Biogeochemia i geochemia

obowiązkowe

Cykl wykładów podkreśla szczególnie ważną rolę jaką odgrywają procesy biologiczne w globalnym obiegu materii w biosferze, wpływające na zróżnicowane losy naturalne poszczególnych pierwiastków, które tworzą urozmaicone środowisko życia zarówno na lądzie, oceanach jak i w atmosferze. Podkreślona jest olbrzymia moc gospodarczej działalności człowieka, który może wpłynąć na globalne tempo obiegu wielu pierwiastków modyfikując jednocześnie (często nieświadomie) warunki klimatyczne na Ziemi lub powodując zagrożenie przez wprowadzenie do obiegu ksenobiotyków lub substancji powodujących nieprzewidywalne a groźne reakcje dla przyrody. Historia wykształcenia się określonego obiegu pierwiastków na Ziemi analizowana jest w aspekcie geologicznym i często porównywana z innymi obiektami naszego Układu Słonecznego.

PROCESY I REAKCJE

W 1. WSTĘP. Wyjaśnienie czym zajmuje się biogeochemia i uzasadnienie traktowania Ziemi w tej nauce jako systemu skomplikowanych powiązań chemicznych ściśle powiązanych z funkcjonowaniem organizmów żywych. Omówienie znaczenia skali czasowej, przestrzennej oraz zasad termodynamiki i stechiometrii w analizie biogeochemicznej. Przedstawienie przykładów i założeń modelowych, w których te zasady są realizowane. W formie skrajnie wyidealizowanej traktowania takich modeli możemy dojść do kontrowersyjnej i prowokacyjnej koncepcji GAI –samoregulującego się superorganizmu jakim jest wg tej teorii Ziemia. Dyskusja nad tą koncepcją.

W 2. POCZĄTKI. Pochodzenie pierwiastków we wszechświecie i hipotezy tłumaczące ich zróżnicowaną przestrzennie częstość występowania. Geneza Układu Słonecznego i powstanie Ziemi w stałym stanie skupienia o zróżnicowanym geochemicznie składzie w profilu pionowym. Powstanie atmosfery, oceanów i życia na Ziemi. Ewolucja szlaków metabolicznych organizmów żywych rozwijanych w czasie geologicznym. Omówienie fotosyntezy (zasilającej w tlen atmosferę), procesów chemoautotroficznych i oddychania beztlenowego. Porównanie historii planetarnej Ziemi, Marsa i Wenus.

W 3. ATMOSFERA. Struktura wertykalna i zonacja atmosfery, rozkład jej składników gazowych i aerozolowych. Historia geologiczna kształtowania się składu oraz przemiany chemiczne w troposferze na przykładzie azotu, tlenu, dwutlenku węgla i śladowych ilości gazów biogenicznych w warunkach naturalnych i modyfikowanych działalnością człowieka. Czynniki warunkujące składu opadów atmosferycznych; naturalne i antropogeniczne. Chemiczne reakcje w stratosferze: warstwa ozonowa, zagrożenie freonami. Modele wiążące zmienność w atmosferze z globalnymi zmianami przyrodniczymi w tym zmianami klimatu.

W 4. LITOSFERA. Wietrzenie skał i mineralne produkty tego wietrzenia (minerały wtórne w tym minerały ilaste, tlenki, zeolity). Charakterystyka minerałów wtórnych. Omówienie podstawowych cech fizycznych i chemicznych charakteryzujących gleby. Inicjalne procesy glebotwórcze i rozwój gleb. Procesy glebotwórcze dominujące w Polsce: bielicowanie, brunatnienie, płowienie, procesy glejowe, gromadzenie materii organicznej w warunkach hydromorficznych. Omówienie procesów rządzących materia organiczną gleb: humifikacji, mineralizacji, murszenia, fermentacja i gnicia. Procesy glebotwórcze ważne w innych regionach świata: np. laterytyzacja, lub specyficzne formy wietrzenia terenów zbudowanych z wapieni (terra rosa).

W 5. BIOSFERA: PRODUKTYWNOŚĆ EKOSYSTEMÓW LĄDOWYCH. Omówienie procesu fotosyntezy i oddychania w rozszerzonych formach. Wyjaśnienie terminu produkcja pierwotna netto i modyfikacje wynikające ze zjawiska turbulentnego przepływu mas powietrza (Eddy fluxes). Losy produkcji pierwotnej netto i detrytusu organicznego. Teledetekcja produkcji pierwotnej i biomasy. Produkcja pierwotna netto oraz materia organiczna gleb a zmiany globalne.

W 6. BIOSFERA: BIOGEOCHEMICZNE CYKLE W EKOSYSTEMACH LĄDOWYCH. Krążenie nutrietów w roślinach i ekosystemach lądowych (zespołach roślinnych i w glebach) nierozerwalnie sprzężone z aktywnością procesów biologicznych. Roczny cykl krążenia materii (i poszczególnych pierwiastków w niej zawartych) w zespołach roślin lądowych i wieloletni cykl w glebach. Rozważania na temat biogeochemicznej równowagi materii (zróżnicowanej składem elementarnej) na poziomie krajobrazu. Omówienie czynników mogących istotnie wpłynąć na tę równowagę (czynnik antropogeniczny, ogień, zwierzęta). Wpływ człowieka na lądowe cykle biogeochemiczne: kwaśne deszcze, zwiększona depozycja azotu, wzrost stężenia dwutlenku węgla w atmosferze i globalne ocieplenie.

W 7. EKOSYSTEMY TERENÓW PODMOKŁYCH. Cechy przyrodnicze (hydrologiczne glebowe, ekologiczne) uzasadniające użycie określenia “teren podmokły” (wetland ecosystem). Produktywność ekosystemów podmokłych i zasoby nagromadzonej materii organicznej. Biogeochemiczne procesy kontrolujące wielkość depozytów organicznych w ekosystemach podmokłych (fermentacja, denitryfikacja, redukcja żelaza i manganu, redukcja siarczanów, metanogeneza, utlenianie metanu w warunkach tlenowych i beztlenowych, koncepcja pojęcia konsorcja mikrobiologiczne). Tereny podmokłe a jakość wody powierzchniowej. Tereny podmokłe a globalne zmiany klimatu.

W 8. WODY ŚRÓDLĄDOWE. Wody śródlądowe obejmują jeziora, rzeki i estuaria. Czynniki ekologiczne decydujące o żyzności (trofii) jezior. Cykle mieszania wertykalnego wód jeziornych i ich wpływ na żyzność jezior. Budżet zasobów wodnych rzek. Procesy mieszania i żyzność wód rzecznych. Budżet zasobów wodnych estuariów. Procesy mieszania i żyzność estuariów. Wpływ gospodarczej działalności człowieka na zasoby i żyzność wód śródlądowych.

W 9. OCEANY. Cyrkulacja wód w oceanach i regionalne jej zakłócenia o globalnym znaczeniu klimatycznym (np: El Niňo). Skład chemiczny wód oceanicznych. Diageneza sedymentów (materia organiczna i biogeniczne węglany). Morska pompa biologiczna kontrolująca globalne krążenie węgla. Prawidłowości rozkładu nutrietów w profilu pionowym i zasady rządzące tym rozkładem. Nutriety limitujące produkcję pierwotną oceanu. Wpływ człowieka na zakłócenia naturalnego cyklu pierwiastków w oceanie. Biogeochemia kominów hydrotermalnych. Morski cykl siarki. Zapis w osadach dennych oceanu historii biogeochemicznej.

CYKLE GLOBALNE

W 10. GLOBALNE KRĄŻENIE WODY. Obecny globalny cykl wody i ich ilustracja przykładami modelowymi. Cykle wodne w przeszłości geologicznej, w tym podczas czwartorzędowych fluktuacji klimatycznych. Cykl wody a zmiany klimatu: wzrost poziomu wody w oceanach, zmiany zasięgu lodowców i lodu morskiego, zmiany równowagi wodnej na lądach.

W 11. GLOBALNE KRĄŻENIE WĘGLA. Współczesne globalne krążenie węgla. Zmienny cykl węgla w czasie geologicznym na Ziemi i specyfika składu Ziemskiej atmosfery w Układzie Słonecznym. Losy i biogeochemiczne znaczenie gazowych form węgla w atmosferze (dwutlenek węgla, tlenek węgla, metan). Powiązanie globalnych losów węgla i tlenu na tle geologicznej historii rozwoju Ziemi.

W 12. GLOBALNY CYKL AZOTU I FOSFORU. Dynamika przeobrażeń form azotu w cyklu globalnym. Globalny cykl azotu z dodatkowym wyróżnieniem środowiska morskiego. Globalny cykl azotu w geologicznej przeszłości. Antropogeniczny wzrost koncentracji podtlenku azotu w atmosferze. Globalny cykl fosforu. Szczegółowe omówienie losów fosforu glebowego, zasilania wewnętrznego w zbiornikach wodnych, pętli mikrobiologicznej w wodach. Próby powiązania cykli węgla, azotu i fosforu.

W 13. GLOBALNY CYKL SIARKI I RTĘCI. Geologiczna historia globalnego cyklu siarki na Ziemi. Obecny model i budżet atmosferyczny siarczku carbonylu. Globalny cykl rtęci, wyjątkowo toksycznego pierwiastka łatwo uruchamianego do atmosfery i globalnie rozprzestrzeniającego się.

W 14. PERSPEKTYWY. Próba oszacowania wielkości przepływu i miejsc akumulacji najważniejszych pierwiastków w cyklach biogeochemicznych. Oszacowany jest ilościowo udział człowieka w modyfikacji (przyspieszeniu krążenia) w tych cyklach. Biologiczne i abiotyczne markery procesów kontrolujących cykle biogeochemiczne.

Cykl wykładów ułożony zgodnie z porządkiem przedstawionym przez Schlesingera 2013,

lecz treść a zwłaszcza ilustracje zawarte w wykładach odbiegają zasadniczo od treści prezentowanych w tej książce.

Vladimir N. Baskin in cooperation with Robert W Howarth 2002. Modern Biogeochemistry. Kluwer Academic Press. Dortrecht, Boston, London, 561 pp

William H. Schlesinger and Emily S. Bernhand 2013 (third edition). Biogeochemistry. Elsevier, 672 pp

Kabata-Pendias A., Pendias H. (1999) Biogeochemia pierwiastków śladowych, PWN, Warszawa.

January Weiner 2012. "Życie i ewolucja biosfery" PWN Warszawa. ss 609.

Edwin Schauble (schauble@ucla.edu) ESS C113/C213: Biogeochemistry Geology 3656, Spring 2013 Class Syllabus (html)

Materiały ilustracyjne inernetowe i własne.

K_W01 - ma wiedzę na temat procesów i czynników kształtujących Ziemię w zakresie geologii ogólnej ze szczególnym uwzględnieniem hydrogeologii, geologii inżynierskiej, tektoniki i kartografii geologicznej, gospodarki surowcami mineralnymi jak również ochrony środowiska

K_W02 - ma wiedzę na temat wielorakich związków między elementami środowiska, powiązaniami abiotyczno-biotycznymi oraz oddziaływaniami antropogenicznymi, zna podstawowe parametry i schematy opisujące te oddziaływania oraz metody ich zapisu matematycznego i analizy statystycznej

K_W05 - ma wiedzę na temat modeli środowiska geologicznego i geograficznego, baz geoprzestrzennych danych geologicznych i środowiskowych, posiada znajomość specjalistycznego oprogramowania, w tym ArcGIS, wprowadzania, przetwarzania i sposobów wizualizacji danych w programach opartych na bazach danych geologicznych i środowiskowych

K_W08 - ma wiedzę w zakresie specjalistycznych programów komputerowych, zna zasady metodyczne modelowania geologicznego, ma wiedzę w zakresie planowania badań w celach modelowych, zna zasady schematyzacji warunków geologicznych dla potrzeb modelowych

K_W09 - ma wiedzę na temat warunków geologicznych Polski w podziale regionalnym, w tym: regionalizację geologiczną Polski, piętra strukturalne, historię basenów sedymentacyjnych, obszary występowania złóż, obszary występowania wód leczniczych i termalnych; ma wiedzę na temat budowy geologicznej wybranych regionów na świecie oraz treści seryjnych i specjalistycznych map geologicznych

K_W11 - zna sposoby pozyskiwania i rozliczania funduszy na realizację badań;. zna regulacje prawne w zakresie poszukiwania i wydobywania kopalin oraz wykonywania prac geologicznych, unormowanych prawem geologicznym i górniczym, ustawą o ochronie i kształtowaniu środowiska, prawem wodnym i innymi aktami prawnymi, zna zasady procesu koncesyjnego oraz zasady postępowania administracyjnego w zakresie działalności geologicznej, zna skutki nieprzestrzegania zasad ochrony praw własności intelektualnej; zna metody rozwoju własnej przedsiębiorczości

K_W14 - ma pogłębioną wiedzę o powiązaniach dziedzin nauki i dyscyplin naukowych, właściwych dla studiowanego kierunku studiów z innymi dziedzinami nauki i dyscyplinami naukowymi obszaru albo obszarów, z których został wyodrębniony studiowany kierunek studiów, pozwalającą na integrowanie perspektyw właściwych dla kilku dyscyplin naukowych

K_U01 - stosuje zaawansowane techniki badań laboratoryjnych (petrograficzne, geochemiczne, hydrochemiczne, geotechniczne, hydrogeologiczne, geoinżynierskie)

K_U06 - potrafi zwięźle scharakteryzować warunki geologiczne, geologiczno-złożowe, geologiczno-inżynierskie oraz hydrogeologiczne poszczególnych rejonów Polski i wybranych regionów świata, umie porównać obszary Polski pod względem zasobności w złoża surowców mineralnych i wody podziemne, potrafi wyjaśnić genezę złóż i wód mineralnych Polski w nawiązaniu do historii geologicznej rozwoju danego obszaru i jego budowy geologicznej,

K_U07 - potrafi wydzielić jednorodne warstwy geologiczno-inżynierskie, posiada umiejętność opracowania i analizy atlasu geologiczno-inżynierskiego terenu, potrafi zidentyfikować geozagrożenia w środowisku geologiczno-inżynierskim, zna zasady dokumentowania geologicznego, złożowego i geologiczno-inżynierskiego

K_U10 - planuje empiryczne badania terenowe (rodzaj badań, kolejność, terenowa weryfikacja wyników) i kwerendę archiwów terenowych w celu pozyskania materiałów do osiągnięcia zamierzonego efektu naukowego lub praktycznego, wybiera punkty badawcze, pobiera próbki (wody, gruntu, skały) lub okazy wg odpowiednich technik

K_U11 - ma umiejętność studiowania fachowej literatury polskiej i światowej oraz materiałów niepublikowanych, posiada umiejętności językowe na poziomie B2+, zdobyte poprzez korzystanie z anglojęzycznej literatury podczas przygotowywania się do seminariów oraz pisania pracy magisterskiej; ma umiejętność samodzielnego wyciągania wniosków i wykorzystania w pracy badawczej

K_K02 - współdziała w grupach tematycznych na zajęciach terenowych oraz podczas grupowych zajęć kameralnych

K_K07 - wykazuje odpowiedzialność za bezpieczeństwo swoje i innych podczas prac laboratoryjnych, w czasie kursów terenowych i na praktykach zawodowych

Zaliczenie pisemne na ocenę.

Warunkiem zaliczenia jest opanowanie materiału omawianego w trakcie zajęć.

Zaliczenie w terminie poprawkowym według kryteriów jw.

brak