Inleiding
In de natuur is veel vraag naar de elementen koolstof (C), waterstof (H), zuurstof (O) en stikstof (N). Organismen gebruiken deze voor het maken van allerlei organische moleculen. Ze hebben daarvoor ook nog allerlei andere elementen nodig, meestal in kleinere hoeveelheden. Het gaat dan bijvoorbeeld om Ca, Mg, P, K,Cl, S, I, Cu, Zn. Aan de basis van de synthese van organische moleculen staan producenten. Vervolgens doorlopen de organische stoffen de diverse consumenten van de voedselketen. Uiteindelijk maken reducenten van het organisch materiaal dat door consumenten uitscheiden wordt weer anorganische moleculen. Zo is er sprake van een kringloop.
Kringlopen
In de natuur gaat organische stof over van het ene organisme in het andere, totdat reducenten de materie weer afbreken tot anorganische stoffen. Zo'n cyclische omzetting van stoffen door organismen heet een kringloop.
Voor elementen als koolstof en calcium zijn er korte en lange termijn kringlopen. Sommige stoffen kunnen gedurende lange tijd worden onttrokken aan de kringlopen. Calcium kan bijvoorbeeld langere tijd gebonden zijn in schelpen en in gesteenten. Koolstof is het belangrijkste element in aardolie, aardgas en steenkool. De korte termijn kringloop bevat de processen die betrokken zijn bij assimilatie en dissimilatie in voedselketen. Vooral de laatste 50 jaar oefent de mens grote invloed uit op de koolstofkringloop. Door het verbranden van fossiele brandstoffen wordt koolstof onttrokken aan de lange termijn kringloop en in de korte termijn kringloop gebracht. Dat proces heeft verstrekkende gevolgen zoals het versterkte broeikaseffect.
Kringloop van mineralen
Een plant neemt koolstofdioxide, water en mineralen op. Bij mineralen hebben we het over belangrijke stoffen zoals nitraat en fosfaat. In het schema zie je een overzicht van de kringloop van het fosfaat.
Een planteneter krijgt met zijn voedsel ook mineralen binnen. Hij benut deze voor zijn eigen chemische processen en opbouw van cellen.
Door hergebruik (recycling) blijven mineralen beschikbaar voor planten en dieren. Een plant neemt bijvoorbeeld calcium op. Een dier dat de plant eet gebruikt het calcium om zijn botten of zijn schelp te laten groeien. Het dier produceert uitwerpselen en gaat uiteindelijk dood. Het calcium in de uitwerpselen of dode resten van het dier, wordt vrijgemaakt door reducenten zoals bacteriën. Calcium wordt dan weer opgenomen door planten. Op deze manier circuleert calcium in een kringloop in de natuur.
Biologische afbreekbaarheid
Bijna elk materiaal in de natuur wordt uiteindelijk weer door reducenten gereduceerd tot anorganische stoffen. Bij sommige stoffen gaat dat langzamer dan bij andere stoffen. Hout blijft bijvoorbeeld vrij lang liggen in een bos. Dat komt doordat er niet zoveel bacteriesoorten of schimmelsoorten zijn die hout (lignine) kunnen afbreken. Hout is daarom minder biologisch afbreekbaar dan het vlees van een dood dier, dat door meerder soorten bacteriën kan worden afgebroken.
Bij de verwerking van huisvuil worden reducenten ingezet. Zij zetten het afval om in water en CO2 en mineralen. De reststof, compost (nog niet verteerd materiaal, vergelijkbaar met humus), kan gebruikt worden in tuinen en akkers. Daar geeft het langzaam de mineralen weer af.
De meeste plastics zijn niet of nauwelijks biologisch afbreekbaar. Er zijn geen bacteriën met de juiste enzymen om plastic te verteren. Plastic ondergaat wel chemische reacties met stoffen in de omgeving en slijt daardoor uiteindelijk weg. Dat proces duurt echter heel lang waardoor er een afvalprobleem ontstaat. Verbranden kan, maar dat geeft luchtvervuiling. Fabrikanten van verpakkingsmateriaal zijn op zoek naar biologisch afbreekbare verpakkingsmiddelen.
In het water vinden dezelfde soort processen plaats, ook daar worden organische stoffen door reducenten omgezet in anorganische stoffen.
Dit wordt ook wel het zelfreinigende vermogen van water genoemd. Hier wordt gebruik van gemaakt in rioolwaterzuiveringsinstallaties. Alle menselijke uitwerpselen worden op die manier weer omgezet in koolstofdioxide, humus of mineralen.
Onttrekken van materie
Het gebruik van niet afbreekbare producten zoals plastics onttrekt stoffen aan de kringloop. In de natuur worden soms ook stoffen voor langere tijd aan de kringloop onttrokken. Maar materie verdwijnt nooit. Uiteindelijk komen alle elementen weer terug in de kringloop.
Routes van koolstof
 |
 |
Alle elementen circuleren voortdurend in een kringloop door het systeem aarde.
Voor het element koolstof onderscheiden we een korte termijn en een lange termijn kringloop.
Koolstof wordt aan de korte termijn koolstofkringloop onttrokken als afgestorven organisch materiaal niet wordt afgebroken door reducenten maar langdurig wordt opgeslagen. Dat gebeurde bijvoorbeeld miljoenen jaren geleden in het Cambrium toen uit bosmoerassen steenkool ontstond. Wij voegen die koolstof uit het organisch materiaal van destijds nu weer toe aan de atmosfeer door verbranding van fossiele brandstoffen.
Vastleggen en vrijmaken
Producenten leggen anorganisch gebonden koolstof vast in organische stoffen. Dit gebeurt door fotosynthese of chemosynthese. De meeste producenten gebruiken koolstofdioxide uit lucht of water voor de synthese van organische stoffen, zoals glucose en sacharose (rietsuiker), DNA, vetten en eiwitten.
Als er organische stoffen worden geproduceerd, wordt er dus koolstof opgeslagen. Daarnaast wordt er veel koolstof opgeslagen in de vorm van anorganische stoffen, zoals calciumcarbonaat (in schelpen, gesteente, botten en tanden) en waterstofcarbonaat (de opgeloste vorm van koolstofdioxide).
Voorbeelden van het vrijmaken van koolstof uit organische stoffen zijn de aerobe en anaerobe dissimilatie van organische verbindingen.
De koolstof uit calciumcarbonaat komt weer vrij doordat oplossen of door verwering of door oplossen in water.
Verbruik van koolstofhoudende stoffen
Alle organische stoffen bevatten koolstof. Er zijn ook anorganische stoffen
die koolstof bevatten zoals koolstofdioxide en carbonaten zoals calciumcarbonaat.
Er worden in ecosystemen voortdurend stoffen omgezet die koolstof bevatten.
Bij de fotosynthese wordt koolstofdioxide omgezet in glucose en wordt er dus
koolstof vastgelegd in organische stof. Er wordt dan koolstofdioxide verbruikt.
Als koolstofdioxide reageert met water ontstaat er waterstofcarbonaat. Er is dan koolstof vastgelegd in water.
Bij het ‘verbruik van’ koolstofhoudende stoffen gaat het bij de productie van
koolstofdioxide hoofdzakelijk om de omzetting van organische stoffen in
anorganische stoffen. Voorbeelden van het verbruik van organische
koolstofhoudende stoffen zijn de aerobe en anaerobe dissimilatie van organische verbindingen.
Verstoord evenwicht in de koolstofkringloop
De totale hoeveelheid koolstof op aarde is dus verdeeld over verschillende reservoirs van anorganische en organische stoffen. Tussen al deze reservoirs zijn voortdurend uitwisselingen. Ze houden elkaar in evenwicht. Maar het evenwicht is sinds het begin van de industriële revolutie verstoord, doordat er meer fossiele brandstoffen worden verbrand dan er gevormd worden.
Dat betekent niet dat er ineens minder koolstof of minder waterstof op aarde is.
Maar wel dat er minder kool-waterstofverbindingen in de bodem zijn, meer koolstofdioxide in de lucht en meer bicarbonaat in het water.
Het evenwicht is dus verstoord.
Versterkt broeikaseffect
Het gevolg van de toegenomen hoeveelheid CO2 is groot. Dat komt doordat CO2 een broeikasgas is. Broeikasgassen houden de warmtestraling die de aarde uitzend gedeeltelijk tegen. Dat is gunstig want ze voorkomen dat de aarde ’s nachts te sterk afkoelt.
Maar een sterke toename van broeikasgassen heeft een versterkt broeikaseffect tot gevolg. En dat heeft grote gevolgen voor het klimaat.
Doordat ook in de oceanen meer CO2 oplost, wordt het water zuurder. Dat beïnvloedt de ecosystemen in het water.
Routes van stikstof/stikstoffixatie
 |
 |
Routes van stikstof
Elke keer als je plast, verlies je stikstof in de vorm van ureum. Elke keer dat je vlees eet, krijg je stikstof binnen in de vorm van eiwit. Er is dus in je lichaam sprake van voortdurende aan- en afvoer van stikstof. De stikstof uit de biefstuk komt even later deels terecht in de rioolwaterzuivering.
Stikstoffixatie
Bijna 80% van het gas in de atmosfeer bestaat uit stikstof ofwel N2. De rest is voornamelijk zuurstof. Stikstof reageert met zuurstof als de temperatuur hoog genoeg is, bijvoorbeeld bij bliksem en in verbrandingsmotoren. Er ontstaan dan stikstofoxiden ofwel NOx (de x geeft aan dat er meerdere oxiden van stikstof mogelijk zijn). Stikstofoxiden reageren met water tot anorganische zuren, bijvoorbeeld salpeterzuur. Het lost goed op in water, waarbij nitraationen (NO3-) ontstaan. Producenten nemen nitraten op en gebruiken ze voor de aanmaak van organische stoffen, zoals aminozuren (eiwitten) en nucleïnezuren (DNA en RNA).
Stikstof uit de lucht kan met de juiste enzymen ook omgezet worden door organismen. Die enzymen zijn aanwezig in bacteriën in de wortelknolletjes van sommige plantensoorten (bijvoorbeeld klaver).
Deze bacteriën maken ammoniak (NH3) van de opgenomen stikstof, wat na reactie met een proton, H+, door de plant als NH4+ kan worden opgenomen.
Verbruik van stikstofhoudende stoffen
Een planteneter zet de stikstofhoudende stoffen in zijn voedsel (zoals eiwitten) om in stikstofhoudende stoffen die voor hem nuttig zijn. In sommige gevallen breekt hij ze af voor zijn energievoorziening. Bij die afbraak komen stoffen als ureum (NH2) 2CO en urinezuur vrij (C5H4N4O3). Deze stoffen worden uitgeplast.
Het ureum en urinezuur wordt vervolgens door urobacteriën afgebroken tot het gas ammoniak, NH3. De omzetting van organische stikstofverbindingen in ammoniak heet ammonificatie.
De ammoniak kan terecht komen in de atmosfeer of in het grondwater (in de vorm van ammonium, NH4+).
Het wordt in de grond direct opgenomen door planten of het kan door nitrificerende bacteriën omgezet worden in nitriet (NO2-) of nitraat (NO3-).
Dit heet nitrificatie. Organismen verbruiken dus stikstofhoudende stoffen om andere organische stikstofverbindingen zoals DNA, ATP en eiwit mee op te bouwen. Enkele groepen organismen kunnen anorganische stikstofverbindingen ook gebruiken om energie uit vrij te maken. Dit proces heet chemosynthese.
Stikstofkringloop
Stikstofverbindingen worden in lucht, water en bodem voortdurend in andere stikstofverbindingen omgezet. Als je alleen naar de stikstof kijkt, kun je spreken van een stikstofkringloop, stikstof wordt steeds weer gerecycled. De stikstof die eerst nog in de lucht aanwezig was, kan later behoren tot het DNA van een mens en vervolgens weer worden afgebroken tot urinezuur. In het riool benutten urobacteriën de energie die nog in het urinezuur aanwezig is en maken er ammoniak van. Ammoniak kan vervolgens weer door andere bacteriën worden omgezet in bijvoorbeeld ammonium.
Elke groep bacteriën is gespecialiseerd in een bepaalde reactie. Zo kunnen in een bodem waar voldoende zuurstof aanwezig is verschillende soorten nitrificerende bacteriën ammoniumverbindingen omzetten in nitraat. De eerste groep, de nitrietbacteriën, oxideert ammonium tot nitriet.
De tweede groep, de nitraatbacteriën, oxideert nitriet tot nitraat (NO3-).
Als er weinig zuurstof in de bodem is, krijgen de denitrificerende bacteriën een kans. Zij leven namelijk onder anaerobe omstandigheden. Zij zetten nitraat om in N2. Zo kan de stikstof als N2 terugkeren in de lucht. Op die manier doorloopt het element stikstof een kringloop.
Verstoord evenwicht in de stikstofkringloop
Het evenwicht in de stikstofkringloop kan op verschillende manieren verstoord raken.
Nitraten lossen makkelijk op en kunnen daardoor met het water zo diep in de bodem verdwijnen dat ze voor plantenwortels onbereikbaar zijn. De hoeveelheid nitraat kan juist ook te veel stijgen, bijvoorbeeld door overbemesting. Deze overmaat aan voedingsstoffen heet vermesting of ook wel eutrofiëring (zie verder "Bevolkingsgroei en kringlopen").
Ook teveel ammoniak is een probleem. Het komt vrij uit dierlijke mest. Het wordt door nitrificerende bacteriën omgezet in salpeterzuur (HNO3). Door deze vermesting, verzuurt bovendien de bodem.
Het toenemend gebruik van fossiele brandstoffen leidt tot een overschot aan stikstofoxiden (en zwaveloxiden) in de lucht. In de lucht wordt het stikstofoxide met water omgezet in salpeterzuur (en zwavelzuur). Wanneer het regent, bereiken de zuren de bodem.
Verzuring
De bodem bevat buffers, zoals kalk en humus, die de zuren tot op zekere hoogte kunnen neutraliseren. Aan deze buffers zijn allerlei stoffen gebonden. Als de buffercapaciteit wordt overschreden, daalt de pH in de bodem. De verbinding tussen buffers en voedingsstoffen wordt dan verbroken en de voedingsstoffen spoelen weg met het grondwater. Door de verzuring van de bodem kunnen giftige metalen zoals aluminium oplossen waardoor de plantenwortels worden aantast. Vooral vegetaties die voorkomen op weinig gebufferde bodems, zoals zure zandgronden, zijn heel gevoelig voor verzuring.
Wanneer de bodem verzuurt, verslechtert bovendien de kwaliteit van het grondwater. Omdat twee derde van ons drinkwater afkomstig is uit het grondwater, wordt ook ons drinkwater hierdoor aangetast.
