46
11.3.2013 1 2. Okoliš sastavnice, procesi, temeljna ekološka načela Tema poglavlja 2. Bilanca sunčevog zračenja i njegova uloga u prirodi Osnovna kemijska i fizikalna svojstva vode i njihova uloga u prirodi; Abiotički ekološki činitelji (uloga i značaj svjetlosti, topline, vode, vlage, atmosferskih i otopljenih plinova, hranjivih tvari i strujanja) Biotički ekološki činitelji (odnosi među vrstama i populacijama); Terminologija: kapacitet okoliša, ograničavajući činitelj razvoja; biološka raznolikost, prirodna ravnoteža Metabolizam ekosustava – tok energije i kruženje tvari ekosustavom Načini razgradnje organske tvari s obzirom na dostupnost kisika Biogeokemijski ciklusi nutrijenata (ugljika, dušika i fosfora) Ekološke sukcesije

Zaštita voda predavanja2

Embed Size (px)

DESCRIPTION

zaštita voda predavanja 2.dio

Citation preview

Page 1: Zaštita voda predavanja2

11.3.2013

1

2. Okolišsastavnice, procesi, temeljna ekološka načela

Tema poglavlja 2. Bilanca sunčevog zračenja i njegova uloga u prirodi

Osnovna kemijska i fizikalna svojstva vode i njihova uloga u prirodi;

Abiotički ekološki činitelji (uloga i značaj svjetlosti, topline, vode, vlage, atmosferskih i otopljenih plinova, hranjivih tvari i strujanja)

Biotički ekološki činitelji (odnosi među vrstama i populacijama);

Terminologija: kapacitet okoliša, ograničavajući činitelj razvoja; biološka raznolikost, prirodna ravnoteža

Metabolizam ekosustava – tok energije i kruženje tvari ekosustavom

Načini razgradnje organske tvari s obzirom na dostupnost kisika

Biogeokemijski ciklusi nutrijenata (ugljika, dušika i fosfora)

Ekološke sukcesije

Page 2: Zaštita voda predavanja2

11.3.2013

2

2.1 Energija sunca

Energija sunca – osnovni pokretač svih bioloških procesa na zemlji.

S obzirom na valnu dužinu, za razvoj života na Zemlji, važna su tri područja sunčevog zračenja koja dospijevaju na zemlju:

o ultra-ljubičasto područje (UV), 0.1-0.38x10-6 m,

o vidljivo područje (VIS), 0.38-0.75x10-6 m,

o infra-crveno područje (IR), 0.75-3x10-6 m.

Unutar ovog spektra se nalazi većina energije sunčevog zračenja.

Prosječno samo polovica energije koja stigne na gornju granicu atmosfere (342 W/m2) dospijeva na Zemlju.

BILANCA SUNČEVOG ZRAČENJA NA PROLAZU KROZ ATMOSFERU(značajna jer o njoj ovisi temperatura na Zemljinoj površini)

Energija sunca

Količina energije koju apsorbira atmosfera ovisi o koncentraciji pojedinih plinova (tzv. stakleničkih plinova).

Page 3: Zaštita voda predavanja2

11.3.2013

3

Ukupna energija koja se apsorbira na zemljinoj površini troši se na:

o latentnu toplinu

o senzibilnu toplinu

o dugovalno zemljino zračenje

o fotosintezu

Latentni toplinski tok – energija se troši na prijelaz vode iz jednog u drugo fazno stanje, iz vode u vodenu paru (evaporacija ili isparavanje) ili iz leda u vodenu paru (sublimacija).

Senzibilni toplinski tok – izmjena topline se vrši konvekcijom i kondukcijom uslijed različitih temperatura Zemlje i zraka. Veći dio energije se prenosi konvektivno (strujanjem fluida) kada se zagrijani zrak vertikalno uzdiže u atmosferi te prenosi energiju u više slojeve. Manji dio energije se prenosi i kondukcijom (prijenosom kinetičke energije između molekula).

Dugovalno zemljino zračenje – direktno toplinsko zračenje sa Zemlje.

Fotosinteza – utrošak energije u procesu fotosinteze je relativno malen u odnosu na ukupnu bilancu sunčevog zračenja (oko 1%),

Energija sunca

Zemlja sunčevo kratkovalno zračenje pretvara u Zemljino dugovalno zračenje. Količina energije koja stigne na Zemlju je jednaka količini energije vraćene nazad u svemir (ako to nije tako Zemlja se zagrijava).

Sunce je osnovni izvor energije koji pokreće procese unutar pojedinih sfera i interakcije između pojedinih sfera. Rezultat tih procesa i interakcija je toplina koja se vraća nazad u svemir.

Energija sunca

Page 4: Zaštita voda predavanja2

11.3.2013

4

2.2. Osnovna svojstva vode

Hidrosfera – vodena sfera koju sačinjavaju sve vode na Zemlji u sva tri fazna stanja: čvrstom stanju (led), kapljevitom ili tekućem stanju, plinovitom stanju (vodena para)

2.2.1. Molekularna struktura vode

Voda ima egzistencijalnu ulogu u prirodi, odnosno može se reći da su jedinstvena fizikalna i kemijska svojstva koja ima voda omogućili nastanak života na Zemlji.

Molekula vode je polarna.

Page 5: Zaštita voda predavanja2

11.3.2013

5

Molekule vode se međusobno spajaju vodikovom vezom te formiraju nakupine ili klastere molekula.

Veze privremene i vrlo brzo pucaju zbog velike kinetičke energije molekula (prosječna veza traje nekoliko mikrosekunda).

U slučaju leda je molekularna geometrija nešto drukčija jer se atomi spajaju pod kutom od 109°, te je svaki atom kisika okružen uvijek s četiri atoma vodika (tetraedarska prostorna struktura).

Vodikova veza

Klaster molekula vode

Molekularna struktura vode

Jedno od najvažnijih svojstava vode je disocijacija (ionizacija):

H2O H+ + OH-

Svojstvo disocijacije i sposobnost molekule vode da uspostavlja vodikove veze s bliskim molekulama uvjetuje neka važna fizikalna i kemijska svojstva vode koja su ključna za živi svijet:

o sposobnost otapanja tvari (bolje otapa tvari od mnogih drugih tekućina, otapa jednako ionske i molekularne spojeve koji su polarni ili sadrže polarne grupe),

o negativni volumen taljenja (led je lakši od vode i pliva na njoj),

o maksimum gustoće u normalnom rasponu postojanja tekuće faze (pri atmosferskom tlaku, voda ima maksimalnu gustoću na 3.98°C),

o velika površinska napetost,

o veliki specifični toplinski kapacitet,

o način apsorpcije elektromagnetskog spektra,

o itd.

Molekularna struktura vode

Page 6: Zaštita voda predavanja2

11.3.2013

6

2.2.2. Kemijska svojstva vode

Ovisno o koncentraciji vodikovih iona, voda može biti kisela, neutralna ili lužnata.

Čista voda je neutralna, odnosno pri temperaturi od 25oC je pH=7.

Vijednost pH-faktora neutralne vode ovisi o temperaturi (npr pri temperaturi od 0oC voda se smatra neutralnom ako joj je pH=7.97).

pH vrijednost je važna jer utječe na topivost pojedinih tvari u vodi.

Topivost pojedine tvari u vodi ovisi o polaritetu njenih molekula. Polarne molekule, a posebno ioni, su topive u vodi. Molekule bez polariteta su netopive u vodi.

Tvari koje su topive u vodi nazivaju se hidrofilnim tvarima, dok one koje nisu topive u vodi se nazivaju hidrofobnim tvarima.

Hidrofilne tvariNaCl Urea

Hidrofobna tvar(ugljikovodik)

Kemijska svojstva vode

Page 7: Zaštita voda predavanja2

11.3.2013

7

Direktna posljedica sposobnosti otapanja tvari – kemijska svojstva vode se mijenjaju tijekom ciklusa kruženja vode u prirodi (hidrološkog ciklusa):

o prolaskom oborina kroz atmosferu (otapaju se ili raspršuju plinovi i čestice aerosola),

o tečenjem po tlu (otapaju se ili ispiru čestice tla i organske tvari),

o procjeđivanjem kroz podzemlje (otapaju se minerali ili se pročišćava).

Sastav otopljenih iona u vodi ovisi o:

o sastavu atmosferskih čestica (npr. morska sol, prašina, antropogeni plinovi),

o intenzitetu evapotranspiracije (isparavanjem se povećava koncentracija otopljenih tvari u vodi i utječe na kemijske procese),

o mineralnom sastavu i režimu trošenja stijena (vode koje prolaze kroz lako topive minerale ili koje su duže u kontaktu s mineralima imaju veće ionske koncentracije),

o sastavu organske tvari i biološkim procesima u tlu i vodi.

Kemijska svojstva vode

Kemizam otopljenih tvari u kopnenim vodama široko varira ovisno o klimatskim uvjetima, geografskom položaju, antropogenim utjecajima, sastavu tla i kontinentalne kore, itd.

Od posebne važnosti je proces otapanja ili trošenja kontinentalne kore (kationi koji prevladavaju u kontinentalnoj kori prevladavaju također i u kopnenim vodama, premda je sastav potpuno različit):

USPOREDBA PROSJEČNOG SASTAVA GLAVNIH KATIONA U KONTINENTALNOJ KORI I U RIJEČNIM VODAMA:

Kemijska svojstva vode

Page 8: Zaštita voda predavanja2

11.3.2013

8

Kemizam otopljenih tvari u vodi je praktično određen s četiri metala koji su prisutni u obliku kationa: Ca2+ Na+ K+ i Mg2+.

U vodi se još nalaze Fe, Al, Mn, te u mnogo manjim koncentracijama (tragovima) i Zn, Cu, Co, itd.

Od nutrijenata, u vodi se mogu pronaći P, N, Si te otopljena organska tvar.

Koncentracije pojedinih elementa ili njihovi težinski odnosi ukazuju na relativnu važnost pojedinih procesa u definiranju kemijskog sastava vode. Npr.:

o prisutnost natrija ukazuje na utjecaj morske soli,

o prisutnost kalcija, kalija i magnezija ukazuje na proces trošenja stijena,

o vode koje sadrže male koncentracije iona teku uglavnom kroz slabo topive stijene,

o vode koje sadrže velike koncentracije iona teku uglavnom kroz topive stijene ili je doprinos evaporacije vrlo velik,

o …

Kemijska svojstva vode

KLASIFIKACIJA NEKIH VODNIH RESURSA NA OSNOVU KEMIJSKOG SASTAVA VODE

Kriterij: koncentracija Na+ Ca2+

Padaline dominiraju ako vode sadrže male količine otopljenih soli gdje su znatno veće koncentracije Na+ nego Ca2+

Trošenje dominira ako vode sadrže znatno veće koncentracije Ca2+ nego Na+.

Isparavanje dominira ako vode sadrže velike količine otopljenih soli gdje su znatno veće koncentracije Na+ nego Ca2+

Kemijska svojstva vode

Page 9: Zaštita voda predavanja2

11.3.2013

9

Salinitet – mjera stupnja slanosti vode u morima ili na ušćima rijeka u more, a u funkciji je ukupne težine soli otopljenih u određenoj količini vode (obično se izražava u promilima).

GLAVNE SOLI U MORSKOJ VODI

Kemijska svojstva vode

Topivost plinova u vodi ovisi o:

o molekularnim karakteristikama samog plina,

o parcijalnom tlaku plina u dodiru s vodom,

o temperaturi vode,

o količini otopljenih soli u vodi.

Plinovi koji se slabo otapaju u vodi su npr.: N2, O2, H2, CH4 i O3

Plinovi koji se dobro otapaju su npr.: SO2, CO2 i Cl2.

Laka topivost klora u vodi omogućava njegovo korištenje u dezinfekciji vode.

Lako otapanje CO2 ima za posljedicu kiselost kišnice (lagana kiselost kišnice je normalna i rezultat je prirodnih procesa).

Kemijska svojstva vode

Page 10: Zaštita voda predavanja2

11.3.2013

10

Parcijalni tlak nekog plina unutar promatranog volumena je jednak tlaku koji bi taj plin stvarao kad bi se sam nalazio u tom volumenu (ukupni tlak je jednak sumi parcijalnih tlakova):

Kod idealnih plinova su omjeri parcijalnih tlakova jednaki omjeru molekularnih koncentracija (mol/l), npr.:

Parcijalni tlak se može izraziti kao:

nppppp ...21

n

n

p

px ii

i

Relativni udio promatranog plina u ukupnoj molekularnoj koncentraciji mješavine

Broj molekula promatranog plina u litri mješavine

Ukupni broj molekula u litri mješavine

pxp ii

Kemijska svojstva vode

Npr. ukupni tlak zraka je jednak sumi parcijalnih tlakova svih plinova koji se nalaze u zraku:

Parcijalni tlak kisika u zraku se može izraziti preko relativnog udjela kisika u ukupnoj molekularnoj koncentraciji mješavine zraka:

Henry-ev zakon:

Sadržaj plina otopljenog u tekućini pri određenoj temperaturi proporcionalan je parcijalnom tlaku tog plina iznad tekućine (plin će prelaziti iz zraka u tekućinu ili obratno sve dok se ne uspostavi ravnotežno stanje).

Koncentracija plina u tekućini kod koje se uspostavi ravnotežno stanje naziva se koncentracijom zasićenja.

pxp OO 22

...2222 OHCOON ppppp

Kemijska svojstva vode

Page 11: Zaštita voda predavanja2

11.3.2013

11

U stanju ravnoteže vrijedi:

Henry-ev zakon vrijedi za slabo topive plinove koji kemijski ne reagiraju s otapalom pri niskim parcijalnim tlakovima.

Ako se radi o vodi:

o parcijalni tlak plina iznad vode ovisi o parcijalnom tlaku vodene pare u zraku (količini vodene pare u zraku, tlaku i temperaturi zraka).

o koncentracija zasićenja vode plinom ovisi o kemijskom sastavu i temperaturi vode.

Parcijalni tlak plina i iznad tekućine atm

iS

iiH C

pk

,, Koncentracija zasićenja

tekućine plinom i mol/l

Koeficijent topivosti (Henry-eva konstanta) Pa/mol/l

ip

iSC ,

Kemijska svojstva vode

Vrijednosti koeficijenta topivosti pojedinih plinova u vodi (vrijednosti se odnose na čistu vodu temperature 298°K pri normalnom atmosferskom tlaku od 1013 hPa i 100% zasićenju zraka vodenom parom):

o kisik (O2): 769.2 atm/mol/l

o ugljikov dioksid (CO2): 29.4 atm/mol/l

o vodik (H2): 1282.1 atm/mol/l

o dušik (N2): 1639.34 atm/mol/l

o ugljikov monoksid (CO): 1052.63 atm/mol/l

Na osnovu poznate vrijednosti koeficijenta topivosti, koristeći Henry-ev izraz, može se izračunati koncentracija zasićenja vode pojedinim plinom:

iH

iiS k

pC

,,

Kemijska svojstva vode

Page 12: Zaštita voda predavanja2

11.3.2013

12

Ovisnost koncentracije zasićenja vode kisikom o temperaturi i salinitetu je definirana empirijskim izrazom:

Izraz vrijedi pri atmosferskom tlaku od 1013.25 hPa. Za druge vrijednosti atmosferskog tlaka se koristi korekcijski izraz:

mg/l °K

2

22143212, 100100100100ln

100exp4276.1

TB

TBBS

TA

TA

TAAC Os

A1=-173.4292A2=249.6339A3=143.3483A4=-21.8492

B1=-0.033096B2=0.014259B3=-0.0017

)(25.1013

)()(

2

22,2, Tp

TppCpC

OH

OHOSOS

Parcijalni tlak vodene pare u zraku pri temperaturi T.

hPa

o/oo

Kemijska svojstva vode

Koncentracije kisika u vodi (salinitet 0%) i u moru (salinitet 3.5%) pri potpunoj zasićenosti vode i mora kisikom pri atmosferskom tlaku od 1013 hPa (izračunato pomoću empirijskog izraza):

0

2

4

6

8

10

12

14

16

0 5 10 15 20 25 30 35

Otopljeni kisik (mg/l)

Temperatura (°C)

Voda

More

Kemijska svojstva vode

Page 13: Zaštita voda predavanja2

11.3.2013

13

Pri stalnoj temperaturi, brzina otapanja pojedinog plina u tekućini je proporcionalna razlici između koncentracije zasićenja i trenutne koncentracije:

)( ,,,,

itisiait CCK

dt

dC

Koeficijent izmjene plina 1/T

Izmjena plina se odvija kroz tanki film koji se formira iznad i ispod površine tekućine. Unutar ovog sloja je zrak u potpunosti zasićen vodenom parom

Koncentracija plina u vodi je manja od koncentracije zasićenja (plin se otapa u vodi)

Koncentracija plina u vodi je veća od koncentracije zasićenja (plin isparava iz vode)

100%

Kemijska svojstva vode

Koeficijent izmjene plina ovisi o:

o veličini granične površine,

o otporu prijelaza

o temperaturi.

Što je veća površina kroz koju se vrši izmjena plina (granična površina) to će količina izmijenjenog plina biti veća.

Uvođenjem mjehurića zraka u vodu se povećava površina kroz koju se vrši otapanje kisika iz zraka. Isti proces se odvija i u prirodi tečenjem vode niz slapove (prirodnim putem se povećava koncentracija kisika u površinskim vodama, planinski potoci – brzotoci su uvijek bogatiji kisikom).

Kemijska svojstva vode

Page 14: Zaštita voda predavanja2

11.3.2013

14

Gibanje zraka također pospješuju otapanje plina u tekućini (iznad vode se stvara tanki film gdje je zasićenje zraka vodenom parom 100%, vjetar uklanja taj sloj te na taj način efektivno povećava parcijalni tlak plina iznad vode).

Otpor prijelaza ovisi i o tome da li se na površini tekućine nalazi nekakva zapreka koja sprječava prijenos plina (npr. ulje, nafta).

Ovisnost koeficijenta izmjene plina o temperaturi se najčešće računa pomoću empirijskih izraza. Npr. ako se radi o kisiku:

Vrijednost koeficijenta aeracije ovisi o vrsti vodnog ekosustava, odnosno ovisi o tome da li se radi o jezerima, brzotocima ili mirnim tekućicama.

)20(20,, 024.1 TOaOa KK

Vrijednost koeficijenta izmjene plina pri temperaturi od 20oC.

Koeficijent aeracije.

Kemijska svojstva vode

VRIJEDNOSTI KOEFICIJENTA AERACIJE PRI TEMPERATURI OD 20°C ZA POJEDINE VODNE RESURSE

Kemijska svojstva vode

Page 15: Zaštita voda predavanja2

11.3.2013

15

Plinovi iz atmosfere se otapaju u površinskim kopnenim vodama i morima, te se na taj način održava njihova koncentracija u vodenim ekosustavima.

Izmjena plinova koja se odvija između atmosfere i oceana je osnovni razlog zbog kojeg oceani ublažavaju negativan utjecaj čovjeka na atmosferu jer otapaju višak CO2 iz atmosfere (na ovaj način se smanjuje ukupna količina CO2 u atmosferi, međutim, problem je u tome što oceani na taj način povećavaju svoju kiselost).

Tok plina može biti i obrnut (npr. kada fitoplankton fotosintezom stvori veće količine kisika u vodi, tada zasićenje kisikom može biti i preko 100%, te u tim uvjetima kisik isparava iz vode u atmosferu).

Kemijska svojstva vode

Topivost tekućina ovisi o njihovim molekularnim karakteristikama.

Dobro se otapaju tekućine koje sadrže molekule OH-, SH- i NH2-

skupina. Ugljikovodici te ulja i masti se slabo otapaju u vodi.

Topivost čvrstih tvari se povećava s povećanjem temperature vode i povećanjem sadržaja otopljenih soli, kiselina ili lužina.

Nafta je lakša od vode i ne otapa se u njoj (pliva na površini mora u obliku homogenih mrlja).

Kemijska svojstva vode

Page 16: Zaštita voda predavanja2

11.3.2013

16

2.2.3. Fizikalna svojstva vode

Fizikalna svojstva vode su direktna posljedica kemijskih svojstava.

Gustoća vode ovisi o faznom stanju temperaturi i tlaku.

Pri atmosferskom tlaku od 1013 hPa i temperaturi od 3.98oC,gustoća vode je maksimalna i iznosi w=1 kg/dm3.

Pri atmosferskom tlaku i temperaturi od 100oC gustoća joj je minimalna w=0.958 kg/dm3, a iznad te temperature prelazi u plinovito stanje.

Sniženjem temperature ispod 3.98oC, gustoća se također smanjuje tako da pri atmosferskom tlaku i temperaturi 0oC gustoća vode kao kapljevine je w=0.9998 kg/dm3. (razlog što voda smrzava od površine prema dnu, što omogućava preživljavanje organizama u vodi u uvjetima niskih temperatura).

Prelaskom u čvrstu fazu (led) gustoća se naglo smanjuje i iznosi w=0.917kg/dm3. (razlog što led pliva na vodi)

Gustoća morske vode ovisi i o salinitetu.

Pri atmosferskom tlaku, gustoća morske vode se uglavnom nalazi unutar opsega 1024-1029 kg/m3.

S obzirom da vrijednost uvijek počinje s 1000, uobičajena je praksa skratiti ih (tzv. „gustoća in situ“ – gustoća uzorka morske vode uz opaženi salinitet, temperaturu i tlak na lokaciji uzorka):

Utjecaj tlaka se obično može zanemariti (podrazumijeva se da se uzorak nalazi pri atmosferskom tlaku), na taj način se dobije tzv. „sigma-t“:

1000,,,, ptspts

10000,, tst

Fizikalna svojstva vode

Page 17: Zaštita voda predavanja2

11.3.2013

17

Površinska napetost vode je relativno velika zbog jakih kohezijskih sila između molekula.

Kapilarna voda

pA

pA-0.1bar

Gravitational water

Field capacity Kapacitet tla(voda zadržana u tlu)

Gravitacijska voda(voda procijeđena kroz tlo)

Fizikalna svojstva vode

Higroskopski koeficijent količina vlage koja se nalazi u tlu pri 100% zasićenju zraka vodom

Velika površinska napetost vode omogućava:

o transport vode kroz stabljike biljki na velike visine (kapilarne sile)

o ostanak vode u tlu iznad razine podzemnih voda (značajno za život i rast biljki jer im vlagu donosi znatno bliže korijenu).

Na površinsku napetost utječe temperatura i otopljene tvari u vodi (smanjuje se s porastom temperature, povećanjem koncentracije deterdženata, i sl.).

Fizikalna svojstva vode

Page 18: Zaštita voda predavanja2

11.3.2013

18

SPEKTAR APSORPCIJE VODE

Najveću apsorpciju voda ima u području UV zračenja

Dobro apsorbira IR zračenje

Uski „prozor“ ima u području vidljivog spektra od 0.38 do 0.75x10-6 m (zbog toga je voda bez boje i prozirna).

Voda apsorbira najveći dio spektra sunčevog zračenja.

Prodiranje svjetlosti je značajno za razvoj života u morima i jezerima jer proces fotosinteze ovisi o svjetlosti (može se odvijati samo u priobalnom području i na površini vodnih resursa).

Fizikalna svojstva vode

Voda ima relativno visoki specifični toplinski kapacitet (pri temperaturi od 15oC specifični toplinski kapacitet vode iznosi 4.18 kJ/kgK, dok je specifični toplinski kapacitet leda 2.11 kJ/kgK).

Fizikalna svojstva vode

Page 19: Zaštita voda predavanja2

11.3.2013

19

Visoki specifični toplinski kapacitet zajedno s dobrom apsorpcijom infracrvenog dijela sunčevog zračenja omogućava akumuliranje znatnih količina sunčeve energije u jezerima, morima i oceanima što je vrlo važno za život na Zemlji.

Akumulirana toplina ima utjecaja i na klimatske prilike što posebno dolazi do izražaja u priobalnim područjima.

Najveći dio sunčevog zračenja koje dođe na površinu mora biva apsorbirano uglavnom u prvom metru dubine (65%), 22% zračenja dosegne dubinu od 10 m, dok na 100 m dubine dospije samo 0.5% direktnog zračenja (zagrijavanje vode se vrši od površine prema dnu).

U ljetnim mjesecima dolazi do jačeg zagrijavanja površinskog sloja mora, rijeka i jezera koji su pod utjecajem sunčevog zračenja te se javlja vertikalna stratifikacija temperature.

Fizikalna svojstva vode

Izotermija – izjednačavanje temperature po dubini.Vertikalna stratifikacija u tri sloja:

Epilimnij – gornji sloj Hipolimnij – donji sloj Metalimnij (termoklina) – srednji sloj u kojem se nalazi temperaturni skok gustoće i temperature

VERTIKALNA STRATIFIKACIJA TEMPERATURE

Vertikalna stratifikacija se javlja u jezerima i morima.U brzim i plitkim vodotocima, zbog turbulentnog tečenja, ne postoji mogućnost njenog formiranja.

Zimi površinski sloj može biti zaleđen

Fizikalna svojstva vode

Page 20: Zaštita voda predavanja2

11.3.2013

20

2.3. Temeljna ekološka načela

Biosfera (sfera života) – funkcionalna cjelina koju čine svi ekosustavi na Zemlji.

Pojam biosfere podrazumijeva sva živa bića na Zemlji zajedno s dijelovima atmosfere, litosfere i hidrosfere na kojima se oni nalaze (od ~11.000 metara ispod razine mora do ~15.000 metara iznad mora gdje su registrirani živi organizmi).

Organizacijska ljestvica živog svijeta:BIOSFERA → EKOSUSTAV → BIOCENOZA → POPULACIJA → ORGANIZAM → SUSTAV ORGANA → ORGAN → TKIVO → STANICA → ORGANEL

2.3.1. Ekološki činitelji

Pojedina životna staništa se razlikuju po mogućnosti da osiguraju osnovne elemente (hranu, vodu za piće, skrovište) i uvjete za život.

Skrovište – mjesto življenja i hranjenja, odrastanja i brige za pomladak, zaštite od nevremena, odmora i spavanja, te zaštite od neprijatelja.

Hrana – tvari koje se uzimaju iz staništa a osiguravaju potrebnu energiju za osnovne životne funkcije.

Voda – sastavni dio živih organizama, neophodna je za funkcioniranje živih stanica i zadovoljenje mnogih egzistencijalnih potreba (npr. čišćenje tijela, osiguranje hrane, skrovište za pojedine vrste, itd.)

Osim osnovnih elemenata, da bi stanište bilo povoljno za razvoj neke vrste moraju biti ispunjeni još neki dodatni uvjeti za život. Pogodnost životnog staništa za razvoj neke biljne ili životinjske vrste zavisi o ekološkim činiteljima (određuju uvjete života unutar staništa a mogu se podijeliti na abiotičke i biotičke).

Page 21: Zaštita voda predavanja2

11.3.2013

21

Abiotički činitelji određuju fizičku okolinu unutar životnog staništa.

Ovise o klimi, kemijskom sastavu i strukturi tla, nadmorskoj visini, orografiji terena, kemizmu okoliša, itd.

Najvažniji abiotički činitelji su: toplina, svjetlost, voda i vlaga, atmosferski i otopljeni plinovi, hranjive tvari, strujanja, tlak, itd.

Biotički činitelji određuju međusobne odnose pojedinih vrsta u životnoj zajednici, uključujući i odnose među jedinkama iste vrste koji mogu utjecati na: strukturu, razvitak, brojnost i prostorni raspored njihovih populacija.

Biotički čimbenici mogu biti: priogeni, virogeni, bakteriogeni, fitogeni, zoogeni i antropogeni.

Faktori ograničenja koji određuju kapacitet okoliša (broj jedinki koji mogu na određenom prostoru i u određenom vremenu preživjeti) su: količina, kvaliteta i rasprostranjenost hrane i vode; postojanje skrovišta; te abiotički i biotički ekološki činitelji

Kapacitet okoliša je dinamičan i mijenja se kroz različita godišnja doba, odnosno sezonski.

Ekološki činitelji

2.3.1.1. Abiotički činitelji

Toplina (IR dio spektra sunčevog zračenja)

Regulator koji ubrzava ili usporava biokemijske procese te utječe na fizikalna i kemijska svojstva vode (npr. na kapilarne sile, toplinski kapacitet, gustoću vode, koncentraciju otopljenih plinova i pojedinih tvari u vodi, itd.).

Organizmi tijekom biokemijskih procesa oslobađaju određenu količinu topline ili je uzimaju iz okoline. Organizmi su najaktivniji kad je temperatura okoline optimalna za njihove biokemijske procese.

Sezonske varijacije temperature značajno utječu na aktivnost i brojnost pojedinih vrsta tijekom ljetnih i zimskih mjeseci.

Page 22: Zaštita voda predavanja2

11.3.2013

22

Abiotički činitelji

Količina topline zavisi također i o geografskoj širini i nadmorskoj visini.

Srednja mjesečna temperatura na površini Zemlje za mjesec siječanj (gore) i srpanj (dolje)

Svjetlost (vidljivi dio spektra sunčevog zračenja)

Izvor energije za fotosintezu i vidljivosti pa je prema tome jedan od temeljnih činitelja života na Zemlji.

Prostorni raspored, brojnost i raznolikost pojedinih skupina organizama unutar vodenih ekosustava ovisi o dostupnosti sunčeve svjetlosti.

Prodiranje svjetlosti, ovisi o mutnoći vode.

Površinsko područje je dio otvorene vode do dubine prodiranja svjetlosti. Dubina ovog pojasa se računa do razine gdje jakost sunčevog zračenja iznosi oko 1% jakosti na površini vode. Prevladavaju organizmi planktona i nektona te donekle neustona.

Obalno područje je uski pojas u kojem svjetlost dopire do dna. Ovdje žive praktično sve skupine organizama.

Dubinsko područje je dio vode ispod dubine prodiranja svjetlosti do dna. U dubinskom području su uglavnom nastanjeni samo organizmi bentosa.

Abiotički činitelji

Page 23: Zaštita voda predavanja2

11.3.2013

23

Prodiranje svjetlosti u vodenim ekosustavima ovisi o mutnoći vode (može biti posljedica pronosa nanosa ili organske proizvodnje).

U vrlo bistrom moru svjetlost može prodrijeti i do dubine od 100 m(1% intenziteta na površini).

U jezerima, ako je voda vrlo prozirna, svjetlost prodire do približno 30 m dubine. Prozirnost kod jezera s vrlo snažnom organskom proizvodnjom može biti manja od 1 m.

Količina svjetlosti se ciklički mijenjaju tijekom dana i godine (slično kao i temperatura)

Organizmi su aktivniji danju i ljeti a manje aktivni noću i zimi.

Ovisno o količini svjetlosti, postoje različite vrste staništa. Posebno su specifična staništa podzemnih voda, špilja ili dubokih mora (vrlo mali broj organizama može živjeti u potpunom mraku).

Abiotički činitelji

Voda i vlaga

Voda je fiziološki potrebna za odvijanje životnih funkcija svih organizama.

Količine oborina su određene geografskim položajem staništa, odnosno klimatskim okolnostima.

Abiotički činitelji

Srednje godišnje oborine na površini Zemlje izražene u mm/mjesec (na našem području, prosječna godišnja oborina je obično između 1000 i 1200 mm/god)

Page 24: Zaštita voda predavanja2

11.3.2013

24

Razdioba oborina tijekom godine je također izuzetno važna jer uvjetuje razmnožavanje, razvoj i rast organizama (posebno biljnih vrsta). Npr. ako većina oborina padne tijekom nekoliko vlažnih mjeseci, tada organizmi moraju imati sposobnost preživljavanja tijekom preostalog sušnog razdoblja.

Vlažnost zraka utječe na organizme kopnenih sustava (o vlažnosti zraka ovisi količina vode koja isparava iz tijela životinja, te djeluje na plodnost, duljinu života i smrtnost pojedinih organizama).

Ovisno o količini i rasporedu oborina tijekom godine razvijaju se različite vrste staništa u kopnenim ekosustavima:

Abiotički činitelji

Atmosferski plinovi

o Kisik – potreban za disanje svih biljaka i životinja.

o Ugljični dioksid – neophodan za proces fotosinteze.

o Dušik – inertan plin te ga samo u posebnim slučajevima neki rijetki organizmi koriste iz atmosfere.

U atmosferi koncentracije plinova su približno konstantne.

U vodenim ekosustavima koncentracije atmosferskih plinova su promjenjive i ovise o prilikama u sustavu (npr. količina otopljenog kisika u vodi ovisi o temperaturi vode i otopljenim solima). Iz tog razloga se koncentracije otopljenog kisika u brdskim potocima, ravninskim rijekama i moru značajno razlikuju, te se kao posljedica toga i razvijaju specifične vrste organizama unutar njihovih staništa.

Abiotički činitelji

Page 25: Zaštita voda predavanja2

11.3.2013

25

Strujanja (vjetar, morska i vodena strujanja)

Vjetar

Utječe na aktivnost organizama i gustoću populacija (pod utjecajem vjetrova pojedini organizmi mogu biti preneseni na veće udaljenosti čime se izravno utječe na raspored pojedinih vrsta u kopnenim ekosustavima).

Vrši eroziju i transport čestica tla.

Pojačava isparavanje vode, što ima poseban učinak u područjima s malim količinama vode, odnosno vlage.

Abiotički činitelji

Sjeverna strana otoka Raba

Morska i vodena strujanja

Gibanje vode u vodotocima je uzrokovano prvenstveno gravitacijskim silama.

Gibanje vode u jezerima i morima može biti izazvano:

o vjetrovima,

o razlikama u temperaturi i gustoći vode mora,

o plimom i osekom,

o promjenama tlaka zraka,

o Coriolis-ovom silom uslijed okretanja Zemlje.

Morska i vodena strujanja mijenjaju koncentracije otopljenih plinova i biogenih soli te utječu na aktivnost organizama i gustoću njihovih populacija.

Pod utjecajem morskih strujanja pojedini organizmi ili njihova hrana mogu biti preneseni i na veće udaljenosti čime se izravno utječe na raspored pojedinih vrsta u vodnim ekosustavima.

Abiotički činitelji

Page 26: Zaštita voda predavanja2

11.3.2013

26

S obzirom na dominantne sile koje uzrokuju gibanje vodenih masa, površinske kopnene vode se dijele

o stajaćice (jezera, bare, močvare)

o tekućice (potoci, rijeke, kanali)

Stajaćice su kopnene vode kod kojih nema izrazitog gibanja vodene mase pod utjecajem gravitacije (strujanja su izazvana uglavnom vjetrovima, dok kod velikih prostranih jezera većih od 20 km na strujanja značajno utječe i zemljina Coriolis-ova sila).

Tekućice su površinske kopnene vode s izrazitim tokom koji je uvjetovan nagibom dna vodotoka, odnosno silama gravitacije.

S obzirom na brzinu toka, tekućice se dijele na:

o brzotoke (brzina toka veća od 2 m/s),

o mirne tekućice (brzina toka manja od 1 m/s).

Abiotički činitelji

O brzini vodenih strujanja ovisi izgled vodenih staništa. Šljunčano i stjenovito dno prevladava gdje su brzine strujanja velike. Pjeskovito i muljevito dno prevladava u vodenim staništima s malim brzinama strujanja.

Abiotički činitelji

Page 27: Zaštita voda predavanja2

11.3.2013

27

Vodotoci s većim brzinama strujanja imaju veću zasićenost vode kisikom

Ovisno o brzini vodenih strujanja, razvile su se odgovarajuće riblje vrste koje su svojom građom prilagođene uvjetima u takvim staništima:

PastrvaSom

Abiotički činitelji

Hranjive tvari

Hranjive tvari (nutrijenti) – organske i anorganske tvari koje su potrebne organizmima za život i rast, odnosno tvari koje se koriste u metabolizmu organizama te se stoga moraju uzeti iz okoliša.

Organske hranjive tvari su bjelančevine, masti, ugljikohidrati i vitamini (organske tvari organizmi dobivaju konzumirajući druge organizme, te se stoga ne smatraju abiotičkim činiteljima)

Anorganske hranjive tvari su biogene ili hranjive soli koje koriste zelene biljke i fitoplankton za svoj razvoj.

Živi organizmi u procesima metabolizma koriste obično 20 do 30 kemijskih elemenata.

S obzirom na udjel u suhoj organskoj tvari, nutrijenti se klasificiraju u dvije osnovne grupe:

o makronutrijenti sudjeluju s više od 0.2% u suhoj organskoj tvari,

- nutrijenti koji sadrže C,O,H,N,P sudjeluju s više od 1%

- nutrijenti koji sadrže S,Cl,K,Na,Ca,Mg,Fe,Cu sudjeluju s 0.2-1%

o mikronutrijenti potrebni samo u tragovima (Al, B, Br, Cr, Cb, F,…)

Abiotički činitelji

Page 28: Zaštita voda predavanja2

11.3.2013

28

Ovisno o količini i sastavu hranjivih soli u tlu i vodi, kopnena i vodena staništa su manje ili više bogata živim organizmima.

Sa stanovišta vodenih ekosustava, najveće značenje imaju soli dušika i fosfora.

Vodotok bogat hranjivim solima za vrijeme cvjetanja algi

Vodotok siromašan hranjivim solima

Abiotički činitelji

Tlak

Atmosferski tlak (tlak zraka) u kopnenim ekosustavima nema nekog osobitog značaja na razvoj pojedinih vrsta.

Ovisi o klimatskim i vremenskim uvjetima.

U vodenim ekosustavima tlak se znatno mijenja s dubinom (hidrostatski tlak), tako da u dubokim morima mogu živjeti samo vrlo rijetke vrste organizama.

Razlike u tlaku zraka imaju vrlo važnu ulogu u formiranju morskih strujanja.

Abiotički činitelji

Page 29: Zaštita voda predavanja2

11.3.2013

29

2.3.1.2. Biotički činitelji

Struktura životne zajednice uključuje mnoge tipove uzročno-posljedičnih veza i interakcija, kako među pojedinim vrstama tako i između vrsta i njihovog staništa:

o korištenje iste hrane, prostora i drugih okolišnih izvora

o kruženje hranjivih tvari kroz sve pripadnike životne zajednice

o uzajamna regulacija brojnosti populacije

Međudjelovanja organizama i populacija mogu se opisati kao:

o pozitivna (imaju pozitivan učinak jedna na drugu),

o negativna (jedna populacija smeta drugoj populaciji),

o neutralna (nemaju utjecaj jedna na drugu).

Odnosi između jedinki različitih vrsta (npr. A i B)

o Neutralizam – populacije nemaju učinka jedna prema drugoj.

o Kompeticija – obje populacije djeluju smetnjama jedna prema drugoj, bilo neposredno ili posredno (npr. dvije vrste predatora koji žive na istom prostoru i hrane se istim plijenom).

o Amensalizam – na populaciju A djeluju smetnje, na B nema utjecaja (npr. kod mikroorganizama gdje jedna vrsta izlučuje tvari koje su štetne za drugu vrstu).

o Komensalizam – povoljan odnos za populaciju A, za populaciju B bez učinka,

o Mutualizam – povoljan i obvezatan odnos za obje populacije (simbioza).

o Predatorstvo, parazitizam – pozitivan i obvezatan odnos za populaciju A, negativan za B.

Biotički činitelji

Page 30: Zaštita voda predavanja2

11.3.2013

30

Odnosi među jedinkama iste vrste

Jedinke iste vrste međusobno su povezane brojnim i različitim odnosima, među kojima je najvažniji reprodukcijski odnos, tj. razmnožavanje o kojem direktno ovisi natalitet (natalitet je čimbenik rasta i povećanja brojnosti, a mortalitet čimbenik nazatka svake populacije).

Uravnoteženim odnosom nataliteta i mortaliteta održava se brojnost populacije stalnom.

Kompeticija – najjači biotički čimbenik unutar jedinki iste vrste. S porastom broja jedinki smanjuju se raspoloživi prostor, hrana i voda u okolišu, te se pogoršavaju uvjeti razmnožavanja i preživljavanja. Kao posljedica, pojavljuju se različiti kompeticijski odnosi unutar same populacije (u smislu konkurencije za vodom, hranom, životnim skloništem ili/i spolnim partnerom) koji ograničavaju mogućnosti neograničenog porasta populacije.

Biotički činitelji

Djelovanje biotičkih činitelja u ekosustavu je tijesno vezano s abiotičkim činitelja (brojnost jedinki ovisi o prilikama u okolišu kao što su npr. svjetlost, toplina, vlaga i sl.).

U različitim godinama varira brojnost jedinki unutar populacije (ako su uvjeti okoliša optimalni za rast populacije, populacija će se povećavati ili održavati na stalnom broju; ako su uvjeti nepovoljni, populacija će se smanjivati).

Uz natalitet i mortalitet, za usklađivanje brojnosti populacije s kapacitetom okoliša posebno su značajni: reproduktivni potencijal, rast populacije, dobna struktura, gustoća i raspored jedinki u prostoru.

O odnosu reproduktivnog potencijala odnosno nataliteta s jedne strane i mortaliteta s druge strane ovisi rast populacije.

Biotički činitelji

Page 31: Zaštita voda predavanja2

11.3.2013

31

2.3.1.3. Utjecaj ekoloških činitelja

Aktivnosti organizama direktno ovise o raspoloživosti pojedinih ekoloških činitelja, odnosno nedostatak pojedinog ekološkog činitelja može usporiti razvoj ili smanjiti razmnožavanje organizama.

Ograničavajući činitelj razvoja – činitelj koji svojom količinom ili intenzitetom ograničava razvoj organizama (kontrolira brojnost populacije).

Pravilo minimuma – rast organizama ovisi o količini one hranjive tvari koja se nalazi u minimalnoj količini ("pravilo lanca", lanac je toliko čvrst koliko i najslabija karika).

Pravilo minimuma u potpunosti vrijedi kad je stanje ekosustava nepromjenjivo (u prirodi se organizmi mogu prilagođavati, pa se pojedine tvari kojih ima u nedovoljnim količinama mogu zamjenjivati onima kojih ima dovoljno).

Organizmi se razvijaju između minimuma i maksimuma ekoloških činitelja koji predstavljaju granice tolerancije ili ekološku valenciju.

Organizmi koji imaju usku ekološku valenciju su stenovalentni organizmi, a oni sa širokom ekološkom valencijom su eurivalentni organizmi (što je valencija šira to su organizmi otporniji na vanjske promjene)

Opstanak vrste na nekom području ovisi o granicama tolerancije svih relevantnih ekoloških činitelja.

Utjecaj ekoloških činitelja

Page 32: Zaštita voda predavanja2

11.3.2013

32

2.3.2. Biološka raznolikost i prirodna ravnoteža

Raznolikost i brojnost životnih zajednica unutar pojedinog staništa ovisi prvenstveno o ekološkim činiteljima, odnosno mogućnostima staništa da osigura dovoljnu količinu, kvalitetu i rasprostranjenost hrane i vode te skrovište za veći broj vrsta (dovoljno je da samo jedan od uvjeta nije ispunjen, pa da određeno stanište nije pogodno za razvoj određene životne zajednice).

Biološka raznolikost – sveukupnost svih živih organizama koji su sastavni dijelovi ekoloških sustava, a uključuje raznolikost unutar vrsta, između vrsta, životnih zajednica, te raznolikost između ekoloških sustava.

Zajednica koja ima veću biološku raznolikost je kompleksnija i stabilnija od one koja ima malu raznolikost (hranidbene mreže raznolikije zajednice su više povezane čime su i otpornije na poremećaje).

Dva potpuno različita primjera biološke raznolikosti:

Biološka raznolikost, sama po sebi, ne predstavlja indikator antropogenih utjecaja. Indikator antropogenih utjecaja su promjene u biološkoj raznolikosti.

Koraljni greben

Pjeskovito dno

Biološka raznolikost i prirodna ravnoteža

Page 33: Zaštita voda predavanja2

11.3.2013

33

Prirodna ravnoteža je stanje međusobno uravnoteženih odnosa i utjecaja živih bića među sobom i s njihovim staništem.

Prirodna ravnoteža može biti narušena ako se:

o poremeti kvantitativna ili kvalitativna struktura životnih zajednica,

o ošteti ili uništi stanište,

o uništi ili promijeni sposobnost djelovanja ekološkog sustava,

o prekine međusobna povezanost pojedinih ekoloških sustava ili prouzroči znatnija izoliranost pojedinih populacija.

Mirna ravnoteža

Dinamična ravnoteža

Stabilna ravnoteža

Nestabilna ravnoteža

Biološka raznolikost i prirodna ravnoteža

Brojnost populacija pojedinih vrsta se može ciklički mijenjati ovisno o uvjetima staništa:

Promjene u prirodnoj ravnoteži i biološkoj raznolikosti ekosustava mogu biti rezultat prirodnih procesa, npr.:

o migracije zbog promijenjenih uvjeta života u staništu (erozije tla, požari, erupcije vulkana, promijenjeni klimatski uvjeta, itd.),

o migracije uslijed potpune iskorištenosti hranidbenih potencijala nekog staništa (npr. skakavci).

Biološka raznolikost i prirodna ravnoteža

Odnos između brojnosti predatora i plijena

Page 34: Zaštita voda predavanja2

11.3.2013

34

2.3.3. Metabolizam ekosustava

Pojedine vrste unutar životne zajednice međusobno su vezane tzv. lancem prehrane ili hranidbenim lancem putem kojeg se vrši neprekidna razmjena tvari i energije.

Razmjena tvari i energije između članova životne zajednice se naziva metabolizam ekosustava.

Prema načinu prehrane u životnoj zajednici postoje dvije vrste organizama: Autotrofni organizmi koriste sunčevu energiju i hranjive anorganske tvari (biogene soli) za proizvodnju novih složenih organskih spojeva. Heterotrofni organizmi za prehranu koriste organsku tvar biljaka i životinja.

Prema vrsti organske tvari kojom se hrane, heterotrofni se mogu podijeliti na: Biofagi ili potrošači (konzumenti) se hrane živim organizmima. Saprofagi koriste za prehranu mrtvu organsku tvar.

Sa stanovišta kruženja organske tvari u životnoj zajednici se razlikuju: Proizvođači (autotrofni organizmi) Potrošači:

Fitofagi (biljojedi) – Potrošači I redaZoofagi (mesojedi)

Potrošači II reda (mesojedi koji se hrane biljojedima)Potrošači III reda (mesojedi koji se hrane mesojedima)

Saprofagi (koriste za prehranu mrtvu organsku tvar) Razlagači (reducenti) – posebna vrsta saprofaga (bakterije, kvasci, plijesni, gljive) koji se hrane mrtvom organskom tvari te je pretvaraju u anorganske spojeve.

Metabolizam ekosustava

Page 35: Zaštita voda predavanja2

11.3.2013

35

Unutar metabolizma ekosustava razlikuju se slijedeće faze:

1. faza – primanje i vezivanje Sunčeve energije postupkom fotosinteze i proizvodnja primarne organske tvari

2. faza – potrošnja primarne organske tvari i pretvorba u nove organske spojeve.

3. faza – razgradnja mrtve organske tvari

1. Faza

2. Faza

3. Faza

Metabolizam ekosustava

1. Faza: primanje i vezivanje sunčeve energije postupkom fotosinteze i proizvodnja primarne organske tvari

Postupkom fotosinteze se sunčeva energija pretvara u kemijsku energiju:

6CO2 + 6H2O + Sunlight C6H12O6 + 6O2

Na ovaj način se proizvodi primarna organska tvar, odnosno biljke pretvaraju sunčevu radijaciju u kemijsku energiju tako što proizvode stanice i tkiva koji istovremeno omogućavaju njihov rast.

Fotosinteza se odvija unutar stanica biljki uz pomoć klorofila.

Oko 1% sunčeve energije koja stigne na površinu Zemlje pretvori se u kemijsku energiju procesom fotosinteze.

Metabolizam ekosustava

Page 36: Zaštita voda predavanja2

11.3.2013

36

2. Faza: potrošnja primarne organske tvari i pretvorba u nove organske spojeve

Transfer energije od jednog živog organizma k drugome odvija se kroz hranidbeni lanac:

o potrošači I reda (biljojedi) – primarni potrošači energije.

o potrošači II, III i IV reda (mesojedi) – sekundarni potrošači energije.

Organizmi energiju dobivaju respiracijom tijekom koje se vrši oksidacija organske tvari:

C6H12O6 + 6O2 6CO2 + 6H2O + Released energy

U procesu ishrane korištenje energije iz hrane nije visoko efikasno, tako da se veća količina hrane gubi neiskorištena (potroši se na toplinu, izgubi se u obliku izmeta i neprobavljene hrane, itd.).

Metabolizam ekosustava

Približno 10% raspoložive energije na nižem nivou hranidbenog lanca se iskoristi na višem nivou.

Ako se promotri brojnost pojedinih vrsta organizama unutar ekosustava, ili količina biomase, oni formiraju piramidu biomase.

Metabolizam ekosustava

Page 37: Zaštita voda predavanja2

11.3.2013

37

Oblik piramide ovisi o vrsti životne zajednice kao i vremenu kada je stanje prikazano.

Piramida biomase ukazuje na stanje ekosustava.

Praćenjem piramide biomase moguće je donijeti određene zaključke o postojanosti sustava u određenom vremenu, odnosno o mogućim poremećajima (npr. povećana biomasa proizvođača može biti posljedica antropogenih unosa hranjivih tvari u ekosustav, smanjeni broj potrošača višeg reda može biti rezultat izlova, itd.)

S proljeća i tijekom ljeta je broj proizvođača znatno veći nego zimi (veći intenzitet svjetlosti i povoljnija temperatura).

Metabolizam ekosustava

3. Faza: razgradnja mrtve organske tvari do anorganske

Razlagači mrtvu organsku tvar pretvaraju u anorganske tvari koje biljke koriste opet za primarnu proizvodnju.

Ugibanjem organizama i njihovom razgradnjom do nivoa anorganskih tvari, sunčeva energija akumulirana u primarnoj organskoj tvari je u potpunosti potrošena na toplinu koja je vraćena nazad u atmosferu.

Energija kroz ekosustav protječe. Nakon što se iskoristi za životne potrebe, napušta ekosustav u obliku toplinske energije. Protok energije je nepovratan.

Protok tvari je kružan i povratan, jer tvari ne napuštaju ekosustav već kruže u zatvorenom toku.

Jedan dio organske tvari ipak ostaje nerazgrađen i akumuliran u životnom staništu u obliku kemijske energije (npr. treset, ugljen, nafta, zemni plin, itd.).

Metabolizam ekosustava

Page 38: Zaštita voda predavanja2

11.3.2013

38

Ekosustav kratkovalno sunčevo zračenje pretvara u dugovalno toplinsko zračenje koje se vraća nazad u atmosferu.

Tvari kruže iz jednog nivoa u drugi, od anorganskih tvari koje koriste proizvođači, preko potrošača do razlagača koji razgrađuju mrtvu organsku tvar nazad do nivoa anorganskih tvari.

Pedosfera, litosfera, atmosfera i hidrosfera služe kao spremnik iz kojeg se uzimaju tvari i u uključuju u ciklus ili vraćaju nazad tvari izdvojene iz ciklusa (npr. odlažu u tlo, talože na dnu jezera i mora ili u geološkim formacijama, odlaze u atmosferu, i sl.).

Metabolizam ekosustava

2.3.4. Aerobna i anaerobna razgradnja organske tvari

Razgradnja organske tvari se odvija uz pomoć bakterija.

Ovisno o prisutnosti kisika, razgradnju može vršiti pet vrsta bakterija.

Ako na mjestu razgradnje postoji dovoljna količina kisika, odvija se aerobna razgradnja. Ako kisika nema dovoljno, tada dolazi do anaerobnih prilika i započinje proces anaerobna razgradnje.

1. aerobne (zahtijevaju kisik za razgradnju/oksidaciju organskih tvari)

2. anaerobne (razgradnju vrše bez prisutnosti kisika, za ove bakterije kisik je toksičan)

3. fakultativne (mogu koristiti kisik, međutim istovremeno energiju mogu proizvoditi i anaerobnim metodama)

4. mikroaerofilne (trebaju kisik ali u malim koncentracijama)

5. aerotolerantne (anaerobne bakterije koje mogu preživjeti prisutnost kisika)

Page 39: Zaštita voda predavanja2

11.3.2013

39

2.3.5. Biogeokemijski ciklusi

Proces kruženja pojedinih kemijskih elemenata ili spojeva u prirodi se naziva biogeokemijski ciklus (objedinjuje geološki i biološki dio ciklusa kruženja tvari te kemijske procese putem kojih se te tvari transformiraju iz jednog oblika u drugi).

Kad se promatra kruženje tvari u ekosustavu, od posebnog je interesa kruženje biogenih ili hranjivih soli dušika i fosfora, te kruženje ugljika kao najzastupljenijeg kemijskog elementa u suhoj organskoj tvari.

S obzirom na važnost u ekosustavu i ukupni udio u suhoj organskoj tvari, obično se analiziraju ciklusi kruženja C, N i P.

Ciklus kruženja dušika

Biogeokemijski ciklusi

Page 40: Zaštita voda predavanja2

11.3.2013

40

U ekosustave najvećim dijelom ulazi konzumacijom nitrata od strane biljaka, te manjim dijelom fiksacijom iz atmosfere.

Fiksacija iz atmosfere se odvija na dva načina:

o neke bakterije, alge i biljke uzimaju direktno dio dušika iz atmosfere

o električnim pražnjenjem ili munjom, dušik oksidira u dušik-oksid te zatim putem oborina dospijeva na tlo.

U tlo dospijeva:

o razgradnjom mrtve organske tvari,

o korištenjem umjetnih gnojiva.

Dio dušika se gubi iz ciklusa taloženjem organske tvari u rijekama jezerima i morima, a dio odlazi u atmosferu kao posljedica denitrifikacije.

Dodatne količine dušika odlaze u atmosferu izgaranjem fosilnih goriva.

OBJAŠNJENJE SLIKE

Biogeokemijski ciklusi

Ciklus kruženja ugljika

Biogeokemijski ciklusi

Page 41: Zaštita voda predavanja2

11.3.2013

41

Ugljik se nalazi u:

o organskim molekulama mrtvih i živih organizama

o atmosferi u obliku CO2

o organskoj tvari u tlu

o sedimentnim stijenama i fosilnim gorivima

o oceanima u obliku CO2

o školjkama u obliku CaCO3

U ekosustave najvećim dijelom ulazi iz atmosfere kroz proces fotosintezekoji se odvija u kopnenim i vodnim ekosustavima.

U atmosferu dospijeva:

o razgradnjom mrtve organske tvari,

o disanjem biljki i životinja,

o difuzijom iz oceana te

o izgaranjem fosilnih goriva.

Dio se gubi iz ciklusa taloženjem na dnu mora i u sedimentnim stijenama.

OBJAŠNJENJE SLIKE

Biogeokemijski ciklusi

Ciklus kruženja fosfora

Biogeokemijski ciklusi

Page 42: Zaštita voda predavanja2

11.3.2013

42

Fosfor se nalazi u:

o fosfatnim stijenama,

o tlu,

o otopljen u površinskim vodama,

o morskim sedimentima,

o živim organizmima.

Biljke za svoj razvoj koriste fosfor koji se nalaze u tlu, dok alge koriste fosfor otopljen u površinskim vodama.

U postupku fotosinteze alge i biljke koriste ortofosfate (PO43-, HPO4

2-, H2PO4

-, H3PO4).

Fosfati se obnavljaju prvenstveno razgradnjom životinjskih izlučevina i mrtve organske tvari biljki i životinja, te na taj način ulaze u biogeokemijski ciklus.

Ukupne količine fosfora se smanjuju taloženjem u morima.

Nadoknađuje se erozijom fosfatnih stijena i naslaga te antropogenim putem.

OBJAŠNJENJE SLIKE

Biogeokemijski ciklusi

Biogeokemijski ciklusi

Page 43: Zaštita voda predavanja2

11.3.2013

43

Ugibanjem algi, riba i životinja, te izlučivanjima živih riba i životinja nastaju organske čestice unutar kojih se nalazi i fosfor.

Organske čestice se razgrađuju do otopljenog anorganskog fosfora.

Bakterije koriste otopljeni anorganski fosfor i pretvaraju ga u organski fosfor koji zatim koriste biljke za svoj razvoj.

Dio organskih čestica kao i netopivi dio fosfora se taloži na dnu u sedimentima odakle se opet regenerira i vraća u ciklus.

Dodatne količine fosfora u vodene ekosustave unosi čovjek (otpadne vode, umjetna gnojiva, itd.).

OBJAŠNJENJE SLIKE

Biogeokemijski ciklusi

2.3.6. Ekološke sukcesije

Predvidljive i pravilne promjene karakteristika životnog staništa tijekom vremena nazivaju se ekološki sljedovi ili sukcesije, a označavaju u stvari proces prirodnog starenja određenog ekosustava.

Vrste ekoloških sukcesija: primarne i sekundarne.

Primarna sukcesija je inicirana formacijom novog dotad nenastanjenog staništa a započinje u područjima gdje inicijalno nije bilo tla (naseljavanje ranije nenaseljenog prostora nakon npr. erupcije vulkana, značajnog klizanja tla, i sl.).

Sekundarna sukcesija nastaje nakon nekog značajnog poremećaja u ekosustavu a započinje na područjima gdje već postoji tlo (obnova uništenih zajednica živih bića nakon npr. šumskih požara, uragana, sječe šuma, žetve, i sl.)

Page 44: Zaštita voda predavanja2

11.3.2013

44

2. Primjer sekundarne sukcesije:zapušteno polje transformirano u livadu na kojoj se pomalo razvija i nisko raslinje.

1. Primjer sekundarne sukcesije:obnavljanje šume nakon požara (lijevo -neposredno nakon požara, desno - dvije godine poslije).

Ekološke sukcesije

S obzirom na izvor djelovanja koji dovodi do promjena, sukcesije mogu biti: endodinamičke i egzodinamičke.

Endodinamičke sukcesije su uvjetovane odnosima i djelovanjima unutar ekosustava.

Primjer endodinamičke sukcesije: prirodni proces transformacije jezera u livadu, te livade u šumu.

Uzrok transformacije jezera u livadu je postupna sedimentacija organskih i anorganskih tvari na dnu jezera uslijed ugibanja organizama koji žive u jezeru ili uslijed donosa materijala bujicama i rijekama.

Ekološke sukcesije

Page 45: Zaštita voda predavanja2

11.3.2013

45

Uzrok transformacije livade u šumu je postupno stvaranje sloja hranjivih tvari u tlu (humusa), neophodnih za rast najprije šikare a zatim i crnogoričnih i bjelogoričnih šuma.

Ekološke sukcesije

Endodinamičke sukcesije se ponekad mogu registrirati u prostoru, posebno uz jezera.

Uz rub jezera se redom nalaze:-voda,-močvarno područje s akvatičnom vegetacijom,-treset s biljkama lončanicama i mahovinom (borovnica),-tlo s grmljem i šikarom,-crnogorica odnosno četinari (smreka),-bjelogorica (javor).

Ekološke sukcesije

Page 46: Zaštita voda predavanja2

11.3.2013

46

Egzodinamičke sukcesije su posljedica činitelja izvan ekosustava.

Klimatogene sukcesije – do promjena dolazi uslijed utjecaja klime u kraćem ili duljem vremenskom razdoblju.

Edafogene sukcesije – promjene nastaju uslijed promjena karakteristika zemljišta (npr. uslijed erozije, sedimentacije, snižavanja i povišenja razine podzemnih voda, i sl.).

Antropogene sukcesije – promjene su posljedica čovjekova djelovanja.

Vrijeme

???

Prirodno stanje ekosustava

Blagi poremećaj

Značajni poremećaj

Prirodno stanje ekosustava

Prirodna sukcesijaPoremećaj

Kak

voća

oko

liša

Ekološke sukcesije

Erozija aktivirana prenamjenom tla u poljoprivredno zemljište.

Isušivanje močvare i pretvorba u poljoprivredno zemljište

Lom stabala prouzročen vjetrom nakon sječe šumskog pojasa.

Antropogene sukcesije mogu biti pokrenute npr.:-klimatskim promjenama, -prenamjenom prirodnih površina,-sječom šuma,-požarima,-ispuštanjem otpadnih voda, -izgradnjom hidrotehničkih objekata, -korištenjem umjetnih gnojiva i pesticida, -ispuštanjem otpadnih plinova,-itd.

Ekološke sukcesije