Die Luft – eine homogene Mischung von Gasen?

Report
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Anoxygen phototrophe Bakterien nutzen
organische Verbindungen, anorganische oder
organische Schwefelverbindungen, molekularen
Wasserstoff oder Eisen(II) als Elektronendonatoren
für die photosynthetische CO2-Fixierung.
Die frühen gebänderten Eisenerze (3,8 Milliarden
Jahre alt) sind daher nicht unbedingt beweisend
dafür, dass zu dieser Zeit die oxygene
Photosynthese bereits funktionierte, sondern
könnten auch durch anoxygene Photosynthese
entstanden sein (Oxidation von Fe(II) zu Fe(III))
Deposition of banded iron formations by anoxygenic phototrophic Fe(II)oxidizing bacteria
Andreas Kappler, Claudia Pasquero, Kurt O. Konhauser and Dianne K.
Newman, GEOLOGY, 2005
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Das Wachstum aller Organismen hängt von der
Verfügbarkeit mineralischer Nährstoffe ab.
ca. 2% der Masse des menschlichen Körpers ist Stickstoff.
Stickstoff wird von allen Organismen in Aminosäuren,
Proteinen, Nukleotiden, Nukleinsäuren und anderen
Bestandteilen der Zelle benötigt.
Mikroorganismen besitzen eine zentrale Rolle in Bezug
auf alle Aspekte der Stickstoffverfügbarkeit und damit
für das Leben auf der Erde.
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Einige Bakteriengattungen können atmosphärischen Stickstoff
fixieren (zu NH4+ reduzieren)
Es gibt freilebende Arten in Böden und Gewässern bzw. im Ozean,
und solche, die in Symbiose mit Pflanzen und anderen Organismen
leben z.B. mit Termiten, Rhizobien in den Wurzelknöllchen der
Leguminosen
Andere Bakterien sind für Nitrifikation und Denitrifikation
zuständig
Viele Bakterien und Pilze bauen organisches Material in Böden und
Gewässern ab, wobei sie den fixierten Stickstoff in der Form von
NH4+ freisetzen und damit wieder verfügbar machen
Stickstoffexkretion – Urease der Bodenbakterien hydrolysiert
Harnstoff zu CO2 und 2 NH3
All diese Prozesse tragen zum Stickstoffkreislauf bei – Stickstoff
kreist zwischen Atmosphäre und Biosphäre und innerhalb der
Biosphäre
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Ausschließlich Procayoten beherrschen die N2-Fixierung!
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Sie verwenden dazu den Enzymkomplex Nitrogenase
Molybdän/Eisenprotein
Eisenprotein
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Chromatographische
Auftrennung der Nitrogenase aus
Knöllchenbakterien der
Sojabohne. Das obere Band in der
Ionenaustauscher-Säule
entspricht dem Fe-Protein, das
untere dem MoFe-Protein.
Beide Komponenten werden
durch O2 schnell und irreversibel
inaktiviert, der Sauerstoff wird
darum durch die Pflanze mit
Hilfe von Leghämoglobin
gebunden, sodass die für die N2
Fixierung notwendige niedrige O2
Konzentration stets gesichert ist.
Bei freilebenden Cyanobakterien
ist die Nitrogenase oft in
Heterocysten lokalisiert, die kein
Photosystem II besitzen und
daher keinen Sauerstoff
entwickeln.
Leghämoglobin
Wird eine Wurzel von Stickstoff-fixierenden Knöllchenbakterien
infiziert, wird die Pflanze dazu angeregt, Leghämoglobin zu
produzieren. Wurzelteile, welche nicht von Knöllchenbakterien
infiziert sind, produzieren kein Leghämoglobin.
Quelle: Strasburger
Cyanobakterien mit Heterocysten
Stickstoff nimmt nach Kohlenstoff, Sauerstoff und Wasserstoff
mengenmäßig den 4. Platz in der Pflanzenmasse ein.
Dabei begrenzt bei ausreichender Wasserverfügbarkeit und
neben klimatischen Faktoren hauptsächlich das
Stickstoffangebot das Pflanzenwachstum. Sprosse und Blätter
krautiger Pflanzen enthalten durchschnittlich 2-4 % Stickstoff in
der Trockenmasse.


N 2  8 H  8 e  16 ATP  2 NH 3  H 2  16 ADP  16 Pi
Am bekanntesten sind die Knöllchenbakterien (Rhizobien) der
Leguminosen. Rhizobium japonicum lebt in Symbiose mit der
Sojabohne, Rhizobium trifolii mit Klee und Rhizobium meliloti mit
Luzerne
Zu den stickstoffixierenden Arten gehören auch eine Anzahl
freilebender Bodenbakterien z.B. solche aus den Gattungen
Azotobacter (aerob lebend), Closterium (strikt anaerob), Klebsiella
(fakultativ aerob) und Rhodospirillum (aerob oder anaerob, mit
Photosynthese).
Die Produktion von synthetischem Stickstoffdünger (Haber-Bosch
Verfahren) ist außerordentlich energieaufwendig.
Doch auch die Bakterien schaffen es nicht, „energiesparend“
Ammoniak zu bilden. Die Dreifachbindung des Stickstoffs gehört zu den
stärksten kovalenten Bindungen in biologisch wichtigen Molekülen.
Für die Umsetzung von 1 Mol Stickstoff zu 2 Mol Ammoniak werden 16
Mol ATP benötigt, oder anders ausgedrückt, pro Gramm fixiertem
Stickstoff werden – von Rhizobien - ca. 20 g Glucose verbraucht.
Besonders aufwändig ist die Reaktion in Azotobacter, denn dort werden
pro Gramm N2 ca. 150 g Glucose benötigt.
Das Eisenprotein wird
zuerst reduziert durch
Elektronen, die von
Ferredoxin angeliefert
werden.
Das reduzierte Eisenprotein
bindet ATP und reduziert
das Mo-Fe-Protein,
welches N2 über Diimin und
Hydrazin zu NH3 reduziert
Die e- stammen alle vom
reduzierten Ferredoxin
Abhängig vom Typ des
Mikroorganismus werden
das reduzierte Ferredoxin
und ATP durch
Photosynthese
(Photosystem I bei
anaeroben Bedingungen)
Respiration oder
Fermentation geliefert
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Die assimilatorische Nitratreduktion
kann von den meisten
Mikroorganismen und den grünen
Pflanzen ausgeführt werden.
In grünen Pflanzen läuft die
Nitratreduktion zu Nitrit im
Cytoplasma ab, die anschließende
Reduktion zu Ammonium in
Chloroplasten, durch die Photosynthese
(diese liefert reduziertes Ferredoxin).
Quelle: Strasburger
Stickstoff-haltige Ausscheidungsprodukte im Harn des
Menschen in 24 h
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Harnstoff 30 - 40 g
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Harnsäure 0.5 - 1 g
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Kreatinin 0.5 - 2.5 g
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Hippursäure 0.1 - 2.0 g
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Ammoniak 0.5 - 1.0 g
L-Glutaminsäure
Bindet das beim Aminosäureabbau frei werdene NH3 unter
Bildung von Glutamin.
Fische transportieren Glutamin zu den Kiemen, dort wird NH3
ins Wasser freigesetzt
Im Menschen wird Glutamin zur Leber transportiert und
Harnstoff synthetisiert (wasserlöslich)
Tiere aus trockenen Klimaten scheiden hauptsächlich
Harnsäure aus, die wasserunlöslich ist
Pflanzen haben keine Stickstoff-Exkretion
Insbesondere die Urease in
Bodenbakterien spielt eine
wichtige Rolle im
Stickstoffkreislauf.
Harnstoff ist ein recht stabiles
Molekül. Es zersetzt sich sehr
langsam zu NH3 und
Isocyansäure
Durch die Aktivität des
Enzyms wird die
Reaktionsgeschwindigkeit um
den Faktor 1014 erhöht. (siehe:
W. Kaim und B. Schwederski,
Bioanorganische Chemie)
Die Urease ist ein
Metalloenzym und besitzt 2
Nickel-Ionen im aktiven
Zentrum.
www.chem.ntnu.edu.tw
Quelle: Kaim/Schwederksi
aktuell
ca. 398
ca. 1,80
HV= Halogenierte Verbindungen
Quelle: IPCC
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Die Koexistenz freien Sauerstoffs und reduzierender
Krustenbestandteile (Fe2+ und Sulfid) stellt ein
gewaltiges geochemisches Ungleichgewicht dar, aber
nicht nur das.
Auch das Vorliegen von N2 und O2 nebeneinander
sollte auf die Dauer nicht möglich sein.
Pro Sekunde gibt
es auf der
gesamten Erde
>100 Blitze
Temperatur im
Blitzkanal: ca.
30 000°C
Aus: Holleman-Wiberg
66 % Beitrag zur jährlichen
Methanproduktion der Erde
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Nur Archaeen sind dazu fähig
Streng anaerober Abbau von Biomasse
Im Darm von Organismen, in anaeroben Sedimenten
und Böden
In Abwesenheit von Sulfat, Nitrat, Mangan(IV),
Eisen(III)
Zur Reduktion wird oft H2 benutzt, durch vergärende
Bakterien kann neben CO2 und oxidierten organischen
Verbindungen auch H2 gebildet werden.
Das Substrat ist in vielen Fällen CO2
CO2 + 4 H2 → CH4 + 2 H2O
Im menschlichen Verdauungstrakt:
CH3OH + H2 → CH4 + H2O (durch Methanosphaera)
Prof. Dr. J. Gasteiger,
Dr. A. Schunk,
Universität Erlangen
Max-Planck-Institut für Kernphysik/B.
Scheeren
Geschätzte globale Jahresemission 6 x1014 g
Methan entsteht auch bei geologischen
Prozessen in heißen Themalquellen auf dem
Ozeanboden der Nähe von Mittelozeanischen
Rücken
Derzeit entweicht Methan auch aus
tauenden Permafrostböden der Arktis, die
auch den Meeresgrund unter der
Ostsibirischen See bedecken.
Nach der letzten Eiszeit stieg der
Meeresspiegel um 100 m an, bis Wasser
die Region bedeckte. Das Ostsibirische
Schelf ist mit mehr als zwei Millionen
Quadratkilometern etwa dreimal so groß
wie die sibirischen Feuchtgebiete, die
bisher als Hauptquelle von Methan galten.
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2006 wurde entdeckt, dass auch Pflanzen und
Pilze Methan freisetzen können.
Frank Keppler, John T. G. Hamilton,
Marc Braß und Thomas Röckmann:
Methane emissions from
terrestrial plants under aerobic
conditions
Nature, 12 January 2006
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Schützt vor dem Hagel kleiner Meteore aus dem
All
Schützt vor kurzwelliger UV-Strahlung
Schützt durch den Treibhauseffekt vor
Unterkühlung
Ist das Fenster der Erde – durchlässig für das
sichtbare Licht
Ist das Medium für den Transport von Wasser und
Wärme
Ist Quelle und Senke für den Austausch von
Kohlenstoff, Sauerstoff und Stickstoff mit den
lebenden Organismen.
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Im Maßstab von Kubikmetern ist die Luft eine
homogene Mischung von Gasen.
In einem größeren Maßstab ist sie alles andere als
homogen.
Variationen der Temperatur, des Drucks und der
Feuchtigkeit in den Luftschichten nahe der
Erdoberfläche verursachen die dynamischen
Effekte, die wir als Wetter kennen.
Vertikale Gradienten derselben Variablen sowie
der chemischen Zusammensetzung beschreiben
die Struktur der Atmosphäre als Ganzes.
Quelle: Alpine
Naturschau
Grossglockner
Hochalpenstrasse
Quelle: Alpine
Naturschau
Grossglockner
Hochalpenstrasse
beschreibt den Luftdruck als
Funktion der Höhe über der
Erdoberfläche h.
Anders als in Flüssigkeiten, z.B. im
Wasser, nimmt der Schweredruck
nicht linear mit der Höhe ab, da
Gase im Gegensatz zu
Flüssigkeiten kompressibel sind
und daher unter dem Einfluss
ihres Eigengewichtes unten eine
höhere Dichte haben als oben. Das
führt dazu, dass unten die
Druckabnahme pro Höhendifferenz
größer ist als oben.
p h  p0  e
Mgh

RT
ph  p0  e
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Mgh

RT
Der atmosphärische Druck nimmt pro 6 km Höhenzuwachs um
50%ab.
Dieses Gesetz sagt auch voraus, dass sich die Zusammensetzung
einer Gasmischung von Gasen unterschiedlicher Molekularmasse
mit der Höhe ändern muss.
Der Gravitations-Fraktionierungs-Effekt wird jedoch bis zu einer
Höhe von 160 km nicht wirksam, da Windbewegungen stets eine
ausreichende Durchmischung bewirken.
Die Unterschiede in der chemischen Zusammensetzung, die die
oberen Teile der Atmosphäre charakterisieren, sind auf
photochemische Reaktionen zurückzuführen.
Diese folgen aus der Absorption der intensiven kurzwelligen UVStrahlung der Sonne, die in den oberen Atmosphärenschichten
vorhanden ist.
Quelle: Fabian
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Direkte Absorption von Sonnenstrahlung
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Exotherme chemische Reaktionen
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Absorption von langwelliger IR-Strahlung, die
von der Erdoberfläche emittiert wird.
Jeder dieser Mechanismen dominiert in einem
anderen Höhenbereich.
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Die atmosphärischen Gase können nur einen kleinen Teil der
eingestrahlten Energie der Sonne direkt absorbieren.
N2 und O2 absorbieren weder sichtbares Licht noch IR-Strahlung.
Dieses ganze Spektrum passiert die Atmosphäre unverändert und wird
von der Erdoberfläche absorbiert.
Die Erdobefläche strahlt die Energie als langwelliges IR wieder ab.
Die Treibhausgase der Troposphäre absorbieren effizient dieses
langwellige IR und verwandeln es in Molekülschwingungs- und
kinetische Energie, die sehr schnell (durch Stöße) den anderen
atmosphärischen Gasen weitergegeben und verteilt wird.
Auf diese Art wird die Troposphäre von unten her geheizt und die
Temperatur sinkt mit der Höhe.
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Ein Luftpaket, das mit einem heißen Fleck auf der Erdoberfläche
in Kontakt war, steigt rasch hoch und gelangt in Regionen
geringeren atmosphärischen Drucks.
Dabei expandiert es adiabatisch und kühlt sich infolgedessen ab.
(= Expansion eines realen Gases, Volumenarbeit wird dem
Energieinhalt des Gases entnommen).
Temperaturgradient:
- 9,8 K/km für trockene Luft
(etwas weniger für feuchte Luft, entsprechend der Wärmeabgabe,
wenn Wasser aus ihr kondensiert)
S
4
1       Te
4
S=Solarkonstante, 1380 Watt/m2
Te=effektive Strahlungstemperatur
=Albedo (0,30)
=Stefan-Boltzmann Konstante 5,67x10-8 Wm-2K-4
Faktor 4: Verhältnis der gesamten Erdoberfläche zur
Kreisfläche, die die Strahlung empfängt.

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