ĆWICZENIE 4
OCENA PRODUKTYWNOŚCI EKOSYSTEMÓW
CZĘŚĆ TEORETYCZNA
Organizmy tworzące biocenozę są nie tylko powiązane między sobą szeregiem interakcji, ale również są ściśle związane ze środowiskiem nieożywionym (abiotycznym), w którym żyją. Taką zintegrowaną całość nazywamy ekosystemem. Na ekosystem składają się więc wszystkie zamieszkujące dane środowisko organizmy (biocenoza) oraz abiotyczne elementy ich środowiska (siedlisko).
Podstawą funkcjonowania ekosystemu (i całej biosfery)jest energia słoneczna, która zasila go albo bezpośrednio, w formie promieniowania, albo pośrednio jako martwa materia organiczna.
Ze względu na sposób korzystania z dopływającej energii (a więc sposób odżywiania) dzieli się organizmy w obrębie ekosystemu na trzy grupy:
1) producentów, 2) makrokonsumentów i 3) mikrokonsumentów.
Producenci to organizmy autotroficzne (gr.autos - sam, trophe - żywność), czyli samożywne, zdolne do produkcji związków organicznych z prostych związków nieorganicznych (CO2, H2O). Są to głównie fotoautotrofy, które wychwytują dopływającą energię świetlną i zamieniają ją w procesie fotosyntezy w energię chemiczną związków organicznych. Należą tu glony i rośliny wyższe, a także bakterie fotosyntetyzujące (purpurowe i zielone). Producentami o mniejszym znaczeniu są również bakterie chemosyntetyzujące, nie korzystające z energii świetlnej lecz chemicznej, wyzwalanej w procesie utleniania zredukowanych form azotu lub siarki (np. bakterie nitryfikacyjne).
Makrokonsumenci to duże organizmy heterotroficzne (gr. heteros - inny), czyli cudzożywne, zjadające inne organizmy żywe lub martwe (roślinne i zwierzęce). Są to głównie zwierzęta.
Mikrokonsumenci (destruenci, reducenci) to również organizmy heterotroficzne, ale niewielkich rozmiarów. Rozkładają one martwą materię organiczną do prostych związków nieorganicznych przyswajalnych przez producentów (CO2, H2O) zamykając w ten sposób obieg materii. Wydzielają one przy tym do środowiska aktywne biologicznie związki organiczne stymulujące bądź hamujące aktywność innych organizmów. Należą tu bakterie i grzyby żyjące głównie w glebie i osadach dennych.
Ilość substancji organicznej wytworzonej w określonym czasie przez daną populację lub ekosystem nazywamy produktywnością lub produkcją. Jest to więc szybkość wytwarzania. Wyróżnia się produkcję pierwotną i produkcję wtórną.
Produkcja pierwotna jest to szybkość, z jaką producenci wytwarzają materię organiczną.Na produkcję pierwotną ekosystemu ma wpływ przede wszystkim długość sezonu wegetacyjnego, zaopatrzenie w wodę, dostępność składników pokarmowych i światła. Całkowita produkcja wytworzona w danym czasie to produkcja pierwotna brutto. Część wytworzonej przez producentów biomasy zostaje jednak spalona w procesie oddychania tych organizmów i zużyta do podtrzymania ich metabolizmu. Produktywność pierwotna brutto pomniejszona o straty związane z oddychaniem nazywa się produkcją pierwotną netto (czyli produkcją pierwotną czystą). Jest to więc ta część wyprodukowanej materii organicznej, która zostaje zmagazynowana w tkankach roślinnych. Tylko produkcja netto jest dostępna dla konsumentów, którzy przetwarzają ją na tkanki swoich organizmów. Szybkość, z jaką konsumenci przetwarzają materię zjadanych organizmów na substancję własnych ciał, określa się mianem produkcji wtórnej.
Istnieje jeszcze pojęcie produkcji netto biocenozy. Oznacza ono szybkość gromadzenia materii organicznej nie wykorzystanej przez konsumentów. Innymi słowy, jest to produkcja pierwotna netto zubożona o konsumpcję organizmów heterotroficznych.
Należy rozróżnić pojęcie produkcji od pojęcia biomasy. Stan biomasy, czyli masy żywych organizmów, może być niewielki a produkcja, czyli tempo jej wytwarzania, wysoka. Tak jest np. w przypadku glonów planktonowych. Produkcyjność glonów w jednostce czasu może być znacznie wyższa od stanu ich biomasy w zbiorniku wodnym w danym momencie. Odwrotnie jest w lesie, gdzie stan biomasy drzew jest zwykle większy, niż wielkość produkcji w okresie sezonu wegetacyjnego.
Do oceny poziomu produkcji pierwotnej używa się wielu różnych metod. Najprostszą jest tzw. metoda żniwna, która polega na zebraniu całej biomasy roślin wyprodukowanej w określonym czasie i zważeniu jej. Metodę tę stosuje się w sytuacji, gdy rolę konsumentów można pominąć, np. na polu uprawnym nie zaatakowanym przez szkodniki. Zbierając biomasę producentów można jedynie określić produkcję netto, gdyż nie uwzględnia się w tej metodzie materii organicznej zużytej przez rośliny.
Produkcję pierwotną brutto można natomiast zmierzyć stosując metodę jasnych i ciemnych butelek, wykorzystywaną do badania ekosystemów wodnych. W metodzie tej pobiera się wodę z badanego zbiornika do szklanych butelek. W części z nich określa się od razu zawartość tlenu metodą Winklera. Pozostałe butelki dzieli się na : „jasne” (nie osłonięte) i „ciemne” (osłonięte np. folią aluminiową) i zawiesza w zbiorniku wodnym na 24 godziny. Po tym czasie ponownie określa się zawartość tlenu . Zmniejszenie się ilości tlenu w „ciemnych” butelkach jest wskaźnikiem intensywności oddychania mikroorganizmów w badanej próbie wody, a zmiana zawartości tlenu w „jasnych” butelkach jest wskaźnikiem fotosyntezy netto (tzn. jest wypadkową fotosyntezy i oddychania). Przez dodanie ilości tlenu stwierdzonych w obu typach butelek, otrzymuje się wielkość całkowitej fotosyntezy lub produkcji pierwotnej brutto w ciągu 24 godzin, ponieważ produkcja tlenu przez rośliny zielone jest wprost proporcjonalna do ilości pochłoniętej energii świetlnej i wyprodukowanej dzięki niej materii organicznej.
Różnorodność metod pomiaru produkcji jest powodem różnic w sposobie jej wyrażania. Najczęściej jednak produkcję wyraża się w jednostkach masy lub odpowiadającej jej energii, na jednostkę powierzchni (ewentualnie objętości) i czasu.
ĆWICZENIE 4
CZĘŚĆ PRAKTYCZNA
Cele: Poznanie metod badania produkcji pierwotnej.
Zbadanie wpływu czynników środowiskowych na produkcję w ekosystemach wodnych
1. Pomiar produkcji pierwotnej metodą zbioru biomasy
Materiały: nasiona owsa, różne rodzaje gleb, kubki plastikowe, waga, pęsety, bibuła, naczyńka z wodą.
Wykonanie:
1) Zważyć 20 nasion owsa (Avena sativa)
2) Wysiać nasiona na jedno z podłoży
3) Po okresie 2 - 3 tygodni zważyć biomasę owsa wyrosłego na danym podłożu:
a) Wyciągnąć pęsetą rośliny wraz z korzonkami i przenieść do naczyńka z wodą, w celu wypłukania z pozostałości podłoża
b) odciągnąć wodę z roślin za pomocą bibuły, a następnie zważyć je
Określić produktywność monokultury owsa na podstawie przyrostu biomasy w czasie hodowli, zgodnie ze wzorem :
przyrost biomasy
Produkcja = --------------------
czas hodowli
Jaki rodzaj produkcji można w ten sposób obliczyć (brutto czy netto) ?
Porównać produkcję hodowli prowadzonych na różnych podłożach.
2. Określanie produkcji pierwotnej glonów na podstawie liczenia komórek
w komorach Fuchsa-Rosenthala
Materiały: hodowle glonowe (jedno- i dwudniowa), komory Fuchsa-Rosenthala, pipety Pasteura.
Wykonanie:
Komora Fuchsa-Rosenthala jest pogrubionym szkiełkiem nakrywkowym z umieszczonym w środku zagłębieniem w postaci naciętego kwadratu podzielonego na 16 pól. Po przykryciu szkiełkiem nakrywkowym objętość komory wynosi 3,2 mm3. Po obu stronach kwadratu znajdują się zagłębienia w postaci rowków, w które należy wprowadzić badaną próbę.
1) Wprowadzić w rowki komory zawiesinę glonową za pomocą pipetą Pasteura
2) Za pomocą mikroskopu policzyć komórki glonów w ośmiu dużych kwadratach
3) Obliczyć liczbę komórek w 1ml korzystając ze wzoru :
1000 ( 2 a )
x = --------------------- R
3,2
gdzie :
x - liczba komórek / 1ml
a - liczba komórek policzonych w 8 dużych kwadratach
R - rozcieńczenie
1000 - liczba mm3 w 1 ml
4) Porównać wyniki uzyskane dla obu badanych hodowli i ocenić ich produkcyjność
3. Badanie wpływu troficzności i toksyczności na produkcję pierwotną glonów
Materiały: kolbki stożkowe (V = 100 cm3) wypełnione 50 cm3 sterylnego płynu:
wody o składzie zbliżonym do wody rzecznej (wg Goldfingera),
pożywki Jankowskiego pełnej,
pożywki Jankowskiego bez azotu,
pożywki Jankowskiego bez fosforu,
pożywki Jankowskiego z dodatkiem CuSO4,
parotygodniowa hodowla glonów na pożywce Jankowskiego, pipety 5 cm3, zestaw do filtracji, sączki bibułowe.
Wykonanie:
Pobrać pipetą 5 cm3 zawiesiny glonów i zaszczepić pożywki w kolbkach.
Inkubować hodowle przez tydzień w warunkach dobrego naświetlenia.
Po inkubacji przefiltrować zawartość kolbek i wysuszyć sączki do stałej wagi w temp. 1050C.
Określić biomasę glonów w poszczególnych hodowlach i wyjaśnić stwierdzone różnice