Geochemie I B.Geo.109 GZG. Kohlenstoff. Masse t 1/ stabil stabil a <10-9

Transkript

1 Kohlenstoff % Masse t 1/2 12 C stabil 13 C stabil 14 C < a

2 C C C C Orbitalbesetzung (theoretisch): 1s 2, 2s 2, 2p 2 Mischung des 2s und der 2p Orbitale: Hybridisierung Hier dargestellt: sp 3 -Hybridorbitale möglich sind auch sp 2 und sp-hybridorbitale (z.b. Alkene/Alkine) und Bindung mit Heteroatomen C

3 (0) CH 2 O (+II) HCOOH voll oxidiert (+IV) CO 2 (-IV) (-II) CH 3 OH CH 4 voll reduziert

4 Aerober und anaerober Kohlenstoffkreislauf Methanogenic Archaea aus: Peters und Moldowan (1993)

5 Schulz & Zabel, 2000

6 Speicher (Pool), Reservoir Eine Stoffmenge in einer physikalischen, chemischen oder biologischen Umgrenzung, z.b.: H 2 O in den Ozeanen C in der Atmosphäre N in organischen Verbindungen des Bodens S in Sedimentgesteinen

7 Fluss (Flux): Die zwischen Speichern pro Zeiteinheit tranportierte Stoffmenge, z.b. jährliche(r): CO 2 -Eintrag in die Atmosphäre aus vulkanischer Aktivität N-Eintrag aus der Atmosphäre in Böden Phosphatauslaugung aus Böden in Flüsse VOC Emissionen in das Grundwasser Senke: impliziert einen Fluss aus einem Speicher heraus Quelle: impliziert einen Fluss in einen Speicher

8 Kreislauf (Cycle) System aus zwei oder mehr Speichern, die durch Flüsse verbunden sind. Geschlossen oder offen (Massenzuwachs/-verlust), z.b.: Wasserkreislauf Schwefelkreislauf Kohlenstoffkreislauf

9 Speicher und Flüsse im rezenten Kohlenstoffkreislauf (Gt) 5-10 x 10 7 Killops & Killops 1997

10 Inhalte einiger wichtiger Kohlenstoffspeicher der Erde

11 Kohlenstoffspeicher (hypothetische Schichtdicke) Karbonat im Sediment Kerogen im Sediment Meerwasser Fossile Brennstoffe Boden Vegetation Atmosphäre 130 m 33 m 6,5 cm 8,0 mm 2,5 mm 0,8 mm 1,2 mm

12 Elektronendonator H 2 O H 2 S Photosynthese 20µm Erster Schritt im C-Kreislauf (C. B. van NIEL) mind Mio. a: Anoxygene Photosynthese; Grüne Schwefelbakterien (?) 6 CO H 2 S C 6 H 12 O H 2 O +12 S 0 mind Mio. a: Oxygene Photosynthese; Cyanobakterien (?) 6 CO H 2 O C 6 H 12 O O 2 mind Mio. a: Auftreten atmosphärischen Sauerstoffs

13 Generelle Indizien für Photosynthese im Archaikum: (a) Mikrofossilien (b) Stromatolithe (c) δ 13 C Werte in Sedimentgesteinen (Isua, 3,8Ga) (d) Biomarker Barberton Greenstone Belt, 3.4 Ga Rohöl (Ø) Schidlowski et al. (1983) North Pole, W-Australien, 3.5 Ga 20µm R Rezente Cyanobakterien Sedimentgestein Hammersley-Becken Australien; 2,5 Ga

14 Photosynthese-Pigmente (z.b. Chlorophyll a) Porphyrin-Kern Isoprenoid-Alkohol (Phytol)

15 Killops & Killops, 1997

16 Aktionsspektrum der Photosynthese Relative Extinktion 410 Chlorophyll a Chlorophyll b Wellenlänge λ [nm] T.W. Engelmann, 1882

17 Photosynthese, Calvin-Zyklus Photosynthese wandelt Lichtenergie in chemische Energie um. Der grundlegende Prozess ist der Transfer von Wasserstoff aus dem Wassermolekül zu CO 2 unter Bildung von organischen Verbindungen (z.b. Kohlehydraten) und Sauerstoff. Killops & Killops 1997

18 Primärproduktion (PP) Menge des (pro Zeiteinheit) photosynthetisch fixierten Kohlenstoffs. Brutto-PP: Gesamtmenge des aus CO 2 fixierten C Geochemie I B.Geo.109 GZG Netto-PP: Brutto-PP minus eigener Respiration (= Biomasse-Zugewinn) Sekundärproduktion: C org -Produktion auf höheren trophischen Niveaus

19 Wichtige Primärproduzenten Emiliania huxleyi Prochlorococcus Cyanobakterien Haptophyten (z.t. Coccolithophoriden) Picoplankton Nanoplankton Mikroplankton Makroplankton < 2 < 20 < µm Dinoflagellaten Diatomeen Quelle:

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21 Satellitengestützte Vermessung der Chlorophyll a-konzentrationen ( Primärproduktion) ( ; Quelle: SeaWiFs Project:

22 Stickstoff-Fixierung Reduktion von elementarem Stickstoff (N 2 ) zu Ammoniak (NH 3 ) und organischem Stickstoff (RNH 2 ). Trichodesmium Pazifik Nodularia spumigena N ATP + 8e- + 8H + Nitrogenase Fe, Mo 2NH ADP + 16 P i + H 2 + organische Säuren Aminosäuren Fe-Mo Kofaktor in Nitrogenase

23 Globale Verteilung der marinen Primärproduktion aus: Rashid (1985)

24 Primärproduktion organischen Kohlenstoffs in der Deutschen Bucht Quelle: Universität Kiel

25 Primärproduktion pro Flächeneinheit aus: Rashid (1985)

26 Redfield-Verhältnis Die Redfield Beziehung gibt die Elementhäufigkeit im marinen Phytoplankton wieder: C:N:P = 106:16:1 liefert die allgemeine Gleichung für die Photosynthese: 106 CO NO 3- + HPO H 2 O + 18 H + C 106 H 263 O 110 N 16 P O 2 Der Schwefelgehalt organischer Materie entspricht in etwa dem Phosphorgehalt oder liegt leicht niedriger. C N P N/P-ratio ~ 16:1 (Atlantic Ocean, GEOSECS Program)

27 Aerobe Respiration Zweiter Schritt im C-Kreislauf Allgemeine Gleichung für die aerobe Respiration: C 106 H 263 O 110 N 16 P O CO NO 3- + HPO H 2 O+ 18 H + Recycelt >99 % der Primärproduktion, den größten Teil davon noch in der euphotischen Zone Umkehrung der oxygenen Photosynthese

28 Wichtige aerobe Atmer (Recycler, Sekundärproduzenten) Radiolarien Bakterien 20µm Picoplankton Nanoplankton Mikroplankton Makroplankton < 2 < 20 < µm Flagellaten Ciliaten Copepoden Quelle: Foraminifera

29 Kopplung von PP und Abweidung

30 Transfereffizienz: Primär- vs. Sekundärproduktion

31 Partikuläres organisches Material (POM) in der Wassersäule rapide Abnahme (bis ca.200m) +/- konstante Werte in der Tiefe aus: Libes (1992)

32 Rullkötter (2000)

33 1 cm Sinkraten (pro Tag) verschiedener OM-Träger in der Wassersäule 10 cm 1 m 10 m 'marine snow' 100 m 1000 m aus: Degens (1989) 'fecal pellet'

34 Canfield 2005

35 Bakterienzahlen in rezenten marinen Sedimenten (Peru-Schelf) Ocean Drilling Program Leg 201 Preliminary Report Controls on Microbial Communities in Deeply Buried Sediments, Eastern Equatorial Pacific and Peru Margin 27 January 29 March

36 Mikroorganismen remineralisieren > 95% des sedimentierten OM Prozess Energiegewinn ca [Sauerstoffatmung =100] Elektronenakzeptor Organismengruppe Prominenter Vertreter Sauerstoffatmung (aerobe Respiration) O Bakterien Protozoen Pseudomonas Nitratatmung (Denitrifikation) NO 3-95 Bakterien Pseudomonas denitrificans Mn-Reduktion Mn Bakterien Shewanella Fe-Reduktion Fe Bakterien Geobacter Sulfatreduktion SO Bakterien Archaea Desulfovibrio Methanogenese CH 2 O 10 Archaea Methanosarcina

37 Canfield 2005

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