3. Понятие за екосистема

Екосистемата е зона със специфичен ландшафтен модел, който включва горещи пустини, пасища, реки, езера или устия и др. Съставът на екосистемата зависи от нейните географски характеристики: планини, езера, реки, крайбрежни зони, острови. Контрол върху екосистемите оказват климатичните условия – валежи, слънчева светлина, температура и др. Географските, климатични и почвени особености създават нейния нежив (абиотичен) компонент. Тези характеристики създават условия за живот на живите организми (биотични: растения и животни), които живеят в тези специфични условия. (Bornmann and Likens, 1967). Размерът на екосистемата може да бъде както с големината на цяла гора така и с големината на едно дърво.

Екосистемите най-общо се разделят на сухоземни и водни. Те създават двете основни условия за местообитание за всички живи организми. Наземните екосистеми включват пустини, пасища, гори, а водните екосистеми включват езера, реки, потоци, океани, морета и др. Наземните или водните екосистеми се саморегулират, те са отворена система, което означава, че входовете и изходите им с други системи са свободни (Bornmann и Likens, 1967). По този начин в екосистемите влизат както биотични, така и абиотични компоненти, специфични за всеки отделен регион и определят неговата специфика. В полето можем лесно да наблюдаваме характеристики на всяка екосистема, включително как изглежда тя, нейната структура и състав на биотичните части (Elmqvist et al., 2010).

3.1. Структура и функция на една екосистема

Терминът екосистема е използван за първи път от британския еколог Артър Тансли през 1935 г. Екосистемата е структурна и функционална единица на биосферата, която включва живи (растения, животни, микроби) и неживи обекти (въздух, вода, почва), взаимодействащи помежду си е рамките на системата. Живите същества или биотичната част, биоценозата си взаимодействат с абиотичните компоненти, (биотопа - физическата среда (Odum и Barret, 2005). Според Е.Р. Odum (2005) съвместното функциониране на биотичната общност и заобикалящата я среда, като единна екологична единица, се нарича „екосистема“.

Както знаем, екосистемите се състоят от много взаимодействащи си абиотични и биотични компоненти, взаимодействия, които съдържат ключа към функционирането на екосистемите. Функционалната екология описва как работят компонентите в една екосистема, как биотичните части реагират на промените в околната среда и как енергията и материята се движат през екосистемите. Всички естествени екосистеми имат основна структура и компоненти и всеки компонент има определена роля, която играе във функционирането на системата. Всяка екосистема функционира чрез няколко механизма за трансфер на енергия и биогеохимични цикли. Както живите, така и неживите компоненти на системата си взаимодействат помежду си чрез няколко функционални аспекта, характерни за естествените екосистеми. Функционалните аспекти на екосистемите включват енергийния поток и цикличността на веществата като структурни компоненти на екосистемата (kerekercioğlu, 2010). Според Woodbury (1954). Екосистемата е комплекс, в който животните, растенията и местообитанието се разглеждат като единна единица, която осигурява преминаването на материя и енергия през всичките й звена.

3.1.1. Производители, консуматори и разложители

От хранителна гледна точка биотичните компоненти могат да бъдат категоризирани като автотрофи или хетеротрофи според техния източник на храна. Животът на сушата и във водата е възможен поради съществуването на автотрофи – фотосинтетични организми като водорасли и растения. Тези организми изискват само неорганични хранителни вещества и слънчева светлина, за да произвеждат органични хранителни вещества за собствената си енергия и за всички останали организми, поради което са наречени производители – основата на живия свят (Benerje et al., 2013; URL-1). Фотосинтетичните организми притежават хлорофил и извършват фотосинтеза в морски и сладководни местообитания.

Хетеротрофите са другата голяма група организми. Те се наричат консуматори, защото се захранват с енергия, генерирана от производителите. Има четири типа консуматори. Тревопасни животни са животни, които ядат растения или водорасли. Месоядните се хранят с тревопасни, а понякога и с други месоядни. Всеядните са животни, които ядат както растения, така и животни. Детритофагите са растения и животни, които се хранят с органична материя, получена при умирането на организмите или в резултат на жизнената им дейност, наречена детрит. Бактериите и гъбите, включително и филаментозните гъби, са така наречените разложители. Те получават хранителни вещества чрез разграждане на сложни органични вещества, намиращи се в растителните и животинските тела. Тези вещества отново се усвояват от растенията (Odum и Barret, 2005; URL-2).

3.1.2. Енергиен поток в екосистемата

Нито една екосистема не може да функционира без енергия. В много екосистеми слънцето е единственият краен източник на енергия. Енергията преминава през екосистемата чрез процеса фотосинтеза. Знаем, че слънчевата светлина първо се улавя от растенията и фотосинтезиращите бактерии, които я съхраняват в себе си и произвеждат храна от прости неорганични вещества (Likens et al., 1987; Kooijman et al., 2010). Когато органичните хранителни вещества преминават от една част на екосистемата в друга, например когато месоядно яде тревопасно животно, се прехвърля само част от първоначалното количество енергия. Следователно, по време на клетъчното освобождаване на енергия, важна част от енергията, съхранявана в органичните молекули, се губи като топлина. Топлината, излизаща от растения и животни, не може да бъде възстановена и използвана повторно от живите организми. Всички хетеротрофи са, пряко или косвено, зависими за храната си от производителите. Така че потокът от енергия от слънцето към производителите и след това към потребителите е еднопосочен. Законите на термодинамиката подкрепят концепцията, че енергията протича през екосистемата. Първият закон гласи, че енергията не може да бъде нито създадена, нито унищожена (Bornman and Likens, 1967; Odum and Barret, 2005). Това изяснява защо екосистемите зависят от постоянното снабдяване с енергия, която се използва от фотосинтезиращите организми за синтезиране на органични хранителни вещества. Вторият закон гласи, че енергията винаги се трансформира от по-полезна в по-малко достъпна форма, като топлина (Odum и Barret, 2005). При естествени условия енергията има тенденция да тече от по-високо към по-ниско ниво.

Фигура 1. Биотични компоненти. а. Производител - зелено растение. б. Тревопасно - елен. C. Месоядни животни - вълк. Г. Разложители - гъби. (URL-3; URL-4; URL-5; URL-6)

3.1.3. Хранителни вериги

В една екосистема последователната верига на връзките за хранене или кой кого яде се нарича хранителна верига. Тя определя как енергията в системата преминава от един организъм в друг. Трофичното ниво е нивото на енергията (органична форма - хранително вещество) в хранителната верига. 80 до 90 процента от енергията в хранителната верига се губи под формата на топлина (втори закон на термодинамиката). Намаляването на хранителни вериги може да се дължи на загубата на енергия между трофичните нива. Като цяло, само около 10% от енергията на едно трофично ниво е достъпна за следващото, причина, която също ограничава броя на нивата в повечето наземни хранителни вериги (Barnes et al., 2018; Cebrian, 2015). По-дългите наземни хранителни вериги са рядкост, тъй като обикновено те нямат достатъчно голяма производствена база, за да поддържат множеството нива на потребителите. Организмите в хранителна верига се класифицират според тяхното положение или трофично ниво. Зелените растения – (производители) са в основата на пасищната хранителна верига и принадлежат към първото трофично ниво, (първични потребители). Месоядните животни, които се хранят с тревопасни, са на трето трофично ниво и т.н.

Преносът на енергия с големи загуби между последователните трофични нива се изобразява като „Екологична пирамида“. Преминаването на енергия от едно трофично ниво към следващо генерира пирамида въз основа на броя на отделните организми или количеството жива материя и общото сухо тегло на всяко трофично ниво. Екологичните пирамиди се използват за сравняване на биомасата и енергийния трансфер между трофичните нива (Bornman and Likens, 1967).

Фигура 2. Енергиен поток през екосистема. (URL-7)

3.1.4. Хранителен цикъл в екосистемите

Пътищата на трансфер на елементи между живите (биотични) и неживи (абиотично-геоложки) компоненти на екосистемата са известни като „цикли на елементите” или „хранителни цикли”. Това е цикълът на придвижване на хранителни вещества, необходими на живите организми, през различните компоненти на биосферата (Kooijman, 2010). Той включва движение на хранителни елементи в дадена екосистема. Всички функции на екосистемата са свързани с растежа и възпроизводството на нейните биотични общности. Тези взаимосвързани процеси могат да бъдат описани като разнообразие от цикли. Поддържането на естествените екосистеми зависи от слънчевата енергия и от рециклирането на хранителни вещества, което осигурява постоянното снабдяване с основните съставки на живота.

Фигура 3. Хранителните вериги описват кой кого яде. (URL-7)

Хранителните вещества съдържат повече от 40 елемента, за които е известно, че са от съществено значение за различните процеси в живота на живите организми (Cebrian, 2015). Хранителните вещества могат да бъдат класифицирани като макронутриенти, които се изискват в големи количества, например въглерод, кислород, водород, азот и др., Или микроелементи, необходими в малки количества, например желязо, цинк, мед, йод и др.

Хранителните елементи в екосистемите текат от околната среда към хранителните вериги и през тях се освобождават обратно в околната среда. Растенията поемат хранителни вещества в йонна форма, а животните ги получават в органична форма чрез консумация на живи или мъртви организми. Хранителните вещества се използват от микроорганизмите във всякаква форма – минерална или органична. Обменът на хранителни вещества между живите организми и заобикалящата ги среда е един от основните аспекти на екосистемата.

Хранителният или биогеохимичен цикъл може да бъде разделен най-общо на два типа: а) седиментен и б) газообразен. Циклите на въглерод и азот са газообразни, което означава, че резервоарът за този тип хранителен цикъл съществува в атмосферата. Цикълът на сярата и фосфорът е седиментен – растенията поемат хранителните вещества от почвата, преминават в хетеротрофите и в крайна сметка се връщат обратно в почвата от разложителите (Likens et al., 1981; URL-2)

Фигура 4. Цикъл на хранителни вещества между различните компоненти на екосистемите. (URL-9)

3.1.5. Водният цикъл

Цикълът на водата описва съществуването и движението на водата на, във и над земята. Водата е в непрекъснато движение, като постоянно променя състоянията си, течност – пара – лед и обратно. Малка част от земната вода е достъпна за живите организми. Изпарението, утаяването и кондензацията са основни процеси във водния цикъл.

По време на водния цикъл сладката вода се дестилира от солена вода чрез изпаряване. В процеса на изпаряване водата преминава от течност в газообразно състояние или пара. След това се получава кондензация. Кондензацията е процес, при който газът във въздуха се втечнява. Кондензът е отговорен за образуването на облаци, който след охлаждане пада като дъжд над океаните и сушата (Bets, 2010). Валежите са първоначалното звено във водния цикъл, като осигуряват доставка на атмосферна вода на Земята. Част от водата от валежите (напр. дъжд, сняг) се инфилтрира в подземната почва и скалите. Количеството инфилтрирана вода зависи от почвената покривка или типа на почвата (Bets, 2010).

3.1.6. Въглеродният цикъл

Въглеродът е едно от основните вещества, които изграждат живите тъкани. Животът е събитие, зависещо от съществуването на големи органични молекули, които съдържат въглерод в своята структура. Не може да има живот без въглерод. Естественият източник на въглероден диоксид в скалите са вулканите. Въпреки това, в продължение на милиони години е установен баланс между новия въглерод, който е влязъл в действие, и въглерода, който е деактивиран като варовик и изкопаеми горива. Въглеродният диоксид в атмосферата и въглеродният диоксид във водата са в равновесие.

Движението на въглерода между живите организми и околната среда се нарича въглероден цикъл. Въглеродът е неизменна част от въглехидратите, мазнините, протеините и други биомолекули, необходими на всички живи същества. Във въглеродния цикъл в околната среда въглеродният диоксид се среща в атмосферата и в повърхностните води. Растенията и другите фотосинтетични организми поемат атмосферния въглероден диоксид (CO2) от въздуха. Чрез фотосинтеза въглеродният диоксид (CO2) се превръща в хранителни вещества, които се използват по хранителната верига. Вследствие на процесите на дишане на организмите, въглеродът се връща отново в атмосферата като въглероден диоксид (CO2). Не всички произведени органични вещества се превръщат веднага във въглероден диоксид в резултат на дишането и разлагането. Органичната материя, произведена от растенията, остава в почвата без да се е разложила, а въглищата, лигнитът и маслото от планктона в моретата са останали заровени.

Фигура 5. Воден цикъл (URL-10)

Атмосферният CO2 във водните екосистеми се разтваря във водата и се преобразува спонтанно във въглена киселина (HCO3-), която се усвоява от водорасли и бактерии, а както знаем те са в основата на водната хранителна мрежа.

Както растенията, така и животните връщат нелетлив въглерод в почвата чрез отпадъците, които създават. Когато умрат, те връщат въглерода в околната среда. Обикновено разлагането на организмите връща въглеродния диоксид (CO2) в атмосферата (Kooijman, 2010; Woodmansee, 1990). Тези процеси завършват въглеродния цикъл.

Част от въглерода се намира дълбоко в земята като залежи от нефт, природен газ, въглища, които наричаме „изкопаеми горива“. Изкопаемите горива са продукт на пълно или частично разлагане на растителни и животински останки в резултат на излагане на топлината и налягането в земната кора в продължение на милиони години. Когато тези горива се извлекат и изгорят, те отделят във въздуха въглероден диоксид (CO2) и въглероден оксид.

Фигура 6. Въглероден цикъл (URL-10)

3.1.6.1. Глобално затопляне

Човекът, най-активният сред всички живи същества в екосферата, е на път да промени екологичните цикли, както и много други аспекти на природата. Например: Извличането на изкопаеми горива от мястото, където са се отложили, и използването им, унищожавайки естествената растителност на земята, значително влияе върху въглеродния баланс в екосферата. След индустриалната революция въглеродният диоксид, произведен от хората с интензивно използване на изкопаеми горива, вече е променил естествения баланс на въглеродния цикъл в екосистемата.

През последните 100 години глобалните атмосферни нива на въглероден диоксид (CO2) са се увеличили с около 30%. Повишаването на нивата на въглероден диоксид (CO2) в атмосферата е резултат от влошаване на въглеродния цикъл, най-вече поради изгарянето на изкопаеми горива и други човешки дейности. Това е повишило парниковата способност на земната атмосфера и е причина за затоплянето на земята. Този факт се нарича „глобално затопляне“ (Kooijman, 2010). Изменението на климата изисква сериозно намаляване на вредните емисии и използването на алтернативи на изкопаемите горива в световен мащаб.

Фигура 7. Как работи парниковият ефект (URL-11)

3.1.7. Азотен цикъл

Азотът, най-разпространеният елемент в атмосферата и е от съществено значение за живота. Освен в протеините, които са в основата на живия организъм, той се намира и в структурата на нуклеиновите киселини, различни хормони, витамини и генетичен материал.

Газообразният азот (N2) съставлява 78% от атмосферата, но не може да бъде усвоен директно от растенията, без да се подложи на трансформация. Този азот се движи както през биотичните, така и през абиотичните компоненти на екосистемата, а процесът се нарича „Азотен цикъл“ (Stein and Klotz, 2016).

В основата на азотния цикъл е превръщането на свободния азот от въздуха в неорганични соли и след това в органични молекули, които се усвояват от живите организми; Той също така формира превръщането на органичните молекули в неорганични соли чрез биологично разлагане. В почви с по-малко нитратни соли вегетативното производство ще бъде по-ниско. По отношение на човешките общества дефицитът на азот в околната среда означава недостиг на протеини, а именно проблеми с изхранването и глада. Поради тази причина превръщането на газообразният азот във въздуха в химическа форма, която растенията могат да използват както естествено, така и изкуствено е от голямо значение.

Фигура 8. Междинни продукти в азотния цикъл. (Stein and Klotz, 2016)

Биологичната трансформация в азотния цикъл се осъществява в четири основни етапа: фиксация, амонификация, нитрификация и денитрификация (Марков, 2012).

а) Фиксация: Фиксирането на азот възниква, когато определени бактерии преобразуват газообразния азот (N2) в амоняк (NH3), който растенията могат да използват. Този процес превръща газообразния азот (N2) във форма, която растенията могат да абсорбират чрез кореновите си системи. Някои бактерии (Rhizobium) имат симбиотична връзка с определени бобови растения, докато други бактерии, като Cyanobacteria или Azotobacter, живеят свободно в почвата или водата.

б) Нитрификация: Това е процес на биологично окисление на амониевите йони NH4+ до нитратни йони NO3- от страна на повсеместно разпространените в почвата бактерии от родовете Nitrosomonas и Nitrobacter. Нитратът е ценен източник на азот за растенията. Нитрификацията може да протече двустепенно: първо амониевият йон се превръща от Nitrosomonas в нитрит (NH4 + + O2 → NO2- + H2O + H+), а след това NO2- се превръща в NO3- (нитрат). Растенията абсорбират NH4+ и NO3– от почвата и използват тези йони за изграждане на протеини и нуклеинови киселини.

в) Амонификация: В този процес разлагащите бактерии превръщат богатите на азот отпадъчни съединения в по-прости такива.

г) Денитрификация: Превръщането на нитрата обратно в газообразен азот като N2O, NO и N2, които се отделят в атмосферата, наричаме „денитрификация“. Денитрификацията има отрицателен ефект върху селското стопанство, тъй като води до обща загуба на азот в почвите.

Различни измервания показват, че движението на азота в природата е достатъчно редовен и балансиран цикъл. Основните загуби в този цикъл идват от натрупването на нитрати, транспортирани до моретата от подпочвените води и реките в дънните утайки. Смята се обаче, че азотните газове, добавени във въздуха от изригванията на вулкани, са в достатъчно количество, за да компенсират тази загуба.

Човечеството влияе върху азотния цикъл, както и върху всички цикли. Пагубното въздействие на хората върху азотния цикъл е извличането на азота от въздуха за производство на торове. Индустриалното превръщане на азота в тор днес е достигнало значителни нива. За да се изхрани постоянно увеличаващо се население, използването на неорганични торове в световен мащаб нараства всяка година. Азотните торове представляват повече от половината от цялото потребление на торове. Изкуственото извличане на азота е много енергоемък процес, чиято енергия се осигурява от изкопаемите горива. Следователно, другия ефект върху околната среда от превръщането на азота в тор е прекомерното потребление на изкопаеми горива.

Освен торовете, използвани в селското стопанство, отпадъчните води, остатъците от различни азотни химически производства увеличават количеството нитрати и други азотни химикали в езерата, реките и крайбрежните морски води. Това заедно с фосфатите допринася за еутрофикацията. Хората влияят върху азотния цикъл и чрез азотните оксиди (NO), продукт от изкопаемите горива, използвани в промишлеността и автомобилите. Азотните оксиди са основните газове, които замърсяват въздуха на големите градове.

3.1.8. Фосфорен цикъл

Фосфорът е един от трите основни елемента, заедно с азота и въглерода, които са важни за всички живи същества. Аденозин три фосфатът в клетките осигурява трансфера на енергия в структурата на клетъчната мембрана. Той се намира също в зъбите и костите. Фосфатните скали в земната кора са основният резервоар на фосфор в природата, а вторият по големина резервоар е водата. Основата на фосфорния цикъл е транспортът на фосфор от сушата до морето и от моретата до сушата.

Фосфорният цикъл е биогеохимичният цикъл, при който фосфорът се пренася и се трансформира химически през литосферата, хидросферата и биосферата. Фосфорният цикъл е бавен процес, който включва няколко стъпки на трансформация на фосфора (P): Изветряне и утаяване, минерализация и имобилизация, адсорбция и десорбция (Eckert и Nishri, 2014; Flippelli, 2009).

Част от фосфора във фосфатните скали в земната кора се разтваря във вода чрез ерозия. Този неорганичен фосфат се поема от растенията най-вече под формата на ортофосфат, разтворен във вода. Предава се на тревопасните и месоядни животни чрез храната. Органичните фосфати в растителните остатъци, животинските трупове и секрети се превръщат в неорганична форма чрез разлагане на микроорганизмите. По този начин той може да се използва отново от растенията. Частта от фосфор в живите резервоари е доста по-малка в сравнение с резервоарите в скалите и водата.

По-голямата част от фосфорните резерви в океанските утайки се придвижва към сушата поради геологично издигане. На сушата фосфорът се освобождава от скалите поради различни атмосферни влияния и след това фосфатни йони попадат в почвата, където растенията могат да абсорбират фосфора и да растат. Чрез водата и растенията и животните си набавят необходимото количество фосфор. Когато растенията и животните умират чрез водата и почвата отпадъците от разлагането им връщат фосфатните йони обратно към производителите.

Различни метеорологични условия като дъжд и ерозия помагат за измиването на някои фосфати, намиращи се в скалите и попадането им в утайките на водните екосистеми. Фосфорът, намиращ се в океанските утайки, не е достъпен за растенията на сушата (Eckert и Nishri, 2014). Плитките морски утайки се връщат на сушата с образуването на планини, в резултат на геоложките движения на земната кора в продължение на милиони години. По този начин се рециклира фосфорът.

Фигура 9. Азотен цикъл (URL 10)

Последиците от човешката дейност е намесата в естествения фосфорен цикъл с допълнителното ускоряване на потока на фосфор от сушата към морето, който вече и така е бърз. От началото на 20-ти век фосфатните скали се използват широко за производство на торове. Тези фосфатни торове, добавени в почвата, точно както и азотните, не се задържат дълго в там. Значителна част от фосфора се влива в моретата с подземните и повърхностни води. Постоянно се обработват нови фосфатни отлагания, за да се компенсират загубите на фосфор в почвата.

Фигура 10. Фосфорен цикъл (URL-12)

3.1.9. Цикъл на сярата

Сярата също е един от елементите, необходими за живота. Той се намира в структурата на някои аминокиселини, открити във всички живи същества. Тъй като се намира в изобилие в литосферата, обикновено не се счита за едно от намаляващите вещества. Следователно тя има отношение най-вече към замърсяването на въздуха (Kooijman et al., 2010). Основният природен източник на сяра са сярните съединения, като сероводороден газ от вулкани и блата. Тези съединения се издигат в литосферата в резултат на геоложка ерозия, а с образуването на седиментни скали в моретата, те се връщат в скалите.

Сярата в серните съединения, които се издигат на повърхността на земята, влиза в реакция с кислорода от въздуха и се превръща серен диоксид (SO2), серен триоксид (SO3) и накрая сярна киселина (H2SO4), когато влезе в контакт с водна пара. Сярата във въздуха чрез дъждовете се връща в почвата като сярна киселина, и така навлиза в цикъла. В безкислородните системи сярата се обменя между две групи бактерии в различни химически форми (Benerje et al., 2013. Серните бактерии използват кислорода в сулфатирани вещества, за да ги превърнат в сероводород. Някои бактерии също използват газообразния H2S като енергиен източник. Тези бактерии се наричат „хемосинтетични бактерии“.

Индустриализацията оказва голямо влияние върху серния баланс през последните два века. Добивът и използването на изкопаеми горива значително увеличават количеството на H2SO4 в атмосферата. Следователно сярата се преврънща в едно от основните вещества, причиняващи замърсяване на въздуха.

3.1.9.1. Проблеми с киселинния дъжд

Дъждовната вода обикновено е слабо кисела. Причината за това са киселините, образувани при реакцията на естествено присъстващия CO2 и малките количества сяра и азотни оксиди и водата. В регионите, в които има голямо количество серен диоксид в околната среда, киселинността на дъждовната вода силно се увеличава. Една от основните причини за появата на киселинни дъждове, като международен проблем, е широко разпространената практика на строителството на високи комини. Тяхната задача е била да пречистват въздуха над градовете от SO2 през 60-те години. Тези комини, някои от които са с височина до 300 метра, предпазват селищата от SO2, но изхвърленият в атмосферата SO2, започва да пада върху големи площи като киселинен дъжд.