Oxigen ciclu este un ciclu biogeochimic , care ajută la explicarea transformărilor oxigenului în terestru biosferă între diferitele sale grade de oxidare , în ioni , oxizi și molecule prin diferite reacții redox , în interiorul și între rezervoare. Planetei Pamant.
Oxigenul este unul dintre cele mai abundente elemente de pe Pământ și reprezintă o mare parte din fiecare rezervor major. Procesele ciclului oxigenului sunt considerate biologice sau geologice și sunt evaluate ca „sursă” (producție) sau „chiuvetă” (consum) de O 2..
Acest ciclu este inseparabil de ciclul carbonului, deoarece acesta din urmă se realizează grație dioxidului de carbon utilizat în timpul fotosintezei . Acesta din urmă produce oxigen , care, prin respirație , arde componentele de carbon produse prin fotosinteză pentru a reda dioxidul de carbon. În analiza finală, fotosinteza și respirația sunt la originea producției și a echilibrului gazelor atmosferice. Cele două mecanisme -CO 2 + H 2 O→ zaharuri + oxigen și invers - condiționează circulația carbonului și a oxigenului.
Litosfera este de departe cel mai mare rezervor de oxigen de pe Pământ și conține aproape 99,5% din total.
Oxigenul nu este prezent în mod semnificativ în miezul Pământului . Se găsește în crustă și manta , reprezentând 46,6% din greutate, sub formă de silicați și alți oxizi .
Hidrosfera este compus în principal din apă molecule H 2 O, în general sub formă lichidă și, prin urmare, 33% oxigen după numărul de moli . Este al doilea cel mai mare rezervor de oxigen. Masa totală a hidrosfera este estimat la 1386 x 10 21 g , a cărei oxigen reprezintă 16/ 18 e este 1,232 x 10 21 g sau 77 000 x 10 18 mol .
Oxigenul este prezent și sub formă de molecule dizolvate, în principal oxigen liber și acizi carbonici (H x C 3).
După crustă, manta și hidrosferă, atmosfera este de 34 până la 37 × 10 18 mol de O 2.
Atmosfera este compusă din ~ 20,9 % oxigen, în principal sub formă de O 2- numai atmosfera reprezintă 98% din oxigenul disponibil sub formă liberă. În literatură, termenul „oxigen” în acest context se referă, în general, la cele mai comune alotrope de oxigen , oxigenul elementar diatomic (O 2), deoarece este produsul sau reactivul multor reacții biogeochimice redox în timpul ciclului.
Oxigenul este o componentă a altor compuși chimici prezenți în atmosferă, în special a vaporilor de apă H 2 O, dar și dioxid de carbon CO 2și oxizi de sulf și azot (SO 2, NO, N 2 O, etc.).
Biosfera conține oxigen sub formă de molecule organice (CxHxNxOx) și molecule de apă. Oxigenul astfel fixat reprezintă de ordinul 10 × 10 18 g sau 0,6 × 10 18 mol de oxigen.
Deși este prezentă într-un mod foarte marginal în termeni de masă, biosfera constituie un factor esențial al ciclului oxigenului. Inițial, fotosinteza a fost cea care a lansat O 2gaz în atmosferă, pentru a forma materie organică (aici, zahăr) prin reducerea dioxidului de carbon original (vezi ciclul carbonului ):
6 CO 2+ 6 H 2 O→ C 6 H 12 O 6+ 6 O 2↑Cu toate acestea, această elaborare de bază este, în general, compensată de respirația celulară , care în general echivalează cu inversarea procesului: pentru a furniza energia necesară metabolismului , materia organică este oxidată, consumând oxigen O 2și, în esență, eliberează dioxid de carbon CO 2și apă, pentru un echilibru neutru la nivel global. Odată ce organismul este mort, materia organică rămasă poate servi, de asemenea, ca sursă de energie pentru prădătorii externi, gunoieri, diverse organisme gloante, microbiotopul și este de obicei reciclată, prin urmare nu iese din ciclul de viață .
Pentru ca biosfera să fie un producător net de oxigen gazos, materia organică trebuie cumva să rămână „prinsă” și să nu fie digerată în biosferă.
Pe de altă parte, oxigenul O 2este o componentă esențială a ciclului azotului : în ciclurile curente, nitrația azotului în azotat NO 3 -presupune consumul unei molecule de O 2. Compușii nitro din biosferă pot fi apoi reciclați, dar și îngropați sub formă de roci de nitrați sau pot fi supuși denitrificării prin forme bacteriene care reduc azotatul la o formă gazoasă, oxigenul fiind îndepărtat sub formă de „apă”. Pentru ca oxigenul să rămână prezent în atmosferă, compușii nitro trebuie deci reciclați și nu îngropați sau denitrifiați.
În amonte, prin fixarea biologică a azotului efectuată de anumite cianobacterii, inhibarea azotazei de către O 2, direct sau indirect prin intermediul radicalilor oxidanți, constituie un puternic regulator al conținutului de oxigen din atmosferă, prin feedback-ul negativ pe care îl are asupra fixării azotului. O inhibare a fixării azotului ar duce la o scădere a productivității primare, atât direct pentru cianobacteriile diazotrofe, cât și indirect pentru toată productivitatea primară a hidrosferei , inducând pe termen mai lung, pentru ciclul carbonului , o reducere a ratei organice. înmormântare cu carbon. Fără depozitul de deșeuri nu există nicio creație netă de O 2 de către biosferă, iar speciile foarte reactive de oxigen în exces, dispar treptat prin oxidarea suprafeței planetei.
Reactivitatea oxigenului conduce la numeroase reacții de transfer de electroni ( redox ) , conducând la produse foarte stabile, cum ar fi H 2 O, CO 2, HNO 3 , H 2 SO 4 și H 3 PO 4 . Reacțiile oxigenului cu celelalte elemente luminoase abundente degajă aproape întotdeauna energie, ceea ce înseamnă că, spre deosebire de azotul N 2 , fără o sursă continuă, oxigenul molecular liber ar fi epuizat din atmosfera Pământului de acum câteva milioane de ani.
O producție netă de oxigen de către biosferă necesită ca o parte din materia organică să fie scoasă din ciclul biologic și imobilizată. În mod continuu, compușii organici sedimentează în mod regulat în medii anaerobe , unde pot fi îngropați fără a fi defalcați. Înmormântarea materiei carbonice este apoi echilibrată prin eliberarea de oxigen gazos care a fost necesar pentru crearea lor. Aceasta se răspândește în atmosferă și hidrosferă și este capabilă să oxideze elementele prezente.
Pe de altă parte, această lansare a O 2poate rămâne în atmosferă numai dacă nu întâlnește molecule cu un potențial ridicat de oxidare și capabile să capteze acest O 2 eliberată.
În contextul primitiv, oxigenul a reacționat inițial cu compușii din ocean, în principal cu metale precum fierul feros , pentru a precipita în hematit și magnetit , care au captat oxigenul și au limitat posibilitățile vieții la proliferarea numai a organismelor anaerobe . Degazarea oxigenului era atunci o risipă a ciclului, otravă pentru organismele anaerobe. Producția anaerobă produce oxigen, iar această producție distruge producția anaerobă. Urmează un ciclu de instabilitate: moartea organismelor anaerobe consumă și fixează O 2și își reduce conținutul; dar dispariția otrăvii permite organismelor anaerobe să prolifereze din nou, declanșând condițiile pentru noua lor dispariție. Această instabilitate se reflectă în depozitele de depozite de fier bandat , alternativ negru și roșu.
Ca rezultat, oxigenul liber nu exista în atmosferă decât cu aproximativ 2.400 de ani în urmă , când în paleoproterozoic majoritatea acestor forme reduse de fier au fost oxidate. Odată cu precipitarea compușilor feroși, echilibrul chimic al dizolvării fierului sa modificat ca urmare a reducerii concentrației de fier; și creșterea concomitentă a concentrației de O 2în ocean, ca urmare a fotosintezei , a făcut-o treptat un mediu oxidant, în timp ce inițial se reducea. După epuizarea fierului feros marin, conținutul de O 2a progresat, mai întâi în oceane, apoi în atmosferă. Aceasta se numește Marea Oxidare sau Catastrofă de Oxigen .
Tranziția se încheie doar cu apariția celulelor capabile să trăiască într-un mediu oxigenat. Geologic, apar depozite roșii, marcate de fier feric , iar rocile sedimentare se schimbă de la predominant negru la roșu. Aceste straturi sedimentare roșii implică faptul că atmosfera și apele de suprafață au devenit oxigenate.
Când materia organică formată este indigestibilă, deci „ne-biodegradabilă”, aceasta se acumulează și sedimentează fără a putea fi consumată de microbiotop . Din punct de vedere istoric, probabil acest lucru a condus la epoca carboniferă .
De fapt, s-a emis ipoteza că îngroparea unor cantități mari de lemn se datorează faptului că bacteriile și animalele nu erau încă suficient de evoluate pentru a putea descompune noile plante lemnoase care apar în acel moment. Lignină este dificil de a se descompune, și este prezent în proporție ridicată în plantele din Carbonifer. Lignina nu este solubilă, poate rămâne în sol sute de ani și inhibă descompunerea altor substanțe vegetale. Înmormântarea masivă de carbon rezultată ar fi putut duce la un exces de oxigen în aer de până la 35%, dar modelele revizuite consideră această cifră nerealistă și estimează procentul de oxigen din aer. Aerul trebuia să fie între 15 și 25%.
Cărbunele oprit de la formarea există aproape 290 milioane ani (Carbonifer târziu). Această oprire în formarea cărbunelui pare a putea fi explicată prin apariția de noi specii de ciuperci capabile să degradeze toată lignina datorită enzimelor ( lignina-peroxidaze ).
Acest ciclu ajută la explicarea fenomenului apariției ozonului . Utilizarea automobilelor degajă dioxid de azot (NO 2). Aceasta, prin descompunerea apoi recompunerii cu ambiant dioxigenați (O 2) formă de ozon (O 3). Cu toate acestea, acest ozon este dăunător sănătății și este chiar considerat un poluant. Cu toate acestea, în atmosfera superioară ozonul formează un strat esențial, de fapt acționează ca un filtru împotriva razelor UV emise de soare.
NO 2 → NO + O O + O 2 → O 3