KURZUS: Környezetvédelem

MODUL: II. modul: A környezetvédelem ökológiai alapjai

6. lecke: Ökoszisztémák anyag- és energiaforgalma

|  | Cél: A lecke célja, hogy a hallgató a szén és a nitrogén körforgásának példáján betekintést nyerjen a bioszférában végbemenő anyag-körforgásba, valamint ráébredjen arra, hogy a bioszférában az energiaáramlás egyirányú, és mindig veszteséggel megy végbe.
| Követelmények: Ön akkor sajátította el megfelelően a tananyagot, ha képes
| megnevezni, hogy mi biztosítja a bioszférában végbemenő anyagáramláshoz szükséges energiát, saját szavaival elmagyarázni a szén körforgását, megnevezni a szén Földön előforduló három alapvető formáját, saját szavaival elmagyarázni a nitrogén körforgását, saját szavaival elmagyarázni a fotoszintézis és a sejtlégzés folyamatát, felírni a fotoszintézis és a sejtlégzés egyenletét, saját szavaival elmagyarázni a bioszférában végbemenő egyirányú energiaáramlás okát.
| Időszükséglet: A tananyag elsajátításához körülbelül 45 percre lesz szüksége.
| Kulcsfogalmak:
| fotoszintézis sejtlégzés
| 1. Az ökoszisztémák anyagforgalma
| Gyűjtse ki és jegyezze meg, hogy mi biztosítja a bioszférában végbemenő anyagáramláshoz szükséges energiát!
| Az anyag a társulásokon belül a táplálkozási hálózatban, a különböző trofikus szinteken halad végig. A szerves anyagot ezután a lebontó szervezetek visszajuttatják valamelyik környezeti elembe, ahonnan aztán ismét felveszi a termelői szint, a zöld növények. Ezek alapján nyilvánvaló, hogy az anyag a bioszférában állandó körforgást végez, az ehhez szükséges energiát pedig külső forrás (Nap, esetenként geotermikus energia) biztosítja. Az alábbiakban a szén és a nitrogén példáján mutatjuk be ezt a körforgást.
| 1.1. A szén körforgása
| Az 1. ábra segítségével értelmezze és jegyezze meg a szén körforgásának legfontosabb folyamatait! Gyűjtse ki és jegyezze meg a szénnek a Földön előforduló 3 alapvető formáját!
| A szén körforgásának alapvető lépéseit az 1. ábra mutatja be. A szén a légkörben szén-dioxid formájában található. Ezt a szenet a növények veszik fel, és a fotoszintézis során szőlőcukrot hoznak létre belőle, amely aztán a növény sejtjeiben, illetve a fogyasztó szervezetekbe bejutva egyéb szerves anyagokká alakul. A szén szerves anyag formájában járja végig a táplálkozási szinteket, majd a végén a lebontó szervezetek a szerves anyagokat visszaalakítják szén-dioxiddá, ami ismét a légkörbe jut. Az állatok (és a növények is) ugyanakkor életük során lebontó anyagcserét is folytatnak, amelynek eredményeképpen szintén szén-dioxidot lélegeznek ki a légkörbe.
| A szén körforgásának környezetvédelmi szempontból fontos momentuma, hogy a szerves anyag egy része a körforgásból hosszabb időre kikerül, oxigéntől elzárt körülmények között átalakul, és fosszilis szén: kőszén, kőolaj, földgáz keletkezik belőle. A fosszilis szén kialakulása éppúgy lassú folyamat, ahogy a légkörbe való visszajutása is, ezért elmondhatjuk, hogy a szén a Földön alapvetően három formában található meg, légköri szén-dioxid, a bioszféra szerves anyaga, valamint fosszilis szén formájában, és a három forma egymással egyensúlyban van. Az ember azonban energiatermelő tevékenysége közben a fosszilis szén jelentős részét kialakulásához képest igen rövid idő (néhány évszázad) alatt visszajuttatta a légkörbe, és ezzel megbontotta a szén körforgásának egyensúlyát.
A szén körforgása
1. ábra
| 1.2. A nitrogén körforgása
| A 2. és 3. ábra segítségével értelmezze és jegyezze meg a nitrogén körforgásának legfontosabb folyamatait!
| A nitrogén körforgásának alapvető lépéseit a 2. és 3. ábra mutatja be. A levegő 78%-a nitrogéngáz, ami a bioszférának is nyilvánvalóan elsődleges nitrogénforrása. A légköri nitrogént azonban sem az állatok, sem a növények nem tudják közvetlenül hasznosítani. Ezt a feladatot bizonyos baktériumfajok végzik el, amelyek a talajban, növények gyökerein élnek. Ezek a nitrogéngyűjtő baktériumok a nitrogénből ammóniát, illetve ammónium-vegyületeket állítanak elő, amely így már bekerülhet a növények testébe, és így a teljes táplálék-hálózatba. A talaj ammónia-tartalmát nitrifikáló baktériumok oxidálják nitritté (NO2-) illetve nitráttá (NO3-), ami szintén felvehető a növények számára. A szerves anyag lebomlását követően a nitrogén ismét ammónia formájában a talajba kerül, s a növények így ismét felvehetik. A folyamat a fenti feltételekkel a légköri nitrogén folytonos fogyását és a talaj nitrogéntartalmának növekedését okozná. Azonban a talajban egy harmadik baktérium-csoport, a denitrifikáló baktériumok a nitrit- és nitrátvegyületek nitrogéntartalmát visszaalakítják kétatomos, elemi nitrogénné, és visszajuttatják a légkörbe.
A nitrogén körforgása az élőlényekben
2. ábra
A nitrogén teljes körforgása
3. ábra
| 2. Az energiaáramlás, az energia forrásai
| A 4. ábra segítségével értelmezze és jegyezze meg a fotoszintézis folyamatát! Írja fel a fotoszintézis és a sejtlégzés egyenletét! Jegyezze meg a konzumens élőlények sejtlégzésének folyamatát!
| Az anyagok folyamatos körforgása energiát igényel. Az energia döntő hányada a Napból érkezik, hasznosítását a zöld növények végzik a fotoszintézis folyamatában (4. ábra). A fotoszintézis során egyszerű szervetlen vegyületekből - vízből és szén-dioxidból - szőlőcukor keletkezik, amely aztán - a többi szerves anyaggal együtt - az összes fogyasztó és lebontó szervezetnek energiaforrásul szolgál. A növények fotoszintézisének melléktermékeként oxigén is képződik, amely a légkörbe jutva a fogyasztó és lebontó szervezetek lebontó anyagcsere-folyamataiban hasznosul. Ilyen módon a bioszférában az oxigén és a szén-dioxid mennyisége, a lebontó és a felépítő folyamatok intenzitása, végső soron a termelői és a fogyasztói (illetve lebontói) élet aránya egyensúlyban van.
| A producens növények fotoszintézisét az alábbi egyenlet írja le:
| 6 CO2 + 6 H2O + napfény + klorofill C6H12O6 (glükóz) + 6 O2 + 2850 kJ/mol (energia megkötődés)
| A glükóz egyrészt nyersanyag (glükóz + N, P, K, Ca stb. a talajból szerves molekulák képződnek), másrészt energiaszolgáltató (a sejtlégzés által).
A fotoszintézis folyamata
4. ábra
| A konzumens élőlények a bevitt táplálékot az emésztésük során lebontják, végső soron glükózzá. A glükózt és a légzéssel felvett oxigént a vér minden sejthez eljuttatja, ahol lejátszódik a sejtlégzés. A sejtlégzés során energia-felszabadítás történik a sejtekben, valamint szén-dioxid is keletkezik (ez utóbbi a légzés során távozik a szervezetből). Az élőlények sejtlégzésének egyenlete:
| C6H12O6 (glükóz) + 6 O2 6 CO2 + 6 H2O - 2850 kJ/mol (energia felszabadulás)
| Az 5. és 6. ábra tanulmányozásával értelmezze az energia egyirányú áramlását és az egyes táplálkozási szinteken fellépő energiaveszteséget!
| A bioszféra addig képes működni, a fenti folyamatok egyensúlya addig áll fenn, amíg a Nap ezek fenntartására elegendő energiát szolgáltat. A Föld mélyéből származó hőenergia (geotermikus energia) is fenn tud tartani néhány életközösséget, ezek aránya azonban kicsi. Az energiaáramlás a bioszférában egyirányú, a termelők által beépített energia veszteséggel lép tovább az elsődleges, másodlagos stb. fogyasztói szintekbe, végül a lebontó szervezetekbe (5., 6. ábra). Az elfogyasztott táplálék egy részét az élőlények lebontják, hogy energiát kapjanak (pl. mozgásra, hőháztartás fenntartására). Emiatt kevesebb növényevő, mint növény, kevesebb ragadozó, mint növényevő van: a biomassza tömege szintenként csökken. (Lásd még 5. lecke 6. ábra).
Energiaveszteség a táplálékláncon végighaladva
5. ábra
Táplálkozási és energiapiramis
6. ábra

|  | Önellenőrző kérdések
| 1. Helyezze a hiányzó szavakat a megfelelő helyre! A bioszférában az energiaáramlás , a szükséges energia a -ból érkezik. Az anyagok áramlása a bioszférában .
| 2. A szén (C) és a nitrogén (N) körforgása közül melyikre vonatkoznak az egyes állítások? A légkörben elemi formában van jelen A növények a levegőből veszik fel A talajban baktériumok alakítják át a növények számára felvehető vegyületekké Fosszilis raktárai lassan alakultak ki, de nagy mennyiséget rövid idő alatt felhasznált az emberiség Körforgásában kulcsfontosságú a fotoszintézis A légzés és az égetés juttatja vissza a levegőbe Az állati ürülékkel és vizelettel is jelentős mennyiség kerül a talajba
| 3. Sorolja fel a szén három alapvető előfordulási formáját a Földön!
| 4. Írja fel a fotoszintézis egyenletét!
| 5. Melyikre igaz? A - fotoszintézis B -sejtlégzés C -mindkettő D - egyik sem a napfény energiája szükséges hozzá víz szükséges hozzá növények képesek rá széndioxid keletkezik oxigén keletkezik víz keletkezik összetett szerves vegyületek keletkeznek
| 6. Írja fel a sejtlégzés egyenletét!
| 7. Miért egyirányú az energiaforgalom a bioszférában?