Struktura troficzna ekosystemu
Łańcuch pokarmowy spasania (roślinny)
Klasyczny łańcuch, w którym energia przepływa od producentów przez kolejne poziomy konsumentów.
roślinożercy
drapieżcy
Łańcuch pokarmowy detrytusowy
Łańcuch rozpoczynający się od martwej materii organicznej, a nie od żywych producentów.
detrytofagi, saprofagi
Sieci troficzne
W rzeczywistych ekosystemach łańcuchy pokarmowe łączą się w złożone sieci troficzne. Przykładem jest sieć troficzna Antarktyki, w której fitoplankton stanowi bazę dla kryla (Euphausids), który z kolei jest pokarmem dla ryb, ptaków, wielorybów fiszbinowych, a pośrednio — fok i wielorybów kaszalotów.
Kluczowe zasady przepływu energii: Nie cała biomasa niższego poziomu jest zjadana. Nie cała zjadana materia jest trawiona. Na każdym poziomie energia jest tracona jako ciepło (oddychanie komórkowe).
Piramidy troficzne
Odwrócone piramidy biomas
W niektórych ekosystemach (zwłaszcza wodnych) piramida biomas bywa odwrócona — biomasa konsumentów przewyższa aktualną biomasę producentów. Nie oznacza to łamania praw termodynamiki.
Głównymi producentami w tych ekosystemach jest fitoplankton — organizmy krótko żyjące, o bardzo małych rozmiarach, ale o bardzo wysokim tempie rotacji. Generacje fitoplanktonu rozwijają się kilkakrotnie w ciągu roku, dzięki czemu ich roczna produkcja wielokrotnie przewyższa aktualną biomasę (ang. standing crop).
Tempo rotacji jest odwrotnością średniej długości życia osobnika wyrażonej w latach. Jest ono z reguły odwrotnie proporcjonalne do wielkości organizmu — drobny plankton może mieć kilkadziesiąt pokoleń rocznie.
Produkcja pierwotna
Definicja
Produkcja pierwotna to ilość materii wyprodukowanej przez producentów (autotrofy) i energii w niej zmagazynowanej. Jest to podstawowy „wkład energetyczny" ekosystemu.
GPP
Całkowita ilość energii związana przez autotrofy w procesie fotosyntezy (lub chemosyntezy).
NPP
Ilość energii zgromadzonej przez autotrofy, czyli GPP pomniejszona o straty energii związane z oddychaniem.
gdzie Ra — oddychanie autotrofów
Produkcja wtórna
Definicja
Materia organiczna wraz ze zmagazynowaną w niej energią gromadzona na różnych poziomach troficznych ekosystemu przez konsumentów i reducentów.
Produkcja wtórna brutto
Ilość energii, która zostaje ogólnie pobrana i przerobiona przez organizm.
Produkcja wtórna netto
Energia pobrana i przerobiona, pomniejszona o straty na oddychanie oraz energię wydaloną (odchody, mocz itp.).
Produktywność ekosystemów
Produkcja pierwotna ekosystemów lądowych
Najwyższą produktywność pierwotną na jednostkę powierzchni wykazują lasy tropikalne wilgotne, wysoka jest taże w lasach liściastych strefy umiarkowanej, a najniższa jest na pustyniach. Jeśli chodzi o globalną produkcję pierwotną ekosystemów lądowych, to wyróżniają się właśnie lasy tropikalne, które dostarczają 1/3 tej produkcji. Kolejnymi w tej kategorii sawanny, równikowy las sezonowy, lasy iglaste, uprawy, i lasy liściaste. Najniższą produktywność pierwotną na jednostkę powierzchni wykazują pustynie i wody środlądowe.
Produkcja pierwotna mórz i oceanów
W oceanach produktywność pierwotną na jednostkę powierzchni jest niska, jednak za sprawą dużego areału ich udział w globalnej produkcji pierwotnej jest większy niż ekosystemów lądowych.
Tabela: Produkcja pierwotna netto ekosystemów (wg Lietha i Whittakera, 1975)
| Typ ekosystemu | Powierzchnia całkowita 10⁶ km² |
Produkcja pierwotna netto (sucha masa) | |
|---|---|---|---|
| Średnia g×m⁻²×rok⁻¹ |
Suma 10⁹ t×rok⁻¹ |
||
| Ekosystemy lądowe | |||
| Równikowy las deszczowy | 17,0 | 2200 | 37,4 |
| Równikowy las sezonowy | 7,5 | 1600 | 12,0 |
| Lasy strefy umiarkowanej: zawsze zielone | 5,0 | 1300 | 6,5 |
| Lasy strefy umiarkowanej: liściaste | 7,0 | 1200 | 8,4 |
| Tajga | 12,0 | 800 | 9,6 |
| Zadrzewienia i krzewy | 8,5 | 700 | 6,0 |
| Sawanna | 15,0 | 900 | 13,5 |
| Stepy strefy umiarkowanej | 9,0 | 600 | 5,4 |
| Tundra borealna i alpejska | 8,0 | 140 | 1,1 |
| Półpustynia | 18,0 | 90 | 1,6 |
| Pustynie i lodowce | 24,0 | 3 | 0,07 |
| Uprawy | 14,0 | 650 | 9,1 |
| Mokradła | 2,0 | 3000 | 6,0 |
| Jeziora i rzeki | 2,0 | 400 | 0,8 |
| Razem na lądach | 149 | 782 | 117,5 |
| Ekosystemy wodne | |||
| Otwarty ocean | 332,0 | 125 | 41,5 |
| Strefy upwellingów | 0,4 | 500 | 0,2 |
| Szelfy kontynentalne | 26,6 | 360 | 9,6 |
| Rafy koralowe, glonorośla | 0,6 | 2500 | 1,6 |
| Estuaria (bez bagien) | 1,4 | 1500 | 2,1 |
| Razem oceany | 361 | 155 | 55,0 |
| Razem cała biosfera | 510 | 336 | 172,5 |
Źródło: Lieth, H. & Whittaker, R.H. (1975), Primary Productivity of the Biosphere; za: J. Weiner, Życie i ewolucja biosfery, PWN 2012.
Biomagnifikacja
Definicja
Biomagnifikacja (syn. bioakumulacja, biokoncentracja) to wzrost stężenia pierwiastków i związków chemicznych w tkankach organizmów na kolejnych, następujących po sobie poziomach troficznych łańcucha pokarmowego. Proces ten może prowadzić do osiągnięcia stężenia trującego na wyższych poziomach troficznych.
Przykład: Bioakumulacja DDT
DDT (dichlorodifenylotrichloroetan) to pestycyd, który nie ulega biodegradacji i gromadzi się w tkance tłuszczowej organizmów. W ekosystemach wodnych skażonych DDT, stężenie tego związku rośnie wielokrotnie na każdym kolejnym poziomie troficznym — od fitoplanktonu, przez zooplankton i ryby, aż do ptaków drapieżnych, gdzie osiąga poziom toksyczny.
Biomagnifikacja DDT u ptaków drapieżnych powodowała m.in. ścieńczenie skorupek jaj, co doprowadziło do drastycznego spadku populacji np. orła bielika w Ameryce Północnej.
Przykład: Bioakumulacja rtęci
Rtęć (zwłaszcza metylortęć) to kolejny klasyczny przykład biomagnifikacji. Mikroorganizmy przekształcają rtęć nieorganiczną w metylortęć, która następnie akumuluje się w łańcuchu pokarmowym — od planktonu, przez ryby, aż do dużych drapieżników (tuńczyk, rekin, miecznik). U ludzi spożywających skażone ryby może prowadzić do uszkodzeń układu nerwowego.
Bioremediacja
Definicja
Technologia usuwania zanieczyszczeń ze środowiska za pomocą żywych organizmów, które mają zdolność akumulacji substancji zanieczyszczających lub powodują ich degradację (destrukcja, katalizowanie, transformacja w formy mniej szkodliwe).
Technologie ex-situ
Zanieczyszczenia usuwane poza miejscem ich występowania:
- Bioreaktory i filtry zraszane (zanieczyszczenia ciekłe)
- Biofiltry i biopłuczki (emisje gazowe)
- Kompostownie / przeorywanie (odpady stałe)
Technologie in-situ
Oczyszczanie na miejscu skażenia:
- Biostymulacja — dostarczanie pożywek / napowietrzanie
- Bioaugmentacja — wprowadzanie mikroorganizmów (szczepienie gleby)
- Biowentylacja — tłoczenie powietrza pod powierzchnię
- Fitoremediacja — wykorzystanie roślin do akumulacji substancji szkodliwych
Zastosowania bioremediacji
Zanieczyszczenia ropopochodne
Technologia usuwania zanieczyszczeń z gleby i wód podziemnych za pomocą odpowiednich szczepów mikroorganizmów. Wykorzystuje się naturalne zdolności mikroorganizmów do rozkładu węglowodorów ropy naftowej w formy mniej szkodliwe.
- Biotechnologie oparte na preparatach bakteryjnych
- Aktywacja autochtonicznej mikroflory
Metale ciężkie
Środowiska skażone metalami ciężkimi to obszary przydrożne, rejony przemysłu hutniczego, okolice fabryk, składowisk odpadów, wysypisk śmieci i oczyszczalni ścieków.
Szerokie zastosowanie ma fitoremediacja — rośliny, które w sposób naturalny pobierają i gromadzą metale ciężkie, są następnie zbierane i usuwane z zanieczyszczonego terenu. Technologia umożliwia oczyszczanie gruntu oraz wód powierzchniowych i gruntowych.
Oczyszczanie ścieków
Ścieki wylewane na pola są rizofiltrowane przez rośliny — korzenie roślin filtrują i absorbują zanieczyszczenia z cieczy.
Rekultywacja gruntów zanieczyszczonych pestycydami
Proces Xenorem
Kompostowanie zanieczyszczonego gruntu w przemiennych warunkach beztlenowo-tlenowych.
Mieszanie
Grunt mieszany z dużą ilością (10–95%) materiału organicznego (nawóz zwierzęcy, osady ściekowe, odpady rolnicze) oraz dodatkiem strukturotwórczym (słoma, trociny).
Faza beztlenowa
Pryzma nawadniana i okrywana tkaniną z tworzywa sztucznego. Rozkład materii organicznej tworzy warunki beztlenowe i podnosi temperaturę do 35–60°C.
Faza tlenowa
Napowietrzanie bierne lub czynne. Cykl beztlenowo-tlenowy jest powtarzany.
Proces Daramend
Połączenie czynników biologicznych i fizykochemicznych z wykorzystaniem włóknistych materiałów roślinnych (zboża, resztki pożniwne, trawy) oraz preparatów metalicznego żelaza.
Mieszanie i nawadnianie
Zanieczyszczony grunt mieszany z preparatem i nawadniany.
Faza beztlenowa (1–2 tyg.)
Rozkład substancji organicznych i utlenianie żelaza powodują warunki beztlenowe. Materiał roślinny jest źródłem węgla dla mikroorganizmów rozkładających pestycydy, a żelazo pełni rolę reduktora.
Faza tlenowa (1 tyg.)
Grunt napowietrzany przez wielokrotne przeorywanie. Cykl powtarzany.
Inne współczesne metody rekultywacji gruntów
Mykoremediacja
Wykorzystanie grzybów (głównie grzybów białej zgnilizny, np. Phanerochaete chrysosporium) do rozkładu pestycydów. Enzymy ligninolityczne wytwarzane przez grzyby (lakaza, peroksydaza) są zdolne do degradacji wielu trwałych związków organicznych.
Nanoremediacja
Zastosowanie nanocząstek zerowego żelaza (nZVI) do chemicznej redukcji pestycydów chloroorganicznych w glebie. Nanocząstki wprowadzane są bezpośrednio do strefy skażenia, gdzie reagują z zanieczyszczeniami, przekształcając je w mniej toksyczne formy.
Termiczna desorpcja in-situ — ISTD (PROTE)
Podgrzewanie gruntu do 300–600°C za pomocą grzałek umieszczonych w odwiertach. W wysokiej temperaturze pestycydy ulegają odparowaniu lub termicznemu rozkładowi. Pary są zbierane i oczyszczane na powierzchni.
Zalety bioremediacji
- Stosunkowo prosta metoda
- Niskie koszty
- Szerokie możliwości stosowania, zależne od rodzaju skażenia
- Minimalne zakłócenie istniejących warunków środowiskowych
- Powszechna aprobata opinii publicznej
Biomanipulacje
Definicja
Biomanipulacja (gr. bios — życie, łac. manipulare — robić coś rękami) to celowa ingerencja w środowisko wodne poprzez wykorzystanie zależności w łańcuchu pokarmowym. Jest to metoda rekultywacji akwenów, stosowana w celu ograniczenia zakwitów wody lub rozwoju makrofitów.
Top-down
Zwiększenie ilości zooplanktonu w celu zmniejszenia liczebności glonów poprzez:
- Introdukcję ryb drapieżnych
- Ograniczanie zagęszczenia drobnych ryb planktonożernych (odławianie lub utrudnianie rozrodu, np. zmiana poziomu wody)
Bottom-up
Ograniczenie rozwoju makrofitów poprzez introdukcję ryb roślinożernych, np.:
- Tołpyga — odżywia się fitoplanktonem
- Amur biały — odżywia się roślinnością zanurzoną
Kaskada troficzna: W podejściu top-down ryby drapieżne zmniejszają liczebność małych ryb planktonożernych → wzrasta populacja zooplanktonu → zooplankton kontroluje rozwój fitoplanktonu → woda staje się czysta.