Yhteyttäminen - Hajoaminen - Hengittäminen

Elämän kannalta tärkein hapettumis-pelkistymisreaktio maapallolla on klorofyllimolekyylissä tapahtuva auringon säteilyn energian sitoutuminen epäorgaanisen hiilen (CO₂:n) pelkistyessä orgaaniseksi aineeksi, reaktion samalla tuottaessa happea.

CO₂ (g) + H₂O = CH₂O + O₂ (g)

Energian lähde, eli auringon valo, on välttämätön ja esimerkiksi vesiekosysteemissä "perustuotanto", eli kasviplanktonin kasvu, tapahtuu ns. eufoottisessa kerroksessa, jonka syvyyden määrää auringon valon läpäisykyky. Jos vedessä on runsaasti lietettä tai planktonia, ei auringonvalo pystyy läpäisemään sitä ja planktonkasvu heikkenee ("itsepimennys").

Yhteyttämisreaktio ylläpitää tasapainoa hapen hapettavan voiman ja orgaanisen hiilen pelkistävän voiman välillä. Ilman sitä ilmakehän happi kuluisi vähitellen loppuun hiilen hapettuessa hiilidioksidiksi.

Kasviplanktonin kasvuun tarvitaan myös muita alkuaineita, kuten mm. typpeä ja fosforia - kasvu jatkuukin niin kauan kuin niitä on saatavilla. Fosforin ja typen lisäksi tarvitaan pieniä määriä useita muitakin alkuaineita (hivenaineita), mm. metalleja.

Fotosynteesireaktio tuottaa hieman enemmän happea (n. 0,2%) kuin käänteinen hengitys-hajoamisreaktio sitoo happea. Meriympäristön biomassa aiheuttaa tällä tavoin pienen nettolisäyksen ilmakehän happivarastoon.

Orgaanisen aineen hapettuminen - hajoaminen - voi tapahtua hapen avulla:

CH₂O + H₂O = CO₂ + 4H⁺ + 4e^- (hapettuminen)
O₂ + 4H⁺ + 4e^- = 2H₂O (pelkistyminen)
________________________________________
CH₂O + O₂ = CO₂ + H₂O

tai esim. sulfaatti-ionin avulla:

CH₂O + H₂O = CO₂ + 4H⁺ + 4e^- (hapettuminen)
SO₄⁼ + 10H⁺ + 8e^- = H₂S + 4H₂O (pelkistyminen)
____________________________________________
2CH₂O + SO₄= + 2H⁺ = H₂S + 2CO₂ + 2H₂O

Jälkimmäinen reaktio tapahtuu Itämeren hapettomissa syvänteissä. Puhtaasti kemiallisena tämä reaktio olisi erittäin hidas ja niin kuten useat reaktiot luonnossa, tämäkin on mikrobien välittämänä huomattavasti nopeampi. Mikrobit toimivat tavallaan katalyytteinä käyttäen hyväkseen reaktioprosessissa vapautuvaa energiaa.

Hapettomissa olosuhteissa hajoaminen voi tapahtua myös

- denitrifikaatiossa (bakteerit pelkistävät nitraatissa olevaa happea)

2,5 C + 2 NO₃^- + H^{+ _}> N₂ + 2,5 CO₂ + H₂O

- aminohappojen deminaatiossa. Liuennut ammoniakki muodostaa ammonium-ionin vedessä

[aminohappo] ^_> [N-vapaa yhdiste] + NH₃

- käymisreaktiossa (luonnossa tavallisin on metaanikäyminen)

C_org + 2 H₂O + CO₂ ^_> CO₂ + CH₄

Denitrifikaatio on tärkein typpeä luonnosta poistava prosessi. Siinä nitraatti-typpi (NO₃) muuttuu bakteerien vaikutuksesta kaasumaiseksi typeksi (N₂). Denitrifikaatio ei käynnisty ilman veden nitraattia. Sedimenteissä olevien bakteerien hajottaessa pohjalle laskeutuvaa eloperäistä ainesta vapautuu huokosveteen ammonium-typpeä nitraatiksi. Denitrifoivat bakteerit muuttavat typen kaasuksi. Vähitellen typpikaasu kohoaa sedimenteistä ja vedestä sekoittuen ilman typpivarastoon. Typen poistoa säätelevät merenpohjan sedimenttien hapettomat ja hapekkaat kerrokset, orgaanisen aineksen laatu ja määrä sekä ravinteiden pitoisuudet vedessä ja sedimentissä.

Takaisin