Ökologie

• 30% der einfallenden kurzwelligen Strahlung wird wieder zurück ins Weltall reflektiert

• 70% werden vom System Erde-Atmosphäre absorbiert

• Großteil der an der Erdoberfläche absorbierten Strahlung wird als Wärme wieder abgegeben -> wird durch klimawirksame Gase absorbiert und wieder abgegeben -> teilw. in Richtung Erde

• Überschuss an Wärme an der Erdoberfläche wird durch:

  • Luftmassenumwälzungen, also durch Konvektion,

    oder

  • durch Evapotranspiration abgegeben/umgelagert

• Albedo:

  • Reflektionsvermögen

  • Je höher der Albedo, desto höher ist Reflektion

• Globalstrahlung:

  • Summe aus direkter Sonneneinstrahlung, sowie Diffusion (z.B. an Wolken reflektierte or. gestreute Strahlung) auf eine horizontale Empfängeroberfläche

1. Geographische Breite

   • Winkel Sonnenstrahlung in Äquatornähe deutlich steiler als weiter nördlich und südlich

   • In Tropen erreicht also pro Flächeneinheit sehr viel mehr Sonnenstrahlung die Erdoberfläche -> strärkere Erwärmung -> höhere Temperaturen

   • Wärme wird in gemäßigte und polare Regionen umverteilt

     • 60% durch Bewegung von Luftmasen in Atmosph.

     • 40% durch Meeresströmungen

2. Wasserdampft/Wolken,

3. Höhe über dem Meeresspiegel (Je höher, desto stärker die Belastung),

4. Relief/Hang

• Das sind Organismen welche mittels Photosynthese anorganische Verbindungen in organische umwandeln können

• bezeichnet die Rate, mit der pro Flächeneinheit mit Hilfe von Photosynthese durch Primärproduzenten Biomasse produziert wird

  
  

• Wird die gesamte photosynthetisch und chemosynthetisch erzeugte Produktion eines Ökosystem in nem definierten Zeitraum bezeichnet

  
  

• Primärproduzenten benötigen Energie zur Respiration (Atmung)

• NPP = BPP - Respirationsenergie Primärproduzenten

• Ist die aufgenommene Menge an organischer Substanz durch heterotrophe Organismen (nutzen org. Stoffe als Energie- und Kohlenstoffquelle) innerhalb eines bestimmten Zeitraums

• Nutzen Substanz für Aufbau ihrer Körpermasse

• Beschreibt die in einem mehrjährigen Ökosystem über die Jahre akkumulierte Biomasse

• Ist deshalb um ein Vielfaches höher als die NPP

• Bei einjährigen Ökosystemen ist Bestandsbiomasse = NPP

  • Etwas mehr als die Hälfte der potentiellen Gesamt-NPP der Erde wird in den terrestrischen Ökosystemen produziert, etwas weniger als die Hälfte in den Meeren, obwohl diese 70 % der Oberfläche ausmachen. Somit ist die durchschnittliche NPP pro Fläche an Land höher. • Tropische Regenwälder machen > 30 % der terrestrischen NPP aus.

• Die über die Jahre akkumulierte Biomasse (resultiert aus NPP) ergibt die Bestandsbiomasse eines Ökosystems, welche die Grundlage der Nahrungskette ist.

• Umverteilung der Wärme -> Wärme in gemäßigte und polare Regionen Umverteilt

  • Bewegung von Luftmassen in der Atmosphäre (Umverteilung hier = 60%)

    • Windzirkulation -> Hadley-, Ferrel- Polarzelle

      
      

• Bewegung von Wassermassen, den Meeresströmungen, in den Ozean (40%) -> thermohaline Zirkulation -> H2O- Transport durch Weltmeere -> Wasserbewegungen durch Dichteunterschiede (Umverteilung der Wärme (Oberflächen = warm –und Tiefenströmungen = kalt)

  • Pazifik (kalt zu warm) -> Indischer und pazifischer Ozean (warm)

    -> Nordatlantik (kalt) -> Beginn Kreislauf

• Wasserdampf/Wolken als Einflussfaktor auf Einstrahlung

  • Höhe über Meeresspiegel -> Je höher, desto stärker die Belastung

  • Einfluss Wetter auf Bestrahlungsstärke (Klarer Himmel -> krasse Bestrahlung, fett Wolken -> kaum/keine Bestrahlungsstärke)

  • Relief/Hanglage (Unterschiede in d. Vegetation in Abhängigkeit von Hanglage)

• Primärproduktion benötigt Ressourcen (Sonnenstrahlung, CO2, H2O, Nährstoffe und Temperatur und so)

• Photosynthese

• Wasser und Temperatur!

  • Winter -> wenig H2O -> Stress -> Schließung Spaltöffnungen -> keine Aufnahme von CO2 in Blättern = keine Photosynthese

  • Verfügbarkeit von H2O steigert Primärproduktion

  • Temp. Einfluss auf NPP

    • 1. Temperaturzunahme -> NPP steigt

    • 2. Höhere Temp = Höhere Verdunstungsrate. Verdunstungsrate > Niederschlag = Abnahme NPP

    • 3. Höhere Temp = höhere Zersetzungsrate org. Material -> Freisetzung Nährstoffe (steht Pflanzen nun zur Verfügung) -> NPP nimmt zu

  => Bei ausreichender Wasserversorgung nimmt mit zunehmender Temperatur der NPP zu!

  
  

• Das hat alles n Einfluss auf NPP:

  • Limitierung der NPP in terrestrischen Ökosystemen durch das Vorhandensein von Stickstoff und Phosphor = Nährstoffe

  • Die NPP in terrestrischen Ökosystemen ist abhängig von der Länge der Vegetationsperiode

-          Sonnenlicht: Da Pflanzen die Energie aus Sonnenlicht nutzen, ist die Verfügbarkeit von Licht ein entscheidender Faktor für die Primärproduktion. Die Intensität, Dauer und Qualität des Lichts bestimmen das Ausmaß der Photosynthese und somit die Produktivität.

-          Nährstoffe: Pflanzen benötigen verschiedene Nährstoffe wie Stickstoff, Phosphor, Kalium und Spurenelemente, um zu wachsen und Energie zu produzieren. Die Verfügbarkeit dieser Nährstoffe im Boden kann die Primärproduktion stark beeinflussen. In einigen Ökosystemen können Nährstoffmangel oder -limitierung die Produktivität begrenzen.

-          Wasser: Wasser ist ein entscheidender Faktor für das Pflanzenwachstum und die Photosynthese. Die Verfügbarkeit von Wasser im Boden beeinflusst die Transpiration und die Aufnahme von Nährstoffen durch die Wurzeln. Trockenheit kann die Primärproduktivität erheblich verringern.

Temperatur: Die Temperatur hat einen direkten Einfluss auf die Geschwindigkeit der Stoffwechselprozesse in Pflanzen. In den meisten Fällen steigt die Primärproduktivität mit zunehmender Temperatur, solange keine anderen begrenzenden Faktoren wie Wasser oder Nährstoffe auftreten.

-          Kohlendioxid (CO2): Da CO2 ein wichtiger Bestandteil der Photosynthese ist, kann eine erhöhte CO2-Konzentration in der Atmosphäre die Primärproduktion fördern. Dieser Effekt wird als CO2-Düngungseffekt bezeichnet.

-          Abiotische Faktoren: Andere abiotische Faktoren wie Bodenbeschaffenheit, pH-Wert, Lichtdurchlässigkeit und Wind können ebenfalls die Primärproduktivität beeinflussen.

Es ist wichtig anzumerken, dass die relative Bedeutung dieser Faktoren je nach Ökosystem variieren kann. Zum Beispiel kann in Regenwäldern die Nährstoffverfügbarkeit eine entscheidende Rolle spielen, während in Wüsten die Wasserverfügbarkeit der limitierende Faktor sein kann.

• NPP reguliert durch WW zwischen Nährstoffangebot und einfallendem Licht

• Anteil N und P im Aufbau der Organismen variiert stark

  • Bäume C = 600, N = 1, Gräser 35:1, marine Photoplanktonorganismen 7:1

  • Baum – Holz -> Stabilität

  • Phytoplankton – Zellorganellen mit hohen N und P-Anteil -> braucht keinen Stützfunktion, weil H2O Aufgabe übernimmt  

• Die über die Jahre akkumulierte Biomasse (resultiert aus NPP) ergibt die Bestandsbiomasse eines Ökosystems, welche die Grundlage der Nahrungskette ist.

• Innerhalb dieser Nahrungskette wird Energie (gespeichert in Form von organischer Masse) von einer Trophieebene in eine andere übertragen.

• Die Nahrungsbeziehungen zwischen den einzelnen Vertretern einer Lebensgemeinschaft bezeichnet man als Trophische Struktur

1. Herbivorenahrungskette:

• Trophische Ebene 1: Primärproduzent

• Trophische Ebene 2: Herbivoren

• Trophische Ebene 3: Karnivore (Sekundärkonsument)

• Höhere trophische Ebene = Karnivore höherer Ordnung (Tertiär- und Quartärkonsumenten

  
  

  => 3 isst 2, 2 isst 1, 1 synthetisiert durch Strahlungsenergie und anorg. Verbindungen Zucker und andere org. Verbindungen

2. Destruentennahrungskette:

• Tote org. Substanz (Detritus) von Saphrophagen in kleinere org. Substanz zerlegt, wird dann von Mineralisierern in anorg. Verbindungen umgewandelt  -> stehen Primärproduzenten zur Verfügung

• Destruenten greifen in alle Trophieebenen ein (Abbau Stoffwechselprozesse, oder von org. Material nach Tod)

  
  

  => Ketten greifen ineinander über und sich viele Organismen von mehreren trophischen Ebenen ernähren, haben wir eher ein Nahrungsnetz als n Nahrungskette

• Großteil der Energie wird nicht in nächste Trophiestufe weitergeben

• Trophische Transfereffizienz gibt Prozentsatz an Energie oder org. Material an, der von einer trophischen Ebene auf die nächste übertragen wird

1. Konsumptionseffizienz (KE)

• Gesamtanteil, auf einer trophischen Ebene verfügbaren Produktivität, der von der nächsthöheren trop. Ebene aufgenommen wird

2. Assimilationseffizienz (AE)

• Aufgenommener Anteil der Nahrungsenergie von Konsumenten durch Verdauungstrakt in einer trop. Ebene

• Anteil wird durch Darmwand assimiliert, für Wachstum oder das Verrichten von Arbeit verfügbar

• Rest wird in Form von Fäzes (kaka) ausgeschieden und gelangt in Zersetzersystem

3. Produktionseffizienz (PE)

• Ist der Prozentsatz der assimilierten Energie, der in neue Biomasse eingebaut wird

• Rest (der Lebensgemeinschaft) geht in Form von respiratorischer Wärme verloren

=>Mittlere trophische Transeffizienz liegt bei 10%

• Terrestrische Ökosysteme

  • Zebra in Savannenökosystem

  • KE von Herbivoren in Savannenökosystem = 25% -> 25% der NPP/pro Fläche und Zeit in Form von org. Material in Verdauungstrakt der Herbivore aufgenommen wird

  • AE der Herbivore, die sich von Gras ernähren = 20% -> 20% der aufgenommenen Nahrungsenergie wird durch Darmwand assimiliert, Rest wird ausgeschieden

  • PE bei größeren endothermen Tieren (Säugetiere, Vögel) = 3% -> nutzen Großteil der Energie zur Aufrechterhaltung der Körpertemperatur

  • KE (0,25) *AE (0,20) *PE (0,03) = 0,0015 = 0,15%

    
    

• Waldökosystem

  • Großteil NPP ist Holz -> kaum verwertbar für nächste Ebene

  • Rest stirbt ab und wird Zersetzersystem zugeführt

  • KE von Herbivoren in Wald liegt deshalb bei 5%

  • AE und PE sind niedrig

  • Trophische Transfereffizienz ist deshalb noch geringer

    
    

    =>Aufgrund der niedrigen Konsumptions- und Assimilationseffizienz der Herbivoren, kommt dem Konsumentensystem in terrestrischen Lebensgemeinschaften nur eine relativ geringe Bedeutung zu

• Aquatische Ökosysteme

  • Phytoplankton dominiert Lebensgemeinschaft in Aqua Ökosystemen

  • Deshalb KE und AE = 50% und PE 40%

  • Trophische Transfereffizienz = 10% = hoch!

=>Die Rolle der Konsumenten in aquatischen Lebensgemeinschaften, dessen Grundlage Phytoplankton ist, ist deutlich höher als in terrestrischen Ökosystemen

=> In allen Fällen wird ein Großteil der NPP in Form von lebenden Organismen konsumiert und mit recht hoher Effizienz assimiliert

==>Je mehr die Tiere fressen können, desto höher ist Transfereffizienz

Zersetzungsprozess

• Bei Photosynthese + Energie (von Sonne) -> Immobilisierung (Einbau CO2 in Kohlenhydrate)

• Zersetzung ist gegenteiliger Prozess der Photosynthese

  • Totes org. Material wird schrittweise abgebaut

  • Durch Mineralisierung -> org. Material in anorg. Material umgewandelt -> Energie wird hier frei

  • An Prozess beteiligt: Destruenten (Pilze, Bakterien) und Detritivoren (Tiere, ernähren sich von den Im Detritus enthaltenen Pilz- und Bakterienpopulationen)

• Gibt noch Mikrobivoren (winzige Tiere, essen Pilze und Bakterien)

  • Für Verdauung von Cellulose werden Cellulase benötigt

  • Cellulase stammen von assoziierten Bakterien und Pilzen -> Produzieren Enzyme

  • Möglichkeiten um an Enzyme zu kommen:

  • 1. Obligater Mutualismus (Darmmikroflora ist permanent vorhanden und produziert Cellulase)

  • 2. Fakultativer Mutualismus (Aufgenommener Detritus enthält Cellulase, welche von Mikroorganismen im Detritus produziert werden)

  • 3. Externer Pansen (Mikroorganismen die Cellulase, durch Aufnahme von org. Material, welches sich in Zersetzung befindet zusammen mit Zersetzungsprodukten, produziert)

• Bedeutung des Systems wird unterschieden in terrestrische und aquatische Ökosysteme

  • Siehe Seite 5/6 (Wald und so) -> marine Ökosysteme besitzen Konsumentensystem, welches eine wichtigere Rolle spielt, als z.B. Waldökosystem => Fett Holz Vegetation = geringe NPP – Zersetzersystem – Energiefluss deshalb Atmung

=>Je geringer der Anteil der Nettoprimärproduktion in einem Ökosystem ist, der von Herbivoren konsumiert wird, desto höher ist i.d.R. der Anteil der NPP, der in das Kompartiment des toten organischen Materials übergeht

1. Verwitterung (natürliche Zersetzung von Gestein)

2. Aufnahme aus der Atmosphäre

3. Biologische N-Fixierung durch Symbiose

4. Einwanderung von Organismen

5. Düngung durch Menschen

1. Erosion von Böden

2. Auswaschung

3. Verluste in die Atmosphäre

4. Auswanderung/Entfernung (Landwirtschaft)

• Prozess

• Wichtige Einflüsse

  • Mensch verursacht durch Entwaldung und Verbrennung nun mehr CO2

  • CO2-Konz Vergangenheit bis Gegenwart:

    • Die CO2-Konzentration in der Erdatmosphäre war während der letzten 10.000 J. die meiste Zeit stabil, in den vergangenen 200 J. begann sie jedoch exponentiell anzusteigen

    • Eine Zunahme der Konzentration von Gasen (CO2, Wasserdampf, CH4) führt zu einer Erwärmung der Erdatmosphäre

    • Erdoberfläche absorbiert 45% der Sonnenstrahlung -> werden in langwellige Strahlung umgewandelt -> erwärmen Atmosphäre (Je höher Konz. An bestimmten Stoffen (CH4 und so) in der Atmosphäre, desto mehr langwellige Strahlung wird absorbiert = Treibhauseffekt

=>Durch Treibhauseffekt liegt Durchschnittstemperatur der bodennahen Luft nicht bei -18°C, sondern bei +15°C (überleben auf Erde wäre ohne ihn nicht möglich, weils fucking kalt wäre... produzieren jz aber so viel davon, dass Temp. immer wärmer und wärmer wird)

• Senke = natürliche Speicherorte eines Elementes

• Terrestrisch: mehr Biomasse wird eingebaut als abgebaut wird

• Meer: sind temporäre CO2-Senken

• Ist n Kreislauf

  • Oberflächlicher Wasserschicht (48 Pg C) -> Bildung CO2 durch hererotrophe Respiration ist geringer -> Differenz = 11 Pg C sinken in Form von Detritus in tiefere Meeresschichten ab und wir dort zu CO2 veratmet

  • Durch Vermischung + Strömung H2O-massen gelangen pro Jahr 100 Pg C nach oben ins Oberflächenwasser und 92 Pg C nach unten ins Tiefenwasser = 2 Pg C aufgenommenen Menge CO2 aus der Atmosphäre ins H2O

  • Zirkulation sorgt dafür, dass Tiefenwasser ins Südpolarmeer und in Indischen und Pazifischen Ozean gelangt -> steigt dort auf -> gibt CO2 wieder an Atmosphäre ab -> Prozess dauert Jahrhunderte

  • Irgendwann wird mehr wegen hoher CO2-Konz. Meer nicht mehr als Senke dienen, sondern es wird mehr CO2 an die Atmosphäre abgegeben als aufgenommen

• Wälder können in Zukunft vermehrt als Senke dienen-> NPP und NEP nehmen zu... die lagern nämlich fette Massen an CO2 an

=> In einem Ökosystem sammelt sich nur dann CO2 an, wenn die BPP die Respirationsrate auf Ökosystemebene übersteigt

1. Durch thermische Expansion -> Anstieg Meeresspeigel = Gefährdung Küstengebiete, flache Inseln

2. Rapides Abtauen der Gletscher und Auftauen der Permafrostböden

3. Enorme Veränderung der Vegetation (Ausbreitung Immergrüner Wälder in MittelEU or. Expansion Sommergrüner Wälder in Richtung Norden)

4. Ausbreitung von Steppen und Wüsten

5. Weltweiter Artenverlust von Pflanzen (stark Betroffen: Edemiten -> sind stenök und dadurch leicht verdrängbar) und Tiere (Lebensräume fehlen)

• Es wird befürchtet, dass durch einen weiteren Anstieg der Temperatur sog. „Kipp-Punkte“ überschritten werden, wodurch sich Temperaturanstieg nochmal beschleunigt

  • Bsp.: Auftauen Permafrostböden = Freisetzung CH4 und CO2

• Je höher die CO2-Konz. In der Atmosphäre, desto mehr CO2 nehmen die Meere auf und desto mehr Kohlensäure entsteht (Versauerung Meere!)

  • Folge: marine Organismen können nur schwer ihre Kalkschalen und -skelette bilden

    
    

• FRAGE: Werden diese in Zukunft, bei einem weiteren Anstieg der CO2-Konz. Und somit einer zunehmenden Versauerung, von anderen Organismen verdrängt?

  • Safe, die sterben ja bzw. sind ohne Schale (Skelett nicht überlebensfähig, außer sie passen sich maximal schnell an

Methankreislauf

• Die größte natürliche Quelle für Methan ist die Methanogenese

• Methanogenese = Produktion von CH4 durch Bakterien unter Abwesenheit von Sauerstoff (anaerobe Bedingungen)

• Bakterien gewinne unter aeroben Bedingungen (Atemluft) gestört viel CO2 bei der Atmung (500 kJ/mol)

• Bei Methanogenese werden nur 1/5 CO2 gewonnen -> Ineffizienter

• Biologische Quellen

  • Abbau von Biomasse in See- oder Meersedimenten oder Sümpfen und Pansen von Rindern

    
    

• Größte anthropogene Quelle:

  • Fossile Brennstoffe

  • Viehhaltung

• Größte Methansenke:

  • Photooxidation in der Atmosphäre

  • CH4 wird hier zu CO2 und H2O oxidiert

• Mensch hat deutlich größeren Einfluss auf Methankonz. In Atmosphäre als auf CO2-Konz.

  • Anthropogene Einfluss hat in den letzten 200 J. zu mehr als einer Verdoppelung der Methankonz. In Atmosp. Geführt

  • Zunahme CO2 im Vgl. betrug nur 40%

• Konz. Methan in Atmosp. Korreliert in letzten 600.000 J mit der Temperatur

=> Methan ist deutlich instabiler als CO2 und verbleibt nicht so lange in Atmosphäre, jedoch ist das Molekül etwa 30-mal treibhauswirksamer!

• Prozess:

  • Beim Kreislauf innerhalb von Ökosystemen wird Phosphor durch Fließgewässer aus terrestrischen Systemen übertagen -> überwiegend gebunden an Sedimentpartikel, aber auch in Form von gelöstem anorg. Phosphor -> und gelangt ins Meer

  • Zum größten Teil wird dieser Phosphor in den Sedimenten der Meere gespeichert

  • Außerdem gelangt Phosphor mit Staubpartikeln in die Atmosphäre

  • Mensch beschleunigt Kreislauf durch den Abbau von Phosphor zur Düngermittelproduktion

    
    

  • Wichtigste anorg. Verbindung von Phosphor ist Phosphat

    • Pflanzen nehmen PO4^3- auf und nutzen diesen zur Synthese

• Größten Phosphorreservoire:

  • Sedimentgestein (marinen Ursprung)

  • Boden

  • Gelöst im Meer

  • Organismen

    
    

    
    

  • Atmosphäre ist im Phosphorkreislauf fast bedeutungslos

  • PO4^3- gelangt durch Verwitterung und Auswaschung in Ökosysteme

  • Bodenparikel und Hummus binden PO4^3-, weshalb Kreislauf relativ lokal stattfindet

  • Auswaschungsprozesse sorgen dafür, dass Phosphor ins Meer gelangt und wir durch Sedimentation der Biosphäre entzogen -> gelangt so in Lithosphäre

  • Durch Anhebung des Meeresbodens gelangt Phosphor schließlich wieder ans Festland

=>Durch die Industrialisierung, die moderne Landwirtschaft und phosphorhaltiger Staub (heute vermehrt durch Wüstenbildung) ist die Durchflussrate von Phosphor durch das globale Ökosystem etwa 3-mal höher als vor dieser Zeit

• Aufbau von Proteinen, Nucleinsäuren, Chlorophyll

• N macht bis zu 4% der Gesamtbiomasse einer Pflanze aus

• Ist doch nur als Nitrat und Ammonium für Pflanzen verfügbar

• Bakterien, Cyanobakterien und Actinomyceten fixieren N aus der Atmosphäre und machen es für Pflanzen so zugänglich

• N wird auch in geringen Maßen durch Blitze fixiert

Stickstofffixierung:

• Bakterien, Cyanobakterien und Actinomyceten fixieren N aus der Atmosphäre

• Dabei wir N2 zu NH3 und NH4+ reduziert

• Ist n energieaufwändiger Prozess -> d.h. viel ATP wird zu ADP + P umgewandelt

• Weiterhin geht Energie verloren, weil H+ und e- nicht für die oxidative Phosphorylierung über die Atmung genutzt werden

• Enzym hierbei ist Nitrogenase

  • Ist empfindlich gegenüber O2, hat deshalb Schutzmechanismen (Schutz in Pflanzenzellen…)

• Nur Prokaryoten (Bakterien, Archaeen, Cyanobakterien, Symbiose mit Pflanzen lebenden Bakterien) Stickstoff fixieren

  • Symbiose effektivste N-Fixierung!

• Nitrifikation:

  • Ist chemolithotropher Prozess -> liefert Energie für beteiligte Organismen

  • Oxidation findet in 2. Schritten statt:

  • 1. Nitrosobakterien oxidiert NH4+ oder NH3 zu Nitrit (NO2-)

  • 2. Nitrobakterien oxidieren das NO2- weiter zu Nitrat (NO3-)

    
    

• Denitrifikation:

  • Ist Form der anaeroben Atmung (ohne O2)

  • Unter Freisetzung von Energie wird NO3- zu elementaren Stickstoff oder Lachgas (N2O) umgewandelt und entweicht in die Atmosphäre

    
    

• Ammonifikation:

  • Ist der Abbau von toten org. Material durch Destruenten unter Freisetzung von NH3 oder NH4+

    
    

• Stickstoffassimilation:

  • Aufnahme N2 aus der Umwelt und Einbau in Pflanze

• Antrophogene Eingriffe in Stickstoffkreislauf:

  • Ist heute gravierend

  • Eintragungswege:

    • Verbrennung fossiler Energieträger

    • Mineralische Düngung

    • Ammoniak aus Massentierhaltung, Kläranlage und industriellen Prozessen

=> Verbindungen sind häufig auch in Niederschlägen vorhanden, wodurch sie an Orte gelangen, welche von „Natur aus“ nur wenig N zur Verfügung stehen (z.B. Hochmoore) oder werden ausgewaschen und gelangen so ins Grundwasser, Fließgewässer, Seen und Meere

=> Stickstoffkonz. Nimmt zu als Folge kommt es zu einem Anstieg von biologisch verfügbarem Stickstoff, wodurch NPP wiederum an vielen Orten zunimmt

=> Folge für Umwelt: Distickstoffmonoxid (N2O) trägt erheblich als treibhausgas zur globalen Erderwärmung bei

• Steht an 3ter Stelle hinter CH4 und CO2

• Alleine betrachtet ist es noch wirkungsvoller

• Eutrophierung von Gewässern

• Schaffung von „Todeszonen“ im Meer

• Verlust Biodiversität

Bedeutung Wasser:

• Ist für alle Organismen essentiell -> bestehen größtenteils aus H2O und benötigen es für Stoffwechsel

• Hat einen enormen Einfluss auf die Geschwindigkeit Ökosystem-Prozesse -> insb. In terrestrischen Ökosystemen hängt die Primärproduktion und Zersetzung organischen Materials von d. Wasserverfügbarkeit ab

Kreislauf:

• 96% Meereswasser

• Süßwasserzusammensetzung:

  • Eis und Schnee, Grundwasser und Oberflächenwasser in Seen, Flüsse und gelöst in der Atmosphäre oder in Organismen

• Für terrestrische Ökosysteme steht mehr H2O zur Verfügung, als über die Landfläche verdunstet wird -> weil 1/3 des Landniederschlags aus verdunstetem Meerwasser besteht

• Niederschlag

• Infiltration

• Oberflächenabfluss

• Evaporation

• Kondensation

• Pflanzentragen über aktive Wasseraufnahme,-speicherung und -abgabe in die Atmosphäre (Transpiration) zum Wasserhaushalt bei

• Strahlung

  • Strahlung erwärmt die Atmosphäre -> dadurch kann Atmosphäre mehr H2O speichern

  • Und es kommt durch Sonneneinstrahlung zu Niederschlag und Verdunstung

Evaporation:

• Verdunstung von H2O aus dem Boden und über den Flächen von Gewässern

Potentielle Evapotranspiration:

• Maximal mögliche Evaporation bei unbegrenzter Wassernachführung und unbehinderter Abdiffusion des Wasserdampfes an einem bestimmten Ort.

• Evaporation ist geringer als die p. Evaporation, da nicht unendlich viel Wasser zur Verfügung steht.

Transpiration:

• Verdunstung von H2O über die Grenzfläche von Pflanzen oder Tieren gegen nicht wasserdampfgesättigte Luft

Interzeption:

• Der als Benetzung in der Vegetationsschicht bleibende Teil des Niederschlags, der dann wieder verdunstet

• In sehr kleinen Mengen kann dieser auch von Pflanzen aufgenommen werden

Infiltration:

• Eindringen des Wassers in den Boden

Evatranspiration

• Ist die Gesamtsumme des Wasserverlusts in einem Gebiet an die Atmosphäre (Summe Transpiration und Evaporation

Verhältnis von Niederschlag und Verdunstung

• Im humiden Klima ist Jahresniederschlag höher als die jährliche Verdunstung

• Im ariden Klima ist jährliche Verdunstung höher als Jahresniederschlag

Neben Höhe des NS ist Verteilung wichtig

• In Tropen und Subtropen können sich humide und aride Phasen im Jahresverlauf abwechseln

• Niederschlagsmenge unterscheidet sich auf der Erde somit gravierend von Ort zu Ort

  • In der Atmosphäre aufsteigende Luft kühlt sich ab, absinkende Luft erwärmt sich.

  • Da kalte Luft nicht so viel Feuchtigkeit aufnehmen kann wie warme, kondensiert in den Bereichen aufsteigender Luft Wasserdampf und führt zu hohen Niederschlagsmengen.

  • Umgekehrt wird absinkende Luft immer trockener und resultiert letztlich in sehr trockenen Gebieten auf der Erde

Die Primärprodukte korrelieren positiv mit der Niederschlagsmenge

• Jahres-NS < 250 ml -> Wüsten- und Halbwüstenvegetation

• Jahres-NS > 1250 ml -> Nasswälder

=>Die Verfügbarkeit von Wasser hat also unmittelbar einen Einfluss auf die produzierte Biomasse in einem terrestrischen Ökosystem!

• Rodung tropischer Regenwälder führt zu einer verringerten Evapotranspiration

  • Folge: kommt zu weniger Niederschlages

• Feuchtgebiete werden entwässert

• Begradigung führt zu erhöhter Verdunstungsrate

• Klimawandel -> höhere Verdunstungsrate

• Entfernung Vegetation -> höhere Austrocknungsrate

• Übermäßige Grundwasserentnahme kann Absinken des Grundwassers verursachen -> in Küstenregionen dringt hier Salzwasser in abgepumpten Schichten vor

Photosynthese:

• Fixierung CO2 + Sonnenenergie wird in Form von org. Verbindungen in Pflanze gespeichert

• Ort: Chloroplasten (sind in Mesophyllzellen der Blätter)

• Prozess Besteht aus:

  • Lichtreaktion

    • Schritte, die Lichtenergie in chem. Energie umwandeln

    • Nebenprodukt: O2

    • Speicherstoffe: ATM und NADPH

  • Dunkelreaktion

    • Calvin-Zyklus

    • Kohlenhydrate werden aus CO2 unter Energieverbrauch aufgebaut

    • Energiequelle: ATP

    • Reduktionsmittel: NADPH

    • Endprodukt: Glycerinaldehyd-3-Phosphat (G3P) -> ist jz geeignet für andere Stoffwechselwege

=>Grundlage für alle Organismen ist die Photosynthese als zentraler Prozess in der Natur, in dem Lichtenergie in chemische Energie umgewandelt wird

• Wichtigsten Prozesse:

  • Glykolyse, Citratzyklus, oxidative Phosphorylierung

• Gegenteil von Photosynthese

• Photosynthese erzeugt O2 und org. Moleküle -> werden von Pflanzen und Tieren in der Zellatmung (Respiration) verwertet -> Endprodukte d. Atmung = CO2 und H2O = Ausgangsstoffe für Photosynthese

• Bei Atmung wird Energie frei -> geht als Wärme verloren & wird als ATP gespeichert

• ATP ist DER universale Energieträger der Zelle

=>Photosynthese und Atmung sind 2 entgegengesetzte Prozesse. Der eine Prozess hat als Endprodukt die Ausgangsstoffe für den anderen Prozess. Somit sind beide Prozesse auch ein Recycling-System auf ökosystemarer Ebene

• Oberirdischen Organe der Pflanze nehmen Sonnenlicht und CO2 auf

• Aufnahme H2O und Mineralstoffe geschieht unterirdisch über Wurzeln

  • Über die feinen Wurzelhaare an den Wurzeln wird Bodenlösung absorbiert

    • Ionen-Austausch-Prozesse sorgen dafür, dass Stoffe im Boden für die Pflanze zugänglich gemacht werden -> können so aufgenommen werden

Wichtige Prozesse sind:

• Abgabe H+ und CO2 in den Boden -> dadurch säuert Bodenlsg. An

• CO2 reagiert mit H2O zu H2CO3 -> gibt bei Dissoziation ein H+ ab

• H+ neutralisieren negativ geladene Bodenpartikel -> dadruch Abgabe von Kationen, welche durch Wurzel absorbiert werden

• Durch Polarisation gelangen Ionen mit dem Wasserstrom und aktiv über Transportproteine in die Wurzel = Prozess d. Energie verbraucht

• Transport der Ionen geschieht durch Diffusion radial im Symplasten d. Primärrinde, durch die Epidermis hindurch bis zu den Parenchynzellen des Xylems

Der Phosphatkreislauf, der Wasserkreislauf und der Stickstoffkreislauf sind drei verschiedene biogeochemische Kreisläufe, die verschiedene Elemente und Verbindungen im Ökosystem durch verschiedene Prozesse transportieren. Hier sind die Unterschiede zwischen ihnen:

1. Phosphatkreislauf:

   • Phosphat ist das Hauptelement im Phosphatkreislauf. Es ist ein essentieller Nährstoff für Pflanzen und Tiere.

   • Phosphat wird aus Gesteinen und Mineralien freigesetzt und gelangt durch Verwitterung und Erosion in den Boden und das Wasser.

   • Pflanzen nehmen Phosphat aus dem Boden auf und bauen es in ihre Gewebe ein.

   • Tiere erhalten Phosphat, indem sie Pflanzen fressen oder andere Tiere fressen.

   • Wenn Pflanzen und Tiere sterben oder ihre Ausscheidungen ausscheiden, wird Phosphat freigesetzt und kann wieder in den Boden oder in Gewässer gelangen.

   • Bakterien spielen eine wichtige Rolle im Phosphatkreislauf, indem sie organische Phosphate abbauen und in anorganische Formen umwandeln, die von Pflanzen wieder aufgenommen werden können.

2. Wasserkreislauf (auch bekannt als hydrologischer Kreislauf):

   • Der Wasserkreislauf umfasst den Transport von Wasser zwischen Atmosphäre, Land und Ozeanen.

   • Die Sonnenenergie treibt den Wasserkreislauf an, indem sie Wasser verdunsten lässt.

   • Das verdunstete Wasser kondensiert in der Atmosphäre zu Wolken und fällt als Niederschlag (Regen, Schnee usw.) auf die Erdoberfläche zurück.

   • Ein Teil des Niederschlags fließt oberirdisch als Oberflächenwasser in Flüsse, Seen und Ozeane ab.

   • Ein Teil des Niederschlags versickert im Boden und wird zu Grundwasser.

   • Das gespeicherte Wasser im Boden und Grundwasser kann von Pflanzen aufgenommen und verdunstet werden, wodurch der Kreislauf wieder von vorne beginnt.

3. Stickstoffkreislauf:

   • Stickstoff ist ein essentieller Bestandteil von Aminosäuren, Proteinen und Nukleinsäuren und spielt eine wichtige Rolle in lebenden Organismen.

   • Der Stickstoffkreislauf beinhaltet die Umwandlung von Stickstoff aus der Atmosphäre in eine Form, die von Pflanzen und Tieren verwendet werden kann (Stickstofffixierung).

   • Stickstofffixierende Bakterien wandeln atmosphärischen Stickstoff in Ammonium um.

   • Pflanzen nehmen Ammonium oder Nitrat aus dem Boden auf und bauen es in ihre Gewebe ein.

   • Tiere erhalten Stickstoff, indem sie Pflanzen fressen oder andere Tiere fressen.

   • Durch den Abbau von Proteinen und Ausscheidungen von Pflanzen und Tieren wird Stickstoff in Form von Ammonium freigesetzt.

   • Andere Bakterien wandeln Ammonium in Nitrit und dann in Nitrat um (Nitrifikation).

   • Stickstoff wird schließlich durch Denitrifikation oder durch von Pflanzen fix