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Lehrbücher: Hollemann-Wiberg, Lehrbuch der Anorganischen Chemie, 102. Auflage. Berlin, New York: de Gruyter, 2007. W. Kaim, B. Schwederski: Bioanorganische.

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1 Lehrbücher: Hollemann-Wiberg, Lehrbuch der Anorganischen Chemie, 102. Auflage. Berlin, New York: de Gruyter, W. Kaim, B. Schwederski: Bioanorganische Chemie. Stuttgart: Teubner, L. Sigg, W. Stumm: Aquatische Chemie - eine Einführung in die Chemie wässriger Lösungen und natürlicher Gewässer. vdf Hochschulverlag an der ETH Zürich. Stuttgart: Teubner, 1996.

2 Arbeitsgruppe Umweltchemie des Instituts für Anorganische Chemie Die Zukunft soll man nicht voraussehen wollen, sondern möglich machen. Antoine de Saint-Exupery Die Forschungsziele der Arbeitsgruppe Umweltchemie begründen sich auf dem in den vergangenen Jahrzehnten erwachten Umweltbewusstsein der Gesellschaft und der damit verbundenen neuen Verantwortung des Chemikers. Umweltchemische Forschung ist eine Zukunftsdisziplin, die entscheidend dazu beitragen wird, die Tendenz zur Degradation der Ökosysteme und zum Schwund der Artenvielfalt unseres Planeten wirksam zu stoppen, und zugleich die Gesundheit und Lebensqualität der Menschen nachhaltig zu sichern. Gravierende Umweltprobleme, welche die Funktionsfähigkeit des Ökosystems Erde beeinträchtigen und die Menschheit in Zukunft zunehmend zu belasten drohen, harren derzeit einer Lösung. Diese Lösung kann nur auf Basis eines vertieften Verständnisses der vielfach vernetzten chemischen Vorgänge in der natürlichen Umwelt gefunden werden. Die Entwicklung neuartiger Technologien zur Vermeidung von Umweltproblemen gehört mit zu unseren Forschungszielen. Hierbei ist die Kenntnis fundamentaler chemischer Vorgänge in der natürlichen Umwelt eine unverzichtbare Grundlage. Die beobachteten natürlichen Systeme sind äußerst komplex und nur ein interdisziplinärer Ansatz kann zum Erfolg führen. Unsere Projekte bauen daher auch auf Kooperationen mit anderen Forschungsdisziplinen auf wie Bioanorganische Chemie, Umwelt-Geowissenschaften, Umwelt-Analytik, Umwelt-Mikrobiologie, Aquatische Ökologie und Meereskunde.

3 Quelle: Kummer/Stumm

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5 durchschnittlicher geothermischer Gradient: 3°C pro 100 m Tiefe Wärmestrom 0,06 Watt/m 2 Erdoberfläche (Solarkonstante: 1367 Watt/m 2 ) Bild: Niedersächsisches Landesamt für Bodenforschung

6 Evolution der Hydrosphäre und Atmosphäre

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8 Venus und Erde (Größenvergleich) Venus-Atmosphäre: 95% CO 2, 100 Bar an der Oberfläche, 480°C (durch den Treibhauseffekt) Quelle: NASA

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10 Beweis dafür, dass es in der frühen Erdatmosphäre keinen Sauerstoff (O 2 ) gab: In 2,5x10 9 Jahre alten Flussschottern (Konglomeraten) fand man Uraninit UO 2. Die Körnchen wurden von Flüssen im Geröll weite Strecken transportiert und dabei charakteristisch abgerundet. Hätte die Atmosphäre Sauerstoff enthalten, so wäre das Uran(IV) rasch zu Uran(VI) oxidiert worden. Die Körnchen hätten sich aufgelöst, weil das entstehende [UO 2 ] 2+ (Uranyl- Ion) im Gegensatz zum Uraninit gut wasserlöslich ist. Auch Schottersteine aus Pyrit FeS 2 in solchen Sedimenten beweisen die Abwesenheit von Sauerstoff.

11 Wieso enthält die heutige Atmosphäre O 2 ? Die heutige Zusammensetzung der Atmosphäre ist eine Folge des Lebens auf der Erde.

12 Entscheidende Bedeutung der Ozeane für die Entstehung des Lebens Wasser ist der Träger aller chemischen Lebensvorgänge in den Organismen Wasser löste das atmosphärische CO 2 und verhinderte zu großen Treibhauseffekt Wasser löste CO 2 und alle anderen Nährstoffe Wasser wirkte aufgrund seiner hohen Wärmekapazität stabilisierend auf das irdische Klima Wasser absorbierte das kurzwellige UV (200nm – 290nm) (die ersten Organismen lebten unter einer 10 m dicken Wasserschicht (UV Filter entspricht der heutigen Atmosphäre)

13 Photosynthese CO H 2 S + Licht [CH 2 O] + H 2 O + 2 S 2 CO H 2 O + H 2 S + Licht 2 [CH 2 O] + H 2 SO 4 CO H 2 + Licht [CH 2 O] + H 2 O CO H 2 O + Licht[CH 2 O] + H 2 O + O 2

14 Viele Prozesse wie die N 2 - CO 2 - und S-Assimilation waren bereits von Anbeginn des Lebens mit Lichtreaktionen, einem Elektronenfluss und ATP verbunden. Aber erst die Kopplung zweier lichtgetriebener Reaktionen, d.h. die Kopplung zweier Photosysteme erzeugte die notwendige Energie für die Oxidation von Wasser und die Freisetzung von Sauerstoff. Die mikropaläontologisch-morphotypischen Funde in ältesten Gesteinen (3,5 Milliarden Jahre alt) weisen darauf hin, dass cyanobakterielle Ökosysteme sehr bald die frühe Erde beherrscht haben. (Manfred Schidlowski, 1998)

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16 Die biologische Kohlenstoff-Fixierung durch die archaischen Stromatolithen zeigt, dass prokaryotisches Mikrobenthos die Erde schon vor etwa 3,5 Milliarden Jahren beherrscht hat. Die Archaisch- Proterozoischen Funde bestehen hauptsächlich aus Cyanobakterien. Vergleichbare mikrobielle Gesellschaften gehören zu den produktivsten Ökosystemen der heutigen Biosphäre. Besonders die benthischen (= auf dem Meeresboden lebenden) Cyanobakterien können die erstaunliche Primärproduktivität von 10g C/m² am Tag erreichen. Die Photosynthese hat daher in quantitativer Hinsicht während der nachfolgenden Evolution des Leben nur wenig an Wichtigkeit dazu gewonnen.

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20 Die Glykolyse ist der einzige metabolische Weg, den alle Organismen gemeinsam haben, was auf seine sehr frühe Entstehung hinweist; existierte bereits in den ersten Procaryoten vor 3,5-3,8 Milliarden Jahren.

21 Die Sauerstoff-Atmung bedeutet gegenüber der Gärung eine 14x effektivere Ausnutzung der in den Kohlenhydraten gespeicherten Energie. Atmung ist schon bei 1% des heutigen O 2 Partialdrucks möglich. Infolge dieses Fortschritts nahm die biologische Aktivität und damit auch die Sauerstoff-Produktion sprunghaft zu.

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26 Mangel an bioessentiellen Metallen im Ozean vor 2 Milliarden Jahren bis vor 1 Milliarde Jahren fehlte weitgehend eine globale Zirkulation des Weltozeans. Gleichzeitig begann vor 2 Milliarden Jahren die Sulfat-Zufuhr zum Ozean durch die einsetzende oxidative Verwitterung der Gesteine der Kontinente. Durch dissimilatorische Sulfatreduktion entstanden hohe H 2 S Gehalte in tieferen sauerstofffreien Wasserschichten, dies führte zur Bildung schwerlöslicher Sulfide von Mo, Fe, Cu, Zn. Durch den Mangel an Mikronährstoffen im Ozean verzögerte sich die Entwicklung der Eukaryoten, die erst vor 1,4 Milliarden Jahren die Bildfläche betraten.

27 Transport und Verteilung von Metallen in Gewässern und Sedimenten Fällung und Auflösung von Carbonaten Hydrolyse und Bildung schwerlöslicher Oxide und Hydroxide Komplexbildung mit gelösten organischen Liganden Adsorption an Partikeloberflächen Redoxprozesse Biomethylierung

28 CO 2 Kohlendioxid steht im Zentrum der geochemischen Kreisläufe spielt eine zentrale Rolle in der Biosphäre: Photosynthese – Respiration und in geochemischen Prozessen, welche Gesteine auflösen und Minerale bilden In der Hydrosphäre wird Kohlenstoff vor allem als Ca(HCO 3 ) 2 transportiert CaCO 3 wird in Seen und im Ozean ausgefällt

29 Kohlenstoff-Flüsse (10 15 g/a) Netto-Primärproduktion der terrestrischen Biosphäre 57 – 58 Netto-Primärproduktion der marinen Biosphäre 54 – 59 Bildung von Kalkskeletten im Ozean (Coccolithophoriden, Foraminiferen, Kalkalgen, Korallen) 1 Marine physikalische Kohlenstoffpumpe 40 Marine biologische Kohlenstoffpumpe 11 – 16 C-Speicherung in Böden 1 Diese natürlichen Senken werden durch natürliche Quellen (Atmung, Vulkanismus, Ausgasen aus dem Meer) kompensiert In 5 Jahren wird das gesamte CO 2 der Atmosphäre ausgetauscht Anthropogene CO 2 Freisetzung aus fossilen Brennstoffen 7

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31 The graph shows recent Monatsmittelwerte des atmosphärischen CO 2 über dem Mauna Loa

32 INSTITUT FÜR ANORGANISCHE CHEMIE Arbeitsgruppe Umwelt- und Radiochemie Burning peat bogs set alight by rainforest clearance in Indonesia are releasing up to a seventh of the world's total fossil fuel emissions in a single year

33 INSTITUT FÜR ANORGANISCHE CHEMIE Arbeitsgruppe Umwelt- und Radiochemie Anthropogene CO 2 Quellen (Gt C/a) 2008 Verbrennen fossiler Energieträger: 7 Brandrodung tropischer Wälder, Torfbrände: 3 Tauender Permafrostboden, Entwässerung von Mooren: 3

34 INSTITUT FÜR ANORGANISCHE CHEMIE Arbeitsgruppe Umwelt- und Radiochemie

35 INSTITUT FÜR ANORGANISCHE CHEMIE Arbeitsgruppe Umwelt- und Radiochemie


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