E2240 Účinky stresorů v ekosystémech 03 Biota terestrických ekosystémů - 1 Jakub Hofman 1 Biota terestrických ekosystémů Půdní biota  Půdní mikroorganismy  Půdní bezobratlí Terestrická biota  Terestrická fauna o členovci – pavouci, roztoči, isopoda, stonožky, mnohonožky, hmyz o obojživelníci o plazi o ptáci o savci  Terestrická flora 2 Půdní biota 3 Co je půda? Půda je komplexní, heterogenní, polydisperzní a trojfázová směs minerálních částic, organické hmoty, vody, vzduchu a živých organismů specificky přeměněná a přeměňovaná působením půdotvorných faktorů (geologické, topografické, klimatické, fyzikální, chemické, biologické a čas) tak, že výsledkem je vznik a vývoj nové kvality – tenké, kypré a pórovité, v horizonty členěné a oživené vrstvy na povrchu Země, která se liší od původních materiálů morfologickými, fyzikálními, chemickými a biologickými vlastnostmi, a která, není-li degradována, poskytuje nenahraditelné životní prostředí rostlinám, živočichům a člověku a má nenahraditelné funkce v terestrickém ekosystému a pro lidskou společnost. 4 půda = biotický + abiotický komplex kořenové vlásečnice kolonie bakterií hyfymykorhizních hub hyfya spory aktinomycet rozkládající se reziduarostlin hlístice bičíkovci hyfya spory hub nálevníci měňavky organo- minerální komplex Půda je živá hmota !!! v každém kilogramu půdy se vyskytuje 109 – 1012 mikroorganismů a tisíce bezobratlých  takový kilogram je vlastně celý ekosystém Co je půda bez půdní bioty? Oživení půd Oživení půd 7 Ag Land Prairie Forest Organisms per gram (teaspoon) of soil Bacteria 100 mil. -1 bil. 100 mil. -1 bil. 100 mil. -1 bil. Fungi Several yards 10s – 100’s of yds 1-40 miles (in conifers) Protozoa 1000’s 1000’s 100,000’s Nematodes 10-20 10’s – 100’s 100’s Oživení půd Oživení půd 9 Co je půda bez půdní bioty  PŮDNÍ BIOTA = PŘEDPOKLAD PŮDY = klíčová pro vznik a fungování půdy  Biota je v půdě nezbytná pro: o ekosystémové funkce půdy o půdotvorné procesy o půdní úrodnost o dekompozice a přeměny organické hmoty o cykly živin o vodní a vzdušný režim půd o degradaci polutantů o atd. atd. 10 Co je půda bez půdní bioty  pokud hodnotíme vlivy negativních faktorů na půdu jako celek, je označení EKOtoxikologie zcela na místě: o protože se nejedná pouze o jediný organismus ale celý ekosystém o protože pokud dojde k poškození funkcí půdní bioty, přestává půda vykazovat své základní ekosystémové funkce: - narušen koloběh živin - dochází ke ztrátě úrodnosti, struktury - nakonec i k mechanické degradaci o protože je takto narušena stabilita celého terestrického ekosystému  z těchto důvodů patří biotická složka půdy a její stav k hlavním indikátorům půdní kvality a půdního zdraví 11 Funkce bioty v půdě Role půdní bioty v dekompozici  Mikroorganismy – rozklad a mineralizace organické hmoty (opad, odumřelé kořeny, dřevo, odumřelá těla živočichů a mikroorganismů …) na jednodušší sloučeniny a minerální látky, které jsou přístupné pro primární produkci  Půdní fauna – mechanické zpracování mrtvé organické hmoty: rozmělnění, zvětšení povrchu, promíchání s minerálními částicemi (i vlastním průchodem přes trávící trakt), transport v půdě, umožnění vzniku organominerálního komplexu a půdní struktury  Obě skupiny jsou velmi propojené v potravních a dalších vztazích 12 Funkce bioty v půdě 13 Potravní síť v půdě 14 Potravní síť v půdě 15 Skladba půdního oživení 16 mikroorganismy: 90 % celkové biomasy a aktivit ! bezobratlí: největší abundance mají hlístice, roztoči, chvostoskoci, roupice, Skladba půdního oživení  v půdní ekotoxikologii jsou často půdní organismy chápány jako ty, které žijí během stěžejních životních fází v půdě  EDAFON = soubor organismů přítomných v půdě celými těly, migrace a rychlé množení  dle příslušnosti k říši: o fytoedafon - řasy, bakterie, houby, aktinomycety o zooedafon - prvoci, červi, měkkýši, savci, členovci  ŽIVÉ ORGÁNY VYŠŠÍCH ROSTLIN – různorodý materiál, doplňování humusového materiálu Skladba půdního oživení dle způsobu života:  geobionta - celý život v půdě  geofila - preferují půdu, alespoň část životního cyklu  geoxena - jsou v půdě spíše náhodné  Euedafon – všechna stádia v půdě (žížala)  Protoedafon – jen některá stádia (chroust)  Hemiedafon – může žít i mimo půdu (chvostoskok)  Pseudedafon – v půdě se jen ukrývají  Tychedafon – v půdě jen náhodně (záplavy) Skladba půdního oživení dle velikosti: 1) mikroedafon menší než 0,2 mm - mikroorganismy (bakterie, aktinomycety, houby, plísně, prvoci, řasy, sinice) a živočichové menší než 0,2 mm (některé hlístice, vířníci) někdy se dělí na mikrofaunu a mikroflóru ("soil microflora") 2) mezoedafon 0,2 - 2 mm – některé houby, někteří vířníci (rotatoria), většina hlístic (nematoda), někteří červi (annelida), většina chvostoskoků (collembola) a roztočů (acarina) a některý hmyz 3) makroedafon 2 – 20 mm – roupice, hmyz, mnohonožky, stonožky, stejnonožci (isopoda), pavouci, měkkýši (molusca) 4) megaedafon > 20 mm - žížaly (lumbricidae) a obratlovci (krtci, myši, hraboši, křečci …) Velikost půdní bioty Velikost půdní bioty Velikost půdní bioty Velikost půdní bioty vs její funkce Velikost půdní bioty vs její funkce http://www-crcslm.waite.adelaide.edu.au Skladba půdního oživení dle potravních preferencí: 1) Producenti – autotrofní organismy – vychází z minerálních látek a energii získávají ze světla – fotoautotrofie (vyšší rostliny, sinice, řasy) či oxidace anorganických látek – chemolitotrofie (některé bakterie) 2) Primární konzumenti – fytofágie, fytotrofie – konzumují rostlinnou biomasu (různé larvy, brouci, krtonožky, někteří pavouci a roztoči, rostlinní parazité - hlístice) 3) Sekundární konzumenti – karnivoři, predátoři – požírají fytotrofní organismy – dravý hmyz, pavouci a roztoči, stonožky 4) Rozkladači, destruenti, saprofágové – živí se odumřelým organickým materiálem – v půdě nejpočetnější skupina – dekompozice - koloběh prvků a látek Skladba půdního oživení dle potravních preferencí: 1) Fytofágové – živá rostlinná těla 2) Zoofágové – živá živočišná těla 3) Nekrofágové – odumřelá živočišná těla 4) Saprofágové – rozkládající se organická hmota Studium účinků stresorů na půdní biotu Úroveň Příklady typů účinků a hodnocených parametrů (endpointů) biochemická/mo lekulární • interakce s enzymy (dehydrogenáza, β-glukosidáza, nitrogenáza, acetylcholinesteráza, glutathion-S-transferáza, peroxidáza...) • oxidativní stres (glutathion, lipidní peroxidace...) • biochemické markery (heat shock proteiny, cytochrom P450, etoxyresorufin-O-deetyláza - EROD, metalothioneiny...) • genotoxicita (testy genotoxicity s mikroorganismy, žížalami, hlísticemi) • narušení membrán (integrita a fluidita membrán nepolární narkózou, narušení iontových pump či transportních systémů…) • interakce s receptory (AhR receptor u žížal…) buněčná • vitalita a funkce buněk (studium hemocytů, coelomocytů, počítání buněk, dělení a růst mikroorganismů, hodnocení spermií žížal…) • buněčné dělení • narušení proteosyntézy individuální • přežívání (testy mortality s žížalami, chvostoskoky, hlísticemi, roupicemi, testy klíčivosti...) • nekrózy, léze, onemocnění (pozorování organismů na konci testů…) • přijímání potravy • fyziologie (hodnocení neurotoxicity u žížal…) • energetický metabolismus • chování (únikové testy…) • aktivita (měření fotosyntézy u rostlin…) • růst (testy inhibice růstu vyšších rostlin…) • bioakumulace (bioakumulační testy s žížalami, isopody…) populace • populační dynamika – mortalita, natalita, reprodukce (reprodukční testy toxicity s půdními bezobratlými – žížalami, chvostoskoky, roupicemi…) • fitness populace (vícedruhové kompetiční testy…) • růst populace (růst specifických skupin mikroorganismů, více-generační testy…) • prostorový výskyt populace v terénu, bioindikace společenstva • biodiverzita a struktura společenstva (funkční diverzita mikroorganismů měřená metodou Biolog, maturity index hlístic, diverzita půdních mikročlenovců, změny složení vegetace – fytocenologie…) • vztahy (hodnocení mykorhizy, testy s dravými roztoči, testy kompetice nematod…) • fungování (testy s půdními mikrokosmy, polní testy, bioindikační metody…) • stabilita společenstva • selekce rezistentních druhů, vznik tolerance • využití indikátorových druhů – citlivé druhy na daný typ stresu ekosystému • cykly C, N, P, S (měření respirace půdy, nitrifikace, denitrifikace…) • dekompozice (měření rozkladu organických reziduí…) • energetické toky • bilance (uhlík vázaný v biomase půdy a v organické hmotě v půdě…) • vývoj (hodnocení sukcese…) • hodnocení ekosystémových služeb („ecosystem services“) a funkcí (produktivita, výnos, schopnost biodegradace polutantů…) Jednotlivé skupiny půdní bioty prof. Miko: Živý plášť planety Země https://www.youtube.com/watch?v=Z5rMheOnaec Jeffery et al. (2010): European Atlas of Soil Biodiversity – Section 2 - str. 89 – 125 https://esdac.jrc.ec.europa.eu/content/atlas-soil- biodiversity Orgiazzi et al. (2016): Global Soil Biodiversity Atlas. Chapter 2 – str. 29 - 65 https://esdac.jrc.ec.europa.eu/content/global-soil- biodiversity-atlas Literatura Jeffery, S., C. Gardi, A. Jones, L. Montanarella, L. Marmo, L., Miko, K. Ritz, G. Peres, J. Römbke and W. H. van der Putten (eds.) (2010): European Atlas of Soil Biodiversity. European Commission, Publications Office of the European Union, Luxembourg. Orgiazzi, A., Bardgett, R.D., Barrios, E., Behan-Pelletier, V., Briones, M.J.I., Chotte, J-L., De Deyn, G.B., Eggleton, P., Fierer, N., Fraser, T., Hedlund, K., Jeffery, S., Johnson, N.C., Jones, A., Kandeler, E., Kaneko, N., Lavelle, P., Lemanceau, P., Miko, L., Montanarella, L., Moreira, F.M.S., Ramirez, K.S., Scheu, S., Singh, B.K., Six, J., van der Putten, W.H., Wall, D.H. (Eds.) (2016): Global Soil Biodiversity Atlas. European Commission, Publications Office of the European Union, Luxembourg. Bardgett, R.D. (2005): The biology of soil: a community and ecosystem approach. Biology of habitats. Oxford University Press, ISBN 0198525036, p. 242. Dindal, D.L. (1990): Soil Biology Guide. John Wiley & Sons. ISBN-10: 0471045519. Coleman, C., D. A. Crossley, Paul F. Hendrix (2004): Fundamentals of soil ecology. Academic Press, ISBN 0121797260, p. 386. Doelman, P. and Eijsackers, H.J.P. (2004): Vital Soil - Function, Value and Properties. Elsevier. 358 p. ISBN: 0-444-51772-3. 29