Slayt 1

8. BİYOJEOKİMYASAL
DÖNGÜLER
 Biyojeokimyasal çevrim biyolojik ve kimyasal işlemlerle
elementlerin değişimi olarak tanımlanır.
 Mikroorganizmaların, canlı sistemler için gerekli olan
elementlerin döngüsünde önemli rolleri vardır.
 Mikroorganizmaların aracı olduğu oksidasyon
redüksiyon reaksiyonlarıyla ekosistemde, karbon,
sülfür (kükürt), azot ve demir gibi elementler hareket
eder.
Karbon döngüsü
 Dünyadaki en önemli karbon rezervleri, atmosfer, karasal ve
akuatik çevreler, biyomas, sediment ve kayalardır.
 En büyük karbon rezervleri kayalar ve sedimentte bulunur.
 Canlı organizmalar içinde en fazla karbon ise orman ve
otlaklardaki bitkilerde bulunur.
 Humus olarak adlandırılan ölü organik materyalde,
canlılardan daha fazla miktarda karbon vardır.
Karbon döngüsü
 Atmosferdeki CO2 kemolitotrof bakteriler ve fotosentetik
(prokaryot ve ökaryot) organizmalarla organik karbona
çevrilir. Bu çevrimde en etkili yol fotosentezdir. Bu
nedenle de fototrofik organizmalar karbon döngüsünün
temelini oluşturur.
 Oksijenik fotosentetik organizmalar yüksek bitkiler ve
mikroorganizmalar olmak üzere başlıca iki gruba ayrılır.
Yüksek bitkiler karasal çevrelerde, mikroorganizmalar
ise akuatik çevrelerde yaygın olarak bulunur.
Karbon döngüsü
 Fotosentezle organik bileşikler olarak fikse edilen karbon, çeşitli
organizmalar tarafından parçalanarak gaz halinde (metan ve CO2)
atmosfere verilir.
 Karbondioksit hem oksijenli hem de oksijensiz ortamlardaki
organizmalar tarafından üretilir.
 Sadece oksijensiz koşullarda metanojen bakterilerce üretilen
metan ise, oksijenli bölgelerdeki metanotrof bakterilerce CO2 ye
çevrilir. Bu şekilde organik bileşiklerdeki karbonun hepsi CO2 ye
çevrilmiş olur.
 Ancak bu dengenin bozulup atmosfere fazla miktarda CO2
verilmesi global ısınmaya sebep olur.
Azot döngüsü
 Azotun dünyadaki en stabil formu gaz (N2) halidir.
 Atmosferde bol miktarda bulunan azot gazı
sadece azot fikse eden mikroorganizmalarca
azotlu bileşikler haline çevrilir.
 Azot fiksasyonu olarak adlandırılan bu yolla
atmosferdeki azot, amonyak ve nitrat gibi canlılar
tarafından kullanılabilir forma dönüştürülür.
Azot döngüsü
 Yeryüzündeki azot mikroorganizmalar tarafından atmosfere
tekrar gaz halinde verilebilir.
 Nitratın gaz formundaki azota çevrimi denitrifikasyon
olarak adlandırılır.
 Bu olay ortamdaki canlılar tarafından kullanılabilecek
azotun kaybı olarak zararlı olsa da yüksek oranda azot
içeren atıkların arıtımı için faydalıdır.
Azot döngüsü
 Azotlu organik bileşiklerin parçalanması esnasında
amonifikasyon olarak adlandırılan bir işlemle üretilen amonyak,
nötral pH’da amonyum iyonları (NH4+) olarak bulunur.
 Topraklarda aerobik parçalanma sonucu oluşan amonyak, amino
asitlere çevrilerek bitki ve mikroorganizmalar tarafından kullanılır.
 Uçucu bir bileşik olan amonyak, topraktan buharlaşmayla
atmosfere verilebilir. Hayvan populasyonunun yoğun olduğu
bölgelerde bu şekilde önemli miktarda amonyak kaybı olur.
 Ancak tüm dünyada atmosfere salınan azotun sadece % 15’i
amonyak formundadır, geri kalanı denitrifikasyonla olan kayıptır.
Azot döngüsü
 Amonyak mikroorganizmalar tarafından nitrifikasyon olarak
adlandırılan bir yolla nötral pH’da nitrata okside olur. Proteince
zengin organik materyalin (gübre yada çeşitli atıklar) toprağa
verilmesi sonucunda nitrifikasyonla fazla miktarda nitrat üretilir.
 Oluşan nitrat bitkiler tarafından kolayca alınıp kullanılır. Ancak suda
çözünen nitrat, toprakta tutunamaz ve bitkilerin kullanamayacağı
derinliklere gider. Sonuç olarak zirai anlamda nitrifikasyon,
topraktan azotun kaybına sebep olduğu için faydalı değildir.
 Pozitif yüklü amonyak, topraktaki negatif yüklü kil minerallerine
bağlanarak toprakta kalır. Topraklara gübre olarak amonyak
verildiğinde nitrifikasyonu önleyici nitrapyrin gibi kimyasallar da bu
gübreye katılır.
Kükürt döngüsü
 Sülfür döngüsündeki bazı reaksiyonlar hem biyolojik
hem de kimyasal yolla olduğu için, azot döngüsünden
daha karışıktır. Kükürt doğada üç formda bulunur.
 Sülfidril (R-SH) ve sülfitde (HS) olduğu gibi –2 değerlikli
olarak
 Elementer sülfürde (So) olduğu gibi 0 değerli olarak
 Sülfatta olduğu gibi +6 değerli olarak bulunur.
 Kükürt, sediment ve kayalarda sülfat mineralleri
(CaSO4) ve sülfit mineralleri (prit, FeS2) formunda,
okyanuslarda ise inorganik sülfat formunda bulunur.
Kükürt döngüsü
 Bakteriyel sülfat redüksiyonu sonucu uçucu bir bileşik olan
hidrojen sülfit (SO4  H2S) üretilir. Hidrojen sülfit ayrıca
volkan yada sülfit kaynaklarından yeryüzüne de çıkabilir.
 Sülfat redükte eden bakteriler doğada yaygın olarak bulunur.
Sülfat redüksiyonu için organik maddelere ihtiyaç
duyulduğundan, sülfit üretimi organik maddece zengin
ortamlarda olmaktadır.
 Deniz sedimentlerinde bol miktarda sülfat olsa da sülfat
redüksiyonu ortamdaki karbon kaynaklarına bağlıdır. Karbon
kaynağı fazla ise sülfat redüksiyonu da artmaktadır.
Kükürt döngüsü
 Gerek sitokromlardaki gerekse hücredeki diğer demir içeren
bileşiklere bağlanan sülfit, organizmalar için toksiktir. Doğada
sülfit, demir ile çözünemez FeS oluşturarak detoksifiye
edilmektedir. Sedimentlerde FeS’ün bulunduğu yerler siyah
renkte görülmektedir.
 Oksijenli ortamlarda ve nötral pH’da sülfit, kendiliğinden hızlı bir
şekilde okside (H2S  SO4) olur. Bu reaksiyonu bakteriler de
yapar ancak bakteriyel oksidasyon daha yavaştır. Anaerobik
koşullarda ise eğer ortamda ışık varsa fototrof sülfür bakterileri
sülfiti okside eder.
Kükürt döngüsü
 Elementer sülfür, oksijenli ortamlarda kimyasal olarak stabildir. Ancak bu
ortamdaki aerob sülfür okside eden bakteriler tarafından (Thiobacillus
spp.) düşük pH’da elementer sülfür okside edilebilir. Bu oksidasyon
sonucu SO4 ve H iyonları oluşur. Elementer sülfür anaerobik solunumla
sülfat indirgeyen bakteriler ve hipertermofil arkebakteriler tarafından H2S‘e
redükte de edilebilir.
 Bazı organizmalar, kötü kokulu buharlaşarak atmosfere karışan organik
sülfür bileşikleri sentezler. Bu bileşiklerden en bol bulunanı dimetil sülfittir.
Dimetil sülfit, deniz alglerinde ozmotik basıncı düzenleyici
dimetilsülfoniopropionatın parçalanma ürünü olarak denizlerde fazla
miktarda bulunur. Dimetilsülfoniopropionat mikroorganizmalarca karbon ve
enerji kaynağı olarak kullanılarak dimetil sülfit ve akrilata katabolize edilir.
Kükürt döngüsü
 Oksijensiz ortamda üretilen dimetil sülfit, metanojenezde
substrat olarak kullanılıp, bundan CH4 ve H2S üretilir.
 Ayrıca dimetil sülfit, oksijensiz ortamlardaki fotosentetik CO2
fiksasyonu ile bazı kemoorganotrof ve kemolitotrof
bakteriler tarafından da, elektron donorü olarak kullanılıp
dimetil sülfoksite (DMSO) çevrilir.
 DMSO, anaerobik solonumda elektron akseptörü olarak
görev görüp tekrar dimetil sülfit oluşumunda kullanılır.
Demir döngüsü
üç değerlikli Fe+3 (ferrik)
Bak / Kim elementer demir (Feo)
oksidasyon
Bak / Kim
Redüksiyon
iki değerlikli Fe+2 (ferrous)
 Doğada Fe+2  oksijenli asidik, oksijensiz
koşullarda çözünür haldedir,
 Fe+3  oksijenli koşullar, nötral pH çözünemez
formda
Demir döngüsü
 Demirce (Fe+2) zengin suların oksijenli bölgelere taşınması sonucu bu
bölgelerde, bol miktarda çözünmez formdaki Fe+3 kendiliğinden oluşur. Fe+2‘nin
Fe+3‘e oksidasyonu bakteriler tarafından da gerçekleştirilir. Asidik ve aerobik
koşullarda gelişen Thiobacillus türleri ile asidik olmayan şartlarda anoksik
yeraltı suları ve hava arasındaki yüzeyde gelişen Gallionella ve Leptothrix
türleri demiri okside ederler. Ayrıca pH 0 ve 50oC’de gelişebilen aerob bir
arkebakteri olan Ferroplasma acidophilum türü Fe+2‘yi okside edebilir.
Oksijensiz koşullarda bazı anoksijenik fotosentetik bakteriler ve denitrifikasyon
bakterileri tarafından da Fe+2 okside edilir.
 Kemoorganotrof ve kemolitotrof organizmaların çoğu elektron akseptörü olarak
anaerobik solunumda Fe+3‘ü kullanır. Shewanella, Geobacter, Geospirillum ve
Geovibrio türleri Fe+3 redüksiyonu yapar.