tok hmoty a energie

Tok hmoty a energie

1

základní pojmy a fakta

• energie = teplo (= hmota) • život založen na uhlíku C, makrobiogenní

prvky: C H N O P S• fotosyntéza (oxygenní): vznik organických látek

z anorganických; přeměna světelné energie na energii chem. vazeb, potřebuje chlorofyl– 6 CO2 + 12 H2O → C6H12O6 + 6 O2 + 6 H2O

• respirace = dýchání– C6H12O6 + 6 O2 + 6 H2O → 6 CO2 + 12 H2O + 2880kJ

světlo

2

základní pojmy a fakta

• evaporace = odpařování (vyžaduje energii → ochlazuje okolí)

• transpirace = výdej vody rostlinou; průduchy• evapotranspirace = celkový výdej vody na

jednotku území– potenciální evapotranspirace (předpoklad

dostatku vody) závisí na sluneční energii

3

evapotranspiracepotenciální evapotranspirace

aktuální evapotranspirace

4

základní pojmy a fakta

• biomasa = hmota organismů na jednotku (plochy, objemu)– i neživé součásti živých organismů (např. dřevo)– jednotky: energie (J) nebo hmotnost sušiny (kg) /

plocha– buď zvážím sušinu, anebo spálím a spočítám

uvolněné teplo

5

základní pojmy a fakta• primární produktivita (produkce) PP = rychlost tvorby

biomasy na jednotku plochy (objemu) rostlinami (primárními producenty)– J/m2/den; kg/ha/rok (sušina, uhlík); – hrubá (gross, brutto) (HPP, GPP, BPP); celková asimilace

(fotosyntéza)• veškerá organická hmota (biomasa) vytvořená producenty za jednotku

času• celková fixace energie fotosyntézou• část HPP je producenty spotřebována na metabolismus (respirace, R)• měřím např. jako bilanci O2 či CO2

– čistá (net) (NPP)• hrubá PP zmenšená o metabolickou potřebu producentů (respirace)

(NPP = HPP – R)• množství biomasy dostupné konzumentům

• sekundární produktivita = rychlost produkce biomasy heterotrofnímy organismy

• kompenzační bod– veškerá vázaná energie je prodýchána (HPP = R)

6

NPP hlavních biomů

tropické deštné lesy mají velmi vysokou NPP, ale! obrovské množství heterotrofů (konzumenti, detritovoři, rozkladači) biomasu spotřebují! S tím souvisí celková ±NEUTRÁLNÍ bilance kyslíku i CO2!

7

Tok hmoty a energie

http://www.marietta.edu/~biol/biomes/energy_flow.gif

8

ve vodních ekosystémech jsou producenti (řasy, sinice) malí a rychle zkonzumováni

netvoří (skoro) strukturní oporná pletiva – účinnější herbivorie

9

energetická bilance planetywatt = joul/s

Vesmír 86:11 (2007)

zde jen sluneční energie – existují mořské ekosystémy, využívající geotermální energii

10

tok energie

https://www.msu.edu/course/isb/202/tsao/images/hb_energy_flow.jpg

pastevní systém rozkladný systém

11

tok energie

Molles, 2010

opadavý les mírného pásu

12

tok energie v různých ekosystémech13

účinnost přenosu energie v trofickém oddílu

• průměrná účinnost přenosu energie mezi trofickými hladinami ≈ 10%

• ale hodnoty 2% - 24%

14

hydrologický cyklus

• cyklus poháněn sluneční energií!– velký cyklus

(oceán↔pevnina)– malý cyklus (jen nad

pevninou; jen nad oceánem)

– nepotřebuje život!

15

http://ga.water.usgs.gov/edu/watercycleczech.html

16

cyklus uhlíku

• spjat s energií• neztrácí se!• základní procesy– fotosyntéza– dýchání→spojen s cyklem

kyslíku!!!

• sedimentuje CaCO3

17

18

množství uhlíku v atmosféře

• maximální fotosyntetická aktivita květen-srpen• podobně kolísání den –noc• v minulosti i mnohem vyšší!• ppm = parts per million; (v = volume (objem))

Yan D F et al. 2009Robert A. Rohde, NOAA ESRL

19

cyklus dusíku• hlavně součást aminokyselin

(bílkovin)• atmosféra : 78% N2

• rostliny jej přijímají ve formě nitrátu (dusičnan) NO3

-; v malé míře i NH4+

• z organismů se uvolňuje (je uvolňován) hlavně jako amonný iont (NH4

+) (amoniak NH3 je toxický!)• nitrifikace = oxidace NH4

+ na dusičnany (NO3

-) přes dusitany (NO2-)

– nitritace• hlavně bakterie Nitrosomonas

a Nitrosococcus– nitratace

• hlavně bakterie Nitrobacter• fixace N2

• energeticky nákladný proces, enzym nitrogenáza– Rhizobia, Azotobacter, Frankia –

symbiotické bakterie– mnohé sinice (heterocysta)

• denitrifikace– redukce (dusičnany – dusitanu – oxid

dusný – dusík)– některé bakterie

20

21

http://www.vesmir.cz/clanek/jak-ekosystem-k-dusiku-prisel

Pravděpodobně hraje roli i dusík uložený v sedimentárních horninách

Nature. 477, 78–81, 2011.

22

cyklus fosforu• součást ATP, DNA, RNA,..

• dlouhodobý, sedimentační cyklus

• uvolněn z horniny jako fosfát (fosforečnan; PO4

3-)• společně s N

limitující prvek• po různém čase v

biomase se dostane do vody, kde nakonec sedimentuje

23

cyklus fosforu24

cyklus síry• součást některých

aminokyselin• při rozkladu org.

hmoty se tvoří sulfan (sirovodík, H2S)

• bakteriální oxidace (síra, sírany SO4

2-)• asimilace sulfátů

(síranů) rostlinami• depozice do

sedimentů

25

26