Materia organiczna to związki H, C, N, O, P, S (białka, wielocukry, kwasy nukleinowe; po obumarciu organizmu przeróbka bakteryjna na aminokwasy, cukry proste, zasady purynowe, pirydyminowe, kwasy tłuszczowe i fenole).
Rodzaje produkcji materii organicznej:
Produkcja pierwotna /PP/ ‒ syntezowanie związków organicznych przez autotrofy, Produkcja pierwotna netto ‒ część PP pozostająca po respiracji (50 %),
Produkcja nowa ‒ część PP opadająca ze strefy fotycznej (dotyczy mórz; ~20% PP), Produkcja eksportowa ‒ część PP osiadająca na powierzchni Ziemi (dna ocean. ~4% PP).
Czynniki kontrolujące produkcję PP:
- światło, - temperatura,
- dostępność pierwiastków odżywczych (gł. C, N, P).
PP współcześnie (Huc 1980; Romankevich 1984):
Stepy pustynie 50 – 200 g/m2/rok Lasy umiarkowane 1300 – 3200
Tropikalne lasy deszczowe 4000 – 9000 Jeziora słodkowodne 3000 – 6000 Oceany poza szelfem 10 – 400
Szelfy 200 – 600
Strefy prądów wstępuj. 400 – 1200
Rafy 3500 – 9000
PP w oceanach
Główni producenci: fitoplankton (okrzemki, kokolitoforidy, bruzdnice; Einsele 1992).
PP w skali roku:
Strefy tropikalne = +/- równomierna;
Strefy umiarkowane = dwa zakwity: bogaty wiosenny, uboższy jesienny;
Strefy polarne = jeden zakwit: w lecie.
Determinanty zakwitów fitoplanktonu: dostęp C, N, P, Si (w protoplazmie stosunek C:N:P = 100:15:1;
N i P dostarczane z bakteryjnej mineralizacji związków organicznych, najintensywniej w strefach prądów wstępujących;
Si dostarczane przez halmyrolizę szkliwa wulkanicznego i wietrzenie krzemianów na lądzie).
W oceanach tylko ok. 4% węgla organicznego pochodzącego z produkcji pierwotnej (mającej miejsce wyłącznie w strefie fotycznej) zostaje pogrzebana (Ryc. 165). Około 10 do 50 % jest zużywane na respirację, pozostała część pozostaje w obiegu biotycznym.
Ryc. 165. Procesy kontrolujące pionowy przepływ węgla organicznego ze strefy produkcji pierwotnej po grzebanie na dnie głębokiego morza (według Einsele 1992)
Środowiska wzmożonej akumulacji materii organicznej (Ryc. 166)
Wzmożona akumulacja materii organicznej występuje w miejscach pozbawionych lub zubo-żonych w wolny tlen. Na lądach wzmożona akumulacja materii organicznej występuje w bagnach i jeziorach bezodpływowych. W środowiskach przybrzeżnych – w lagunach i estuariach o ograniczonym połączeniu z morzem, zaś w morzach, w ich głębiach z wodami stagnującymi, a także w strefach minimum tlenowego (szczególnie w strefach występowania prądów wstępujących).
W materii organicznej akumulowanej w morzach duży udział ma materia pochodząca z lądu (dostawa Corg. z lądów +/- równa produkcji nowej Corg. oceanów - ~20 g/m2/rok). Osady głębokomorskie bogate w Corg. są deponowane w okresach anoksji głębii oraz w strefach wzmożonej resedymentacji materiału z szelfu.
Ryc. 166. Środowiska wzmożonej akumulacji materii organicznej i jej rodzaje zapisane rodzajami powstających z niej macerałów (według Einsele 1992)
Sposoby akumulacji materii organicznej:
- w postaci czystej,
- w powiązaniu z materiałem nieorganicznym (absorbcja rozpuszczonych związków organicznych na powierzchni minerałów ilastych).
Los materii organicznej po wyłączeniu z funkcji życiowych organizmu
Wyłączenie materii organicznej z funkcji życiowych organizmu (np. po obumarciu organiz-mu) wiąże się z bezpośrednim jej przejęciem (konsumpcją) przez inne organizmy albo konsumpcją jej części i odłożeniem na powierzchni ziemi reszty. Część materii pozostawiona na powierchni ziemi (obumarła materia organiczna) ulega przekształceniu stosownym do warunków w jakich się znajdzie. Materia organiczna pozostawiona w warunkach tlenowych, w kontakcie z wodą, ulega zupełnemu lub większościowemu rozkładowi (remineralizacji).
Uwalniane z niej pierwiastki mogą reagować z innymi, występującymi w otoczeniu i tworzyć związki nieorganiczne. Nierozłożona część obumarłej materii organicznej, w przypadku materii pozostawionej w warunkach beztlenowych lub o znikomym dopływie tlenu - jej większość, ulega przeróbce przez mikroorganizmy (przeróbka biochemiczna), a przy głębszym pogrzebaniu również przeróbce pod wpływem podwyższonych ciśnień i temperatur (przeróbka geochemiczna). Produktem takiej przeróbki jest materiał zbudowany z bardziej trwałych związków organicznych, o różnym stanie skupenia, a także związki nieorganiczne.
Bezpostaciowe szczątki organiczne w różnym stadium mikrobiologicznego i fizykochemicz-nego rozkładu, głównie roślinne, nagromadzone w glebach, stanowią humus (próchnica).
Koncentracja szczątków roślin przekształconych biochemicznie stanowi torf. Z rozkładu szczątków organicznych w warunkach beztlenowych, podwodnych, z udziałem saprobiontów powstaje sapropel (muł bogaty w przekształconą biochemicznie materię organiczną, głównie
pochodzenia glonowego). Produktem biochemicznego rozkładu materii organicznej są również fazy gazowe (CO2, CH4, oraz H2S).
Przekształcenie geochemiczne materii organicznej to uwęglenie i bituminizacja. Produktem uwęglenia materii organicznej jest węgiel – materiał zbudowany w przewadze ze związków benzenopodobnych, o udziale pierwiastka węgla powyżej 60% (rosnącym ze stopniem uwę-glenia od węgla brunatnego, przez węgiel kamienny po antracyt). Produktem metamorfizmu uwęglonej materii organicznej jest grafit. Produktem bituminizacji materii organicznej są bituminy, tj. substancje płynne, plastyczne lub stałe będące mieszaninami różnych węglowodorów, rozpuszczalne w disiarczku węgla i rozpuszczalnikach organicznych. Główne rodzaje bituminów naturalnych to ropa naftowa, wosk ziemny i asfalt. Ponadto produktem przemiany geochemicznej materii organicznej jest metan (palny gaz ziemny).
Charakter kopalnej materii organicznej i jej pochodzenie bada się mikroskopowo ( w świetle odbitym lub przechodzącym) albo chemicznie - metodą pirolizy (badanie produktów termicz-nego rozkładu substancji w warunkach beztlenowych).
W badaniach mikroskopowych w świetle odbitym bada się obraz uwęglonej materii organicz-nej. Obraz ten jest wyrazem określonego składu chemicznego materii, a zarazem jej pocho-dzenia. Rodzaje uwęglonej materii organicznej wydzielane na podstawie obserwacji mikro-skopowych w świetle odbitym nazywane są macerałami. Macerał to podstawowy składnik węgla, analogiczny do minerału w skałach nieorganicznych, lecz nie posiadający formy krystalicznej i stałego składu chemicznego, wyróżniajacy się swoistym obrazem w świetle odbitym. Macerały są produktami biochemicznego i geochemicznego przekształcania materii organicznej pochodzenia roślinnego i zwierzęcego (rzadko), o stałym stanie skupienia i różnym składzie chemicznym. Przykładowe rodzaje macerałów to: witrynit (produkt przekształcenia ligninowo-celulozowych roślin lądowych), inertynit (produkt tlenowego przekształcenia szczątków roślin lądowych, bogaty w C), liptynit (eksynit), spory nit (produkt przemian spor), polinit (produkt przemiany pyłków), alginit (produkt przemiany glonów), rezynit (produkt przemiany żywic).
W badaniach mikroskopowych w świetle przechodzącym bada się budowę szczątków materii organicznej ekstarchowanej ze skał. Jej dużą część stanowią pyłki roślin, stąd metodę tą nazywa się metodą palinologiczną. Metoda ta jest wykorzystywana głównie w badaniach stratygraficznych i paleobotanicznych.
W badaniach chemicznych określany jest skład pierwiastkowy (analiza elementarna), grupo-wy (np. piroliza Rock Eval) lub molekularny kopalnej materii organicznej. Metody pirolirtyczne stosujemy do wielkocząsteczkowej materii organicznej.
- analiza elementarna ‒ określanie stosunku C/H i O/C lub N/C i innych,
- grupowy (np. węglowodory wolne vs. generowane termicznie z kerogenu, często stosowana metoda pirolizy Rock-Eval).
- rozpoznanie budowy związków w ekstrakrach (np. biomarkerów).
Metodami chemicznymi badane są tak węgle jak i produkty biochemicznego i geoche-micznego przekształcania materii organicznej pochodzenia roślinnego i zwierzęcego, o stałym stanie skupienia, rozproszone w skałach, nierozpuszczalne w rozpuszczalnikach organicz-nych, nieutleniających kwasach nieorganicznych i zasadach wodorganicz-nych, nazywane kerogenem.