De koolstofkringloop

Het leven op aarde wordt in stand gehouden en gekenmerkt door een aantal biochemische cycli. De koolstofkringloop is wellicht wel de bekendste biochemische cyclus. Koolstof is het belangrijkste element voor het leven op aarde: alle levende organismen zijn opgebouwd uit koolstof en koolstofverbindingen. Bijna de helft van alle droge biomassa is opgebouwd uit koolstof! Koolstof blijft niet continue in dezelfde samenstelling bestaan: de op aarde aanwezige koolstofatomen gaan steeds weer andere verbindingen aan. Dit is waarom er wordt gesproken van een koolstofcyclus. Er worden twee soorten cycli onderscheiden: de korte koolstofkringloop en de lange koolstofkringloop. Binnen de korte koolstofkringloop staat fotosynthese centraal, terwijl de lange koolstofkringloop afhankelijk is van langdurige geologische processen zoals verwering en plaattektoniek.

Korte koolstrofkringloop

Binnen de korte koolstofkringloop vormt het gas CO2 (koolstofdioxide) het uitgangspunt. Dit is het voornaamste koolstofhoudende gas in de atmosfeer. Desondanks is de concentratie CO2 in onze atmosfeer niet erg hoog: minder dan 0,05% bestaat uit dit gas. Naast CO2 zijn er nog een aantal andere bekende gasvormige koolstofverbindingen: CO (koolstofmonoxide) en CH4 (methaan).

Koolstoffixatie

Planten en algen hebben de mogelijkheid om CO2 uit de atmosfeer in te vangen en om te zetten in energie. Dit wordt ook wel het fixeren van koolstof genoemd. Planten zijn hiermee producenten, ofwel autotrofe organismen die organische stoffen te produceren die de basis vormen van een ecosysteem. Dit omzetten van CO2 naar organisch materiaal gebeurt door middel van fototsynthese. Onder invloed van licht kunnen planten CO2 omzetten in glucose (C6H12O6), wat ook weer een koolstofverbinding is. Dit noemt men assimilatie. Ook sommige micro-organismen, de zogenaamde foto-autotrofe bacteriën, maken gebruik van fotosynthese.

Echter hebben ook producenten niet het eeuwige leven. Wanneer een plant zijn bladeren laat vallen, of zelfs in zijn geheel afsterft, komen de organische stoffen weer terug in de natuur terecht.

Consumenten

Consumenten, de zogenaamde hetotrofe organismen, zijn afhankelijk van producenten van organische koolstofverbindingen. Consumenten van de eerste trofische orde leven uitsluitend van planten: door het eten van deze planten krijgen zij koolstof in organische vorm binnen. Voorbeelden van consumenten van het eerste trofische niveau zijn grazers zoals koeien en schapen.
De koolstofverbindingen worden door het lichaam van het dier gebruikt en omgezet in bijvoorbeeld koolhydraten en eiwitten. Dit heet voortgezette assimilatie. Bij de verbranding van deze verbindingen komt CO2 vrij, dat door het dier wordt uitgeademd en op die manier weer in de atmosfeer terecht komt. Een deel van de organische stoffen komt weer in de natuur terecht doormiddel organisch afval, vaak in de vorm van uitwerpselen. Dit gebeurt ook wanneer het dier sterft.

Uiteraard zijn er ook dieren die andere dieren eten. We spreken dan van consumenten van hogere trofische ordes. Ook deze dieren stoten uiteraard koolstof uit bij verbranding, met hun uitwerpselen en wanneer ze sterven.

Reducenten

Reducenten zijn organismen die een functie hebben die eigenlijk het tegenovergestelde is van de functie van producenten. In plaats van het omzetten van koolstof uit de atmosfeer in organische verbindingen, breken reducenten juist organische verbindingen af zodat er weer anorganische stoffen ontstaan. Dit proces wordt dissimilatie genoemd. Dissimilatie gebeurt door middel van micro-organismen, zoals bacteriën en schimmels.

Dissimilatie kan op twee manieren gebeuren: aeroob en anaeroob. Bij de eerstgenoemde manier is er sprake van organismen die zuurstof nodig hebben; bij deze vorm van dissimilatie komt ook weer CO2 vrij, dat in de atmosfeer terecht komt. Bij anaerobe dissimilatie worden organische afvalproducten uitgescheiden, die door middel van aerobe dissimilatie door andere organismen verder afgebroken worden.

Lange koolstofkringloop

Niet al het organisch afval van organismen wordt direct weer opgenomen in de kringloop. Een deel hiervan komt in de bodem terecht: dit noemt men sedimentatie. De organische materialen komen relatief steeds dieper onder de grond terecht: onder invloed van druk en temperatuur worden zij uiteindelijk omgezet in kerogeen, een verzamelnaam van gesteenten met organische oorsprong.

Kerogeen kan omgezet worden in fossiele brandstoffen zoals aardolie en steenkool. Door middel van tektonische en vulkanische activiteit kunnen deze stoffen na miljoenen jaren weer aan het aardoppervlak verschijnen en zo weer in de kringloop terecht komen.

Menselijke invloed op de koolstofkringloop

Door de menselijke verbranding van eerdergenoemde fossiele brandstof wordt er kunstmatig veel CO2 in de atmosfeer gebracht. Daarnaast verdwijnen er door landbouw en urbanisatie steeds meer natuurgebieden, waardoor dit overschot aan CO2 niet snel wordt afgebroken door middel van fotosynthese. Het gevolg is dat er sinds de Industriële Revolutie (vanaf omstreeks 1850) een toenemend gehalte aan CO2 in onze atmosfeer te vinden is.

Versterkte broeikaseffect

CO2 is een zogenaamd broeikasgas: dit is een gas dat belangrijk is voor het handhaven van een leefbaar klimaat op aarde. Naarmate de concentratie CO2 stijgt, neemt echter ook de warmte op aarde toe: dit wordt het versterkte broeikaseffect genoemd (internationaal ook wel aangeduid als "global warming"). Dit versterkte broeikaseffect kan zeer nadelige gevolgen hebben waaronder het smelten van de poolkappen en het stijgen van de zeespiegel.

Verzuring

Een hoger CO2-gehalte in de atmosfeer betekent ook dat het gehalte aan opgeloste CO2 in zeewater hoger wordt. Dit heeft invloed op de pH-waarde van het water: het wordt hierdoor zuurder. Dit kan uiteindelijk een negatieve invloed hebben op de aanwezige producenten, zoals algen. Hierdoor ontstaat er mogelijk een soort sneeuwbaleffect.