5/28/2018 03-Capitolul Trei Ok

1/23

Ecologie

53

Capitolul III. ORGANIZAREA BIOSFEREI. CICLURILE BIOCHIMICE

Unitatea biosferei este demonstrat atunci cnd se studiaz i se prezint ciclurilediferitelor elemente necesare manifestrii i dezvoltrii vieii. Trei dintre aceste elementeintr direct n componena materiei vii; chiar dac sunt considerate separate, sunt substaneminerale de mare echilibru al biotopului. Acestea trei sunt: apa,carbonul i azotul.

III.1. Ciclul / circuitul apei n biosfer(natur)

Apa, substan esenial care st la baza vieii, constituie unul dintre elementele celemai importante ale mediului. Fr ap nu pot exista colectiviti umane, nu se poateconcepe dezvoltarea unei localiti fr un sistem durabil de alimentare cu ap i canalizare.

Metaforic vorbind, construcia de baraje constituie o provocare a omului la adresanaturii. O provocare a fost i acum 4 000 de ani, cnd egiptenii au construit lng Cairobarajul Saddel Kafara, dar i acum 2 000 de ani, cnd romnii au construit ceea ce numimprimul baraj n arc i tot o provocare a rmas pn astzi.

Barajele realizate de om creeaz n spatele lor lacuri de acumulare, pentru a stocavolume de ap, n vederea utilizrii lor n diferite scopuri.

Lacurile de acumulare i barajele reprezint pentru muli att simbolul progresuluieconomic al societii umane, ct i simbolul oprobiului public, oriunde ele produc modificridrastice n ecosistem.

Din acest considerent, printre rnile planetei noastre, un loc important l ocup i

lacurile de acumulare, al cror impactasupra mediului nconjurtor a fost adesea neglijatsau subestimat. De aceea, numeroase asemenea lacuri sunt privite drept catastrofeecologice, cel mai adesea citat fiind cazul lacului Nasse, format pe Nil de ctre barajul de laAssuan.

Barnd cursul unei ape, omul genereaz nu un impact, ci o reea complex deimpacturi, de natur uman, biologic, hidrologic, atmosferic i terestr, componenteeseniale ale mediului nconjurtor.

Trecerea unei zone de teritoriu de la condiiile de uscat la condiiile acvatice saulacustre este rapid i evident. Consecinele acesteia se extind nu doar asupra suprafeeiuscatului, ci i departe, n timp. Dac la efectul lacurilor de acumulare adugm i alteaspecte rezultate din alterarea calitii apei datorit modului de cultivare a terenurilor

agricole, pesticidelor i altor activiti umane, obinem imaginea complet asupra problemeirealizrii unui lac de acumulare.Viaa aaprut n ap, mai exact n ocean. Partea vie a biosferei materia vieeste

alctuit din ap n procent de 70% din greutatea sa. n biochimie, se spune c materia vieeste un sistem organic dispersat n ap. Apa constituie, deci, substratul fundamental alactivitilor biologice, catalizator i stabilizator al reaciilor biochimiei.

Apa confer stabilitate tuturor sistemelor vii i nu numai. Biosfera conine cca. 1 350milioane km3 de ap, din care aprox. 97% se afl n oceane. Apele continentale (fluv ii,lacuri, pnze freatice etc.) reprezint 8,3 milioane km3, adic doar 0,6% din total. Restulapei din biosfer se distribuie astfel: 12 700 km3ap sub form de vapori n atmosfer;

400 km3

ap n biomasa vegetal i animal.

5/28/2018 03-Capitolul Trei Ok

2/23

Dr. ing. Alina Agafiei

54

Din aceste cifre rezult c, din rezerva de ap a biosferei, cea legat n materia vieeste infim, de doar 0,00005% din cantitatea total de ap de pe planet. Circuitul apei nnatur este prezentat n fig. 3.1 (ai b) i nu ia n calcul apa legat biochimic n materiaorganic, deci nu putem vorbi de un ciclu biogeochimic n adevratul sens.

Fig. 3.1. a. Reprezentri ale circuitului apei n biosfer

5/28/2018 03-Capitolul Trei Ok

3/23

Ecologie

55

Fig. 3.1.b. Reprezentri ale ciclului (circuitului) apei n biosfer (natur), cuprincipalele fluxuri ale acestuia

5/28/2018 03-Capitolul Trei Ok

4/23

Dr. ing. Alina Agafiei

56

Energia solar provoac o evaporaie anual de 450 000 km3deasupra oceanelor i oevapotranspiraie la suprafaa continentelor de aprox. 70 000 km3/an.Aceast ap revine ncircuit sub form de precipitaii. Bilanul, ns, este negativ pentru oceane (411 000km3/an) i pozitiv pentru continente (109 000 km3/an).

Cantitatea de ap care revine n atmosfer, ca urmare a transpiraiei de pe terenurile

cu plante, ne-ar putea parveni prin msurarea cantitii de biomas care se formeaz nzon, utiliznd aa-numitulcoeficient economic al transpiraiei (C.E.T.).C.E.T. reprezint cantitatea de ap evaporat de plante pentru obinerea unui gram

de biomas uscat.Acest coeficient are valori ntre 300 i 800 i joac unrol important ncalculul bilanurilor apei i energiei n biosfer. n ecosistemele controlate (cele agricole, spreexemplu), sunt de preferat coeficienii cu valori mici, apa fiind considerat, n acest caz, unfactor de producie. Surplusul de ap terestr din zona continental revine n oceane i mriprin fluvii i, respectiv, ruri (27 000 km3/an) i, n cantitate mai mic i mult mai ncet, prininfiltrare (12 000 km3/an).

Raportndu-ne la plante, putem afirma c apa este componentul indispensabilpentru viaa acestora i, n acelai timp, factorul esenial n repartiia lor ecologic.

Apa reprezint solventul pentru substanele minerale i unii compui organicisolubili i, sub aceast form, este absorbit prin rdcini i condus ctre frunze (prinxilem), unde particip la biosinteza organic. O parte din aceast ap se pierde prinevaporare i transpiraie i reintr, astfel, n circuitul natural. Alt parte coboar,mpreun cu elaboratele biosintetizate i se depoziteaz n organe de rezerv, constituindapanglobat(bulbi, tuberculi, parenchime speciale). Aceast coborre se realizeaz prinvasele liberiene (floemul).

Dac deficitul n ap al solului devine prea mare, o parte din ap este retrocedatsolului. La plantele xerofite, bilanul apei n plant este diferit fa de plantele normale. Laacestea, evapotranspiraia este foarte redus (ex.: cactaceaele), ele formndu-i esuturi deacumulare de ap i organe speciale de evitare a pierderilor.

Prin circulaia sa n plante, apa asigur urmtoarele procese: transport ca solventsubstanele minerale ctre frunze; asigur turgescena celulelor (umflarea local a unui esut datorit acumulrii delichide) i confer poziia erect(vertical) plantelor ierboase; asigur mediul pentru desfurarea unor reacii de biosintez i de biodegradare aunor substane din plante; participla procesul de cretere a plantelor; contribuie la reglarea temperaturii plantelor; pentru vaporizareaunui gram de ap nprocesul de transpiraie, se consum o energie echivalent cu 2 257 kJ; particip la procesul de fotosintezcu protonii i electronii din procesul de fotolizaapei.

Odat ntrerupt circulaia apei n plante, acestea vor muri dupa o perioad scurt, ncare apa este redistribuit de la un organ la altul.

Prin asocierea mai multor plante n ecosisteme, circulaia apei n masa de plantedevine semnificativ. Ca intermediary n circuitul apei n natur, soluljoac un rol foarteimportant, contribuin semnificativ la repartiia ecologic a plantelor.

III.2. Circuitul / ciclul carbonului

Carbonul (C) reprezint elementul de baz al materiei vii, ocupnd 49% dingreutatea substanei uscate (Kormondy, E.J., 1976), ce deine 24,9% din compoziia globalde atomi ai biosferei (Deevey, E.S., 1970), adic, n constituia materiei vii, acest element

ocup un loc egal cu oxigenul, situndu-se drept al doilea element constituent al biosferei,dup hidrogen (49,8% din compoziia n atomi a biosferei).

5/28/2018 03-Capitolul Trei Ok

5/23

Ecologie

57

Carbonul este nmagazinat pe planeta noastr n cteva importante mari depoziteprezentate n schema (fig. 3.2) i tabelul de mai jos: (1) ca i molecule organice norganisme vii i moarte care se gsesc n biosfer; (2) ca i gaz dioxid de carbon natmosfer; (3) ca i materii organicen sol; (4) n litosfer ca i carburani fosilii rocisedimentare n depozite de calcare i dolomii; i (5) n mri i oceane ca dizolvai

atmosferici de dioxid de carbon i carbonai de calciun scoici i organisme marine.

5/28/2018 03-Capitolul Trei Ok

6/23

Dr. ing. Alina Agafiei

58

Fig. 3.2. Circuitul / ciclul carbonului

Tabelul nr. 3.1Estimri ale depozitelor de carbon de pe pmnt

Rezervor Valoare n Miliarde de Tone Metrice

Atmosfer 578 la 766Materii organice din sol 1.500 la 1.600Mri i oceane 38.000 la 40.000Sedimente marine i Rocisedimentare

66.000.000 la 100.000.000

Plante 540 la 610Depozite de carburani fosili 4000

Ecosistemele obin majoritatea dioxidului de carbon din atmosfer. Un numrimportant de organisme autotrofe au mecanisme specializate care permit absobia acestuigaz n celulele proprii. Cu adugarea apei i a energiei din radiaiile solare, aceste organismeutilizeaz fotosinteza pentru a face transformarea chimic a dioxidului de carbon nmolecule de zahr cu coninut de carbon.

Aceste molecule pot fi modificate chimic de ctre aceste organisme prin aportulmetabolic al altor elemente care produc compui mult mai compleci cum sunt proteinele,celuloza i aminoacizii. Cteva dintre aceste materii organice produse n plante sunt apoimodificate prin consum de ctre animale heterotrofice.

Dioxidul de carbon intr n apa mrilor i oceanelor printr-un mecanism simplu dedifuzie. Odat dizolvate n apa de mare, dioxidul de carbon rmne aa cum e sau se poatemodifica n carbonai (CO3-2) sau bicarbonai (HCO3-). Diverse forme de animale marinefixeaz bicarbonaii cu calciu (Ca+2) pentru a produce carbonat de calciu (CaCO3). Aceast

5/28/2018 03-Capitolul Trei Ok

7/23

Ecologie

59

substan este folosit pentru repoducerea scoicilor sau a altor pri ale vieuitoarelormarine, cum ar fi: coralii, racii, stridiile, cteva protozoare, i cteva alge. Cnd acesteorganisme mor, nveliul scoicilor i diverse pri ale corpului se scufund pe fundul mrilori oceanelor, acumulndu-se n depozite bogate n carbonai. Dup lungi perioade de timp,aceste depozite sunt considerate, din punct de vedere fizico-chimic, roci sedimentare.

Depozitele din mri i oceane constituie de departe cele mai mari rezervoare de carbon aleplaneteidup cum se poate observa i n tabelul 3.1.Carbonul este eliberat n ecosistem ca i gaz de dioxid de carbonprin procesul de

respiraie. Acest proces are loc att la plante, ct i la animale, implicnd descompunereamoleculelor organice pe baz de carbon n dioxid de carbon i ali compui. Circuitulalimentar primar conine o mulime de organisme, al cror prim rol ecologic este de adescompune materia organic n produi anorganici.

De-a lungul a miliarde de ani, cantitatea de dioxid de carbon care se gsete natmosfer a fost tot timpul n descretere. Oamenii de tiin au format ipoteza c aceastschimbare este un rspuns la creterea puterii solare n aceeai perioad de timp. Valorileridicate ale dioxidului de carbon au ajutat reglarea temperaturii Pmntului la valori uor

ridicate fa de cele care se ntmpl azi. Aceste temperaturi moderate au permis nflorireavieii plantelor contrar efectului de radiaie solar. Mrirea efectului de ser, datorat uneiconcentraii mai mari de dioxid de carbon n atmosfer, a suplimentat producia de energiesolar prin niveluri mai ridicate ale radiaiilor. Cu ct soarele era mai intens, diversemecanisme biologice au stocat n mod gradat dioxidul de carbon din atmosfer n carburaniifosili i rocile sedimetare. Pe scurt, acest proces de reglare a meninut temperaturaconstant pe Pmnt.

Carbonul este nmagazinat n litosfer att n form organic, ct i anorganic.Depozitele anorganice din litosfer includ carburanii fosili ca petrolul, crbunele, gazulnatural, isturi i carbonai de baz n depozite de roci calcaroase. Formele organice alecarbonului n litosfer includ litier, materii organice, i substane humice din soluri. Dioxidulde carbon este eliberat din interiorul litosferei i prin vulcani.

De la revoluia industrial, umanitatea a mrit excesiv cantitatea de dioxid de carboncare se gsete n atmosfera i apele Pmntului. Nivelul din atmosfer a crescut cu peste30 %, de la aproximativ 275 pri/milion n anii 1700 la peste 365 pri/milion n zilelenoastre. Oamenii de tiin estimeaz c viitoarele niveluri de dioxid de carbon dinatmosfer ar putea ajunge la valori cuprinse ntre 450 i 600 pri/milion n anul 2100.majoritatea acestui gaz provine din activitile omului incluznd arderea combustibililor fosilii modificrile din aurul verdeal Pmntului iarb, pduri. Emisiile obinute din ardereacombustibililor sunt de nsumeaz aproximativ 65 % n plus fa de dioxidul de carbon aflatn atmosfera Pmntului. Ceilali 35% deriv din defririle, despduririle i conversiaecosistemelor naturale ctre agricultur. Cercettorii au artat c ecosistemele naturale pots nmagazineze de la 20 pn la de 100 de ori mai mult dioxid de carbon dect terenurileagricole.

Sursele de carbon anorganic joac un rol foarte important n determinarea structuriii a funciilor biocenozelor algale i,de asemenea, pot prezenta importan n eutrofizare.Majoritatea formelor de carbon prezente n ap reprezint produse de echilibru ale aciduluicarbonic, dar numai dioxidul de carbon i bicarbonatul sunt, de obicei, considerai a fi surseaccesibile de carbon pentru fotosintez. Sub valori ale pH = 5 se gsete numai CO2liber, lapH cuprins ntre 7 i 9 predomin bicarbonaii, asimilai direct sau indirect de ctre alge, iarla valori ale pH > 9,5 domin carbonatul i nu este utilizat n aceast form de cele maimulte alge. Atunci cnd algele utilizeaz n procesul fotosintezei dioxidul de carbon liber i ibicarbonaii, un nivel ridicat al pH-ului n sistem poate induce o concentraie sczut acarbonului organic asimilabil.

Unele ape dure de lac conin mari cantiti de bicarbonat i, probabil, carbonat decalciu particulat i coloidal. n aceste ape, carbonatul de calciu particulat i coloidal pot

5/28/2018 03-Capitolul Trei Ok

8/23

Dr. ing. Alina Agafiei

60

inactiva compuii organici labili, reducnd metabolismul bacterian, ntrziind regenerareaanorganic i organic, nbuind disocierea carbonului anorganic din complexul carbonat organic, carbonul devenind limitativ pentru activitatea fotosintetic.

Atunci cnd algele utilizeaz n procesul fotosintezei CO2liber i bicarbonai, un nivelridicat al pH-ului n sistem poate induce o concentraie sczut a carbonului anorganic

asimilabil. Unii cercettori afirm c, mai degrab dect fosforul sau azotul, carbonulesteun nutrient limitativn producerea nfloririlor algale (King, 1970). Dioxidul de carbon libereste indispensabil n ordonarea structurii comunitilor acvatice.

Bacteriile aerobe degradeaz materiile organice i produc CO2, pe care algele lutilizeaz n fotosintez. n acelai timp, algele elibereaz oxigen, pe care bacteriile lfolosesc n descompunerea materiilor organice.

Azotul, fosforul i alte substane necesare intr ntr-un ciclu n timpul acestui procescare se petrece ntre alge, bacterii i mediu.

Experienele au demonstrat c att carbonul organic, ct i cel anorganic (CO2gazossau bicarbont) determin o cretere foarte mic sau chiar nul a biomasei, atunci cndacesta este adugat singur sau mpreun cu azotul i fosforul (Ceapoiu, N.1968).

CO2principalul rezervor de carbon implicat n funcionarea biosferei este dizolvatsub form de ioni carbonici n mrile i oceanele lumii (cca. 35 000 milioane tone). Parteadin atmosfer (rezervorul atmosferic) constituie cca. 700 miliarde tone, ea reprezentnd,astfel, cel mai important factor n existena organismelor terestre (Bolin, B., 1970). Acestimens rezervor este aprovizionat continuu de ctre CO2 produs prin respiraie de ctremateria vie, prin procesul denumit combustie biologic, dar nu mai este alimentat i princombustie industrial, cauzat de arderile carbonice ale resurselor fosile. Acest ultimizvor de CO2a devenit semnificativ n special n ultimii o sut de ani de existen a biosferei.Deoarece ieirile din sistem, realizate doar prin fotosintez, nu cresc n aceeai msur cuintrrile din procesele industriale, se nregistreaz n atmosfer, n ultimul secol al mileniuluiII, o cretere progresiv a CO2n aer, de la 280 ppm la nceputul secolului, pn la 375 ppmn 2000 (Berca, M., 2000). Acest fenomen a condus la nclzirea atmosferei i la creareaunor dezechilibre globale n circuitul apei n natur, mai ales la topiri ale calotelor glaciare.

n scopul reglrii problemei, societatea uman are dou soluii: creterea consumului de CO2din atmosfer, prin mrirea volumului de vegetaie i mrireaconsumului specific, respectiv a intensitii fotosintezei; reducerea emanaiilor industriale de CO2 n atmosfer, prin ridicarea gradului detehnologizare industrial i protecie a naturii.

De aici, rezult importana factorului uman n dinamica circuitelor biogeochimice in funcionarea i evoluia biosferei.

III.3. Circuitul / ciclul azotului

Spre deosebire de carbon, atmosfera este foarte bogat n azot 79%, sub formmolecular (N2). Deasupra fiecrui hectar de pmnt sau ap se afl 80 000 tone azotmolecular, considerat, practic, un gaz inert. Exist, ns, foarte puine organisme capabiles-l utilizeze i sub aceast form (N2). Din punct de vedere biologic, principalul rezervor deazotl constituie: azotul mineral, amoniac, nitrii, nitraietc.

5/28/2018 03-Capitolul Trei Ok

9/23

Ecologie

61

5/28/2018 03-Capitolul Trei Ok

10/23

Dr. ing. Alina Agafiei

62

Fig. 3.3. Circuitul / ciclul azotului n natur

Cantitile de azot fixate n biomase i rezervele fosile i schimburile anuale ne indic

faptul c biosfera dispune de rezerve imense de azot, care, n dou cifre, se materializeazn 4 miliarde de milioane tone, n sediment i, respectiv, 3,8 miliarde de milioane tone, natmosfer. Alte 3-4 miliarde de milioane tone se afl n dinamic, n circuit.

n complexul bilan al nutrienilor- de care au nevoie pentru organizare, expansiunei continu ntreinere comunitile algale -, azotul i fosforul sunt cele mai importanteelemente din aceast fundamental categorie i, n consecin, constituie factori vitali decontrol ai structurii comunitilor acvatice.

Azotulptrunde n lacuri din foarte multe surse: precipitaii, ruri, ape subterane,scurgere direct sau indirect etc. i este considerat ca fiind factor limitativ. Adugat ncantiti potrivite, acesta stimuleaz creterea comunitilor algale. Majoritatea algelor aucapacitatea de a utiliza att amoniul, ct i nitratul, cnd acesta se gsete n concentraiiadecvate. Unele specii de alge au aceeai rat maxim de cretere n prezena nitratului cai n prezena amoniului, ns nitratul cere mai mult energie pentru reducere i, n cazulcnd aceasta este limitat, o cretere mai puternic are loc n prezena amoniului.Dezvoltarea exploziv a diatomeelor este asigurat de amoniu. Shickland(1969) arat c, ntancuri cu diametrul de 10 m i adncimea de 5 m, culturile de dinoflagelatei diatomeeauasimilat NH3naintea NO3.

Nivelul de utilizare a glucozei la Chlorella pyrenoidosa este mai mare cu 16% nprezena amoniului dect n prezena nitratului. Gaematococcus pluvialis i Botrycocusprefer nitratul amoniului, n timp ce alte grupe utilizeaz amoniul i exclud nitratul(Ceapoiu, N.1968).

Lumina i asimilarea azotului sunt ntr-o strns interrelaie. Eficiena conversieienergiei luminoase la Chlorella este cu 30% mai mare n prezena amoniacului dect nprezena nitratului. Amoniul produce o rat mai sczut a sintezei n celul dect nitratul, ncondiii limit ale intensitii luminoase.

5/28/2018 03-Capitolul Trei Ok

11/23

Ecologie

63

Efectele nocive ale amoniului sunt vizibile n medii cu capacitate de tamponareredus; nitraii i ureea nu produc asemenea efecte. S-a demonstrat c fitolpanctonulprosper n concentraii relativ sczute de sruri nutritive, n special fosfai (de obice i, maimici dect cele ntlnite n mediile de cultur).

Nitriii pot fi folosii ca surs de azot pentru unele specii de alge; n mod sigur, unele

alge pot utiliza i azot organic.Creterea algelor n cultur este optim la valori cuprinse ntre 0,3 i 1,3 mgN mineral/l, pentru unele specii limitele putnd fi mai mari: Asterionella, Tabellaria,Fragilarianu necesit cantiti ridicate de azot; n schimb,Ankietrodesmus falcatusnu atingeoptimum de cretere dect la concentraii ce depesc 10 mg/l.

Vollenweider, R.A. (1970) a artat c exist o riguroas dependen a specieiTabellaria fenestratafa de azotul anorganic. Studiile realizate de Jones iStewart(1969)evideniaz, n general, condiii optime pentru diatomee la valori sub 1 mg N/l, iar pentrualgele verzi i albastre la valori peste 1 mg N/l.

Rolul acestor doi principali nutrieni n procesul de eutrofizare este strns legat denelegerea naturii trofice a apelor de suprafa.

Condiiile ecologice de baz guverneaz productivitatea biologic a lacului saurezerva de hran, compus din diverse vieti, de la alge unicelulare la nevertebrateplanctonice i peti.

O limitare a cantitii de pete care populeaz un lac este dat de reacia petilor fade ei nii. Cercetrile au demonstrat c numeroase specii de peti reacioneaz negativ lasuprapopulare. Dac, de exemplu, exist mai muli indivizi dintr-o specie ntr-un lac dectcapacitatea sa, anumii peti (roioara, crapul etc.) vor elimina feromoni n ap, mpiedicnd,astfel, femelele s depun ou. Dei o cantitate mare de pete introdus ar putea nsemna,aparent, o recolt bogat, totui, piscicultorii evit primvara suprapopularea cu puiet acresctoriilor, deoarece aceasta ar conduce la obinerea unor exemplare de talie mic i, nmulte cazuri, la o mortalitate piscicol foarte ridicat (Sosin, M., Clark, J.1973).

Abundena plantelor n apeste limitat de cantitatea substanelor nutritive dizolvaten ap, lumina solar ce trece prin ap, temperatur etc. La o cantitate limitat de plante nap, deci, rezultatul va fi un numr limitat de consumatori primari (oblei, boarc, firc etc.),secundari (raci etc.) i prdtori (tiuc, alu, avat, somn etc.). De regul, exist oreducere a volumului de 10 la 1 pentru fiecare verig a lanului trofic (fig. 3.4).

Pentru a produce o tiuc de 5 kg sunt necesare 50 kg de puiet, care consum500 kg de nevertebrate, iar acestea, la rndul lor, mnnc 5 000 kg de plante.

Ecosistemul acvatic are un echilibru delicat i orice perturbare a unei verigi din lanva afecta automat ntregul sistem. Unii ecologi se refer la acest sistem ca la o piramid, nuca la o reea sau un lan. Efectul de piramid este cel care limiteaz drastic abundenaprdtorilor.

Petii rpitori sunt n vrful piramidei, n competiie cu alte specii de prdtori, uniipentru pentru plancton, alii pentru amfibieni, insecte etc.

Reducerile din piramid, de la un stadiu la altul, nu reprezint pierderi aleecosistemului. Dioxidul de carbon, eliminat prin expiraie, este refolosit de plante lafotosintez. Excrementele animalelor sunt transformate n substane nutritive de baz(nitrogen, fosfai etc.) i apoi sunt reciclate.

Toate organismele moarte sunt reconvertite de ctre bacterii n nutrieni de baz,care vor fi utilizai de plante n fotosintez i reciclai prin ntregul lan. Din acest motiv,bacteriile au fost denumite a 5-a verig din lan (Sosin, M., Clark, J.1973).

5/28/2018 03-Capitolul Trei Ok

12/23

Dr. ing. Alina Agafiei

64

Fig. 3.4. Circuitul hranei n forma sa de baz(Agafiei, Alina, 2006)

Importana azotului i a fosforului n meninerea stabilitii sistemelor ecologice seevideniaz n ecuaiile stoechiometrice elaborate de Stumm i Morgan cu privire laautotrofie i heterotrofie.

ntr-un sistem ecologic echilibrat exist o interrelaie reciproc ntre activitateaproductorilor i cea a consumatorilor, ntre fotosintez i respiraie, ntre producie idegradarea materialului organic sau ntre producerea i consumul de oxigen. n starea deechilibru se produce un surplus constant de oxigen.

Ecuaia lui Stumm iZolinger(1972) constituie o prezentare simplificat a ecuaiilor

stoechiometrice i caracterizeaz nivelul staionar dintre producia fotosintetic i ratadescompunerii materialului organic (Ceapoiu, N.1968):

106 CO2+ 16 NO3-+ HPO4

--+ 122 H2O + 18 H + (urme de elemente + energie)P R

/C106H263O110N16P1/ + 138 O2Protoplasma algal

Meninerea constant a compoziiei chimice n ap asigur starea staionar.Eutrofizarea (nflorirea apei, datorat excesului de nutrieni) conduce la tulburarea acesteistri n epilimnion i hipolimnion, n paralel cu dezvoltarea condiiilor anaerobe. Activitateaheterotrof depete producerea oxigenului prin fotosintez. O simpl trecere a unui mg defosfor prin ciclul heterotrofic eutrofic implic consumarea a 138 mg de oxigen. Completadezoxigenare a hipolimnionului apei lacurilor stratificate poate fi produs de cantitatea de 70/l P anorganic.

Ideea c azotul i fosforul pot limita creterea algelor este evideniat de Sawyer,care a demonstrat c nfloriri ale fitoplanctonului sunt probabile dac n primvarconcentraia fosforului n ap depete 0,01 mg/l, iar cea a azotului 0,3 mg/l.

n evoluia mediului viu, unele fenomene biologice i biochimice, n care este implicatazotul, sunt foarte importante determinante, chiar, n funcionarea sistemului biologic, ianume: fixarea azotului; amonificarea;

nitrificarea; denitrificarea.

5/28/2018 03-Capitolul Trei Ok

13/23

Ecologie

65

Apele uzate industrialcontribuie, prin cantitile relativ nsemnate de azot i fosforpe care le conin, la stimularea procesului de eutrofizare. Cantitatea maxim de azot ifosfor o furnizeaz apele uzate provenite din industria alimentar (fabricarea berii, distilareaalcoolului, prepararea i prelucrarea crnii etc.), textil i de fibre sintetice.

Un aport important de fosfor este produs prin deversarea leiilor. Eliminarea, ntr-o

msur satisfctoare, a zotului, respectiv a fosforului n cadrul staiilor de epurare necesitechipamente specifice, care, datorit costului lor ridicat, nu sunt n mod suficient disponibile.n lacuri i ruri se ntlnesc patru forme de azot - organic i, respectiv, mineral, sub

forma: NO3-, NO2- i NH4+. Formele nitrit (NO2-) i amoniac (NH4+) sunt prezente n cazuldisfuncionalitii mediului acvatic, fiind toxice pentru organismele vii; aceste forme sunt, deobicei, rare i, n orice caz, tranzitorii.

n condiii normale de oxigenare, azotul se gsete n special sub forma nitrailor(NO3-), care, fiind n stare dizolvat, prezint o mobilitate potenial foarte mare. nsedimente, azotul se gsete sub form de azot organic. Att n apele naturale, ct i n celeuzate, cunoaterea formelor de azot este deosebit de important pentru aprecierea strii deoxidare, NO3-, NO2-, NH4+ i azotul organic, toate aceste interaciuni fiind, din punct de

vedere biochimic, interconvertibile.Formele de azot dizolvat se refer la azotul mineral (azotai, azotii, amoniu) i azotulorganic (aminoacizi). Sub form particular, acesta apare n special sub form de azotorganic din detritus.

Azotul organic i amoniacul se pot determina analitic, ca azot Kjeldahl. Parteaorganic include materii naturale (proteine, peptide, acizi nucleici i uree) i numeroasesubstane organice sintetice, concentraiile variindn ecartul sute mg/l pn la peste 20 mg/l(canalizri).

n lacuri i ruri, fosforul se gsete sub form de fosfor organic, de PO 43-dizolvat ide P fixat pe particule aluvionare; aceast ultim categorie poate avea, uneori, o pondereimportant. Este tiut c impactul nutrienilor asupra mediului, n particular asupra floreiacvatice, este n funcie de forma lor de prezentare. Nitraii i fosfaii (PO 43-) corespundformelor de azot i fosfor direct asimilabile de ctre vegetaia acvatic. Alte forme de fosforpot fi utilizate de flora acvatic numai n condiii de mediu.

Formele dizolvate de azot i fosfor se pot fixa pe particulele prezente n ape prinmecanisme ce depind de natura particulei i a nutrientului. Acestea pot fi adsorbite fizic,chimic sau pot s precipite. n funcie de condiiile hidrodinamice, particulele coninndnutrieni se pot gsi n stare mobil (n suspensie) sau se pot decanta pe fundul mediuluiacvatic.

Ridicarea n suspensie sau n soluie a nutrienilor aflai n depozitele sedimentare defund poate avea loc i n alt mod, caracteristic apelor cvasistttoare. n perioada estival,insolaia puternic i absena vntului produc o stratificare termic a apelor calme: cele desuprafa se nclzesc, n timp ce apele de fund rmn reci (Varduca, A.2000).

Gradientul de densitate mrit ntre masele de ap cu temperaturi diferite frneazschimbul pe vertical. Apele de fund nu se primenesc, srcind n oxigen, datorit degradriimateriilor organice decantate. Acest deficit de oxigen modific condiiile fizico chimice lainterfaa ap sediment, ceea ce provoac ridicarea n soluie a numeroi ioni fixai peparticulele de ml. Acesta este, n particular, cazul compuilor amoniacali i al fosfailor.

n ceea ce privete transportul masic de nutrieni, acesta se refer n principal la NO3-i PO43-, fapt ce arat c intrrile n sistem sunt mai mari dect ieirile (degradare, asimilare,precipitare etc.) n schimb, la azotai i amoniac, mecanismele de ndeprtare din sistemprezint o pondere superioar, astfel nct transportul masic este mai puin relevant ncomparaie cu cel specific azotailor i ortofosfailor.

Pentru ciclurile biogeochimice aferente i din punct de vedere al monitoringului, se

vor considera ca elemente de baz azotul, fosforul i carbonul n apele de suprafa(fig. 3.5).

5/28/2018 03-Capitolul Trei Ok

14/23

Dr. ing. Alina Agafiei

66

Fig. 3.5. Ciclurile biogeochimice ale C, N i P n apele de suprafa(dup Varduca, A.2000)

Activitatea biologic a organismelor ce triesc n mluri (larve, nevertebrate benthicediverse) poate favoriza, de asemenea, revenirea n stare dizolvat a nutrienilor fixai pesedimente.

Detalii asupra dinamicii materialelor n suspensie ntr-un col al lacului sunt

prezentate schematic n fig. 3.6.

5/28/2018 03-Capitolul Trei Ok

15/23

Ecologie

67

Fig. 3.6. Detalii asupra dinamicii materialelor n suspensie,ntr-un col al lacului; MMD, MMP: materii minerale dispersate;

Ads: adsorbie; E: excreie; N: nutriie(Agafiei, Alina, 2006)

Bacteriile sunt prezente att n masa de ap, ct i n sedimente, n funcie decondiiile de oxigenare, degradnd materiile organice i influennd puternic repartiiaformelor de nutrieni.

Transformrile au loc n trei faze:amonificare: N organic NH4+;nitrificare: NH4+NO3-;denitrificare: NO3N2gazos.

Coninutul n substane nutritive al reziduurilor industriale este prezentat ntr-unraport al O.C.D.E.(1966):

5/28/2018 03-Capitolul Trei Ok

16/23

Dr. ing. Alina Agafiei

68

Tabelul nr. 3.2

Coninutul n substane nutritive al reziduurilor industriale(dup Phelippot, S.1995)

Naturareziduurilor

CBO5(mg/l)

N(mg/l)

P2O5(mg/l)

P CBO5/N CBO5/P

Fabrici de zahr 1180 21-70 6-30 2,6-13 56/1 356/1Ap de splare 4630 - - - 66/1 455/1Amidon din cartofi 3120 89-196 63-184 27-80,5 16,8/1 38,7/1Lptrii 200 30 2-3 0,9-1,3 6,7/1 222/1Depozit de mal 1621 29 30 13 56/1 125/1Fabric de bere 611 159,4 46,5 20,2 3,9/1 30,2/1Drojdie 3042 858 - - 3,5/1 -Abatoare 838 145 18,7 8,2 5,8/1 102/1

Jupuirea animalelor 1000 400 100 43,7 2,5/1 22,9/1Panouri de paie 3900 165 - - 23,6/1 -In 2500 40 60 26,1 62,5/1 96/1Amidon 3000 319 175 76,5 9,4/1 39,2/1Splarea lnii 10000 1400 - - 7,2/1 -Vopsitorii 1020 7-22 - - 145/1 -Tbcrii 296 57 - - 5,2/1 -Altele 622 51 - - 12,2/1 -Distilrii 15000 1900 - - 7,9/1 -Penicilin 4030 400 - - 10,1/1 -Lptrii 400 40 20 8,7 10/1 46/1

Coninutul mediu al azotului n plante este de 16 mg/g. Acesta are un rol esenial nprocesul de nutriie. Plantele i procur azotul din compui anorganici (azotai, azotii,sruri de amoniu) ori din compui organic (amine, amide, aminoacizi etc.). O alt surs oconstituie azotul atmospheric. Prin una dintre cele patru transformri anterior amintite, seajunge la azotul necesar plantelor.

Fixarea azotului natural. Pentru a deveni biologic utilizabil, azotul atmosferic (N2)

trebuie s fie fixat sub form de molecule anorganice, ca rezultat al unui proces fizico-chimicdirect n atmosfer, generat de energia luminoas i termic a descrcrilor electrice dintimpul furtunilor. Cantitatea de nitrai produs anual n biosfer n acest mod se ridic la 7,5milioane tone/an (Delwiche, C.C., 1970).

Ciclul azotului n biosfer este acelai, indiferent de specialitii care l studiaz i/saureprezint grafic. Modul de prezentare i de interpretare a fenomenelor poate fi diferit. King,T.J., 1989) consider aceast interpretare ca fiind cea redat n fig. 3.7:

5/28/2018 03-Capitolul Trei Ok

17/23

Ecologie

69

Fig. 3.7. Ciclul / circuitul azotului n biosfer n viziunea lui King, T.J., 1989,redat de Berca, M., 2000)

5/28/2018 03-Capitolul Trei Ok

18/23

Dr. ing. Alina Agafiei

70

Cantitatea de nitrati este transportat spre sol cu ajutorul precipitaiilor. Mult maiimportant este, ns, fixarea biologic, estimat la 44 milioane tone/an. Un alt gen defixare a azotului, semnificativ, de asemenea, este sinteza industrial a ngrmintelor, ncuantum de aprox. 30 milioane tone/an la sfritul anilor 60 i care a continuat s creascpn n prezent.

III.4. Ciclul / circuitul fosforului

Fosforul este elementul chimic care intr n compoziia acizilornucleici i joac rolulde stocare i transmitere a informaiei genetice. El intr, de asemenea, n compoziiafosfoproteinelor, fosfolipidelor i ascheletului vertebratelor, sub formde fosfat de calciu,iar n seminele plantelor se afl sub form de fitin.

Fosforul joac un rol esenial in procesele metabolice, n fotosintez i n proceselede transfer energetic, att la plante, ct i laanimale. Sursa principal de fosfor o constituierocile fosfatice, precum: apatita, fosforitele, depozitele de guano, oasele scheletelor de

animale etc. Circuitul fosforuluin natur este legat de circuitul apei,deoarece acest elementnu are compui gazoi. Din rocile eruptive i sedimentare, prin dezagregare i alterarechimic, fosforul este preluat de apele de precipitaii, ajunge n ruri, mri, oceane i sedepune n rocile sedimentare continentale sau marine. Pe acest circuit geochimic, segrefeaz circuitele biologice.

Fosforuleste un element esenial, considerat de Thienemann ca fiind unul dintreprincipalii factori limitativi de cretere. Sursele de fosfor n apele de suprafa suntfoarte variate: geochimice (splarea solului, eliberarea din sedimentele de fund), particuleatmosferice aduse de ploaie, biologice (descompunerea plantelor i a animalelor terestre iacvatice), agricole (splarea terenurilor pe care s-au aplicat ngrminte chimice,excremente), ape reziduale (canal, detergeni i ape industriale) etc.

Ciclul fosforului n ap se petrece ntre strile anorganice i cele organice.Nivelurileierarhice i de timpale dinamicii fosforului ntr-un lac se prezint n fig. 3.8.

Fig. 3.8. Nivelurile ierarhice i de timp ale dinamicii fosforului ntr-un lac i transmiterea deimpulsuri ctre nivelurile superioare de integrare (dup Varduca, A.2000)

5/28/2018 03-Capitolul Trei Ok

19/23

Ecologie

71

Algele au fost clasificate, pe baza capacitii de a tolera diferite concentraii defosfat, n: alge cu toleran sczut: < 20 /l (Dynobrion divergens, Uroglena); alge cu toleran medie: = 20 /l (Asterionela formosa); alge cu toleran ridicat: > 20 /l (Scenedesmus qudricauda).

Deficitul de fosfai este frecvent nlocuit de capacitatea algelor de a nmagazinafosfai n exces n timpul perioadei de surplus al acestora n mediul acvatic. Aceastnmagazinare ngduie algelor folosirea i n perioada absenei fosfailor.

Cercetarea ultrastructurii algelor albastre a evideniat clar membrane care nconjoardepozite de polifosfai. nc din 1953, Ricea stabilit c, atunci cnd algele cresc n medii cufosfat din abunden, ele l acumuleaz n proporia n care segsete n mediu i excesul seadun sub form de sruri anorganice.

Marea varietate a rspunsurilor comunitilor acvatice fa de nivelurile ridicate defosfor depinde de compoziia speciilor. Cultura de Tabellaria flocculosamanifest toleranmai sczut dect alte alge. Un nivel ridicat al fosfailor limiteaz aceast specie n unelelacuri. Nivelul optim de cretere este cuprins ntre 90 i 1800 /l. O concentraie de fosfai

mai mic de 90 /l limiteaz capacitatea de cretere a acestor alge. Culturile de Euglenegracilis prezint o cretere parial dependent de existena fosforului. Densitatea maximeste atins la un nivel al fosfailor de 400 500 /l; concentraia de 1000 /l inhibcreterea. O dezvoltare bun a algelor planctonice are loc n tr-o soluie nutritiv de0,12 ppm fosfor; concentraiile sub 0,05 ppm P limiteaz creterea, iar cele ce depesc20 ppm au efect inhibitor (Ceapoiu, N., 1968, dup Gron, 1976).

Cercetarea efectelor azotului i fosforului asupra algelor n cultur au artat cscderea raportului N/P nu afecteaz creterea acestora.

innd seama de implicaiile ecologice i fr a uita de nivelul optim al concentraiilorde azot i fosfor n mediul natural, aceasta este mai curnd o excepie dect o regul.

Pe baza experimentelor efectuate n laborator pe diferite culturi de alge,Vollenweider, R.A.a stabilit o ordine a speciilor dup nevoia minim de fosfor, n /m3volumcelular:

- Asterionella formosa: < 0,2;- Tabellaria, Fragilaria: 0,20,6;- Sesnedesmia: > 0,5;- Oscillatoria, Microcystis: >0,5.Cantitatea de fitoplancton ce poate fi produs cu un P/l se evalueaz ntre 2 i

5 mm3/l. n planctonul natural, valorile sunt uor inferioare acestora.Descoperirea acestui raport de utilizare a fosforului aduce o contribuie important la

problema succesiunii biocenotice, care este paralel cu procesul de eutrofizare.Cercetrile ntreprinse de Vollenweider, R.A. se concentreaz ntr-un mod ct se

poate de gritor asupra importanei nutrienilor, n special a azotului i fosforului, ndeterminarea nivelului trofic al lacurilor.

III.4.1. Dinamica fosforului n ecosistemele lacustre

Cunoaterea mecanismelor i contribuiilor fosforului n cadrul procesului deeutrofizareeste, nc, incomplet. Comportamentul fosforului ca substan hrnitoare estecomplicat i greu de desluit.

Fosforul poate fi identificat n ap n cel puin dou stri oxidate, precum i nparticule materiale organice sau anorganice.

Dinamicile de modificare a concentraiilor fosforului sunt net difereniate n funcie de

nivelul proceselor fizico-chimice considerate. De asemenea, adaptarea, respectiv competiiadintre specii la prezena unui chimical (grad de suportabilitate biocenoze) este dependentde gradul de ierarhizare (fig. 3.9, fig. 3.10).

5/28/2018 03-Capitolul Trei Ok

20/23

Dr. ing. Alina Agafiei

72

Formele solubile ale strilor anorganice complexeaz cu uurin cu materialeleorganice. Cei mai importani compui dizolvai care conin fosfor n ap sunt: coloizii cugreutate molecular mare (de ordinul 107), o clas de compui cu greutate molecular deaproximativ 250 i PO4P (Ceapoiu, N., 1968; Rojanschi, Vl..a., 1996).

Utiliznd radioizotopi, Lean (1973) a demonstrat preponderena mecanismelor de

schimb ntre fosfatul anorganic i fraciunile particulate (fig. 3.11).n fig. 3.11, semnificaiile simbolurilor sunt urmtoarele:K1asimilarea fosfatului (PO4);K2eliberarea compuilor fosforici excretai (xP);K3o parte ce combin substanele coloidale;K4ce poate fi hidrolizat ulterior;K5eliberarea PO4;K6o parte a xP hidrolizeaz direct la PO4;K7fosfor coloidal neutralizat biologic.S-au evideniat dou mecanisme biologice mediatoare foarte importante.Fosforul radioactiv, adugat n ap nefiltrat de lac, a fost asimilat rapid de

fitoplancton i bacterii. Dup cteva minute, o parte de radiofosfor a fost excretat ca PO4,iar altatransferat coloizilor cu greutate molecular mare, care nu sunt o surs direct defosfor pentru fitoplancton. Cnd fitoplanctonul a fost ndeprtat din apa lacului prin filtrare,nu a avut loc transferarea fosfatului la coloizi, ceea ce sugereaz c organismele vii, maidegrab dect factorii chimici, sunt responsabile pentru acest proces. Produsele fosforilatede excreie ale algelor i bacteriilor cu greutate molecular de 250, legndu-se la materialulcoloidal, elibereaz fosfatul disponibil pentru un nou transfer, printr-un proces necunoscut.nsi fiziologia excreiei este foarte complex; uneori, rata excreiei maxime corespunde cumaximul fotosintezei i cu faza de cretere exponenial a populaiei. n alte cazuri, oexcreie ridicat se petrece n faza staionar sau n cea de declin.

Eliberarea produselor extracelulare nu este simpl, ci complicat de efecteleschimbrii luminii n timpul zilei. Eliberarea fosforului de ctre ultraplancton constituie unfactor deosebit de important n rapida reciclare a acestui element. Cea mai mare parte afosforului excretat de ctre zooplancton a fost sub form de fosfat. Zooplanctonul pare aavea un rol important n mecanismele de reciclare a fosforului; hrnindu -se cu 10 100%fitoplancton, produsele de excreie sunt o surs important de fosfat (circa 88% PO 4). nunele situaii, fosforul organic dizolvat este utilizat de alte specii, n prezena fosfatazeialcaline.

Se cunosc trei mecanismepentru ntoarcerea PO4P n soluie:1. eliberarea direct a fosforului de ctre ultraplancton;2. excreia fosforului de ctre zooplancton;3. hidroliza enzimatic a compuilor cu fosfor excretai de organisme sau produi

prin autoliz sau descompunerea planctonului mort.

5/28/2018 03-Capitolul Trei Ok

21/23

Ecologie

73

Fig. 3.9. Modelul conceptual al proceselor de producie fotoantropic i de degradareaerobic n zona pelagic a lacurilor (dup Varduca, A.2000)

5/28/2018 03-Capitolul Trei Ok

22/23

Dr. ing. Alina Agafiei

74

Fig. 3.10. Interaciuni dintre organisme i mediu (dup Varduca, A.2000)

Mecanismul eliberrii fosforului din sedimente este descris n literatur ca o reaciechimic cu fierul. Fosforul poate fi precipitat ca fosfat feric insolubil sau co-precipitat cuFe(OH)3n mediile bine oxigenate. n condiiile lipsei de oxigen, reducerea fierului determinprecipitarea FeS, eliberndu-se ionul PO4---, care se dizolv n apa lacului (Ceapoiu, N., 1968;Vollenweider, R.A.,1970). Concentraiile maride fosfor n hipolimnion nu pot fi privite ca oindicaie a unui feed-back ntre acest element i sedimente.

Dinamica concentraiei n fosfor n bazinul inferior al lacului Constance este reglat,

n principal, prin pierderile cauzate de efluenii acestuia (20% pe an), prin redizolvareaperiodic a fosforului din sedimente i prin ncorporarea acestuia n materialul n

Fig. 3.11. Preponderenamecanismelor de schimb ntrefosfatul anorganic i fraciunileparticulate (dup Ceapoiu, N.1968)

5/28/2018 03-Capitolul Trei Ok

23/23

Ecologie

75

sedimentare. Asigurarea unei concentraii de oxigen dizolvat de 4 6 mg/l, n orice moment,n lac, contribuie la diminuarea aportului de fosfor din sursele interne i externe.

Kenney, B.C.(1990) pleac de la ipoteza c fosforul este, n mod efectiv, elementulcare trebuie luat n calcul n procesul de modelare a eutrofizrii. n consecin, prezicereaeutrofizrii se va reduce la prezicerea momentului n care PL > 10 mg/m3 (concentraia

medie total de fosfor). Cunoscndu-se efectele pe termen lung ale ncrcrii n fosfor ntr-un lac, se poate stabili valoarea PLn regim permanent.Relaia ntre ncrcarea n fosfor i concentraia acestuia ntr-un lac, n regim

permanent, este dat de ecuaia (1.3) pentru un model legat de sedimentare. ncrcareacritic n fosfor, ntr-un lac dat, se poate determina nlocuind criteriul lui Sawyern relaia(3.1):

])/[( zzPLwL

(3.1)

n care:

z/10

- constant de proporionalitate (de sedimentare);z - adncimea medie, (m);

w - intervalul de timp, (ani).

])/1[(10 wc

zL (mg/m2an) (3.2)

n limita acestei ipoteze, ecuaia (3.2) a fost numit ecuaia predictiv aeutrofizrii ntr-un lac. Dei se cunosc z,

w i , ncrcarea critic n fosfor poate fi

calculat direct, aplicnd ecuaia (3.2). n ceea ce privete constanta de sedimentare, ,exist mai multe metode ce permit determinarea indirect a acesteia pentru un lac dat,

cunoscndu-se tipul ncrcrii n fosfor asociat lacului respectiv (Kenney, B.C.,1990).Se cunosc, n acest sens, dou metode de determinare: metoda regimuluipermanent i metoda rspunsului forat. Prima se bazeaz pe modelul ncrcriihidraulice i poate fi aplicat n cazul unui lac dat, dac se tie c acesta se afl n regimpermanent i pe modele matematice referitoare la fosfor.

Legat de a doua metod, n majoritatea lacurilor, ncrcarea n fosfor nu este niciconstant, nici supus unor variaii brute, ci variaz, n general, n mod continuu. n acestecazuri, se recomand examinarea rspunsului forat al lacurilor, n vederea determinriivalorii constantei de sedimentare.

III.5. Interaciunea dintre circuite / cicluri

Toate aceste circuite / cicluri prezentate anterior reliefeaz realitatea structural abiosferei sau a ecosferei i nu trebuie considerate drept realiti individuale separate,independente unul de altul.

De exemplu, ciclul carbonului i al oxigenului sunt extreme de legate, n special defuncia de respiraie (combustie), dar i de cea de fotosintez a materiei vii, ntr-oform sau n alta.

De asemenea, din prezentarea derulrii etapelor ciclului / circuitului azotului, reiesen mod clar faptul c acesta depinde, ntr-o foarte mare msur, de condiiile oferite demediul ambiant, mai exact de celelalte circuite (cicluri), precum apa, oxigenul i carbonul,fr a uita de elementele minerale i de oligoelemente.