Ecosistemul acvatic

Ecosistemul acvatic

Sistemele biologice

Ecosistemele sunt sisteme naturale si seminaturale dinamice, productive care dupa mediul fizic se impart in doua categorii: terestre si acvatice.

Sistemele biologice si sistemele ecologice care le integreaza mentin un nivel ridicat de organizare(entropie minima) prin concentrarea in trepte a energiei solare sau partial a energiei potentiale a unor compusi chimici anorganici concomitent cu transformarea energiei concentrate in energie degradata(neutilizabila). Sistemele biologice si sistemele lor suport, reprezentand sistemele ecologice, sunt sisteme neechilibrate sau sisteme indepartate de starea de echilibru (entropie maxima), respectiv unitati organizate care dispun de structuri disipative foarte eficiente prin care "dezordinea este pompata in exteriorul lor"(Prigogine et al.1972;Odum E.,1983,1993;Odum H.T.,1983;Chiras,1991;Botnariuc E., Vadineanu A., 1982;Botnariuc 1976,1986;Vadineanu,1987,1990).

Ecosistemul acvatic functoneaza ca unitate naturala producatoare de resurse si servicii. El este constituit din doua componente principale biotopul si biocenoza, intre care se stabilesc relatii de interdependenta.

Activitatea componentelor biocenozei modifica biotopul, modificare care la randul ei induce schimbari in structura biocenozei. Procesul este continuu si are ca finalitate o stare de echilibru structural si functional de durata-climaxului.

Dinamica ecosistemului este determinata de interactiunea componentelor biotice si a acestora cu factorii ecologici.

Dinamica este un proces care se desfasoara programat de la simplu la complex si poate fi caracterizat ca o succesiune de tranzitii de stari periodice, care alterneaza cu tranzitii de stari neperiodice.

Sensul dinamicii ecosistemului este dat de comportamentul antientropic al componentelor biologice din structura sa;cresterea gradului de organizare prin acumulare de biomasa si eliminare de entropie, cresterea domeniului de stabilitate si a expresiei sale concrete, capacitatea de productie.

Principiile care stau la baza functionarii ecosistemelor sunt:

principiul maximalizarii -intrarii de energie in ecosistem si

principiul utilizarii energiei la nivelul compartimentelor trofice.

Maximalizarea intrarilor se realizeaza prin restructurare cantitativa si calitativa, crestere si diversificare.

Maximalizarea eficientei utilizarii energiei intrate se realizeaza prin diversificarea si specializarea trofica a populatiilor din structura compartimentelor trofice, iar maximalizarea fluxului de energie prin conectarea lanturilor trofice impune si accelerarea proceselor de reciclare a materiei organice si mineralizare, aparitia unor lanturi trofice noi cu originea in C.O.D. si C. O. P.

Ecosistemul in dinamica sa realizeaza tranzitii catre o faza de maxima stabilitate si eficienta functionala, reprezentand caracteristica zonei ecologice respective.

Succesiunea tranzitiilor determina maximalizarea intrarilor de energie si a eficientei consumului de energie prin cresterea si perfectionarea gradului de organizare, diversificare structurala si functionala. Maximalizarea intrarilor la nivelul producatorilor primari are loc prin: cresterea numarului producatorilor, restructurarea populatiilor constitutive si specializarea lor trofica.

Cresterea eficientei consumului de energie se realizeaza prin conectarea lanturilor trofice cu originea in productia primara si aparitia lanturilor trofice cu originea in COD si COP, conectarea acestora la reteaua trofica.

Dinamica pe termen lung a ecosistemelor releva doua etape calitativ diferite:succesiunea si evolutia.

Succesiunea este etapa de crestere si dezvoltare structurala si functionala a ecosistemului, in care functiile si structura ecosistemului sunt evaluate pe baza parametrilor cantitativi.

Evolutia este etapa de perfectionare structurala si functionala in care dinamica sistemului determina schimbari calitative in plan structural si functional.

Cresterea si dezvoltarea se realizeaza in mai multe faze, prin maximalizarea fluxului de energie si a vitezei de reciclare a elementelor minerale, faze carora le sunt caracteristice un anumit grad de organizare, domeniului de stabilitate si a capacitatii de suport.

Biotopul in aceste faze, bogat in resurse este propice instalarii populatiilor capabile sa-l ocupe rapid, caracterizate prin talie mica, ciclu de viata scurt si prolificitate mare. Energia este canalizata catre efortul reproductiv, strategie, in care importanta este populatia.

Analizand parametrii productiei biologice: productivitatea, biomasa si consumul de energie, se constata ca in fazele timpurii ale succesiunii, productivitatea este mare, biomasa si consumul de energie sunt mici.

Ecosistemul este capabil sa furnizeze resurse. Biocenoza este influentata in aceste faze de factorii ecologici.

In cursul succesiunii scade rata productivitatii, creste cantitatea de biomasa si implicit consumul de energie, scade capacitatea ecosistemului de a exporta resurse.

In fazele tarzii ale succesiunii toata energia care intra in ecosistem este consumata pentru mentinerea gradului de organizare corect, eliminarea entropiei, faze in care ecosistemul furnizeaza preponderent servicii.

Diminuarea resurselor determina restructurarea biocenozei, populatiile fazelor timpurii sunt inlocuite treptat cu populatiile ce manifesta alta strategie de viata; populatii cu prolificitate mica si ciclu de viata lung, strategie in care important este individul.

Volumul resurselor determina strategii diferite si la populatiile din structura lantului trofic. Populatiile verigilor trofice inferioare sunt intens exploatate, determinand o prolificitate mica a verigilor superioare, impusa de diminuarea energiei disponibile.

Prin componenta sa biotica ecosistemul se manifesta ca o unitate dinamica, sensul dezvoltarii sale este dictat de comportamentul antientropic al edificiului biologic din structura sa. Incorporarea de biomasa, caracterul antientropic al consumului de energie, confera ireversibilitate transformarilor cantitative. Tendinta ecosistemelor este de sporire a tuturor formelor de energie: productiva, de intretinere si potentiala. Cresterea potentialului energetic depinde de: energia solara, elementele minerale, structura producatorilor primari, consumul de energie- numarul de transformari-(numar de nivele trofice)si eficienta utilizarii diversificare si specializare. Caracterul dinamicii sale este asemanator cu dinamica sistemelor nelineare in care tranzitiile de stare periodice sunt urmate de tranzitii de stare neperiodice.

Ecosistemul creste si se dezvolta programat, dezvoltarea lui se realizeaza in etape prin maximalizarea fluxului de energie intrata si eficienta utilizarii energiei. Dezvoltarea se realizeaza prin inglobare de biomasa la nivelul verigilor trofice, eliminare de entropie, cresterea gradului de organizare prin diferentiere functionala si diversificare structurala. Fiecarei etape de dezvoltare ii este caracteristic un anumit domeniu de stabilitate si capacitate de suport.

In dezvoltarea sa ecosistemul tinde catre o stare caracterizata prin diversitate optima si stabilitate maxima. In dezvoltarea sa ecosistemul trece prin doua etape distincte: crestere(succesiune ) si evolutie.

Cresterea

In aceasta etapa ecosistemul isi sporeste cantitatea de biomasa, creste gradul de organizare, creste domeniul de stabilitate si capacitatea de suport. Poductia de energie este mai mare decat consumul.

Ecosistemul prezinta productivitate maxima, ce poate furniza resurse.

Functiile sistemului poat fi apreciate pe baza parametrilor cantitativi.

In ultimile faze ale succesiunii cresterea biomasei se accelereaza, determinand cresterea consumului de energie; rata de crestere a productiei scade si ecosistemul tinde sa utilizeze pentru sustinerea deficitului biologic toata energia intrata in fazele tarzii ale succesiunii. Ecosistemul nu mai exporta resurse, doar servicii. Populatiile din structura biocenozei, caracteristica fazelor timpurii ale succesiunii sunt populatii caracterizate prin talie mica, ciclu de viata scurt , prolificitate mare, un ritm inalt de multiplicare a biomasei, insusiri care le confera o productivitate biologica ridicata in strategia lor de supravietuire importanta. In cadrul relatiilor interspecifice preponderent sunt relatiile directe. Lanturile trofice sunt scurte actiunea factorilor ecologici asupra biocenozei este puternica si conditioneaza de o maniera categorica productia si productivitatea biologica, derularea succesiunii poate fi franata prin eliminarea unei parti din biomasa sau accelerata prin aport de biomasa.

Evolutia

Ecosistemul isi perfectioneaza mecanismele de reglare, gradul de organizare, creste eficienta utilizarii energiei intrate, creste ponderea si importanta relatiilor indirecte in cadrul relatiilor interspecifice, biocenoza acestei etape ca urmare a ingustarii niselor trofice este constituita din populatii caracterizate prin ciclu de viata lung, talie mare, prolificitate mica, iar lanturile trofice se lungesc. Datorita comportamentului complex al populatiilor din structura sa, creste ponderea relatiilor informationale, ecosistemul are diversitate optima si manifesta stabilitate maxima.

In aceasta etapa, are loc o corelatie de tip informational, creste ponderea corelatiilor indirecte de tip feed-back. Se perfectioneaza mecanismele de control si reglare, creste eficienta utilizarii energiei.

La prima vedere, rezultatele par in contradictie cu principiul de crestere al partilor de energie date acestui metabolism(respiratie). Prin cuprinderea acestor actiuni duale, el face sa readuca consumatori, cu atat mai psihologici pradatorii care sunt mai ridicati in regnul animal si care sunt mult mai mari. S-a mai observat acest paralelism in mediul acvatic continental intre diverse caracteristici si locul lor in piramida Elton.

Cresterea gradului de organizare-optimizarea a structurii, se realizeaza prin acumulare de biomasa si eliminare de entropie.

Ritmul derularii fazelor succesionale creste proportional cu ritmul acumularii de biomasa Pierderea de biomasa incetineste ritmul derurarii fazelor succesionale, dar accelereaza ritmul producerii de biomasa.

Ecosistemele tind catre o stare de maxima stabilitate si optima diversitate. Mecanismele prin care se realizeaza stabilitatea depind de gradul de diversitate.

In biocenozele cu diversitate scazuta, stabilitatea este asigurata de competitia pentru resurse.

In cele cu diversitate crescuta, stabilitatea ecosistemului este asigurata de numarul niselor trofice. Diversitatea optima in ecosistemele cu surse limitate de energie este diversitatea mare, iar in cele ce beneficiaza de surse abundente de energie, diversitatea optima este cea scazuta. Deci fluxul de energie intr-un sistem ecologic este unidirectional de la sursa permanenta de energie solara catre modulele trofodinamice (sau nivelele trofice) superioare si in lungul acestei secvente scade cantitatea de energie concentrata dar creste calitatea acesteia(gradul de concentrare).

In sistemele transformate si controlate de catre populatiile umane(agrosisteme: complexe tehnice, piscicultura intensiva), cresterea fluxului de energie solara concentrata se realizeaza prin subsidii energetice considerabile obtinute de fapt din stocurile de energie foarte concentrata(combustibili fosili) care s-au constituit la scara de timp specifica proceselor geologice(Angheluta Vadineanu-Dezvoltare durabila,vol.1,pag.65).

Atat productivitatea primara cat si productivitatea secundara a unui sistem ecologic depinde pe de o parte de stocul de macro si microelemente existent in masa apei si in sedimentele superficiale, iar pe de alta parte de viteza cu care stocul respectiv este refacut de catre sistemele componente.

Productivitatea acestor ecosisteme este eficient valorificata de catre un numar redus de populatii, dar specializate trofic.

Ecosistemele in fazele succesionale timpurii manifesta o rata maxima a productivitatii biologice, prin manipularea structurii biocenozei, a factorilor ecologici si exploatarea resurselor. Ecosistemele pot fi mentinute sau readuse in aceste faze ale succesiunii.

Productia de biomasa concretizata in organisme vii este un proces ecologic care se desfasoara pe baza energiei solare si elementelor minerale si consta in transformarea factorilor de mediu in factori biologici de catre sistemele biologice. Capacitatea de a capta, fixa si transforma energia solara in biomasa se datoreaza clorofilei. Fotosinteza se desfasoara cu participarea elementelor minerale si bioxidului de carbon.

Organismele purtatoare de clorofila, plantele verzi(organisme autotrofe) isi asigura pe aceasta cale energia necesara cresterii si reproducerii.

Biomasa produsa prin fotosinteza, (productia primara), este sursa de energie a tuturor organismelor. Plantele consuma o parte din energia concentrata in biomasa, pentru nevoile sale metabolice, iar restul o acumuleaza ca biomasa proprie, productia primara.

Productia primara neta, este energia disponibila organismelor heterotrofe, consumatorii de productie primara, acestia utilizeaza energia consumata in mod asemanator plantelor. Biomasa acumulata de consumatori productia secundara, este suma biomasei celor doua categorii de consumatori: primari si secundari. Productia primara a plantelor depaseste consumul de catre fitofagi, cea mai mare parte se transforma in detritus. Numarul fitofagilor este mentinut la nivel scazut de catre organismele carnivore.

Sensul biologic al consumului de energie este cresterea si reproducerea sistemelor biologice relatiile dintre organisme determinate de utilizarea energiei concentrate in biomasa, determina organizarea acestora in, structuri:lanturi trofice a caror veriga de baza este totdeauna producatorul primar, sursa de energie directa pentru veriga a IIa consumatorul primar si indirecta pentru veriga a-IIIa consumatorul secundar.

Productivitatea biologica ca insusire a sistemelor vii se manifesta in ierarhia sistemelor biologice la nivel biocenotic, unitate productiva si suport al vietii, ansamblul populatiilor aflate in relatii de interdependenta si complementaritate functionala, care ocupa acelasi teritoriu.

Gruparea functionala a populatiilor biocenozei evidentiaza trei compartimente trofice: producatorii, consumatorii si descompunatorii lanturile trofice care au ca verigi populatiile dominante ale structurii trofice sunt lanturi trofice principale. Totalitatea populatiilor a caror abundenta numerica este mai mare de 15% sau au biomasa mai mare de 0% sunt dominante functional.

Populatiile care isi asigura intrarile de energie din mai multe surse realizeaza conectarea lanturilor trofice in reteaua trofica. Productia unui nivel trofic este cu atat mai mare cu cat este mai apropiat de nivelul producatorilor primari, lanturile trofice cu cat sunt mai scurte cu atat sunt mai productive.

Exprimarea grafica a raportului de biomasa intre compartimentele trofice are aspectul unei piramide- piramida trofica.

O categorie aparte de consumatori sunt descompunatorii, ce utilizeaza ca sursa de energie deseurile metabolice si materia organica excedentara, proces prin care disponibilizeaza elementele minerale din formele inaccesibile productiei primare.

Speciile care indeplinesc in cadrul structurii trofice aceiasi functie constituie un nivel trofic. Relatiile determinate de utilizarea energiei organizeaza populatiile in structurii trofice, lanturi , acestea isi au originea in productia primara neta, substanta organica dizolvata si substanta organica particulata. Relatiile interspecifice sunt mecanismele care asigura integralitatea structurala si functionala a biocenozei si productivitatea biologica.

Activitatea biocenozei se desfasoara sub comanda factorilor ecologici interactiune care realizeaza integrarea acesteia intr-o noua unitate integratoare ecosistemul unitatea elementara, a productiei biologice, doua procese ecologice fundamentale se desfasoara in ecosistem: circuitul energiei si circuitul elementelor minerale, pe baza lor biocenoza realizeaza productia biologica.

Productia biologica, rezulta din interactiunea factorilor biotici si abiotici

Functionarea ecosistemului este strict dependenta de sursa de energie.

Sistemele ecologice au tendinta de a-si spori productia de energie si eficicienta utilizarii energiei. Principiul energetic dupa care se desfasoara circuitul energiei este maximalizarea fluxului si a eficientei utilizarii energiei.

Sistemele ecologice in regim natural au capacitatea de a produce resursele biologice(energie concentrata) si de a recicla materia prima necesara productivitatii biologice, concentrand in trepte energia solara. Acest proces complex prin care se produc bunurile(resursele regenerabile) si se asigura o diversitate de "servicii"(calitatea apei) si respectiv se asigura caracterul antientropic al intregii ierarhii de sisteme ecologice, este un proces foarte costisitor din punct de vedere energetic. Energia radianta solara este sursa permanenta prin care se acopera aceste cheltuieli, iar sistemele biologice sunt cele mai eficiente structuri disipative.

Circuitul energiei initiat de fotosinteza se desfasoara pe lantul trofic unidirectional de la producatori primari la consumatori, densitatea fluxului de energie - productia primara neta- sufera o multiplicare pe lantul trofic , proces de acumulare si concentrare la nivelul verigilor trofice cu pierderea unei parti prin degradare .

Fluxul de energie se realizeaza cu cheltuieli energetice importante mai mult de 40% din energia absorbita se consuma in respiratie, numai 20-40% din energia asimilata de consumatori se transforma in biomasa, restul este consumat pentru mentinerea gradului de organizare si reciclarea nutrientilor. Pe lantul trofic la nivelul verigilor, creste: consumul de energie pentru disiparea entropiei, calitatea energiei( gradul de concentrare) si ficienta cnsumului de energie si scade cantitatatea de energie disponibila.

Eficientaasimilarii depinde de calitatea hranei si este mai mare la consumatorii secundari, peste 90% decat la consumatori primari unde este sub 80%. Energia totala a ecosistemului;( productiva de intretinere si potentiala), depinde de energia ce intra in ecosistem, numarul de transformari si eficienta transformarilor.

Cresterea potentialului, integrare de materie si eliminare de entropie depinde de: energia care intra in ecosistem, energia solara incidenta, stocul de elemente minerale accesibil, structura producatorilor primari si consumul de energie, numarul de transformari ( numarul nivelelor trofice) iar eficienta de diversitatea si specializarea ecologica a populatiilor, eficienta ecologica scade catre nivelele trofice superioare, sistemele biologice au tendinta sa-si sporeasca productia de energie utila caracterul antientropic al transformarii energiei confera ireversibilitate proceselor cantitative, in evolutie creste cantitatea de energie productiva, cantitatea de energie de intretinere si cantitatea de energie potentiala.

In stransa corelatie cu circuitul energiei se desfasoara si circuitul elementelor minerale, circuit care are ca suport stuctura ecosistemului, fotosinteza se desfasoara cu participarea elementelor minerale si a bioxidului de carbon. Stocul accesibil de nutrienti este limitat, cea mai mare parte a elementelor minerale este blocata in materia organica, disponibilizarea si reintrarea lor in circuit -reciclare, se realizeaza prin degradarea si mineralizarea deseurilor metabolice si materiei organice excedentare de catre structura trofica prin descompunatori si detritivori, circuitul elementelor minerale are caracter ciclic.

Reciclarea nutrientilor este rezultatul activitatii intregii structuri trofice si implica un mare consum de energie, rata reciclarii este dependenta de respiratie Cresterea stocului de elemente minerale disponibile se realizeaza prin cresterea vitezei de reciclare a materiei organice, accelerare a proceselor de mineralizare, crearea unor conditii optime descompunatorilor:ph, temperatura si oxigen.

Materia organica moarta este sursa de energie pentru toate microorganisme

cu exceptia nitrificatorilor procesarea acesteia pe cale metabolica elibereaza nutrientii care sunt reluati in circuit.

Sursele de azot in ecosisteme sunt: materia organica si azotul atmospheric

Degradarea proteinelor se realizeaza hidrolitic, printr-o serie de reactii in care sunt implicate mai multe grupe de bacterii: hidroliza, proteinelor- peptone-polipeptide-aminoacizi.

Aminoacizii sunt dezaminati prin: hidroliza, oxidare s-au reducere.Produsele finale ale descompunerii aerobe sunt: bioxidul de carbon, ammoniacul si apa - Amonificarea este realizatade: Pseudomonas ovalis, Bacillus mezenthericus, Bacterium mycoides, Proteus vulgaris -amoniacul este o forma de azot asimilabil. In prezenta oxigenului amoniacul este oxidat la azotat, treptele intermediare ale procesului de oxidare a amoniacului sunt: hiroxilamina, dihidroxilamina, nitrit, trepte in care sunt implicate nitrit bacteriile: Nitrosomonas, Nitrosocystis, Nitrosogloea. Oxidarea nitritilor in nitrati este realizata de catre Nitrobacter, Nitrocystis si Bactoderma, acidul azotic produs astfel intervine prin procese de schimb in solubilizarea fosforului din fosfatii insolubili.

In anaerobioza azotati sunt redusi la ammoniac-denitrificare, prima treapta pana la azotiti de catre Bacillus megatherium, Escherichia coli si Pseudomonas. Bacillus subtilis si Clostridium reduc azotati pana la ammoniac iar Bacillus denitrificans si Vibrio denitrificans transforma amoniacul in azot elementar.

Biosinteza azotului atmosferic este,posibila datorita nitrogenazei- enzima cu care este dotat echipamentul enzimatic al unor microfite:bacterii si alge, Azotobacter fixeaza azotul aerob si Clostridium anaerob, Bacillus amylobacter in sedimente fixeaza azotul daca acestea contin coloizi organici si fosfor mineral iar apa este transparenta, bine oxigenata si are adancime mica Azotul constituie 60-80% din biomasa bacteriana. Bacterii fixatoare de azot se intalnesc si in flora epifita Rhodospirillum gelatinosa.

Grupul cel mai important de fixatori de azot sunt insa algele albastre, acestea fixeaza azotul atmospheric cand mediul este carentat in acest element, unele alge fixeaza liber azotul altele simbiotic.

Unele genuri care fixeaza liber azotul: Lyngbia, Oscillatoria, Gloeocapsa, Phormidium nu dispun de organe specializate, alte genuri au dezvoltat organe speciale, heterocistii, Anabaena, Anacystis, Aphanizomenon, Gloeocystis, Nostoc. Anabaena azzole fixeaza azotul simbiotic.

In corpul algelor,azotul constituie 13% din greutate din care 10% azot aminic. Formele asimilabile de azot nu pot fi stocate de sedimente. Circuitul biologic al azotului este foarte rapid, zece zile vara, treizeci zile primavara si saptezeci zile iarna, azotul este reciclat de douazeci de ori intr-un an. Circuitul fosforului, este un circuit sedimentar, circuitul biologic incepe cu fixarea biologica a fosforului mineral de catre alge, dupa moarte acestea se descompun si elibereaza fosforul care reintra in circuit, in proces este implicat Bacillus megatherium phosphaticum, cadenta reciclarii biologice a fosforului se suprapune celei a azotului.