78 ΠΑΡΑΓΩΓΙΚΟΤΗΤΑ ΥΔΑΤΙΝΩΝ ΟΙΚΟΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΦΥΤΙΚΟΙ ΟΡΓΑΝΙΣΜΟΙ (μακροφύκη φυτοπλαγκτόν) ΠΡΩΤΟΓΕΝΕΙΣ ΠAΡΑΓΩΓΟΙ ( μετατρέπουν ανόργανα συστατικά σε οργανικές ενώσεις ) φωτοσύνθεση 6 CO 2 + 6H 2 O C 6 Η 12 O 6 + 6 O2 αναπνοή από τους υδατάνθρακες με βιοχημικές διαδικασίες παράγονται λίπη, πρωτεΐνες και άλλες οργανικές ενώσεις ΦΩΣ : απαραίτητο για τη λειτουργία του φαινομένου της φωτοσύνθεσης (διεγείρει τη μεταφορά ηλεκτρονίων κατά τις φωτεινές αντιδράσεις ) παραγωγή ΑΤΡ (ενεργειακό νόμισμα) Η ηλιακή ενέργεια δεσμεύεται από τις φωτοσυνθετικές χρωστικές που βρίσκονται στους χλωροπλάστες χλωροφύλλη-a, b, c, d καροτενοειδή ξανθοφύλλες φυκομπιλίνες (*) όλες οι χρωστικές απορροφούν φως σε μήκη κύματος μεταξύ 400 700nm, δηλαδή στο ορατό φάσμα της ηλιακής ακτινοβολίας
79 Τα χαρακτηριστικά χρώματα που διαθέτουν οι φυτοπλαγκτονικοί οργανισμοί προέρχονται κυρίως από την περιεκτικότητά τους σε διάφορες χρωστικές (**) είδη που εντοπίζονται στα κατώτερα βάθη της εύφωτης ζώνης είναι προσαρμοσμένα να απορροφούν το τμήμα της ηλιακής ακτινοβολίας που φτάνει στο βάθος εκείνο (μπλέ ή πράσινο ως) ΦΩΤΟΣΥΝΘΕΣΗ παραγωγή οργανικής ένωσης παραγωγή Ο 2 Φυτική βιομάζα ΑΝΑΠΝΟΗ κατανάλωση οργανικής ένωσης κατανάλωση Ο 2 Η συνολική ποσότητα οργανικής ύλης που παράγεται από τους φυτικούς οργανισμούς αποτελεί την Ολική Πρωτογενή Παραγωγικότητα (GPP) GPP - R = NPP R = αναπνοή NPP = Καθαρή Πρωτογενής Παραγωγικότητα είναι η νέα βιομάζα που ενσωματώνεται στους φυτικούς οργανισμούς
80 ΜΕΤΡΗΣΗ ΠΡΩΤΟΓΕΝΟΥΣ ΠΑΡΑΓΩΓΙΚΟΤΗΤΑΣ Η παραγωγή φυτικής βιομάζας είναι πολύ σημαντική στα υδάτινα οικοσυστήματα.. αρχή της τροφικής αλυσίδας ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΣ βιομάζα που παράγεται ποσότητα Ο 2 που παράγεται ποσότητα CO 2 που δεσμεύεται Α. ΜΕΤΡΗΣΗ ΦΥΤΟΠΛΑΓΚΤΟΝΙΚΗΣ ΒΙΟΜΑΖΑΣ υπολογισμός της περιεκτικότητας του νερού σε φυτοπλαγκτονικούς οργανισμούς ( εφαρμογή μικροσκοπικής μεθόδου ) n/m 3 ή n/m 2
81 ΜΕΤΡΗΣΗ ΧΛΩΡΟΦΥΛΛΗΣ έμμεσος τρόπος υπολογισμού της φυτοπλαγκτονικής βιομάζας (*) υπολογίζεται η ποσότητα της χλωροφύλλης-α που υπάρχει σε συγκεκριμένο όγκο νερού ΜΕΘΟΔΟΛΟΓΙΑ : - συγκεκριμένος όγκος νερού φιλτράρεται σε ειδικό φίλτρο που κατακρατά τους φυτοπλαγκτονικούς οργανισμούς - το φίλτρο βυθίζεται σε ακετόνη για να σπάσουν οι οργανισμοί και να απελευθερωθεί η χλωροφύλλη - το διάλυμα φασματοφωτομετρείται και με γνωστούς τύπους υπολογίζεται η βιομάζα υπολογισμός της περιεκτικότητας του νερού σε φυτοπλαγκτονικούς οργανισμούς Ο ρυθμός της πρωτογενούς παραγωγικότητας είναι τις πιο πολλές φορές σημαντικότερος από τους στιγμιαίους υπολογισμούς της Υπολογισμός των μεταβολών της ποσότητας των ενώσεων στα δύο σκέλη της βασικής αντίδρασης της φωτοσύνθεσης ( ΟΞΥΓΟΝΟ - ΔΙΟΞΕΙΔΙΟ ΤΟΥ ΑΝΘΡΑΚΑ )
82 Β. ΜΕΤΡΗΣΗ ΠΑΡΑΓΟΜΕΝΟΥ ΟΞΥΓΟΝΟΥ Μέθοδος των διαφανών και αδιαφανών φιαλών - Δείγματα νερού με φυτοπλαγκτόν συλλέγονται και μετράται η συγκέντρωση Ο 2 - Το νερό τοποθετείται σε ένα ζευγάρι όμοιων φιαλών από τις οποίες η μία έχει διαφανή τοιχώματα και η άλλη αδιαφανή - Οι φιάλες κλείνονται αεροστεγώς και αναρτώνται για 24 ώρες στο βάθος εκείνο από το οποίο συλλέχθηκε το νερό Οι GPP, NPP και R υπολογίζονται ως εξής : R = (I D) / 24 NPP = (L I) /24 R + NPP = GPP όπου : I = η αρχική συγκέντρωση Ο 2 D = η συγκέντρωση Ο 2 στην αδιαφανή φιάλη L = η συγκέντρωση Ο 2 στη διαφανή φιάλη
83 ΠΕΡΙΟΡΙΣΤΙΚΟΙ ΠΑΡΑΓΟΝΤΕΣ ΤΗΣ ΦΥΤΟΠΛΑΓΚΤΟΝΙΚΗΣ ΠΑΡΑΓΩΓΙΚΟΤΗΤΑΣ Από τα στοιχεία της βασικής εξίσωσης της φωτοσύνθεσης το H 2 O και το CO 2 είναι άφθονα και δεν αποτελούν ποτέ περιοριστικούς παράγοντες ΕΝΤΑΣΗ ΦΩΤΟΣ ΘΡΕΠΤΙΚΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑ (Ν, Ρ) περιοριστικοί παράγοντες της φυτοπλαγκτονικής παραγωγικότητας Α) Ένταση φωτός Ο ρυθμός της φωτοσύνθεσης εξαρτάται από την ένταση της ηλιακής ακτινοβολίας : Ο φωτοσυνθετικός ρυθμός φτάνει στη μέγιστη τιμή του σε μία συγκεκριμένη ένταση του φωτός που αντιστοιχεί στο 1/20 της πλήρους ηλιακής έντασης ΦΩΤΟΚΟΡΕΣΜΟΣ σε πολύ μεγαλύτερες τιμές έντασης του φωτός ο ρυθμός της φωτοσύνθεσης μειώνεται και τελικά μηδενίζεται.. ΦΩΤΟΑΝΑΣΤΟΛΗ
84 Η ΕΠΙΔΡΑΣΗ ΤΟΥ ΒΑΘΟΥΣ Επειδή η ένταση του φωτός μειώνεται εκθετικά με το βάθος ο ρυθμός φωτοσύνθεσης μεταβάλλεται ως εξής : Αναπν Ολική πρωτογενής παραγωγικότητα στην επιφάνεια, όπου η ηλιακή ακτινοβολία είναι μέγιστη, η παραγωγικότητα είναι μικρή και φτάνει τη μέγιστη τιμή της σε κάποιο βάθος (*) ο ρυθμός της αναπνοής των φυτοπλαγκτονικών οργανισμών δεν επηρεάζεται από το βάθος (**) η αναπνοή του φυτοπλαγκτού ισοδυναμεί περίπου με το 10% της μέγιστης φυτοπλαγκτονικής παραγωγικότητας Στο βάθος φωτοαντιστάθμισης η ολική πρωτογενής παραγωγικότητα και η αναπνοή του φυτοπλαγκτού βρίσκονται σε ισορροπία παραγωγή Ο 2 (φωτοσύνθεση) δέσμευση C (φωτοσύνθεση) ή κατανάλωση Ο 2 (αναπνοή) αποικοδόμηση C (αναπνοή)
85 Β) Θρεπτιικά στοιιχείία Οι φωτοσυνθετικοί οργανισμοί για τη σύνθεση των αμινοξέων, των πρωτεϊνών και των νουκλεϊνικών τους οξέων χρειάζονται κάποια στοιχεία που είναι οι βασικοί δομικοί λίθοι αυτών των οργανικών ουσιών ΑΖΩΤΟ (Ν) - ΦΩΣΦΟΡΟΣ (Ρ) ( πολλές φορές η συγκέντρωσή τους στο νερό είναι εξαιρετικά μικρή. περιοριστικοί παράγοντες ) Εποχιακές διακυμάνσεις : η έντονη φωτοσυνθετική δράση σε κάποιες εποχές του χρόνου αφαιρεί από το νερό σημαντικές ποσότητες αυτών των στοιχείων με συνέπεια να βρίσκονται σε χαμηλές συγκεντρώσεις ΑΝΑΣΤΟΛΗ ΦΩΤΟΣΥΝΘΕΤΙΚΗΣ ΔΡΑΣΤΗΡΙΟΤΗΤΑΣ Διακυμάνσεις με το βάθος : στα επιφανειακά στρώματα όπου πραγματοποιείται έντονα η φωτοσύνθεση παρατηρείται μείωση των δύο στοιχείων. * Αντίθετα σε μεγάλα βάθη αλλά και στο βυθό λόγω της αποσύνθεσης έχουμε απελευθέρωσή τους ΘΕΡΜΟΚΛΙΝΕΣ : αποτελεί εμπόδιο στην ανάμιξη επιφανειακών και βαθύτερων υδάτων Τοπικές διακυμάνσεις : η κυριότερη πηγή θρεπτικών στοιχείων είναι οι απορροές των ποταμών που μεταφέρουν φερτές ύλες από την ξηρά περιοχές πλούσιες σε θρεπτικά είναι αυτές που δέχονται τέτοιες απορροές (π.χ: Μαύρη Θάλασσα, Αδριατική ) περιοχές φτωχές σε θρεπτικά έχουν χαμηλή παραγωγικότητα (π.χ. : Μεσόγειος )
86 ΕΠΟΧΙΑΚΕΣ ΔΙΑΚΥΜΑΝΣΕΙΣ ΦΥΤΟΠΛΑΓΚΤΟΥ Οι μικροσκοπικοί οργανισμοί του φυτοπλαγκτού ανταποκρίνονται άμεσα στις εποχιακές μεταβολές κλιματικών παραγόντων που επηρεάζουν την ανάπτυξη και αναπαραγωγή τους ΠΑΡΑΓΟΝΤΕΣ : θερμοκρασία, ηλιοφάνεια, συγκέντρωση θρεπτικών Πολικές περιοχές : χαρακτηρίζονται από την εναλλαγή δύο εποχών του χειμώνα και του καλοκαιριού - Μέγιστη αφθονία το καλοκαίρι (υψηλή θερμοκρασία, ηλιοφάνεια) Εύκρατες περιοχές : υπάρχουν τέσσερις εποχές (άνοιξη, καλοκαίρι, φθινόπωρο, χειμώνας) - Δύο μέγιστα αφθονίας: το μεγαλύτερο την άνοιξη, το μικρότερο το φθινόπωρο Τροπικές περιοχές : δεν υπάρχουν εποχιακές μεταβολές - Οι αυξομειώσεις της αφθονίας του φυτοπλαγκτού ελέγχονται από την επάρκεια των θρεπτικών στοιχείων
87 ΤΡΟΦΙΚΕΣ ΑΛΥΣΙΔΕΣ Η μεταφορά της οργανικής ύλης (τροφή) που παράγεται από τους φυτικούς οργανισμούς σε ανώτερους θηρευτές δημιουργεί χαρακτηριστικές αλυσίδες Πρωτογενείς παραγωγοί Πρωτογενείς Δευτερογενείς Τριτογενείς Το μήκος των τροφικών αλυσίδων (ή ο αριθμός των κρίκων τους) ποικίλει ανάλογα με τα χαρακτηριστικά των διάφορων οικοσυστημάτων Καταναλωτές 6 ου επιπέδου Καταναλωτές 5 ου επιπέδου Τεταρτογενείς Τριτογενείς Δευτερογενείς Πρωτογενείς Πρωτογενείς παραγωγοί
88 Το μέγεθος των φυτοπλαγκτονικών οργανισμών φαίνεται πως είναι ο βασικός παράγοντας που καθορίζει το μήκος των τροφικών αλυσίδων της πελαγικής περιοχής των θαλασσών Το μεγαλύτερο μέρος της ενέργειας που περιέχεται σε ένα τροφικό επίπεδο δεν περνάει στο επόμενο γιατί καταναλώνεται στις διάφορες δραστηριότητες των οργανισμών Μέση απόδοση μεταφοράς ενέργειας = 10% περίπου
89 ΤΡΟΦΙΚΕΣ ΠΥΡΑΜΙΔΕΣ Η τροφική δομή των οικοσυστημάτων μπορεί να αναπαρασταθεί με μία τροφική πυραμίδα της οποίας η βάση αντιστοιχεί στους πρωτογενείς παραγωγούς και η κορυφή στους ανώτατους θηρευτές Καθώς αυξάνουν τα τροφικά επίπεδα η διαθέσιμη ενέργεια είναι όλο και λιγότερη και συνεπώς μικρότερος αριθμός οργανισμών μπορεί να συντηρηθεί από αυτή (*) από τον ήλιο στο φυτοπλαγκτό η ενεργειακή απόδοση είναι μόλις 2%
90 Εκτίμηση σταθερού αποθέματος (συνολικός αριθμός ή συνολική βιομάζα των οργανισμών που υπάρχουν στο νερό σε μία δεδομένη στιγμή) ΑΝΕΣΤΡΑΜΜΕΝΗ ΠΥΡΑΜΙΔΑ Κορυφαίοι θηρευτές Κορυφαίοι Ψάρια θηρευτές Βιομάζα ζωοπλαγκτού Ψάρια Βιομάζα φυτοπλαγκτού Α Ζωοπλαγκτόν Φυτοπλαγκτόν Β Α. Η μορφή της πυραμίδας βιομάζας σε ένα πελαγικό οικοσύστημα για μια περίοδο δέκα χρόνων. Β. Ανεστραμμένη πυραμίδα βιομάζας του σταθερού αποθέματος για το ίδιο πελαγικό οικοσύστημα. ΕΞΗΓΗΣΗ: => Αν υπολογίσουμε τη συνολική βιομάζα του σε διάρκεια ενός χρόνου (όπου οι φυτοπλαγκτονικοί οργανισμοί αναπαράγονται πολλές φορές), η βιομάζα αυτή θα είναι πολλαπλάσια αυτής του σταθερού αποθέματος, και κατά συνέπεια πολύ μεγαλύτερη από αυτή του ζωοπλαγκτού, το οποίο έχει πολύ μικρότερο αναπαραγωγικό ρυθμό.