జీవ భూరసాయన చక్రాలు (Biogeochemical Cycles)

జీవులు, భూమి, వాతావరణం మధ్య పోషక మూలకాలు తిరిగి తిరిగి చక్రంలా ప్రవహించడాన్ని జీవ భూరసాయన చక్రం (Biogeochemical Cycle) అంటారు. 'బయో' అంటే జీవులు, 'జియో' అంటే భూమి, 'కెమికల్' అంటే రసాయనాలు.

• ఎందుకు చక్రంలా?:
  1. పోషకాలు పరిమితం
  2. అందుకే అవి మళ్ళీ మళ్ళీ వాడుకలోకి వస్తాయి. శక్తి మాత్రం ఒకే దిశలో వెళ్తుంది.
• రెండు ప్రధాన రకాలు:
  1. వాయు చక్రాలు (Gaseous cycles): నిల్వ (Reservoir) వాతావరణంలో లేదా నీటిలో ఉంటుంది – కార్బన్, నైట్రోజన్, ఆక్సిజన్, నీటి చక్రం.
  2. అవక్షేప చక్రాలు (Sedimentary cycles): నిల్వ భూమి పెంకు (Earth's crust)లో ఉంటుంది – ఫాస్ఫరస్, సల్ఫర్, కాల్షియం.
• వాయు చక్రాలు వేగంగా: వాతావరణంలో నిల్వ ఉండడంతో త్వరగా పూర్తవుతాయి.
• అవక్షేప చక్రాలు నెమ్మదిగా: శిలల క్షీణత, నేలలో కలవడం వంటివి ఎక్కువ సమయం తీసుకుంటాయి.
• నిల్వ (Reservoir): ఒక మూలకం ఎక్కువ మొత్తంలో ఉండే ప్రదేశం.
• మానవ ప్రభావం: శిలాజ ఇంధనాల దహనం, ఎరువులు, అడవుల నరికివేత చక్రాల సమతుల్యతను దెబ్బతీస్తున్నాయి.

కార్బన్ అన్ని జీవులకు మూలాధారం. కార్బన్ వాతావరణం, జీవులు, సముద్రం, భూమి మధ్య తిరుగుతూ ఉంటుంది. ఇది వాయు చక్రం.

• వాతావరణంలో కార్బన్: ప్రధానంగా కార్బన్ డయాక్సైడ్ (CO₂) రూపంలో, వాతావరణంలో సుమారు 0.04% ఉంటుంది.
• కార్బన్ తీసుకునే ప్రక్రియ: కిరణజన్య సంయోగక్రియ (Photosynthesis) – మొక్కలు CO₂ను పీల్చుకుని ఆహారంగా మారుస్తాయి.
• కార్బన్ విడుదల చేసే ప్రక్రియలు:
  1. శ్వాసక్రియ (Respiration)
  2. కుళ్ళిపోవడం (Decomposition)
  3. శిలాజ ఇంధనాల దహనం (బొగ్గు, పెట్రోలు)
  4. అడవుల దహనం, అగ్నిపర్వతాలు
• సముద్రాలు:
  1. CO₂ను నీటిలో కరిగించుకుని పెద్ద నిల్వగా పనిచేస్తాయి
  2. షెల్స్, పగడపు దిబ్బలు కాల్షియం కార్బొనేట్‌గా కార్బన్‌ను నిల్వ చేస్తాయి.
• శిలాజ ఇంధనాలు: లక్షల సంవత్సరాలు భూమిలో నిల్వ ఉన్న కార్బన్ – దహనంతో ఒక్కసారిగా వాతావరణంలోకి చేరుతోంది.
• కార్బన్ సింక్ (Carbon Sink): ఎక్కువ కార్బన్‌ను గ్రహించే వ్యవస్థలు – అడవులు, సముద్రాలు.
• వాతావరణ మార్పు: అధిక CO₂ హరితగృహ ప్రభావానికి (Greenhouse effect) కారణం.

గాలిలో నైట్రోజన్ ఎక్కువ (సుమారు 78%) ఉన్నా, మొక్కలు నేరుగా వాడుకోలేవు. సూక్ష్మజీవులు దాన్ని వాడదగిన రూపంగా మారుస్తాయి. ఇదే నైట్రోజన్ చక్రం.

• నైట్రోజన్ స్థిరీకరణ (Nitrogen Fixation): గాలిలోని N₂ను అమ్మోనియా (NH₃) లేదా నైట్రేట్‌లుగా మార్చడం.
• సహజీవన బ్యాక్టీరియా: రైజోబియం (Rhizobium) – పప్పుధాన్యాల (చిక్కుడు జాతి) వేరు బుడిపెల్లో.
• స్వతంత్ర బ్యాక్టీరియా: అజటోబాక్టర్ (Azotobacter), అజోస్పిరిల్లం.
• నీలి–ఆకుపచ్చ శైవలాలు (Cyanobacteria): నాస్టాక్ (Nostoc), అనబీనా (Anabaena) – వరి పొలాల్లో.
• మెరుపులు (Lightning), పారిశ్రామిక హేబర్ ప్రక్రియ కూడా.
• అమ్మోనిఫికేషన్ (Ammonification): చనిపోయిన జీవుల నుండి బ్యాక్టీరియా అమ్మోనియా తయారు చేయడం.
• నైట్రిఫికేషన్ (Nitrification): అమ్మోనియా → నైట్రైట్ (నైట్రోసోమోనాస్) → నైట్రేట్ (నైట్రోబాక్టర్). మొక్కలు నైట్రేట్లను తీసుకుంటాయి.
• డీనైట్రిఫికేషన్ (Denitrification): నైట్రేట్లను తిరిగి వాయు N₂గా మార్చి వాతావరణంలోకి పంపడం – సూడోమోనాస్ వంటి బ్యాక్టీరియా.
• ఎరువులు: యూరియా వంటి నైట్రోజన్ ఎరువుల అధిక వాడకం నీటి కాలుష్యానికి దారితీస్తుంది.

భూమిపై నీరు నిరంతరం సముద్రం, గాలి, భూమి మధ్య రూపం మారుతూ తిరుగుతూ ఉంటుంది. దీన్నే నీటి చక్రం (జలచక్రం) అంటారు. ఈ చక్రానికి శక్తి ఇచ్చేది సూర్యుడు.

• ఆవిరి కావడం (Evaporation): సముద్రాలు, సరస్సుల నీరు సూర్యుని వేడికి నీటి ఆవిరిగా మారుతుంది.
• బాష్పోత్సేకం (Transpiration): మొక్కల ఆకుల నుండి నీటి ఆవిరి విడుదల కావడం.
• బాష్పీభవన బాష్పోత్సేకం (Evapotranspiration): ఆవిరి కావడం + బాష్పోత్సేకం కలిపి.
• ఘనీభవనం (Condensation): ఆవిరి చల్లబడి మేఘాలుగా మారడం.
• అవపాతం (Precipitation): వర్షం, మంచు, వడగళ్ళ రూపంలో నీరు కిందకు రావడం.
• ప్రవాహం, ఇంకుడు:
  1. వర్షపు నీరు నదులుగా సముద్రానికి చేరడం (Runoff)
  2. నేలలోకి ఇంకి భూగర్భజలంగా మారడం (Infiltration).
• భూమిపై నీరు:
  1. దాదాపు 97% సముద్రాల్లో ఉప్పునీరు
  2. మంచినీరు కేవలం సుమారు 3%. మంచినీటిలో ఎక్కువ భాగం హిమానీనదాలు, మంచు పలకల్లో ఉంది.
• నీటి చక్రం వల్ల లాభం: భూమిపై ఉష్ణోగ్రతను సమతుల్యం చేస్తుంది, మంచినీటిని పునరుద్ధరిస్తుంది.

ఫాస్ఫరస్, సల్ఫర్ చక్రాలు అవక్షేప చక్రాలు (Sedimentary Cycles). వీటి ప్రధాన నిల్వ భూమి పెంకులోని శిలలు. ఈ చక్రాల్లో వాతావరణ పాత్ర తక్కువ.

• ఫాస్ఫరస్ చక్రం:
  1. ప్రధాన నిల్వ: ఫాస్ఫేట్ శిలలు.
  2. శిలల క్షీణత వల్ల ఫాస్ఫేట్లు నేల, నీటిలో చేరుతాయి; మొక్కలు తీసుకుంటాయి.
  3. పక్షుల విసర్జన (Guano), జంతువుల ఎముకలు, DNA, ATP, కణ త్వచాలు ఫాస్ఫరస్‌తో తయారవుతాయి.
  4. వాయు రూపం దాదాపు లేదు – అందుకే ఇది వాతావరణం ద్వారా తిరిగి రాదు.
• యూట్రోఫికేషన్ (Eutrophication): ఎరువులు, డిటర్జెంట్లలోని ఫాస్ఫేట్లు, నైట్రేట్లు సరస్సుల్లో చేరి శైవలాలు విపరీతంగా పెరగడం. వాటి మరణం తరువాత కుళ్ళడం వల్ల నీటిలో ఆక్సిజన్ తగ్గి చేపలు చనిపోతాయి.
• సల్ఫర్ చక్రం:
  1. ప్రధాన నిల్వ: శిలలు, అవక్షేపాలు (సల్ఫేట్, సల్ఫైడ్).
  2. మొక్కలు సల్ఫేట్‌ను తీసుకుంటాయి. అమైనో ఆమ్లాలు (సిస్టీన్, మిథియోనిన్) తయారీకి అవసరం.
  3. సల్ఫర్ డయాక్సైడ్ (SO₂) శిలాజ ఇంధనాల దహనం, అగ్నిపర్వతాల నుండి విడుదలై ఆమ్ల వర్షానికి (Acid Rain) కారణమవుతుంది.
• తేడా:
  1. ఫాస్ఫరస్‌కు వాయు రూపం దాదాపు లేదు
  2. సల్ఫర్‌కు వాయు రూపం (SO₂, H₂S) ఉంది.

వాతావరణంలో ఆక్సిజన్ సుమారు 21% ఉంటుంది. జీవులు శ్వాసించడానికి, ఇంధనాలు మండడానికి ఇది అవసరం. ఆక్సిజన్ చక్రం కార్బన్ చక్రంతో దగ్గరి సంబంధం కలిగి ఉంటుంది.

• ఆక్సిజన్ ఎలా తయారవుతుంది?: కిరణజన్య సంయోగక్రియలో మొక్కలు, శైవలాలు నీటిని విడగొట్టి ఆక్సిజన్ విడుదల చేస్తాయి.
• ఆక్సిజన్ ఎలా వాడబడుతుంది?:
  1. జీవుల శ్వాసక్రియ
  2. ఇంధనాల దహనం
  3. ఖనిజాల ఆక్సీకరణ (తుప్పు పట్టడం)
• వాతావరణ ఆక్సిజన్ ఎక్కువ భాగం: భూమి మొక్కలు, సముద్రంలోని ఫైటోప్లాంక్టన్ రెండింటి నుండి వస్తుంది.
• ఓజోన్ (O₃):
  1. స్ట్రాటోస్ఫియర్‌లో ఆక్సిజన్ నుండి ఏర్పడే వాయువు
  2. సూర్యుని హానికర UV కిరణాలను ఆపుతుంది.
• మానవ ప్రభావాలు:
  1. శిలాజ ఇంధన దహనం: CO₂ పెరిగి వాతావరణ మార్పు.
  2. నైట్రోజన్ ఎరువులు: నీటి కాలుష్యం, యూట్రోఫికేషన్.
  3. అడవుల నరికివేత: కార్బన్ సింక్ తగ్గి ఆక్సిజన్ ఉత్పత్తి తగ్గుదల.
  4. ఆమ్ల వర్షం: SO₂, NOx విడుదల వల్ల.
• పరిష్కారాలు: అడవుల పెంపకం, పునరుత్పాదక శక్తి, సేంద్రియ వ్యవసాయం.