- Kuidas toimub süsinikuringe?
- Mille poolest erinevad mädanemine ja roiskumine?
- Milliste toiduainete tootmiseks kasutatakse piimhapekäärimist?
Sõnnikuhunnik on soe
Sõnnikuhunnikus toimub süsinikuühendite lagunemine ehk kõdunemine. Selles protsessis eraldub palju soojust. Kui kõdunev hunnik külma ilmaga laiali ajada, on hästi näha, kuidas sellest eraldub auru. Mõnikord võib kõduprotsessis eralduda nii palju soojust, et näiteks heinad või õled süttivad iseenesest.
Kõdunemine kui energia eraldumisega kulgev protsess
Kui elusolend sureb, hakkavad süsinikuühendid, eriti aga valgud, väga kiiresti lagunema (kõdunema). Kõdunemine jaguneb mädanemiseks (toimub õhuhapniku juuresolekul) ja roiskumiseks (toimub ilma hapniku juuresolekuta). Kõige kiiremini lagunevad valgud kui kõige tundlikumad orgaanilised ühendid.
Kõdunemisel eraldub energia (s.o eksotermiline protsess). Soojushulk, mis siin eraldub, on märksa väiksem kui põlemisel ja hingamisel, kuid siiski märgatav.
Kõdunemisel oksüdeerub ainult osa süsinikuühendeid süsinikdioksiidiks ja veeks, suures osas jääb süsiniku oksüdatsiooniaste 0 lähedale ning osa võib isegi redutseeruda. Vahesaadused võivad ka omavahel reageerida ja moodustada keerulisemaid ühendeid. Seega on kõdunemine väga keeruline, kuid looduses äärmiselt tähtis protsess. Kõdunemise saadusi nimetatakse kõduks. Suur osa kõdust läheb mulla koostisse huumusena, mis muudab mulla kohevaks ja toitainerikkaks. Osa kõdunemise saadusi muundub põlevateks maavaradeks (turvas, pruunsüsi, kivisüsi, põlevkivi, maagaas, nafta). Kõdunemise saadused on enamasti tumeda värvusega.
- Tselluloos
- Liiv
- Kaltsiumkarbonaat
- Süsinikdioksiid
- Piimavalk
- Kivisüsi
- Munarebu
- Valk
- Polüeteen
Mädanemine ja roiskumine
Mädanemise all mõistetakse tavaliselt süsinikuühendite lagunemist õhu juuresolekul. Põhilise lagundamistöö teevad ära mitmesugused mikroorganismid. Valgud lagunevad aminohapeteks, nendest eraldub gaasiline ammoniaak NH3. Tekib ka teisi lämmastikuühendeid. Aminohapetest järele jäänud süsinikuühendid oksüdeeruvad peamiselt CO2-ks ja veeks, osa läheb mikroorganismide toiduks. Mädanemise käigus ei teki väga mürgiseid ega ka ebameeldiva lõhnaga ühendeid.
Roiskumine on selline lagunemine, mis toimub õhuhapnikuta. Roiskumist põhjustavad spetsiaalsed roisubakterid. Neid on looduses palju, nad elavad mullas ja igasugustes kõdunevates jäätmetes (sõnnik, kompost jms). Roisubaktereid on ka kõrgemate loomade, sealhulgas inimese soolestikus – käärsooles. Seedimisel jääb kasutamata küllaltki palju aminohappeid ja muid ühendeid, mis kõlbavad roisubakterite toiduks. Ka roiskumisel tekib CO2, kuid ammoniaagi asemel tekib igasuguseid mürgiseid ja halvasti lõhnavaid lämmastikuühendeid. Roiskumisel muutub paljude valkude koostises olev väävel lenduvateks ja äärmiselt vastiku lõhnaga väävliühenditeks (nt H2S).
Käärimine kui energia eraldumisega kulgev protsess
Käärimiseks nimetatakse enamasti õhu juurdepääsuta kulgevaid protsesse, mis toimuvad bakterite või pärmseenekeste osavõtul. Käärimisel tekivad sahhariididest, ent ka muudest ühenditest võrdlemisi lihtsad uued ühendid. Käärimisel küll energia eraldub, aga eralduv energiahulk on palju väiksem kui hingamisel või samade lähteainete põlemisel.
Tuntumaid käärimisprotsesse on etanool- ehk alkoholkäärimine, mis kulgeb pärmseenekeste toimel:
Mõtlemist
Miks läheb piim hapnemisel paksuks?
Eralduv energia on umbes 1 MJ 1 kg glükoosi kohta. Sellest väikesest energiahulgast piisab pärmseenekeste elutegevuseks (glükoosi kalorsus on 17 MJ/kg).
Piimhapekäärimine on teine käärimisprotsess, mis kulgeb hapniku osavõtuta. Käärimist põhjustavad piimhappebakterid, mida õhus on palju. Sellepärast läheb piim, eriti kui see on jahutamata, väga ruttu hapnema. Piimhapekäärimise lähteaineks on piimasuhkur ehk laktoos, mis nagu sahharooski laguneb algul väiksema molekuliga suhkruteks ja need hakkavad käärima. Piimhapekäärimine on toiduainetööstuses väga tähtis. Sel moel valmistatakse kohupiima, hapukoort ja juustu. Leivataigna hapendamisel ja keefiri valmistamisel kulgeb piimhapekäärimine samal ajal etanoolkäärimisega. Piimhapekäärimine on oluline ka silo valmistamisel, samuti kapsaste ja kurkide hapendamisel. Eralduv energia on umbes sama väike kui etanoolkäärimisel.
- Liha keetmine
- Õlle tootmine
- Kapsaste hapendamine
- Õuntest õunamahla pressimine
- Piima hapnemine
- Pärmitaigna kerkimine
Käärimine kui redoksprotsess
Nagu teisedki käärimised, on etanoolkäärimine redoksprotsess. Lähteaines on süsiniku keskmine oksüdatsiooniaste 0. Etanoolis on ühe süsiniku oksüdatsiooniaste –III, teisel –I, süsihappegaasis aga IV. Seega on etanoolkäärimisel osa süsinikku redutseerunud teise osa oksüdeerumise arvel.
Etanoolkäärimise lähteaine on peamiselt glükoos, mis tekib suurema molekuliga sahhariidide (nt tärklise) lagunemisel. Tärklis ei kääri, sest pärmseenekestel puuduvad vajalikud ensüümid. Sellised ensüümid, mis lagundavad tärklise suhkruteks, tekivad idanevates viljaterades (linnastes). Sahharoosi suudavad pärmseenekesed ise glükoosiks ja fruktoosiks lagundada.
Nii glükoos kui ka fruktoos käärivad. Linnastest valmistatakse kääritamise teel õlut. Linnaste ensüümid aitavad kartulitärklise lagundada glükoosiks, mis käärib etanooliks.
Etanoolkäärimisel saadavad lahused on võrdlemisi väikese alkoholisisaldusega: tavaliselt kuni 15%. Puhas etanool saadakse lahustest kätte neid destilleerides.
Etanoolkäärimine on oluline mujalgi kui alkohoolsete jookide ja etanooli tootmisel, näiteks saiataigna kergitamisel pärmiga. Nisujahus on alati nii palju glükoosi, et käärimine võiks alata. Käärimisel tekkiv CO2 kergitabki taigna kohevaks.
Äädikhapekäärimine
Äädikhapekäärimine erineb eespool kirjeldatud käärimistest selle poolest, et see toimub õhuhapniku osavõtul. Ka ei ole lähteaineks mitte glükoos või teised suhkrud, vaid etanool. Äädikhapekäärimine toimubki eriti hästi sellistes lahjades etanooli lahustes, mis on tekkinud suhkrutest etanoolkäärimisel. Näiteks kui viinamarjadest veini valmistatakse, võib tekkiv etanool käärida edasi äädikaks.
Meenuta, millise võrrandi järgi toimus etanooli oksüdatsioon etaanhappeks ehk äädikhappeks (vt ptk 5.7). Nagu näed, on reaktsioonivõrrand täpselt sama. Äädikhapekäärimine pole midagi muud kui etanooli oksüdatsioon etaanhappeks, ainult et see toimub äädikhappebakterite mõjul. Kuna siin toimub süsiniku oksüdatsioon –I→III (teine süsinik ei oksüdeeru), siis on ka eralduv soojushulk mitu korda suurem kui näiteks etanoolkäärimisel, milles osa süsinikku oksüdeerub teise osa redutseerumise arvel.
Fotosüntees kui energia neeldumisega kulgev protsess
Looduses on energia neeldumisega kulgevatest (s.o endotermilistest) protsessidest tähtsaim fotosüntees. Fotosüntees toimub taimedes rohelise värvaine klorofülli ja ensüümide toimel. Lähteained on vesi ja õhust saadav CO2. Reaktsiooni ligikaudne võrrand on selline:
Siin toimub süsiniku redutseerumine IV→0 ja hapniku oksüdeerumine –II→0. See reaktsioon on õigupoolest glükoosi toiduks tarbimise või põlemise pöördreaktsioon. Järelikult peab siin neelduma sama energiahulk, mis eraldus glükoosi oksüdeerumisel (17 MJ/kg). See energia saadakse päikese valguskiirgusest. Fotosünteesis toimubki veel üks väga tähtis ja huvitav energia muundumine: valguskiirguse energia muundub glükoosi keemiliseks energiaks. Glükoosist saab teisi sahhariide, rasvu ja valke ning muid orgaanilisi ühendeid. Võib öelda, et fotosüntees on kogu elu alus.
Fotosüntees toimub ainult rohelistes taimedes ning ainult valguse käes. Kuid kõigis taimedes nagu teisteski organismides toimub pidevalt orgaaniliste ainete oksüdeerumine õhuhapniku toimel, nii et tekivad süsinikdioksiid ja vesi.
- Rohelised taimed sisaldavad klorofülli.
- Fotosünteesis muudetakse keemiline energia valguse energiaks.
- Fotosünteesi lähteained on vesi ja süsihappegaas.
- Klorofüll ei ole fotosünteesiks vajalik.
Fotosünteesi efektiivsus
Arvatakse, et sadu miljoneid aastaid tagasi oli Maa atmosfääris väga vähe hapnikku ja palju süsihappegaasi, mis oli atmosfääri kogunenud vulkaanipursete tõttu. Vulkaaniline tegevus maakoores oli tol ajal palju intensiivsem kui praegu. Hapnik on Maa atmosfääri tekkinud fotosünteesi tulemusena. Sellepärast ei saanud õhuhapnikku hingavad maismaaloomad hakata massiliselt arenema enne, kui atmosfääri oli kogunenud piisavalt hapnikku.
Päikeseenergiaga käivad taimed fotosünteesil üsnagi pillavalt ümber, nii et fotosünteesi kasutegur on alla ühe protsendi. Sellegipoolest on taimede fotosünteesi toodang tohutult suur. On arvutatud, et aastas seovad taimed õhust üle 7 · 1014 kg CO2 ning salvestavad 3 · 1015 MJ energiat. Kogu kütustes salvestatud energia pärineb nii või teisiti päikeseenergiast, mida inimkond tänapäeval aktiivselt kasutab.
Kuigi CO2 peetakse mõneti saastegaasiks (CO2 kvoodid, vt ptk 2.4), oleks atmosfääris leiduva CO2-ta (fotosünteesi lähteaine!) elu Maal võimatu.
Ma tean, et ...
- Kõdunemine
- on elusorganismidest pärinevate keeruliste süsinikuühendite osaline oksüdatsioon ja muundumine;
- toimub mikroorganismide kaastegevusel;
- toimub energia eraldumisega.
- Kõdunemise saadused on huumus, turvas ja kaevandatavad kütused.
- Käärimine
- kulgeb mikroorganismide toimel;
- kulgeb enamasti hapniku osavõtuta;
- toimub väikeste energiahulkade eraldumisega;
- muudab glükoosi etanooliks (etanoolkäärimine);
- muudab piimasuhkru piimhappeks (piimhapekäärimine.)
- Fotosüntees
- kulgeb energia neeldumisega;
- toimub rohelistes taimedes päikesekiirguse toimel;
- muundab CO2 ja vee glükoosiks ja hapnikuks;
- on elu aluseks Maal.
Küsimused
- Miks eraldub kõdunemisel ja käärimisel põlemisega võrreldes palju vähem soojust?
- Miks ei saa käärimise tulemusel 40%-list etanoolilahust?
- Kumba on kerkinud saiatainas on rohkem, kas CO2 või etanooli (massiprotsentides)?
- Miks äädikhapekäärimisel eraldub märksa rohkem soojust kui etanoolkäärimisel?
- Kui roheline taim paigutada õhupalli sees päikesevalguse kätte, kas õhupalli ruumala väheneb või suureneb? Õhu soojenemise päikesekiirguse mõjul võib jätta arvestamata.
- Mitu kuupkilomeetrit CO2 seovad taimed kogu Maal aasta jooksul?
- Miks rohelised papagoid, konnad ja putukad ei fotosünteesi?
