วัฏจักรคาร์บอน

รูปจาก Google

วัฏจักรคาร์บอน (Carbon Cycle) หมายถึง การเปลี่ยนแปลงรูปของธาตุคาร์บอนในสถานะต่างๆที่หมุนเวียนเป็นองค์ประกอบในอากาศ แร่ธาตุ น้ำ สัตว์ และพืช ด้วยกระบวนการทางเคมี และการย่อยสลายของจุลินทรีย์จากระบบหนึ่งไปสู่ระบบหนึ่ง หมุนเวียนเป็นวัฏจักร

ธาตุคาร์บอน เป็นธาตุที่มีความสำคัญต่อระบบนิเวศ และสิ่งมีชีวิตบนโลก จัดเป็นธาตุที่เป็นองค์ประกอบทางเคมีของสิ่งมีชีวิตทุกชนิด ทั้งสิ่งมีชีวิตเซลล์เดียว และสิ่งมีชีวิตหลายเซลล์ คาร์บอนที่พบในธรรมชาติจะอยู่ในรูปของสารประกอบคาร์บอน ทั้งก๊าซ ของแข็ง ของเหลว ซึ่งจะเปลี่ยนแปลงรูปตามแหล่งกักเก็บคาร์บอนในดิน หิน น้ำ บรรยากาศ และสิ่งมีชีวิต

คาร์บอนไดออกไซด์ (Carbon Dioxide) คือ ก๊าซของสารประกอบคาร์บอนที่ประกอบด้วยธาตุคาร์บอน และออกซิเจน อัตราส่วน 1 : 2 อะตอม มีสูตรทางเคมี คือ CO

วัฏจักรคาร์บอนมีการหมุนเวียนของคาร์บอนจากคาร์บอนไดออกไซด์เป็นหลัก เริ่มตั้งแต่มีสถานะก๊าซในชั้นบรรยากาศ การละลายในน้ำ และน้ำฝน การตรึง และเปลี่ยนรูปในพืช และสัตว์ พร้อมมีการปลดปล่อยจากการเผาไหม้ของเชื้อเพลิง การย่อยสลายของซากพืช ซากสัตว์ การสลายตัวของหินกลับเป็นคาร์บอนไดออกไซด์กลับสู่อากาศ เป็นต้น

ก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ จัดเป็นก๊าซเรือนกระจกที่สำคัญที่ทำให้เกิดภาวะโลกร้อนในปัจจุบัน อันมีสาเหตุมาจากการปลดปล่อยในอัตราที่สูงมากจากการเผาไหม้เชื้อเพลิง จนทำให้สมดุลการหมุนเวียนเปลี่ยนแปลงไป ส่งผลต่อการสะสมก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์มากในบรรยากาศ

องค์ประกอบวัฏจักรคาร์บอน
องค์ประกอบของวัฏจักรคาร์บอน แบ่งเป็น 4 แหล่ง คือ คาร์บอนในบรรยากาศ, คาร์บอนในน้ำจืด และน้ำทะแล, คาร์บอนในดิน หินแร่ และฟอสซิล และคาร์บอนในสิ่งมีชีวิต
1. วัฏจักรคาร์บอนในบรรยากาศ
คาร์บอนในบรรยากาศจะอยู่ในรูปของก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ที่มาจาก 4 กระบวนการ คือ
1. การหายใจของพืช และสัตว์
เมื่อสัตว์ และพืชมีการเจริญเติบโต และต้องการพลังงานจะมีเผาผลาญอาหาร โดยมีออกซิเจนจากการหายใจเข้าช่วยในกระบวนการ และแลกเปลี่ยนคาร์บอนไดออกไซด์ออกทางลมหายใจกลับสู่อากาศ การแลกเปลี่ยนก๊าซจะเกิดขึ้นบริเวณปอดที่มีเส้นเลือดฝอยจำนวนมาก

2. กระบวนการเผาไหม้เชื้อเพลิง
เชื้อเพลิงที่ใช้ในกระบวนการเผาไหม้ทั้งในภาคอุตสาหกรรม ภาคขนส่ง และภาคครัวเรือน ส่วนมากจะเป็นสารประกอบคาร์บอนเป็นหลัก เช่น น้ำมันดีเซล น้ำมันเบนซีน ก๊าซ LPG ไม้ ถ่าน ฝืน เป็นต้น เมื่อมีการเผาไหม้เชื้อเพลิงเหล่านี้จะทำให้เกิดก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ จากการรวมตัวตัวคาร์บอน (C) ในเชื้อเพลิง และออกซิเจน (O2) ในอากาศแล้ว ดังสมการด้านล่าง

เชื้อเพลิง/วัตถุ + O2 → CO2 + H2O

3. การย่อยสลายอินทรีย์วัตถุ
สารประกอบคาร์บอนที่เป็นองค์ประกอบของสิ่งมีชีวิตจะถูกย่อยสลาย และปลดปล่อยสู่บรรยากาศจากกระบวนการย่อยสลายของจุลินทรีย์ แบ่งเป็น 2 แบบ คือ การย่อยสลายทางชีวเคมี และการย่อยสลายทางกายภาพ ซึ่งจะกล่าวในหัวข้อต่อไป

4. การเปลี่ยนแปลงชั้นเปลือกโลก
การเปลี่ยนแปลงของเปลือกโลก ทำให้มีการปลดปล่อยก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ออกสู่บรรยากาศส่วนใหญ่มาจากภูเขาไฟระเบิด รองลงมาเป็นการปลดปล่อยจากแหล่งก๊าซในชั้นดิน ชั้นหินของเปลือกโลกจากการแยกตัวหรือเกิดรอยแตกเป็นช่องว่าง

2. วัฏจักรคาร์บอนในน้ำจืด และน้ำทะเล
1. การละลายในน้ำจืด และน้ำทะเล
ก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ในบรรยากาศสามารถละลายในน้ำจืด และน้ำทะเลได้ ปริมาณการละลายขึ้นอยู่กับความเข้มข้นของคาร์บอนไดออกไซด์ในอากาศ และอุณหภูมิของน้ำ นอกจากนั้น การหายใจของพืชน้ำ และสัตว์น้ำมีการปลดปล่อยคาร์บอนไดออกไซด์ออกมาเช่นกัน บางส่วนจะละลายน้ำ บางส่วนจะถูกปลดปล่อยออกสู่บรรยากาศ โดยเมื่อละลายจะอยู่ในรูปของกรดคาร์บอนิก ดังสมการ

CO2 + H2O → H2CO3

วัฏจักรคาร์บอนในน้ำจืด และทะเลเป็นแหล่งสำรองคาร์บอนแหล่งใหญ่ที่มีปริมาณคาร์บอนมากกว่าในบรรยากาศ ถึง 50 เท่า ดังนั้น แหล่งคาร์บอนในน้ำจืด และน้ำทะเลจึงเป็นตัวควบคุมปริมาณคาร์บอนในบรรยากาศทั้งหมดที่มีการแลกเปลี่ยนกันอยู่เสมอ  นอกจากนี้ แหล่งน้ำยังได้รับคาร์บอนจากบรรยากาศในรูปของน้ำฝนที่ละลายคาร์บอนไดออกไซด์จากอากาศในรูปของกรดคาร์บอนิก (H2CO3) โดยน้ำฝน 1 ลิตร จะมีคาร์บอนไดออกไซด์ประมาณ 0.3 ลูกบาศก์เซนติเมต รวมถึงการสลายตัวของพืช สัตว์ และแพลงก์ตอนในแหล่งน้ำที่ทำให้เกิดก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ และละลายละลายอยู่ในรูปของกรดคาร์บอนิกร่วมด้วย

การสะสมของคาร์บอนไดออกไซด์ในน้ำ และน้ำทะเลมาก จะมีกลไกลการควบคุมด้วยการตกตะกอนลงสู่ท้องน้ำลึกเพื่อลดความเข้มข้นให้น้อยลง

2. การย่อยสลายอนินทรีย์วัตถุ และอินทรีย์วัตถุ
• การย่อยสลายโดยจุลินทรีย์

การย่อยสลายแบบใช้ออกซิเจน

*****************O2
สารอินทรีย์                    →                  CO2 + H2O
****************จุลินทรีย์

การย่อยสลายแบบไม่ใช้ออกซิเจน

สารอินทรีย์                    →                  CO2 + H2S + CH4 + H2O
****************จุลินทรีย์

3. วัฏจักรคาร์บอนในดิน หินแร่ และฟอสซิล
1. กระบวนการย่อยสลายอนินทรีย์วัตถุ และอินทรีย์วัตถุ
การย่อยสลายอินทรีย์วัตถุบนบกจะเป็นการย่อยสลายซากพืช ซากสัตว์ที่มีอยู่บนผิวดินหรือในดิน ด้วยจุลินทรีย์ทั้งในรูปแบบการใช้ออกซิเจน และไม่ใช้ออกซิเจน ดังที่กล่าวในหัวข้อที่ 2

คาร์บอนไดออกไซ์ที่เกิดขึ้นจากการย่อยสลายบนดิน บางส่วนจะถูกปลดปล่อยกลับสู่อากาศ บางส่วนจะถูกยึดแทรกตัวอยู่ระหว่างอนุภาคของดินเหนียว

2. การทับถมในรูปฟอสซิล
เมื่อพืช และสัตว์ตายจะเกิดการทับถมของซากพืช ซากสัตว์ที่มีธาตุคาร์บอนสะสมอยู่ด้วย  เมื่อเกิดการทับถมมานานนับพันปีภายใต้อุณหภูมิ และแรงกดของพื้นโลกจะเปลี่ยนรูปคาร์บอนให้อยู่ในรูปอื่น ได้แก่ ถ่านหิน น้ำมัน และแก๊ส ซึ่งสารจำเหล่านี้มีคูณสมบัติเผาไหม้เป็นเชื้อเพลิงได้อย่างดี เมื่อมีการเผาไหม้จะเกิดก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์กลับเข้าสู่บรรยากาศอีกครั้ง

3. คาร์บอนในหิน และแร่
หิน และแร่หลายชนิดมีองค์ประกอบของคาร์บอนไดออกไซด์รวมอยู่ด้วย เช่น หินปูน นอกจากนี้ คาร์บอนไดออกไซด์บางส่วนอาจรวมตัวแทรกอยู่ระหว่างช่องว่างของหิน และจะถูกปลดปล่อยออกมาเมื่อชั้นหินมีรอยแตก

4. วัฏจักรคาร์บอนในสิ่งมีชีวิต
พืช และสัตว์ จัดเป็นแหล่งสำคัญที่มีบทบาทในการกักเก็บ และใช้คาร์บอนไดออกไซด์ แบ่งเป็น 2 ประเภท คือ แหล่งปฐมภูมิ และแหล่งทุติยภูมิ
1. แหล่งปฐมภูมิ
แหล่งที่มีกา่รใช้ และผลิตคาร์บอนไดออกไซด์ในลำดับแรกที่สำคัญ คือ พืชทุกชนิด ทั้งพืชบนบก และพืชน้ำ ผ่านกระบวนการสังเคราะห์แสง และตรึงคาร์บอนเอาไว้ในรูปของสารอินทรีย์

ผู้ผลิตส่วนใหญ่จะเป็นพืชที่ใช้ก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ในกระบวนการสังเคราะห์แสงในช่วงกลางวัน และหายใจปล่อยก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์กลับสู่บรรยากาศหรือน้ำในช่วงกลางคืน

กระบวนการสังเคราะห์แสงของพืชเป็นกระบวนการสำคัญในการกักเก็บคาร์บอนในรูปของสารประกอบอินทรีย์ ได้แก่ เซลลูโลส แป้ง ไขมัน วิตามิน และสารอื่นๆที่มีคาร์บอนเป็นองค์ประกอบ

กระบวนการสังเคราะห์ด้วยแสง ประกอบด้วย 2 กระบวนการหลัก
1. ปฏิกิริยาแสง (light reaction) ซึ่งเป็นกระบวนการที่เกิดขึ้นบริเวณเยื่อไทลาคอยด์ (thylakoid membrane) ทำหน้าที่เปลี่ยนพลังงานแสงให้อยู่ในรูปพลังงานเคมีของสารอินทรีย์ ได้แก่ ATP และ NADPH ซึ่งสารนี้จะถูกนำมาใช้ในปฏิกิริยาตรึงคาร์บอนไดออกไซด์ (CO2 fixation reaction) ต่อไป

2. ปฏิกิริยาตรึงคาร์บอนไดออกไซด์ (CO2 fixation reaction) หรือที่เรียกว่า วัฏจักรคัลวิน (Calvin cycle) ปฏิกิริยานี้เกิดที่บริเวณสโตรมา (stroma) ที่เป็นของเหลวในคลอโรพลาสต์ ซึ่งเป็นกระบวนการเปลี่ยนคาร์บอนอนินทรีย์ในรูปของ CO2 ให้อยู่ในรูปคาร์บอนอินทรีย์ คือ น้ำตาล โดยอาศัยพลังงานจาก ATP และ NADPH ที่ได้จากกระบวนการแรก ผลิตภัณฑ์ที่ได้จะเป็น ADP และ NADP+ ที่เป็นสารตั้งต้นกลับเข้าไปรับพลังงานจากปฏิกิริยาแสงอีกครั้ง

ปฏิกิริยาตรึงคาร์บอนไดออกไซด์ ประกอบด้วย 3 ระยะ (phase)
• ระยะ 1 : Carboxylation (การตรึงคาร์บอน) เป็นกระบวนการตรึง CO2 เข้ากับสารอินทรีย์ที่มีคาร์บอน 5 อะตอมเป็นองค์ประกอบ คือ ไรบูโรส-1,5-บิสฟอสเฟต (ribulose-1,5-bisphosphate : RuBP)
• ระยะ 2 : Reduction (การรีดิวซ์) เป็นกระบวนการเปลี่ยนผลิตภัณฑ์ที่ได้จากขั้นตอน carboxylation ให้เป็นน้ำตาล โดยใช้พลังงานจาก ATP และ NADPH
• ระยะ 3 : Regeneration (การสร้างทดแทน) เป็นกระบวนการสร้าง RuBP กลับคืน โดยใช้น้ำตาลบางส่วนจากกระบวนการ reduction โดยใช้พลังงานจาก ATP

สารคงตัวชนิดแรกในวัฏจักรคัลวินที่เกิดขึ้นหลังจากการตรึงคาร์บอนไดออกไซด์ คือ PGA ที่ประกอบด้วยคาร์บอน 3 อะตอม เรียกพืชที่มีการสร้างคาร์บอนอินทรีย์ตัวแรกเป็นสารที่มีคาร์บอน 3 อะตอม ว่า พืช C3 ส่วนพืชในกลุ่มอื่นที่สามารถตรึงคาร์บอนได้ แต่จะได้คาร์บอนอนินทรีย์ที่ไม่มีคาร์บอน 3 อะตอม ได้แก่ พืช C4 และCAM
– พืช C3 เป็นพืชกลุ่มหลักบนโลก เช่น ข้าว มะม่วง จามจุรี ถั่วชนิดต่างๆ กุหลาบ มะลิ เป็นต้น
– พืช C4 เช่น ข้าวโพด อ้อย และบานไม่รู้โรย
– พืช CAM ได้แก่ สับปะรด กระบองเพชร และกล้วยไม้ เป็นต้น

พืช และแพลงก์ตอนพืช เมื่อตายลงจะถูกย่อยสลายกลายเป็นแหล่งคาร์บอนในดิน และบางส่วนกลายเป็น CO2 กลับสู่บรรยากาศ

2. แหล่งทุติยภูมิ
แหล่งกักเก็บคาร์บอน ทุติยภูมิ ได้แก่ สัตว์กินพืช กินเนื้อทุกชนิด รวมทั้งมนุษย์ด้วย ซึ่งเป็นผู้ใช้ประโยชน์จากแหล่งกักเก็บคาร์บอนปฐมภูมิในรูปแบบของแหล่งอาหาร เป็นลำดับขั้นของการบริโภค

การปลดปล่อยคาร์บอนไดออกไซด์ของสิ่งมีชีวิตจะเกิดจากกระบวนการหายใจเป็นหลัก

ที่มา : https://www.siamchemi.com/วัฏจักรคาร์บอน/