Ugrás a tartalomhoz

Ökológia

Dr. Horváth Balázs, Pestiné dr. Rácz Éva Veronika (2011)

Anyagforgalom a bioszférában

Anyagforgalom a bioszférában

Míg az energia a földi rendszeren átáramlik, az anyagok körforgásban vesznek részt. Az egyes elemek körforgásában mind biológiai, mind geokémiai folyamatok közrejátszanak, ezért ezeket biogeokémiai ciklusoknak nevezzük. A körforgásban való részvétel minden elemre jellemző, ami az élőlények testének alkotásában részt vesz, de közülük csak néhány kivételesen fontos elem ciklusát szoktuk részletes rajzokon bemutatni. A makrotápanyagokat (C, N, H, O, P) az élőlények nagy mennyiségben tartalmazzák, míg a mikrotápanyagok (S, Na, K, Ca, Mg, Fe, Cu stb.) mindegyikére az jellemző, hogy a szervezet szárazanyagtartalmának 1%-nál kisebb hányadát alkotják.

A cilusok között megkülönböztetünk gáz- és üledékes ciklusokat. Előbbiek esetében a körforgást végző elem a légkörben jutva és ott tárolódva hosszabb időre kikerül a körforgásból, utóbbiaknál viszont a fő tárolók a földkéreg kőzetei. Egy-egy elem több tárolóban is előfordulhat (pl. a szén a légkörben is előfordul CO2-ként, ugyanakkor a karbonátos közeteknek is alkotó anyaga), és az egyes tárolók relatív jelentősége is más és más lehet az egyes ökoszisztémákban (pl. a tundrában a legtöbb szén a talajban raktározódik, a trópusi esőerdőkben pedig a növények biomasszájában). Az egyes elemek körforgása természetesen egymással is összefügg, és e biogeokémiai ciklusokat újabban az ember is nagymértékben befolyásolja (pl. a szénciklust a fosszilis energiahordozók égetésével, a nitrogénciklust a műtrágyázással zavarja meg), jelentős környezeti problémákat okozva. A körfolyamatok sebessége a sivatagokban és a tundrákon a legkisebb, a trópusi esőerdőkben a legnagyobb.

A szén körforgása

A szénnek négy nagy raktára van bolygónkon:

  1. a légkör (szén-dioxid),

  2. a vegetáció (a növények teste és a talaj szerves széntartalma),

  3. az óceánok víztömege,

  4. széntartalmú üledékes kőzetek (mészkő, dolomit, stb., valamint az ősmaradványi energiahordozók).

A szénraktárak közül a negyedik a legjelentősebb.

A szénciklus főbb részfolyamatai a 11. ábráról leolvashatók. Érdekes körülmény, hogy a növények szénmegkötésének biokémiája olyan földtörténeti korban alakult ki, amikor a légkör széndioxid-koncentrációja a mainak körülbelül a tízszerese volt, azaz 0,3% körüli. Mivel az alapvető biokémiai lépések az evolúció során lényegesen nem változtak, a levegő jelenlegi alacsony koncentrációja ma többnyire korlátot jelent a fotoszintézis hatékonyságával szemben. (Az üvegházi termesztés során ezen könnyen lehet segíteni azzal, ha a zárt térben a CO2-ot feldúsítjuk.) Napjaink CO2-szennyezése valóban kedvező lehet egyes fajok számára, de ez korántsem jelenti azt, hogy globális léptékben is hasonlóan előnyös hatásokkal kell számolnunk. Már csak azért sem, mert a könnyebben elérhető CO2 mindegyik faj számára más-más fokú előnyt jelent, így az egyes fajok évszázezrek alatt kialakult „erőviszonyai” megváltoznak – a globális diverzitás szempontjából nem biztos, hogy kedvezően.

A víz körforgása

A víz körforgása, bár kémiai szempontból nem elemről van szó, az egyik legjelentősebb folyamat, lévén, hogy a legnagyobb anyagmennyiség mozgásával jár. A víz körforgását nagyrészt fizikai folyamatok hajtják, de nem elhanyagolható az élőlények szerepe sem. A vízciklus egyik legfőbb ismérve, hogy az óceánok felületéről több víz párolog el, mint amennyi ugyanannyi idő alatt csapadékként belehull. A légkörbe kerülő többletvíz a szárazföldek fölé (felhők, légnedvesség formájában) vándorolva ott hull le csapadékként. A szárazföldeken pont fordított helyzet alakul ki: ott az időegység alatt lehulló összcsapadék mennyisége meghaladja az időegység alatt elpárolgó mennyiséget. A lehulló többletvíz a vízfolyások útján jut vissza a tengerekbe.

A ciklus említett fő elemeit a biológiai folyamatok jelentős mértékben módosítják. A növények párologtatása (transpirációja) nagyon jelentős lehet: egy adott levélfelület párologtatási sebessége gyakran eléri a hasonló nagyságú szabad vízfelület párolgási sebességének a felét. Az Amazonas medencéjének esőerdeje óriási vízraktárat és óriási párologtatási kapacitást jelent, amelynek jelentős éghajlatmódosító hatása van. Ezt szemlélteti a következő ─ kisebb léptékű ─ példa.

Egy becslés szerint (Pokorný ─ Rejšková, 2008) egy 100 000 km2-es területen évente átlagosan 50 millió tonna biomassza keletkezik, ami legalább 50 milliárd tonna víz elpárolgásával jár együtt. Mivel a víz párolgáshője 2400-2500 kJ/kg (hőmérséklettől függően), ez azt jelenti, hogy egy nagyjából Magyarországnyi területről évente 126 EJ energiát von el a párolgás. (Összehasonlításképpen: a teljes magyar energiafelhasználás 1 EJ/év nagyságrendű.) A hőelvonás nyilvánvalóan csak akkor tud megtörténni, ha elpárologtatható víz van jelen, és minél természetközelibb állapotban van a táj, a területegységre eső mobilizálható víztartalom rendszerint annál nagyobb. A szántóföldek és főként a beépített és burkolt felületek vizet nem tartanak magukban, így a napsugárzás szállította hő az ilyen területeken nem halmazállapot-változtatásra, hanem hőmérsékletemelésre fordítódik. A legköltséghatékonyabb légkondicionálás módja tehát az, hogy minél nagyobb területeket hagyunk meg eredeti, természetközeli állapotában.

Az esőerdők hatalmas párologtatóképessége alapjaiban meghatározza azt a klímát, ami az Amazonas-medencében uralkodik. Ebből természetesen az is következik, hogy ennek az erdőségnek a kivágása az éghajlat megváltozását vonja maga után. Az összefüggés globális méretekben is igaz. A modern ember megtelepedése szinte minden esetben a természeti környezet vízraktározó képességének jelentős mérvű csökkenésével jár: az őserdőket legjobb esetben ültetett plantázsokkal, rosszabb esetben szántóföldekkel váltjuk fel (az európai ún. őserdők területe a jégkorszak utáni 80%-ról mára 0,2-0,3%-ra csökkent, lásd Gálhidy ─ Jordán, 2010), de egyre nagyobb területeket borítanak épületek, aszfalt és beton is (az európai kontinens területének hozzávetőlegesen 10%-át), amelyek a napsugárzásra azonnali hőmérséklet-emelkedéssel válaszolnak, nyaranta megkeserítve az ott lakók életét. A globális éghajlatváltozásban a felszínek antropogén átalakítása és víztelítettségének csökkentése is jelentős szerepet játszik.

A nitrogén körforgása

A nitrogén fő raktára a levegő, melynek 78%-át alkotja. A molekuláris N2–t a két atom közötti háromszoros kötés miatt csak az olyan speciális nitrogénfixáló prokarióta egysejtűek tudják felhasználni, mint a pillangósvirágúak gyökérgümőiben élő Rhizobiumok, az égerfák gyükérgümőit lakó Frankia sugárgombák, egyes (Anabaena, Nostoc) kékbaktériumok, valamint a talajlakó Azotobacter és Clostridium fajok. E nitrogénkötő szervezetek a N2–t ammóniumionná (NH4+) alakítják, amely vízben jól oldódik, és a növények számára is hasznosítható. Némi korlátot csak az jelent, hogy e kation szívesen kötődik a talajkolloidok negatív felületéhez, így a gyökerek esetleges nagy mennyisége ellenére is nehezen tudják felvenni. A talaj aerob nitrifikáló baktériumai azonban az ammóniumiont nitrit- (NO2-) vagy és nitrátionná (NO3-) alakítják, amely a növények igényeinek is tökéletesen megfelel. A felvett nitrogéntartalmú ionokat a növényi sejtek szerves vegyületekbe (aminosavakba, fehérjékbe, nukleotidokba, nukleinsavakba és egyéb molekulákba) építik be.

A növények szerves nitrogénje az elsődleges fogyasztó növényevőkbe, majd a táplálékhálózat további tagjaiba is bekerül, mindegyik a rá jellemző nitrogéntartalmú molekulákat hozva létre belőle. Az ürülékkel, illetve az élőlények elpusztulásával a N-tartalmú szerves vegyületek a talajba kerülnek, és a talaj szervesanyagkészletét gyarapítják. E szerves vegyületek fokozatos lebomlásával aztán ismét szervetlen formákká alakul a nitrogén, köszönhetően az ammonifikáló baktériumok munkájának (amelyek tehát a szerves vegyületek nitrogénjéből ammóniumionokat gyártanak). Az ammóniumionok nitrit- és nitrátionokká alakulva folytatják a körforgást.

A légkörből a talajba, ill. az élőlények testébe került nitrogén a denitrifikáló baktériumok működése révén kerülhet vissza légnemű állapotba (N2, N2O). A denitrifikáló baktériumok tevékenysége anaerob körülmények között, pl. a talaj vízzel való telítődése esetén gyorsulhat fel. A nitrogén légkörbe kerülésének másik módja a növények elégése pl. erdő- vagy szavannatűz alkalmával.

A nitrogénciklusban évről-évre részt vevő nitrogén mennyisége óriási, a N a hidrogén, oxigén és szén után a negyedik legnagyobb volumenben mozgó elem. A bemutatott biológiai folyamatok mellett vannak abiotikus folyamatok is, amelyek vízoldható N-t juttatnak a légkörből a talajba, ám ezek nagyságrendje elmarad a biotikus folyamatoké mögött. Becslések szerint a nitrogénkötő prokarióták évente mintegy 120-450 millió tonna nitrogént kötnek meg a levegőből, míg az abiotikus utak mindössze évi 3 millió tonna N-nek a körforgásba kerüléséért felelősek (Kalapos, 2007). Ha nem léteznének nitrogénfixáló szervezetek (túlnyomórész prokarióták, de az újabb kutatások5,6 szerint eukarióták is lehetnek), a nitrogén körforgása jóval lassabb lenne, és a bioszféra a mostaninál jóval szerényebb méretekben és fajgazdagsággal jöhetett volna csak létre.

Azonban az élőlények számára elérhető nitrogén mennyiségének hirtelen megnövekedése is káros hatású. Az emberi tevékenység miatt a légköri nitrogén fixációja ─ a történelem előtti korhoz képest ─ kétszeres sebességgel megy végbe. Az ember tehát a lejelentősebb nitrogénmegkötő szervezet. A nitrogénműtrágyák ipari előállítása (és ezek lényege, a nitrogénfixáció) a nagyüzemi gyártás 1913-as megkezdése óta exponenciális növekedést mutat. A műtrágyagyártás, a pillangósvirágúak nagyarányú vetése, valamint a rizstermesztés (a sekély vízben élő kékbaktériumok révén) évente 140 millió tonna új N megkötését jelenti a légkörből.

A foszfor (P) mellett a nitrogén az egyik, a növényi növekedést legjobban korlátozó elem. A N elérhetőségének antropogén okok miatti megnövekedése ─ a szintén gyakran limitáló tényezőként fellépő CO2 és P koncentrációjának szintén ember okozta növekedésével karöltve ─ a növénytársulásokban az egyes fajok erőviszonyainak átrendeződéséhez vezet. A nitrogénkötésre képes pillangósvirágúak és égerek előnye csökken a nitrogénkötő baktériumokkal nem bíró többi taxon tagjaival szemben, így azok visszaszorulása várható, ami a természetes állapotú közösségekben is diverzitáscsökkenéshez vezethet. Ezt támasztja alá az a régi megfigyelés, hogy a nitrogénműtrágyázás a gyepek fajgazdagságára negatív hatással van.

A talajok műtrágyázás miatt megnövekedett nitráttartalma csapadék hatására fokozott nitrátkioldódást von maga után, és ez amellett, hogy a természetes vizek eutrofizációjához hozzájárul, a talajok Ca2+- és Mg2+-tartalmát is csökkenti, hiszen a nitrátionokkal együtt pozitív ionok is kioldódnak.

A foszfor körforgása

A nitrogénnel ellentétben a foszfor gyakorlatilag nem tárolódik a légkörben. A foszfor körforgása a kőzetek, a talaj, a víz és az élőlények között megy végbe (üledékes ciklus). A foszfor egyes kőzetek mállásával lép be a ciklusba PO43- formájában, amelynek felvételéért a növényeken kívül a mikroorganizmusok is versengenek. Így a foszfor a nettó primer produkció jelentős limitáló tényezője. A foszforatomok számos ciklusban vesznek részt, mielőtt üledékes kőzetbe záródva és a fenékre ülepedve hosszú időre kivonódnának a forgalomból.