Složky prostředí – základní charakteristiky RECETOX Přírodovědecká fakulta Masarykova univerzita Brno, Česká republika Doc. Ing. Branislav Vrana, PhD. branislav.vrana@recetox.muni.cz Složky prostředí – základní charakteristika Složky prostředí, základní charakteristiky Ekosystémy – definice, vztahy Osud chemických látek v prostředí 4 Koncepce systémů  Systém je jakákoliv část Vesmíru („Všehomíru“), kterou pozorovatel vymezí (velký, malý, jednoduchý, složitý – od atomů po celý Vesmír): jezero, vzorek horniny, oceán, sopka, horský hřbet, kontinent, celá planeta; list je součástí stromu, strom je součástí lesa.  Začínáme od malých podsystémů, pochopení jejich funkce je však možné jen v kontextu celého systému. Zemský systém Ty mohou být rozděleny na další podsystémy – hydrosféra = oceány, ledovce, vodní toky, podzemní voda. Zemský systém se skládá z menších podsystémů, které spolu intenzivně „komunikují“  atmosféra  hydrosféra  biosféra  litosféra Define footer – presentation title / department6 Složky prostředí Systémy  Otevřený  Izolovaný  Uzavřený  Otevřený „Box“ modely  rychlost toků hmoty a energie z a do systémů  celkové množství hmoty a energie v systému Systémy se obvykle zobrazují jako „box“ modely (snad „krabičkové“). Výhodou je jednoduchost a pohodlí. Ukazují: Rezervoáry, doba zdržení, vstupy, výstupy, stacionární stav. Velikost rezervoáru je dána celkovou bilancí (vstupy – výstupy) Čím provázanější jsou podsystémy a čím jich je víc, tím vyšší stabilita (mnoho cest, jak reagovat na vnější vychylování). Mnoho cyklů a cest se vzájemně překrývá. množství hmoty je stálé a konečné (omezené zdroje, omezené možnosti zbavit se nepohodlných látek) změny v jedné části systému se projeví v ostatních částech (podsystémy jsou otevřené) – stavy jemně vybalancovaných a provázaných stacionárních stavů (řetězové přizpůsobení: vulkanická erupce v Indonésii může uvolnit tolik popela do atmosféry, že může dojít ke změně klimatu a záplavám v Jižní Americe a suchům v Kalifornii a tím ovlivnit cenu obilí v západní Africe). Život v uzavřeném systému Dynamické interakce mezi systémy Cyklování a recyklování Neustálý tok hmoty mezi rezervoáry. Jak to, že…  Je složení atmosféry konstantní ??  Se nezvyšuje ani nesnižuje salinita oceánů ??  Je složení hornin 2 miliardy a 2 miliony starých stejné ?? Přirozený tok hmoty na Zemi – cykly. Hmota přechází mezi rezervoáry, různé části toků se vzájemně vyrovnávají (jsou obsaženy zpětné vazby): Množství hmoty, které „přiteče“ je rovno množství hmoty, které „odteče“. Energetický cyklus Zahrnuje externí a interní zdroje energie – pohání globální systém a všechny jeho podcykly. Celkový „rozpočet“ (příjmy a výdaje) energie je vyrovnaný. Pokud by nebyl, Země by se buď přehřívala nebo chladla až do dosažení rovnováhy. Energetické vstupy Celkový příjem: 174 000 teraW (174 000×1012 J/s) (člověk užívá 10 teraW za rok) Sluneční záření: 99,986 % z celkového množství – pohání vítr, déšť, oceánské proudy, vlny; fotosyntézu. Geotermální energie: 23 teraW (0,013 % z celkového příjmu) – vulkanická činnost, horninový cyklus Energie přílivu: 3 teraW (0,002 % z celkového příjmu) – rotace Země a gravitační přitažlivost Měsíce; pohyb vodní hmoty vůči horninám působí jako „brzda“ zemské rotace Energetické výstupy Odraz kolem 40 % slunečního záření je nezměněno odraženo zpět (albedo) Degradace a znovuvyzáření 60 % slunečního záření absorbováno, přechází nevratně z jednoho rezervoáru do druhého až skončí jako teplo, které je opět vyzářeno v dlouhovlnné (infračervené) oblasti. Energetický cyklus Hydrologický cyklus Hydrologický cyklus Hydrologický cyklus Biogeochemický cyklus Globální antropogenní cyklus Cyklus látek v prostředí Ovzduší - atmosféra Otevřený oceán Atmosférická směsná vrstva (e.g., 200-1000 m) Směsná vrstva na povrchu oceánu (e.g., 50-100 m) Hluboký oceán Koncetrace plynná fáze Výměna plynů Suchá a mokrá depozice Atmosférická hmota a srážky Plankton C re-cycling Potravní řetězce Mořský sprey Toky do hlubin spojené s C Rozpuštěná fáze K. C. Jones Geochemický cyklus Geosféry a horninový cyklus  Geosféry  Zvětrávání a půdy  Ztráta půdy Geosféry a horninový cyklus Geosféry a horninový cyklus 27 Zvětrávání Chemická a fyzikální degradace hornin na relativně jemné částice (půdy a sedimenty) a rozpuštěné látky, klíčový prvek exogenního geochemického cyklu  salinita oceánů  výživa pro biotu  rudy  transformace povrchu  spotřeba H+  spotřeba CO2 CaAl2Si2O8 + H2CO3 → CaCO3 + Al2Si2O5(OH)4 2 NaAlSi3O8 + 11 H2O → 2 Na+ + 2 OH– + Al2Si2O5(OH)4 + H4SiO4 3 NaAlSi3O8 + H2CO3 + 7 H2O → 3 Na+ + 3 H4SiO4 + Al(OH)3 + HCO3 – 3 NaAlSi3O8 + Mg2+ + 4 H2O → 2 Na0,5Al1,5Mg0,5Si4O10(OH)2 + 2 Na+ + H4SiO4 Mg2SiO4 + 4 H2O → 2 Mg2+ + 4 OH– + H4SiO4 Mg2SiO4 + 4 H2CO3 → 2 Mg2+ + 4 HCO3 – + H4SiO4 Mg2SiO4 + 4 H + → 2 Mg2+ + H4SiO4 mnohotvárnost reakcí proti vysokoteplotním procesům Zvětrávání  směs produktů zvětrávání, organických látek a zbytků původních hornin a vody  typická půda 5 % organických látek, 95 % anorganických  posloupnost vrstev (půdní profil); složení je závislé na klimatu (T, srážky atd.), vegetaci, času, podložní hornině Půda Půdní povrchová vrstva Nasycená zóna Povrchová půda Nenasycená Kapilární třáseň Blízko nasycení Vodní tabule Vadozní zóna Rozsahmezi10až100’smetrů Každá zóna obsahuje: 1. Minerální frakce 2. Organická frakce 3. Kapalná fáze 4. Plynná fáze Interakce Lito-ekosféra Geochemie půdy  Acidobazické a výměnné reakce v půdách  Makroživiny  Mikroživiny  Pesticidy a chemické odpady v půdách  Ztráta půdy - dezertifikace  eroze  dezertifikace Ztráty půdy Terestrický (suchozemský) - louky, lesy, pole Akvatický (vodní) - mořský - sladkovodní - řeky, rybníky, podzemní vody, močály Ekosystém Neživé složky ekosystémů - Podloží - Půda - Voda - Sedimenty - Ovzduší - Klima, krajina Organismy - Viry - Bakterie - Houby - Rostliny - Živočichové + Člověk Ekosystém Složky prostředí Ucelený soubor organismů a jejich prostředí – prostředí je zpravidla primární a určující. Tvoří základní strukturně funkční jednotku krajiny i celé biosféry. Je prostorový útvar, v němž biotické (živé) a abiotické (neživé) složky jsou vzájemně propojené rozmanitými vztahy Ekosystém Fyzikální parametry – sluneční záření (zdroj E), T a její kolísání, vlastnosti okolního prostředí (A, W, S). Chemické parametry – složení prostředí. Vedle živé složky (biocenóza) zahrnuje i neživé prostředí (biotop) Ekosystém Biocenóza – společenstvo druhů organismů Biotop, ekotop – územní jednotka se stejnými půdními, klimatickými, tvarovými znaky Ekosystém Podle míry ovlivnění člověkem rozlišujeme  přirozené ekosystémy (bučina, rašeliniště aj.)  umělé ekosystémy (smrková monokultura, pole, vinice atp.) Typy ekosystémů  Vodní toky a nádrže  Mokřady a pobřežní vegetaci  Prameniště a rašeliniště  Skály, sutě a jeskyně  Alpínské bezlesí  Sekundární trávníky a vřesoviště  Křoviny a Lesy  biotopy silně ovlivněné nebo vytvořené člověkem Typy ekosystémů (biotopů) v ČR Chytrý M., Kučera T., Kočí M., Grulich V. & Lustyk P. (eds) (2010): Katalog biotopů České republiky. Ed. 2. Agentura ochrany přírody a krajiny ČR, Praha. vlivy vnějšího prostředí reakce ekosystému EKOSYSTÉM atmosféra pedosféra rostliny houby živočichovémikro- organismy stanoviště (biotop) biocenóza Všechny ekosystémy jsou charakterizovány především: tokem energie koloběhem látek vývojem Schéma ekosystémů Ekosystémy jsou otevřené systémy, které se svým okolím vyměňují energii i látky: Vstupy: Sluneční záření Oxid uhličitý Voda Živiny (minerály uvolňované do půdy zvětráváním horninového podloží, atmosférický spad nebo příchod nových druhů organismů či jejich diaspor) Ekosystém – otevřený systém Výstupy: Ekosystém – otevřený systém Vyzařování (odpadní teplo) Vymýváním látek z půdy Povrchový odtok Větrná eroze Vystěhování organismů Sklizeň biomasy z obdělávaných ekosystémů (pole, louky) Biom Soubor ekosystémů podobných typů Ekosystém – společenstva rostlin, živočichů a protistů – tvořená populacemi příslušníků jednotlivých druhů Ekologická nika – určitá funkce, kterou má ten či onen druh v daném ekosystému Úrovně biologické organizace: molekula – část buňky – buňka – tkáň – orgán – organismus – populace – společenstva organismů – ekosystém - biom Ekosystém Biotické složky prostředí Ekologická valence Základní rysy metabolismu jednotlivých živých organismů prokaryotní (Monera) prvoci (Protozoa) rostliny (Plantae) houby (Fungi) živočichové (Animalia) This Photo by Unknown Author is licensed under CC BY-NC celkovývlivdruhuvespolečenstvu podíl v biomase druhů KLÍČOVÉ DRUHY VZÁCNÉ DRUHY DOMINANTNÍ DRUHY BĚŽNÉ DRUHY vlci, kaloni, fíkovníky, patogenní org. motýli, řada rostlin lesní stromy, vysoká zvěř stromy spodního podpatra, keře Odstranění jediného klíčového druhu může někdy vyvolat tzv. vymírací kaskádu (→ pokles biodiverzity) Klíčovými druhy mohou být i různí opylovači či roznašeči semen (plodů) nebo symbiotické organismy 48 Samostatnou skupinu klíčových druhů představují tzv. ekosystémoví stavitelé (ecosystem engineers), kteří zásadním způsobem ovlivňují prostředí (fyzikální podmínky) společenstva i celé krajiny – např. bobři, žížaly, termiti aj. Termiti, kteří se vyvinuli již před 145 mil. lety, patří mezi nejvýznamnější ekosystémové stavitele světa zvířat. Ekosystémoví stavitelé PRODUCENTI KONZUMENTI DESTRUENTI Biotické faktory Podle funkčního postavení v ekosystému a podílu na přeměně látek a energie lze organismy rozdělit na: Základní složky ekosystému a jejich vzájemné vazby Základní typy metabolismu Organismy Foto- litotrofní Fotoorga- notrofní Chemo- litotrofní Chemoor- ganotrofní Zdroj E Světlo Světlo Oxidace Oxidace Zdroj H+, e H2O (H2S) Organické látky H2O (H2S) Organické látky Zdroj C CO2 CO2 CO2 Organické látky První skupina: typicky autotrofní organismy (pouze světlo a anorganické živiny) Základní proces látkové výměny: fotosyntéza (asimilace CO2) 6 CO2 + 6 H2O + 2,82 . 106 J → C6H12O6 + 6 O2 Slunečn í záření Zelené rostliny E CO2 O2 Živočichové Sacharidy a jiné Základní metabolismus Druhá skupina – fotoorganotrofní – pouze bakterie jedné čeledi Třetí skupina – chemolitotrofní – opět jen některé bakterie:  nitrifikační – oxidace NH3 → NO2 - → NO3  sirné – oxidace S0 a jejich sloučenin  železité – oxidace Fe2+ na Fe3+ Čtvrtá skupina – organismy heterotrofní – všichni živočichové a většina protistů Většina organismů potřebuje vzdušný kyslík. Mezi bakteriemi existují i další metabolické typy (konečným akceptor e – oxidace jiné látky:  SO4 2- - redukce na H2S  NO3 - - denitrifikace na N2, N2O  CO2 – redukce na CH4 Základní metabolismus Společný znak metabolismu heterotrofů – látkovým i energetickým zdrojem jsou organické látky z vnějšího prostředí Konzumenti – konzumují živou biomasu (býložravci, masožravci) Reducenti (destruenti, rozkladači) – konzumují biomasu mrtvou – heterotrofové z říše protistů – bakterie a houby Zvláštní metabolické typy: Bakterie a sinice vážící N: pomoci enzymu nitrogenázy dokáží rozbít neobyčejně pevnou vazbu molekulárního dusíku a vázat jej do organických nebo anorganických molekul Bakterie schopné rozložit pevné, stabilní organické látky: CH4, nasycené uhlovodíky, benzen.. Organismy žijící v extrémních podmínkách: horké prameny, Sahara, nasycený roztok NaCl, nízké pH.. Základní metabolismus Ekosystém = producenti + konzumenti + destruenti Zdroj E – sluneční záření 1-5 % dopadajícího slunečního záření využívají k asimilaci Polovina asimilované energie se ztrácí při dýchání a polovina (0,5 – 3 % dopadající E) je využito ke tvorbě biomasy Zbytek sluneční E - odraz (10-25 %) - absorpce rostlinami – přeměna na tepelnou E – spotřeba jako výparné teplo vody – přebytek (80 %) vyzářen ve formě tepelného záření Živí se těly producentů: - primární (býložravci) - sekundární - terciární Žijí z těl a odpadů jiných organismů (zbytky, odumřelé organismy) Výsledek činnosti destruentů – nic se neakumuluje, vše je znovu využito a znovu zapojeno do koloběhu látek Producenti (P) – autotrofní organismy tvořící z jednoduchých anorganických látek látky organické, buď prostřednictvím fotosyntézy (zelené rostliny, sinice), nebo chemosyntézy (některé bakterie, např. sirné či nitrifikační). Producenti Konzumenti (K) – heterotrofní organismy (většina živočichů), živící se přímo či nepřímo organickými látkami vytvořenými producenty. Podle typu výživy se dělí na: (1) býložravce (herbivoři, fytofágové, K1), (2) masožravce (karnivoři druhého řádu - K2, třetího řádu - K3 atd. (3) všežravce (omnivoři). Konzumenti Destruenti (rozkladači, dekompozitoři, D) – různé skupiny organismů živící se mrtvou organickou hmotou (detritem); tu postupně rozkládají až na jednoduché látky – CO2, H2O, aminokyseliny, minerální živiny, které mohou být opět využity producenty. Patří sem heterotrofní organismy makroskopických i mikroskopických rozměrů (hlavně houby a bakterie, dále žížaly, hmyz (např. chvostoskoci), prvoci, roztoči, mnohonožky, stonožky aj.) Žijí převážně v půdě (kde tvoří součást edafonu), zčásti též na povrchu rostlin i na různých odumřelých organických zbytcích chvostosko k stonožk a škvorov á Destruenti (rozkladači, dekompozitoři) Autotrofními organismy (tj. producenty) vyprodukované organické látky tvoří primární produkci ekosystému. Fotosyntézou vzniká určité množství biomasy, tzv. hrubá primární produkce (PG), která je závislá na výkonnosti fotosyntetického aparátu porostu či rostliny; nelze ji však v přírodě přímo měřit, protože rostlina část asimilované energie ztrácí v podobě tepla dýcháním - v průměru kolem 50 [- 75] %. PG = PN + R R – ztráty dýcháním rostlinných orgánů PN - čistá primární produkce Produkce = vytvořená biomasa [kg .m-2 . rok-1 ] Produkce ekosystému Primární produkce obecně roste od pólů k rovníku v závislosti na růstu:  Intenzity světla  Průměrné teploty  Délky vegetačního období Roční čistá primární produkce Země (g sušiny. m-2. rok-1) Primární produkce ekosystému Organické látky vytvořené v tělech všech heterotrofních organismů (konzumentů a destruentů) odpovídají sekundární produkci ekosystému. Produktivita představuje množství energie vázané do nové biomasy (sušiny) vztažené na určitou plochu za jednotku času, např. za celý rok, nebo jen za vegetační periodu [kg .m-2. rok-1; g C . m-2 . rok-1].  V terestrických ekosystémech produktivita obecně klesá s rostoucí nadmořskou výškou a rostoucí ariditou klimatu, a zpravidla stoupá s rostoucím množstvím dostupných živin (hlavně N, P, K)  Asi 3/4 plochy Země pokrývají málo produktivní ekosystémy – otevřené oceány, pouště a polopouště, tundra, oligotrofní jezera  Nejvyšší produktivitu mají tropické deštné lesy, monzunové lesy, korálové útesy; intenzivně obdělávaná půda Sekundární produkce ekosystému Vyšší produktivita většinou úzce koreluje s vyšším druhovým bohatstvím; výjimkou jsou druhově velmi bohatá společenstva na chudých půdách v jižní Africe a v Austrálii V mořích a oceánech jsou nejproduktivnější vody při pobřeží (dokonalé promíchání díky bouřím a mořským proudům), výstupné proudy lokálně výrazně zvyšují produktivitu mořského ekosystému ! Chladné vody jsou produktivnější než teplé (zřejmě proto, že jsou bohatší na živiny (např. fosfáty jsou více rozpustné v chladnější vodě) Energie se v ekosystému zpravidla nemůže výrazněji hromadit (× fosilní paliva) → jednostranný tok energie, který je realizován prostřednictvím trofických vztahů. Sekundární produkce ekosystému Přenosy látek a energie v ekosystémech se uskutečňují v potravních (trofických) řetězcích, které propojují jednotlivé potravní úrovně. Potravní řetězec představuje posloupnost (sled) organismů, které jsou ve vzájemných potravních závislostech, tj. jeden požírá druhého, přičemž sám se stává potravou v následující trofické úrovni. Obecně: P → K1 → K2 → K3 → … V každém ekosystému musí existovat minimálně 2 trofické úrovně. Potravní řetězce Potravní řetězce mívají v průměru 4 články: Nejdelší trofické řetězce jsou ve vodních ekosystémech, např. fytoplankton → zooplankton → drobné ryby → dravé ryby → draví kytovci → lední medvěd (maximálně kolem 10 článků) Existují 3 typy potravních řetězců (podle toho, zda začíná živou biomasou či mrtvou organickou hmotou):  pastevně-kořistnický  detritový (= dekompoziční)  parazitický – spojuje různé skupiny parazitů (cizopasníků) Potravní řetězce Potravní řetězce mívají v průměru 4 články: Nejdelší trofické řetězce jsou ve vodních ekosystémech, např. fytoplankton → zooplankton → drobné ryby → dravé ryby → draví kytovci → lední medvěd (maximálně kolem 10 článků) Existují 3 typy potravních řetězců (podle toho, zda začíná živou biomasou či mrtvou organickou hmotou):  pastevně-kořistnický  detritový (= dekompoziční)  parazitický – spojuje různé skupiny parazitů (cizopasníků) Potravní řetězce Pastevně- kořistnický řetězec Detritový řetězec čistá primární produkce půdní organická hmota c1 C2 H R R R B + F M C R R R H – herbivoři, C1- primární karnivoři, C2- sekundární karnivoři; B – bakterie, F – houby, M – mikrobivoři (prvoci aj.), C – karnivoři, R – respirační ztráty Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 66 Pastevně-kořistnický řetězec (zelená rostlina) I. trofická hladina II. trofická hladina (herbivor) (primární karnivor) III. trofická hladina IV. trofická hladina (sekundární karnivor) účinnost 0,2 % účinnost 5-20 % účinnost 5-20 % účinnost 5-20 % producent konzument 1. řádu konzument 2. řádu konzument 3. řádu R R R zelená rostlina motýl vážka žába had dravý pták P K1 K2 K3 K4 K5 67 Koloběh látek Konzumenti 2. řádu K2 R RR R Konzumenti 1. řádu (herbivoři) K1 Konzumenti 3. řádu K3 R Producenti P Koloběh látek a tok energie D D D D Tok energie Potravní (= trofická) síť představuje systém vzájemně propojených potravních řetězců (ukazuje, které druhy v rámci biocenózy jsou spolu potravně propojeny). Čím je potravní síť určitého biotopu hustší, tím stabilnější zde bývá biologická rovnováha; Potravní sítě Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 69 Producenti Konzumenti 1. řádu Konzumenti 2. řádu Konzument 3. řádu Rostlina CRostlina A Rostlina B Potravní síť Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 70 Potravní závislosti, tj. postupný pokles celkové biomasy, energie či počtu jedinců v jednotlivých trofických úrovních lze graficky znázornit pomocí ekologických pyramid. Pyramida energie – představuje nejobjektivnější způsob vyjádření trofické struktury ekosystému (je náročná na údaje …); má vždy klasický tvar, protože všechny energetické přechody jsou spojeny se ztrátou energie P K1 K2 K3 pomalejší rychlejší Pyramida biomasy – každou trofickou úroveň zastupuje biomasa organismů D P K1 K2 K3Terestrický ekosystém Biomasa producentů bývá nejméně 1000krát větší než biomasa K + D. Ekologické pyramidy Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 71 Pyramida (a) množství a trofických úrovní v ekosystému (b) energie a individuální velikosti potravního řetězce Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 72 Pyramida (a) množství a trofických úrovní v ekosystému (b) energie a individuální velikosti potravního řetězce Pyramida znečištění Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 73 Pyramida četnosti – odráží jev, že počet jedinců od první k poslední trofické úrovni (vrcholoví predátoři) se obvykle strmě zmenšuje  Při přechodu na vyšší trofickou úroveň je pokles početnosti doprovázen zvětšením rozměrů  Obrácené poměry jsou u parazitických řetězců (parazité jsou menší a početnější než hostitel)  Existují i „obrácené“ pyramidy četnosti – např. strom s velkým počtem herbivorního hmyzu K1 K2 K3 P P ~ strom Pyramida četnosti