Ugrás a tartalomhoz

Hidrobiológia

Csizmarik Gábor (2011)

Szent István Egyetem

8. fejezet - Az anyag- és energiaforgalom általános jellemzése, biogeokémiai ciklusok

8. fejezet - Az anyag- és energiaforgalom általános jellemzése, biogeokémiai ciklusok

Bevezetés

Ebben a tanulási egységben az élő rendszerek anyag és energiaáramlásának funkcionális kapcsolata kerül bemutatásra, ami táplálékláncon keresztül valósul meg. Az energia a rendszerben nem szűnik meg, csak átalakul, amit a különböző szinteken nyomon követhető. Az anyagáramlás a biogeokémiai ciklusban valósul meg.

Követelmények

  • Ismerje a tápláléklánc különböző szintjeit!

  • Tudja a beépült energia különböző folyamatait!

  • Tanulja meg a biogeokémiai ciklus általános tulajdonságait!

  • Tudja csoportosítani a mikroorganizmusokat az energia- és a szénforrás szerint!

Az élő rendszerek nyílt rendszerek, ezek fenntartásához állandó anyag- és energiaáramlás kell. Egyetlen élőlény sem létezhet önmagában. Az élőlények közössége és a rájuk ható környezet újabb nyílt rendszereket: ökoszisztémákat alkot.

Az energia és az anyag áramlása szorosan kapcsolt és a funkcionális elemek kapcsolatától is függ.

Ez az áramlás a táplálkozási láncokon keresztül valósul meg, melyek táplálkozási hálózatokat alkothatnak (42. ábra).

  • Ragadozó lánc; ez a legismertebb. Pl. fű→szöcske→béka→sikló→ölyv

  • Parazitalánc; pl. fű→birka→parazita→parazita parazitája

  • Lebontó lánc (detritusz); pl. avar→rovar→baktérium

42. ábra. Különböző táplálkozási láncok

A különböző láncokban más-más a testméret és anyagszám változásának iránya, de az energia áramlása mindig normál piramis.

Látható, hogy a láncok rövidek, mert (szintenként kb. 10% energia jut tovább) a felsőbb szintek lényeit ilyen kevés energia eltartani már nem képes (43. ábra).

43. ábra. Az energia útja az ökoszisztémában

A beépült energia útja a következőképpen alakulhat:

  • Raktározódik

  • Ellégződik, mint hő felszabadul

  • Ürülékkel, salakkal kikerül a szervezetből

Az energia (de méginkább az anyag)-áramlás fő célja a biomasszatermelés (produktivitás) meghatározása. Ez megmutatja egy adott populáció, adott idő alatt, adott területre (térfogatra) vonatkoztatott szervesanyag-felhalmozának mértékét. A biológiai produkciót a 44. ábra szemlélteti.

44. ábra. A biológiai produkció

Eszerint az ökoszisztémákban mindig van egy külső energiaforrás (Nap, nagyenergiájú szervetlen vegyületek).

Producenseknek nevezzük azokat a szervezeteket, melyek ennek az energiának a segítségével képesek testüket felépíteni, vagyis ezt az energiát beépítik, raktározzák szervezetükbe.

Konzumenseknek nevezzük azokat a szervezeteket, melyek csak a producensek által megtermelt nagyenergiájú szervesanyagot képesek testükbe beépíteni.

A reducens élőlények az elhalt, tehát a producensek és konzumensek testéből kikerült szervesanyagot hasznosítják.

Az ökoszisztéma nagy rendszerében anyagok áramolnak, ez egy bio-geokémiai ciklus. Azaz élőlények végzik, geológiai környezetben, és fizikai-kémiai változások zajlanak le, mindez körfolyamatok révén és körfolyamat formájában.

A különböző elemek biogeokémiai ciklusainak vannak közös, általános tulajdonságai:

  • Az elemek körforgásban vannak: elem → élőlény → elhalt lény → környezet → elem

  • Az elemek kötése megváltozik: szervetlen → szerves → szervetlen

  • A körforgás során változik az elemek oxidációs-redukciós állapota.

  • Az anyag szakadatlan körforgásához a Nap biztosítja az energiát.

A biogeokémiai ciklusokban az elemek raktára (depo) az a hely, ahonnan a kérdéses elem megköthető, felvehető. Az adott elem innen kerül be a körforgásba. Ha az elem raktára a légkör, gázciklusról beszélünk. Ha a raktár a földkéreg, az elemkörforgalmat üledékes ciklusnak nevezzük.

A süllyesztő esetében az ide került anyag a körforgásból kiesik, a rendszer számára elveszik. Tehát hiába tartalmazza nagymennyiségben az adott elemet, az olyan kémiai kötésű, ami a biológiai szervezetek számára hozzáférhetetlen (karbonátos kőzetek, humusz, fosszilis szén)

Fixáció: az elem megkötése, felvétele a raktárból. Ennek során redukció történik, az elem szerves kötésbe kerül.

Immobilizáció: az elem beépítésével az más szervezetek számára már nem felvehető.

Mobilizáció: az adott elem felszabadítása a szerves kötésből. Ez szükséges ahhoz, hogy más szervezetek számára hozzáférhető legyen.

A mobilizáció tehát mineralizáció: az elemek ásványosodnak, szervetlen kötésűek lesznek. A mineralizáció gyakran oxidációs folyamatok révén valósul meg.

Volatilizáció: a talajból, vízből, vagy élőlényből gáz távozik.

A mikrobiális szervezetek legfontosabb szerepe a mineralizáció megvalósítása. Csak így valósulhat meg az anyag körforgása az ökoszisztémákban. Ennélfogva, a mikrobák nélkülözhetetlenek az élet fenntartásában a Földön.

A mikroorganizmusokat csoportosíthatjuk az energia- és a szénforrás szerint.

  1. A szénforráshoz való viszony szerint megkülönböztetünk autotróf és heterotróf szervezeteket. Az autotróf élőlények teljes bioszintézisüket CO2, felhasználásával, mint egyedüli szénforrással képesek megvalósítani. A heterotróf szervezetek szénforrásként szerves anyagot igényelnek.

  2. A felhasznált energiaforrás szerint megkülönböztetünk fototróf szervezeteket, melyek fényenergiát használnak energiaigényes folyamataikhoz. A kemotróf szervezetek kémiai vegyületeket oxidálnak energiaszükségletük fedezésére. A kemo-organotrófok szerves, a kemolitotróf mikroorganizmusok szervetlen vegyületek oxidációjával szerzik energiájukat.

Az oxidációs-redukciós reakciók elektronátmenettel járnak. Ennélfogva, az ilyen típusú reakciókhoz mindig szükséges egy elektrondonor, és egy elektronakceptor.

A H2 + 1/2O2 ↔ H2O reakcióban a hidrogén az elektrondonor:

H2 ↔ 2H+ + 2e-

Az oxigén az elektronakceptor: 1/2O2 +2e- +2H+ ↔ H2O

A felszabaduló energia annál nagyobb, minél nagyobb az elektrondonor és az elektronakceptor közti feszültségkülönbség: a redoxpotenciál.

Az energiaszerzés egyik alternatívája, mikor a mikroorganizmusok oxigén helyett más terminális elektron akceptort használnak. A folyamatot az aerob légzés analógiájára anaerob légzésnek nevezzük. Ekkor számos szervetlen vegyület szerepel elektronakceptorként, mint a nitrát (NO3-), szulfát (SO42-), ferrivas, (Fe3+), karbonát (CO32-), sőt, egyes esetekben szerves savak. Mivel ezen anyagok redoxpotenciálja kisebb, mint az oxigéné, a felszabaduló energia is kisebb. Azonban az alternatív elektron akceptorok használata lehetővé teszi a mikroorganizmusok számára olyan környezetek hatékony kihasználását is, ahol nincs jelen oxigén.

A vízi ökoszisztémák lényeges anyagforgalmi jellemzője, hogy a termelés és a lebontás térben szétválik. Tavak esetében ez a szétválás vertikális, vagyis a termelés az átvilágított részben történik. A lebontás túlnyomórészt az üledék jellemző folyamata a termelt szervesanyagok kiülepedése miatt.

Folyókban az anyagforgalom ezen felül horizontálisan is szétválik az áramlás miatt. Az elemkörforgalmak sebessége határozza meg vizeink öntisztuló képességét, ezért igen jelentős ennek a spirálnak a „kinyújtottsága”. Minél kevesebbet tartózkodik egy adott vízrész egy helyben, annál inkább csökken az öntisztulási képessége. A nagyobb árterek megszűnése tehát csökkenti folyóink öntisztító képességét.

Összefoglalás

Az élő rendszerek nyílt rendszerek. Az energia és az anyag áramlása szorosan kapcsolt és a funkcionális elemek kapcsolatától is függ. Ez az áramlás a táplálkozási láncokon keresztül valósul meg, melyek táplálkozási hálózatokat alkothatnak. A beépült energia útja a következőképpen alakulhat:

  • raktározódik;

  • ellégződik, mint hő felszabadul;

  • ürülékkel, salakkal kikerül a szervezetből.

Az ökoszisztéma nagy rendszerében anyagok áramolnak, ez egy bio-geokémiai ciklus, azaz élőlények végzik geológiai környezetben, és fizikai-kémiai változások zajlanak le, mindez körfolyamatok révén és körfolyamat formájában. A különböző elemek biogeokémiai ciklusainak vannak közös, általános tulajdonságai.

A szénforráshoz való viszony szerint megkülönböztetünk autotróf és heterotróf, a felhasznált energiaforrás szerint fototróf és kemotróf szervezeteket.

Önellenőrző kérdések, feladatok

A következő állítások közül melyek igazak?

  1. Az ökoszisztémákban az energia állandó körforgásban van.

  2. A konzumens szervezetek szerves anyagot fogyasztanak.

  3. Az ökoszisztémák zárt rendszerek, mert az anyag körforgásban van bennük.

  4. A vízi ökoszisztémákban az anyagforgalom térben szétválik.

  5. A fixáció során az adott elem szervetlenből szerves kötésbe kerül.

  6. A mobilizáció egyben mineralizáció is.

  7. A kemolitotróf szervezetek szerves anyagok oxidációjával fedezik energiaszükségletüket.