Cz. IV. Ekologia zasobów naturalnych i ochrona środowiska.

Ekosystem to zespół żywych organizmów tworzących biocenozę (populacji) łącznie z elementami środowiska nieożywionego - biotopem. Każdy naturalny ekosystem stanowi układ otwarty, który funkcjonuje dzięki przepływowi energii i krążeniu materii. Energia przepływa jednokierunkowym strumieniem w układzie otwartym, materia krąży w obiegu zamkniętym. Najważniejszym źródłem energii jest energia słoneczna. Niecała docierająca energia zostaje skumulowana w organizmach. Część z niej jest wykorzystywana do podstawowych procesów metabolicznych i budowy własnych struktur organizmów, ale część tracona jest bezpowrotnie w postaci ciepła.

Rys. Schemat przepływu energii i obiegu materii.

Do funkcjonowania ekosystemu, tj. do obiegu materii konieczna jest obecność producentów, konsumentów i reducentów, a przynajmniej producentów i reducentów.

Dzięki producentom jest syntezowana materia organiczna.

Konsumenci zjadają organizmy lub martwą materię organiczną.

Reducenci rozkładają martwą materię organiczną i uwalniają nieorganiczne składniki pokarmowe dla producentów.

Dzięki reducentom i procesom rozkładu:

• zamknięty jest obieg materii w przyrodzie, wpływający na wzrost i rozwój roślin,

• włączane są do obiegu składniki odżywcze,

• zachodzi produkcja pokarmu dla organizmów cudzożywnych.

Obecność lub brak producentów w ekosystemie stały się podstawą do podziału ekosystemów na autotroficzne, które stanowią 99,9% ekosystemów i heterotroficzne, zdarzające się rzadko.

Wyróżniamy ekosystem:

• autotroficzny, czyli samowystarczalny i niezależny, posiadający wszystkie poziomy troficzne, np. las, łąka, jezioro.

• heterotroficzny, czyli system niesamowystarczalny, pozbawiony producentów, nazywany ekosystemem niepełnym, np. jaskinie.

 

Podstawą funkcjonowania ekosystemów jest przepływ energii i obieg materii. Obieg materii dotyczy naturalnego krążenia pierwiastków chemicznych, przemieszczających się ze środowiska abiotycznego do organizmów i z organizmów do środowiska. Mniej lub bardziej zamknięte obieg pierwiastków w przyrodzie nazywa się cyklami biogeochemicznymi. Pierwiastki krążą między środowiskiem - producentami - konsumentami - reducentami i ponownie wracają do środowiska. Do najważniejszych cykli biogeochemicznych należą obiegi: węgla, azotu, wody, tlenu, fosforu i siarki.

Na obieg azotu, siarki i węgla (a także innych pierwiastków) coraz większy wpływ ma działalność przemysłowa człowieka, prowadząca do zaburzenia ich obiegu w biosferze (antropopresja).

Azot jest pierwiastkiem wchodzącym w skład aminokwasów, tworzących białka, budujące ciało organizmów. Duże ilości azotu występują w atmosferze (78% zawartość azotu atmosferycznego w powietrzu).

Rośliny pobierają azot w postaci jonów amonowych lub azotanowych obecnych w glebie. Budują białka będące pokarmem dla konsumentów. Produkty metaboliczne wydalane przez zwierzęta oraz martwe organizmy roślinne i zwierzęce są w procesie nitryfikacji przy udziale bakterii (Nitrosomonas i Nitrobacter) przekształcane w przyswajalne azotany - proces opisany poniżej. Mogą ponownie wrócić do obiegu. W przyrodzie równocześnie zachodzi proces denitryfikacji uwalniający wolny azot do atmosfery.

Nitrosomonas Nitrobacter

amoniak azotyny azotany

NH₃ NO^-₂ NO^-₃

Azotu obieg w przyrodzie jest to cykliczna przemiana związków azotowych w biosferze (dzięki której zachowana jest równowaga między biosferą i atmosferą), polegająca na przekształceniu azotu atmosferycznego w substancje, które mogą być wykorzystane przez organizmy żywe do syntezy kwasów nukleinowych i innych związków azotowych.

W obiegu azotu można wyróżnić cztery oddzielne procesy:

1. Wiązanie azotu polega na przekształcaniu azotu cząsteczkowego N₂ z atmosfery, który wraz z opadami atmosferycznymi przedostaje się do gleby i wody, tworząc jony amonowe, azotynowe i azotanowe, w amoniak przez pewne rodzaje bakterii (gł. Azotobacter i Clostridium) i sinic (Nostoc).

2. Przyswajanie azotu w postaci azotanów i amoniaku (jonów azotanowych i amonowych) przez rośliny zielone następuje po wprowadzeniu ich w aminokwasy i białka roślinne. Rośliny motylkowate wykorzystują azot atmosferyczny przy współudziale bakterii nitryfikacyjnych (nitryfikatory).

3. Azot w postaci białek roślinnych wykorzystywany jest następnie przez konsumentów, czyli pobierany przez zwierzęta roślinożerne. Zwierzęta drapieżne pobierają go z białkami innych zwierząt. Po obumarciu roślin i zwierząt zawarte w nich białka są rozkładane do jonów amonowych lub utleniane w procesie nitryfikacji przez bakterie nitryfikujące do przyswajalnych przez rośliny azotanów. Taki sam proces ma miejsce w przypadku mocznika lub kwasu moczowego, wydalanych przez zwierzęta w wyniku przemiany białek. Powstałe jony amonowe są ponownie wykorzystywane przez rośliny oraz bakterie nitryfikacyjne i wracają do obiegu azotu.

4. Azotany nie wykorzystane przez rośliny mogą gromadzić się w glebie (np. złoża saletry chilijskiej) albo ulec denitryfikacji, polegającej na przekształceniu przez bakterie denitryfikacyjne, w beztlenowym procesie oddychania, jonów azotanowych w jony amonowe (zostające w glebie) i wolny azot, który wraca do atmosfery.

Rys. Obieg azotu w przyrodzie

Węgiel to podstawowy pierwiastek budulcowy związków organicznych, węgiel jest włączany do obiegu w postaci CO₂, który jest asymilowany przez autotrofy (rośliny zielone, bakterie samożywne). Dzięki łańcuchom troficznym węgiel przechodzi od roślin do konsumentów I rzędu (roślinożerców), następnie do konsumentów II rzędu (zwierząt mięsożernych). Węgiel wraca do obiegu jako CO₂ powstający w procesie oddychania heterotrofów i autotrofów.

Rozkład materii organicznej, przebiegający z udziałem reducentów oraz oddychanie producentów, a głównie konsumentów, pozwalają utrzymać na stałym poziomie zawartość CO₂ w atmosferze (0,03%). Jednak bilans ten ulega obecnie pewnemu zachwianiu, m.in. na skutek przemysłowego przetwarzania przez człowieka związków zawierających węgiel (spalanie ropy, węgla, drewna). Do atmosfery dostaje się coraz więcej CO₂.

Węgiel wielokrotnie przemieszcza się w cyklu zamkniętym między atmosferą ziemską, skorupą ziemską, hydrosferą i organizmami. Węgiel jest głównym pierwiastkiem wchodzącym w skład związków organicznych, z których są zbudowane ciała organizmów. Węgiel znajdujący się w obiegu występuje głównie w wodach mórz i oceanów gdzie jest ok.16 razy więcej niż w atmosferze w postaci rozpuszczalnego dwutlenku węgla( CO2)oraz jonów wodorowęglanowych (HCO3) i węglanowych (CO2-3). W atmosferze węgiel istniej prawie wyłącznie w postaci dwutlenku węgla. Atmosferyczny dwutlenek węgla jest nieprzerwanie pobierany przez rośliny w procesie fotosyntezy oraz stale jest oddawany do atmosfery w procesie oddychania roślin i zwierząt. Dwutlenek węgla związany przez rośliny wchodzi w skład materii organicznej, z której korzystają zwierzęta i drobnoustroje. Martwe szczątki roślin i zwierząt są przez reducentów rozkładane i węgiel powraca w postaci dwutlenku węgla do atmosfery i wód. Zawartość dwutlenku węgla w atmosferze zwiększa się podczas pożarów lasów i przy spalaniu paliw kopalnianych i przemysłowych. Są to dodatkowe źródła węgla wchodzące do obiegu, a ponieważ dopływ ten nie jest w pełni równoważony przez pobieranie dwutlenku węgla z atmosfery przez rośliny, następuje stały wzrost jego stężenia w atmosferze.

W ekosystemach w miarę upływu czasu zmienia się stan gatunkowy roślin i zwierząt oraz warunki środowiskowe. Zmiany w ekosystemie mogą być antropogeniczne (wywołane działalnością człowieka) oraz naturalne. Zmiany naturalne mogą być sezonowe, odwracalne. Mogą wystąpić zmiany naturalne wieloletnie, nazywane sukcesjami. Sukcesje są procesami nieodwracalnymi, trwającymi do ustalenia pełnej równowagi między asymilacją (produkcją) a dysymilacją (konsumpcją). Równowaga osiągana jest w stadium nazywanym klimaksem (najbardziej stabilne stadium sukcesji).

Sukcesja jest to uporządkowany, stopniowy proces kierunkowych zmian biocenozy, powodujących przeobrażenie się prostych ekosystemów w bardziej złożone. Mechanizm sukcesji polega na tym, że organizmy przekształcając środowisko, w czasie bytowania w nim, czynią je przydatnym dla innych organizmów.

Wyróżniamy dwa typy sukcesji:

• Sukcesja pierwotna - występuje na terenach dziewiczych, pozbawionych jakichkolwiek organizmów. Miejsca objęte sukcesją pierwotną to: wydma, skała, hałda, zatopiony statek.

• Sukcesja wtórna - występuje na miejscu zniszczonego ekosystemu lub na obszarach zajętych przez inną biocenozę. Sukcesja wtórna zachodzi o wiele szybciej niż pierwotna (od kilku do kilkudziesięciu lat). Miejscem występowania sukcesji wtórnej jest: pozbawione upraw pole, zarastający staw, pozostawiony bez opieki trawnik.

 

5

Opr. mgr inż. Agnieszka Puto

---