclus vormen. Deze gebieden zijn in vier fasen vertegenwoordigd.

Het geomilieugebied omvat de verplaatsingen en insluiting in de atmosfeer, hydrosfeer, cryosfeer en geosfeer van zuurstof. Dit omvat de milieufase van reservoir en bron, en de fase van terugkeer naar het milieu.

Zuurstofcyclus. Eme Chicano, van Wikimedia Commons

Twee fasen zijn ook opgenomen in het biologische gebied. Ze worden geassocieerd met fotosynthese en ademhaling.

-Milieufase van reservoir en bron: atmosfeer-hydrosfeer-cryosfeer-geosfeer

Atmosfeer

De belangrijkste bron van zuurstof uit de lucht is fotosynthese. Maar er zijn andere bronnen waaruit zuurstof de atmosfeer kan binnendringen.

Een daarvan is de vloeibare buitenmantel van de aardkern. Zuurstof bereikt de atmosfeer als waterdamp door vulkaanuitbarstingen. Waterdamp stijgt op naar de stratosfeer waar het fotolyse ondergaat als gevolg van hoogenergetische straling van de zon en vrije zuurstof wordt geproduceerd.

Aan de andere kant geeft ademhaling zuurstof af in de vorm van CO ₂ . Verbrandingsprocessen, vooral industriële processen, verbruiken ook moleculaire zuurstof en dragen CO _{2 bij} aan de atmosfeer.

Bij de uitwisseling tussen de atmosfeer en de hydrosfeer komt de opgeloste zuurstof in de watermassa's in de atmosfeer terecht. Van zijn kant wordt atmosferische CO ₂ opgelost in water als koolzuur. Opgeloste zuurstof in water is voornamelijk afkomstig van de fotosynthese van algen en cyanobacteriën.

Stratosfeer

In de bovenste niveaus van de atmosfeer hydrolyseert hoogenergetische straling waterdamp. Kortegolfstraling activeert O ₂ -moleculen . Deze worden opgesplitst in vrije zuurstofatomen (O).

Deze vrije O-atomen reageren met O ₂ -moleculen en produceren ozon (O ₃ ). Deze reactie is omkeerbaar. Door het effect van ultraviolette straling valt O _{3 weer} uiteen in vrije zuurstofatomen.

Zuurstof als onderdeel van atmosferische lucht maakt deel uit van verschillende oxidatiereacties en wordt onderdeel van verschillende terrestrische verbindingen. Een belangrijke put voor zuurstof is de oxidatie van gassen uit vulkaanuitbarstingen.

Hydrosfeer

De grootste concentratie van water op aarde zijn de oceanen, waar sprake is van een uniforme concentratie van zuurstofisotopen. Dit komt door de constante uitwisseling van dit element met de aardkorst via hydrothermische circulatieprocessen.

Aan de grenzen van de tektonische platen en oceaanruggen wordt een constant proces van gasuitwisseling gegenereerd.

Cryosphere

Landijsmassa's, inclusief poolijsmassa's, gletsjers en permafrost, vormen een belangrijke put voor zuurstof in de vorm van vastestofwater.

Geosfeer

Evenzo neemt zuurstof deel aan de gasuitwisseling met de bodem. Daar vormt het het vitale element voor de ademhalingsprocessen van bodemmicro-organismen.

Een belangrijke put in de bodem zijn de processen van minerale oxidatie en het verbranden van fossiele brandstof.

De zuurstof die deel uitmaakt van het watermolecuul (H ₂ O) volgt de watercyclus in de processen van verdamping-transpiratie en condensatie-neerslag.

- Fotosynthetische fase

Fotosynthese vindt plaats in chloroplasten. Tijdens de lichte fase van fotosynthese is een reductiemiddel vereist, dat wil zeggen een bron van elektronen. Genoemd middel in dit geval water (H ₂ O).

Door waterstof (H) uit water te halen, komt zuurstof (O ₂ ) vrij als afvalproduct. Water komt via de wortels vanuit de grond de plant binnen. In het geval van algen en cyanobacteriën komt het uit het aquatisch milieu.

Alle moleculaire zuurstof (O ₂ ) die tijdens fotosynthese wordt geproduceerd, is afkomstig van het water dat in het proces wordt gebruikt. Bij fotosynthese worden CO ₂ , zonne-energie en water (H ₂ O) verbruikt en komt zuurstof (O ₂ ) vrij.

-Atmosferische retourfase

De O ₂ die bij fotosynthese wordt gegenereerd, wordt bij planten via de huidmondjes in de atmosfeer uitgestoten. Algen en cyanobacteriën brengen het terug naar het milieu door membraandiffusie. Evenzo voeren ademhalingsprocessen zuurstof terug naar de omgeving in de vorm van kooldioxide (CO ₂ ).

-Ademhalingsfase

Om hun vitale functies uit te voeren, moeten levende organismen de chemische energie die door fotosynthese wordt gegenereerd, effectief maken. Deze energie wordt bij planten opgeslagen in de vorm van complexe moleculen koolhydraten (suikers). De rest van de organismen halen het uit de voeding

Het proces waarbij levende wezens chemische verbindingen ontwikkelen om de benodigde energie vrij te maken, wordt ademhaling genoemd. Dit proces vindt plaats in cellen en kent twee fasen; één aëroob en één anaëroob.

Aërobe ademhaling vindt plaats in de mitochondriën bij planten en dieren. Bij bacteriën wordt het uitgevoerd in het cytoplasma, omdat ze mitochondriën missen.

Het fundamentele element voor ademhaling is zuurstof als oxidatiemiddel. Bij de ademhaling wordt zuurstof (O ₂ ) verbruikt en komen CO ₂ en water (H ₂ O) vrij, waardoor nuttige energie wordt geproduceerd.

CO ₂ en water (waterdamp) komen vrij via huidmondjes in planten. Bij dieren komt CO ₂ vrij via de neusgaten en / of de mond, en water door transpiratie. In algen en bacteriën komt CO ₂ vrij door membraandiffusie.

Fotorespiratie

In planten ontwikkelt zich in aanwezigheid van licht een proces dat zuurstof en energie verbruikt, fotorespiratie genaamd. Fotorespiratie neemt toe met toenemende temperatuur, als gevolg van de toename van de concentratie van CO ₂ met betrekking tot de concentratie van O ₂ .

Fotorespiratie zorgt voor een negatieve energiebalans voor de plant. Het verbruikt O ₂ en chemische energie (geproduceerd door fotosynthese) en geeft CO _{2 vrij} . Om deze reden hebben ze evolutionaire mechanismen ontwikkeld om het tegen te gaan (C4- en CAN-metabolisme).

Belang

Tegenwoordig is het overgrote deel van het leven aëroob. Zonder de circulatie van O ₂ in het planetaire systeem zou het leven zoals we dat vandaag kennen onmogelijk zijn.

Bovendien vormt zuurstof een aanzienlijk deel van de luchtmassa's op aarde. Daarom draagt ​​het bij tot de atmosferische verschijnselen die ermee verband houden en de gevolgen ervan: erosieve effecten, klimaatregulatie, onder andere.

Het genereert rechtstreeks oxidatieprocessen in de bodem, van vulkanische gassen en op kunstmatige metalen constructies.

Zuurstof is een element met een hoog oxidatief vermogen. Hoewel zuurstofmoleculen zeer stabiel zijn vanwege het feit dat ze een dubbele binding vormen, omdat zuurstof een hoge elektronegativiteit heeft (het vermogen om elektronen aan te trekken), heeft het een hoge reactieve capaciteit. Vanwege deze hoge elektronegativiteit neemt zuurstof deel aan veel oxidatiereacties.

Wijzigingen

De overgrote meerderheid van verbrandingsprocessen die in de natuur plaatsvinden, vereist de deelname van zuurstof. Evenzo bij die gegenereerd door mensen. Deze processen vervullen in antropische termen zowel positieve als negatieve functies.

De verbranding van fossiele brandstoffen (kolen, olie, gas) draagt ​​bij aan de economische ontwikkeling, maar vormt tegelijkertijd een ernstig probleem vanwege de bijdrage aan de opwarming van de aarde.

Grote bosbranden tasten de biodiversiteit aan, hoewel ze in sommige gevallen deel uitmaken van natuurlijke processen in bepaalde ecosystemen.

Broeikaseffect

De ozonlaag (O ₃ ) in de stratosfeer is het beschermende schild van de atmosfeer tegen het binnendringen van overtollige ultraviolette straling. Deze zeer energetische straling verhoogt de opwarming van de aarde.

Aan de andere kant is het sterk mutageen en schadelijk voor levende weefsels. Bij mensen en andere dieren is het kankerverwekkend.

De emissie van verschillende gassen veroorzaakt vernietiging van de ozonlaag en vergemakkelijkt daardoor het binnendringen van ultraviolette straling. Sommige van deze gassen zijn chloorfluorkoolwaterstoffen, chloorfluorkoolwaterstoffen, ethylbromide, stikstofoxiden uit meststoffen en halonen.

Referenties

1. Anbar AD, Y Duan, TW Lyons, GL Arnold, B Kendall, RA Creaser, AJ Kaufman, WG Gordon, S Clinton, J Garvin en R Buick (2007) A Whiff of Oxygen Before the Great Oxidation Event? Science 317: 1903-1906.
2. Bekker A, HD Holland, PL Wang, D Rumble, HJ Stein, JL Hannah, LL Coetzee en NJ Beukes. (2004) Dateren van de opkomst van atmosferische zuurstof. Nature 427: 117-120.
3. Farquhar J en DT Johnston. (2008) De zuurstofcyclus van de aardse planeten: inzichten in de verwerking en geschiedenis van zuurstof in oppervlakte-omgevingen. Recensies in mineralogie en geochemie 68: 463-492.
4. Keeling RF (1995) De atmosferische zuurstofcyclus: de zuurstofisotopen van atmosferische CO ₂ en O ₂ en de O ₂ / N ₂ Reviws van Geophysics, supplement. VS: Nationaal rapport aan International Union of Geodesy and Geophysics 1991-1994. pp. 1253-1262.
5. Purves WK, D Sadava, GH Orians en HC Heller (2003) Life. The Science of Biology. 6e edt. Sinauer Associates, Inc. en WH Freeman and Company. 1044 blz.