Warsztaty Ekologiczne PDF Drukuj

Bez fosforu nie ma życia, czyli problem skali przestrzennej

w badaniach dynamiki i przemian fosforu w jeziorach

Ogólnopolskie Warsztaty Ekologiczne z okazji 50-lecia  pracy naukowej

Prof. dr hab. Anny Hillbricht-Ilkowskiej


Prof. dr. hab.  Anna Hillbricht-Ilkowska od lat wyznacza nowe kierunki w badaniach ekologicznych i jest inspiracją dla pokoleń ekologów. Jej niezwykle rozległe zainteresowania naukowe nie dają się łatwo sklasyfikować. Jednak jednym z głównych zainteresowań była zawsze problematyka związana z fosforem, jako podstawowym pierwiastkiem wpływającym i regulującym funkcjonowanie ekosystemów jeziornych.

Tej problematyce były poświęcone nasze warsztaty, podczas których podejmiemy próbę oceny stanu wiedzy o przemianach i znaczeniu fosforu w jeziorach. Jako płaszczyznę do uporządkowania problematyki fosforowej, proponujemy problem skali przestrzennej w badaniach dynamiki i przemian fosforu w jeziorach i wokół nich. Rozważania przechodziły od skali geologicznej i geograficzno-krajobrazowej, przez ekosystemalną, po osobniczą i subkomórkową.

Warsztaty miały ają zainicjować dyskusję nad celowością dalszych badań nad fosforem. Czy i w jakim stopniu zagadnienia związane z fosforem mogą być jeszcze tematem badań ekologicznych, czy nie doszliśmy do momentu, w którym inicjatywę powinni przejąć ekohydrolodzy i inżynierowie?

 

Organizatorzy:
Polskie Towarzystwo Hydrobiologiczne, Oddział w Warszawie
Wydział Biologii oraz Zakład Ekologii Mikroorganizmów Uniwersytetu Warszawskiego

Współorganizatorzy:

Centrum Badań Ekologicznych, PAN

Komitet organizacyjny:
Prof. dr hab. Ryszard Chróst (ZEM UW)
Mgr Anna Hankiewicz (PTH)
Dr Iwona Jasser (ZEM UW, PTH)
Dr Iwona Kostrzewska-Szlakowska (CBE PAN)
Dr Jan Igor Rybak (ZGPTH)
Mgr Joanna Rybak (PTH)

Sponsorzy:
Eduko, Ministerstwo Edukacji i Nauki, Tigret sp. zoo

 

Program warsztatów:
11.00 Otwarcie - Dr Iwona Jasser
Prowadzenie Warsztatów – Prof. dr hab. Ryszard Chróst

Prof. dr hab. Anna Hillbricht-Ilkowska – słowo wstępne – Bez fosforu nie ma życia;
Dr hab. Andrzej Tatur – Geologiczne zasoby fosforu i drogi jego włączania w obieg biologiczny w wodach;

Prof. dr hab. Maciej Zalewski – Fosfor – klucz do ekohydrologii;
Dr hab. Lech Kufel – O nieoczekiwanych skutkach zaburzenia stechiometrii C:P i N:P w jeziorach;

Dr Iwona Kostrzewska-Szlakowska, mgr Marek Rzepecki – Fosfor na granicy – rola ekotonów w „homogennym” jeziorze;
Dr Jolanta Ejsmont–Karabin – Wielkie znaczenie małego cyklu – czyli rola zooplanktonu w gospodarce fosforem w pelagialu jeziornym;
Dr hab. Waldemar Siuda – Glony, bakterie, fosfor – historia o tym, jak metodyka badawcza może kształtować obraz rzeczywistości.


13.40 – Dyskusja
14.00 – Sesja okolicznościowa
Uroczysty poczęstunek

 

Streszczenia:

Geologiczne zasoby fosforu i drogi jego włączania w obieg biologiczny w wodach
Andrzej Tatur

 

W referacie przedstawiony zostanie zarys naturalnej historii fosforu na Ziemi, którą to historię w ostatnich wiekach silnie modyfikuje działalność człowieka. Omówiony zostanie cykl obiegu fosforu w skali geologicznej, wskazane zostaną najważniejsze miejsca jego akumulacji. Uwaga słuchaczy zwrócona zostanie jednak głównie na niektóre z wybranych zagadnieniach z geochemii fosforu, o których nie piszą podręczniki akademickie, ponieważ są one zbyt skomplikowane, trudne do jednoznacznej interpretacji, niepewne lub nawet wstydliwe, a niektóre stoją do tego w jawnej sprzeczności z ogólnie utartymi poglądami. Spróbujemy, więc zastanowić się wspólnie:
*      Jakie jest prawdziwe źródło pochodzenia fosforu w biosferze?
*      Czy odkrycie olbrzymich złóż fosforytowych na Svalbardzie zmieni utarte poglądy na fluktuacje warunków środowiskowych w ubiegłych epokach geologicznych?
*      Czy nasza współczesna cywilizacja europejska rozwinęła się na guanie ukradzionym Indianom?
*      Czy naturalne laboratorium antarktyczne na terenach lęgowych pingwinów może pomóc w zrozumieniu zawiłych losów fosforu w glebach i jeziorach całego globu?
*      Czy wiemy, w jakiej formie eliminowany jest w osadach fosfor krążący w ekosystemie jeziornym?
Pozostając przy przewrotnej interpretacji rzeczywistości można się zgodzić wprawdzie z twierdzeniem będącym mottem kolejnych warsztatów ekologicznych, że „Bez fosforu nie ma życia”, jednak należy zaakceptować również opinię, że w wielu ekosystemach fosfor tego życia nie limituje.

Fosfor – klucz do ekohydrologii
Maciej Zalewski


Fosfor, zgodnie z prawem „minimum” Liebiga, w największym stopniu determinuje nasilenie symptomów eutrofizacji jezior i zbiorników zaporowych, w tym toksycznych zakwitów sinic. Stąd badania nad bilansem fosforu w skali zlewni oraz wyjaśnianie związków przyczynowo-skutkowych pomiędzy strukturą i użytkowaniem zlewni a dynamiką związków fosforu, tworzy naukowe podstawy dla kontroli i ograniczenia eutrofizacji wód śródlądowych.
Z perspektywy rozwoju i metodologii nauk o środowisku, do powyższego podejścia nawiązuje pierwsza zasada ekohydrologii, wskazująca na związek pomiędzy ilościową analizą dynamiki procesów hydrologicznych, a struktura i dynamiką biocenoz („River basin as a framework for integration and quantification hydrological and biological processes”). Zasada ta z kolei umożliwia realizację drugiej zasady, której istotą jest zwiększanie odporności i zdolności elastycznego reagowania ekosystemów na antropopresję. Trzecia zasada wskazuje, jak w oparciu o pierwszą, można zrealizować cel sformułowany w drugiej zasadzie ekohydrologii, tzn. że przez regulację procesów hydrologicznych można kształtować strukturę i dynamikę biocenoz, a także przez kształtowanie struktury biocenoz można regulować zjawiska hydrologiczne, w tym przede wszystkim poprawiać jakość wody. Tak sformułowana teoria ekohydrologii, a w szczególności pierwsza zasada stanowi nawiązanie do holistycznego podejścia, zainicjowanego i rozwijanego w Polsce przez Prof. Annę Hillbricht-Ilkowską.

O nieoczekiwanych konsekwencjach zaburzeń stechiometrycznych C:P i N:P w jeziorach
Lech Kufel


Rozmaite formy aktywności człowieka doprowadziły nie tylko do zwiększonej dostawy azotu i fosforu do wód powierzchniowych, ale i do zaburzenia stechiometrycznych proporcji C:P i N:P. Dopiero jednak na początku lat 1990 zaczęto ten problem analizować w powiązaniu z kwestią recyrkulacji pierwiastków biogennych i układem zależności między mineralnymi zasobami, fitoplanktonem i innymi poziomami troficznymi.
W prezentacji przedstawione zostaną modele tych zależności (stoichiometrically explicit models), które odnoszą tempo i skład wydzielanej materii do jakości pokarmu i proporcji C:P i N:P w masie ciała zwierząt. Modele zostaną skonfrontowane z innymi badaniami nad wpływem jakości pokarmu na pewne cechy planktonowych roślinożerców. Na tym tle omówione będą niedostatki modeli i ewentualne konsekwencje wynikające z przyjęcia stechiometrycznego podejścia do analizy relacji troficznych w zbiorniku wodnym.

Fosfor na granicy, czyli rola ekotonów w „homogennym” jeziorze
Iwona Kostrzewska-Szlakowska, Marek Rzepecki


Badania ekotonów, czyli stref przejściowych pomiędzy dwoma fazami jak woda jeziorna – roślina, powierzchnia zwierzęcia, kamienia, konstrukcji podwodnych, atmosfery, osadu pokazują, że są one czasami źródłami (source), a czasami pułapkami (sink) dla związków fosforu i w zależności od skali zjawiska, mogą być ważne dla funkcjonowania całego systemu jeziornego.
Szczególnie powierzchnia roślin może stanowić w różnych jeziorach atrakcyjne miejsce do zasiedlenia przez organizmy takie jak bakterie, glony, grzyby, pierwotniaki, czyli elementy złożonej struktury peryfitonu, które pobierają fosfor z toni wodnej. Ilustrują to poniższe obliczenia dla jeziora Majcz, w którym na blisko połowie stanowisk litoralu można spotkać Chara sp. Obliczono, że łączna powierzchnia ramienic może być 3,5 razy większa niż powierzchnia całego litoralu, a wtedy biomasa peryfitonu może wynosić nawet kilkadziesiąt ton. Przy tak dużej biomasie można uważać, że w sezonie wegetacyjnym litoral jest pułapką dla fosforu.
Ekoton woda–atmosfera jest bardziej dynamicznym układem. Jest to mikrowarstwa powierzchniowa, która „zbiera” materiał zarówno z powietrza, jak i z głębszych warstw wody, co potwierdzają współczynniki kumulacji w mikrowarstwie fosforu całkowitego i cząstkowego. Ulega ona jednak stosunkowo łatwo zaburzeniom, spowodowanym warunkami atmosferycznymi, jednakże szybko się odtwarza, funkcjonując w ten sposób w dłuższym okresie jako pułapka, będąc jednocześnie czasowo źródłem fosforu dla wód jeziornych.
Oceniając intensywność przemian fosforu (tj. uwalnianie lub wiązanie fosforu rozpuszczonego, jako procesu zależnego od stężenia tlenu w wodzie nadosadowej) w ekotonie woda–osad w profundalu i litoralu, okazało się, że w jeziorach humusowych, gdzie występują osady typu „dy”, przeważa trwałe wiązanie fosforu. Natomiast w osadach jeziornych typu „gytia”, w warunkach tlenowych występuje słabe wiązanie, zaś w beztlenowych – intensywne uwalnianie. Jednak szczególnym układem w przemianach fosforu są strefy przejściowe rzeka – jezioro – rzeka, które nawet w warunkach tlenowych stanowią stałe źródło fosforu. Generalnie można stwierdzić, że osady jezior mazurskich są źródłem fosforu dla wód jeziornych, stanowiąc swoistą „bombę” biologiczną z opóźnionym zapłonem.

Wielkie znaczenie małego cyklu –  czyli rola zooplanktonu  w gospodarce fosforem w ekosystemach wodnych
Jolanta Ejsmont-Karabin


Skonstruowany przy użyciu danych eksperymentalnych model procesu regeneracji pierwiastków biofilnych przez zooplankton wykorzystano do oceny roli tego procesu w krążeniu fosforu w różnych ekosystemach wodnych. W badaniach tych wykazano między inymi, że:
(1) mineralizacja fosforu przez zooplankton stanowi główny mechanizm regeneracji fosforu w jego wewnętrznym cyklu i podstawowe źródło dostępnych dla fitoplanktonu jego form w strefie trofogenicznej w okresie stagnacji letniej;
(2) tempo regeneracji fosforu jest tym wyższe, im wyższa jest pula fosforu organicznego. W rezultacie czas obrotu jednostki fosforu w epilimnionie jeziornym nie wzrasta przy wzroście zasobności tych wód w fosfor, co wyjaśnia, dlaczego produkcja pierwotna może rosnąć wraz ze wzrostem trofii jezior;
(3) zooplankton odgrywa ważną rolę w procesach sedymentacji związków fosforu, gdyż jego obecność, a zwłaszcza obfitość drobnych detrytusożernych gatunków, przeciwdziała procesowi sedymentacji;
(4) ze względu na większą obfitość zespołów zooplanktonu na stanowiskach zastoiskowych zbiorników zaporowych czas obiegu jednostki fosforu w cyklu fosforowym jest tam krótszy, niż w nurcie – toteż w nurcie przeważają procesy sprzyjające sedymentacji fosforu;
(5) istnieje wyraźna strefowość procesów regeneracji w ekotonie rzeka-jezioro wyrażająca się niższym tempem regeneracji w strefie dopływu wód rzecznych i wyższym – w strefie spokojnej wody i gęstej roślinności wodnej;
(6) mimo, iż biomasa glonów jest w okresie stagnacji letniej zależna od tempa regeneracji fosforu przez zooplankton, zależność ta ujawnia się jedynie w przypadku glonów niejadalnych dla zooplanktonu (np. sinic);
(7) w płytkich jeziorach brak jest różnic w tempie regeneracji fosforu przez wrotki i skorupiaki ze stanowisk o dnie pokrytym makrofitami i ich pozbawionym. Regeneracja P przez zespoły wrotków i skorupiaków zasiedlających kępy ramienic była zbliżona do tempa tego procesu w górnych warstwach wody oraz przy dnie w okresie, gdy tempo regeneracji w toni wodnej było niskie i wielokrotnie niższa, gdy tempo to w toni wodnej było znacznie wyższe;
(8) Drobny zooplankton może odgrywać istotną rolę w „oczyszczaniu” wód jeziornych z glonów, jednak duże wioślarki są bardziej skuteczne w kontrolowaniu biomasy fitoplanktonu, bowiem każdemu wzrostowi tempa regeneracji P (a więc i konsumpcji) przez nie towarzyszy gwałtowny spadek biomasy jadalnych frakcji fitoplanktonu.

 

Glony, bakterie, fosfor – historia o tym, jak metodyka badawcza może kształtować obraz rzeczywistości
Waldemar Siuda


Chociaż fosfor jest pierwiastkiem biogennym występującym stosunkowo obficie zarówno w środowiskach lądowych jak i wodnych to jego jedyną bezpośrednio dostępną biologicznie formą jest ortofosforan (H2PO4-, HPO42-, PO43-). Z drugiej strony jony ortofosforanowe mają silną tendencję do tworzenia wielu nierozpuszczalnych w wodzie kompleksów mineralnych i organicznych. Są one również efektywnie adsorbowane i immobilizowane przez koloidy glebowe oraz obecne w wodach zawiesiny. Dlatego też tzw. fosfor dostępny jest zwykle dla mikroorganizmów planktonowych „dobrem deficytowym”, a przez to niezwykle cennym.
Konkurencja pomiędzy glonami i bakteriami doprowadziła do wykształcenia trzech różnych strategii pozyskania fosforu przez mikroorganizmy planktonowe. Pierwsza z nich polega na gromadzeniu, w okresach obfitości PO43-  w środowisku, śródkomórkowych zapasów fosforu w formie polifosforanów, druga na wykorzystaniu minimalnych wymiarów i dużego stosunku powierzchni do objętości komórki, trzecia zaś na wytwarzaniu niespecyficznych, lub słabo specyficznych ektoenzymów fosfohydrolitycznych (fosfataz i 5’-nukleotydaz). Enzymy te umożliwiają wykorzystanie, jako źródła PO43-, wielu organicznych połączeń tego pierwiastka. Fosfohydrolazy glonowe to zwykle typowe enzymy szlaku fosforowego – są one adaptatywne, PO43- - zależne i wytwarzane w odpowiedzi na deficyt ortofosforanu w środowisku. Fosfohydrolazy bakteryjne, w przeciwieństwie do glonowych to często enzymy wielofunkcyjne. Część z nich ma właściwości biochemiczne podobne lub identyczne jak fosfohydrolazy wytwarzane i wykorzystywane przez glony. Część zaś, w przeciwieństwie do fosfohydrolaz glonowych, jest niewrażliwa na  obecność PO43-  w środowisku. Tempo ich syntezy jest stałe bądź też regulowane w sposób znacznie bardziej skomplikowany, niż tempo syntezy fosfohydrolaz glonowych.
Pozakomórkowe fosfohydrolazy bakterii są także swojego rodzaju “klamrą” spinającą szlaki dekompozycji organicznych związków węgla i fosforu. Służą one tym mikroorganizmom nie tylko do odzyskiwania PO43- z nieasymilowalnych bezpośrednio fosforanów organicznych, lecz również do udostępniania łatwo i bezpośrednio przyswajalnych form C organicznego takich jak nukleozydy cukry, czy alkohole.

 
Designed by vonfio.de