Ökosysteme


Unsere Erde ist der einzige uns bekannte Planet, der leben trägt. Diese Biosphäre umfasst alle Lebensräume unserer Erde, die von Lebewesen besiedelt sind:

Atmosphäre -> Lebensraum Luft
Hydrosphäre ->Lebensraum Wasser                                                                                   
                         -> Süßwasser-Ökosysteme ->                   Seen, Flüsse, Bäche, Moore
                         -> Marine Ökosysteme ->                          Watten, Flussmündungen, offenes Meer
Pedosphäre -> Lebensraum Boden
Biotop ->Lebensraum, unbelebt (abiotisch)
Biozönose ->Lebensgemeinschaft, durch Eigenschaften Biotop und Merkmale der Lebewesen bestimmt
Ökosystem ->Beziehungsgefüge zwischen den Lebewesen einer Biozönose untereinander sowie                                      zwischen Biotop und Biozönose

Ökosysteme sind offene Systeme, die nur bestehen können wenn ihnen ständig Energie zufließt und sie mit ihrer Umgebung Stoffe austauschen können.



Schema Ökosystem

biologische Produktion

Die Fotosynthese der Pflanzen schafft die Grundlage für das Leben auf der Erde.
Primärproduktion -> das was Pflanzen in Fotosynthese mithilfe der Energie des Sonnenlichts aus                                                anorganischen Grundstoffen aufbaut
Sekundärproduktion ->Zuwachs durch Zoomasse
Bruttoprimärproduktion Pb ->  Bildung neuer Biomasse durch Fotosynthese
Pflanzen können nur 5% der Sonnenenergie für die Primärproduktion nutzen
Pflanzen verbrauchen 50% ihrer Produktion durch Respiration R (Atmung)

Nettoprimärproduktion Pn ->   gibt den Produktionsertrag der Pflanzendecke während eines Jahres an
                                                               bruttoprimärproduktion minus Respiration
                                                               Pn = Pb – R
Biomasse ->Gewicht der lebenden Organismen einer Flächen – oder Volumeneinheit                                                        

Fotosyntheseleistung der Pflanzen hängt von den Ökofaktoren Wasser, Temperatur, Kohlenstoffdioxid und Licht ab.

Nahrungsbeziehungen

Produzenten ->Erzeuger,
                         bauen aus anorganischen Stoffen organische auf (Biomasse),
                             -autotrophe Bakterien & Pflanzen,
                             -im Wasser sind es Algen
Konsumenten->Verbraucher,
                          bauen fremde organische Stoffe in körpereigene organische Stoffe um
                               -Pflanzenfresser (Herbivoren) Konsumenten 1.Ordnung
                               -Fleischfresser (Karnivoren) Konsumenten 2.Ordnung
                           lässt sich immer weiter führen bis zum Endkonsumenten
Mineralisierer->Reduzenten, Zersetzer,
                          bauen tote organische Substanz zu anorganischen Stoffen ab
                                 -Abfallfresser (Saprovoren),
                                          scheiden organische Substanzen aus
                                  -Mineralisierer (Bakterien, Pilze)
                                           bauen organisches Material zu anorganischen ab

-Konsumenten bevorzugen bestimmte Nahrung, besonders wenn sie in ihrem Ökosystem häufig vorkommt.
-Biomasse der Pflanzen (Phytomasse) ist größer als die der Tiere (Zoomasse)
Verwertung der Energie

Konsumtion ->aufgenommene Energie
Assimilation ->Aufbau eigener Substanzen aus aufgenommenen Stoffen

-aufgenommene Energie wird immer nach demselben Schema verwertet:

1. –nutzbarer Anteil wird assimiliert, also in körpereigene Substanzen gebunden (Assimilation)
2.- nicht nutzbare Energie geht mit Kot und Gewöllen verloren (Defäktion)
3.- erheblicher Teil der assimilierten Energie wird zur Aufrechterhaltung des Stoffwechselbetriebs der Zelle verwendet
  -wird durch Dissimilation (Zellatmung, Gärung) freigesetzt
4.- übriger teil Energie fließt in Produktion organischer Substanzen und verteilt sich auf Vorgänge wie Wachstum, Fortpflanzung und Bildung von Sekreten, Haut und Haaren usw.
- nur dieser Teil wird an nächste Trophiestufe weitergegeben

-das Verhältnis von assimilierter zu aufgenommener Energie ist unterschiedlich groß, da sich Nahrung verschieden gut aufschließen lässt
-summiert man die Energie der Produktion jeder Trophiestufe des gesamten Ökosystems, ergibt sich eine Energie Pyramide
-in dieser Pyramide verringert sich der Energiegehalt von stufe zu stufe durchschnittlich um den Faktor 10
-ökologischer Wirkungsgrad, Verhältnis weitergegebener zu aufgenommener Energie auf jeder Trophiestufe 10%
-nur ein grober Anhaltspunkt

biozönotische Grundprinzipien (1920 von August Thienemann)

vielseitige Lebensbedingungen
-hohe Artendichte, kleine Population der Arten
- in tropischen Wäldern, Riffen, Küstenzonen und nährstoffreichen Seen

einseitige/extreme  Lebensbedingungen
- wenige besonders spezialisierte Arten, große Individuenzahl
- in Höhlen, Salzseen, Polargebieten und Grasland

Minimumfaktoren

Um die Bedingungen für das optimale Wachstum einer Pflanzenart zu ermitteln, kann man die mengenmäßige Zusammensetzung derjenigen Stoffe untersuchen, die für die Pflanzen unerlässlich sind. Dabei stellt sich oftmals heraus, dass ein einziger Umweltfaktor (meist Stickstoff, Phosphat oder Kalium) das Wachstum von pflanzlichen Individuen und Populationen erheblich bremst. Ein solcher Faktor wird Minimumfaktor genannt.

Gesetz vom Minimum (Justus von Liebig)

Der Ernteertrag wird von dem Nährstoff bestimmt, an dem es dem Ackerboden am meisten mangelt.
Der in der geringsten Mende vorhandene Umweltfaktor, der Minimumfaktor, bestimmt die Produktivität eines Organismus.

Ökosystem Wald

Wälder sind Ökosysteme, deren Charakter durch Bäume geprägt wird. Von einem wald sprechen wir, wenn Bäume auf einer Fläche von mindestens einem Hektar einen geschlossenen Bestand mit Kronendach bilden. In unterschiedlicher Ausprägung bedecken Wälder heute noch knapp ein Viertel der Kontinente.



Ökosystem Bach

Fließgewässer gelten als „Lebensader“ des festen Landes. Es sind Ökosysteme höchster Dynamik, die durch das ständig in eine Richtung fließende Wasser Landschaften gestalten, sich ihren eigenen Biotop schaffen, freihalten oder auch verändern. Alle Fließgewässer sind langgestreckte Lebensräume, die ihren Charakter von der Quelle bis zur Mündung kontinuierlich ändern. Mit zunehmender Breite und Wasserführung unterscheidet man zwischen Bach, Fluss und Strom.
- die ständige Durchmischung mit Luft bewirkt zusammen mit der Quellnähe ganzjährig niedrigen Wassertemperatur eine hohe Sauerstoffsättigung des Wassers.
- viel stärker von ihrer Umgebung abhängig als Seen.
- nicht gegliedert



Ökosystem See

-Lebensbedingungen der Gewässer-Ökosysteme von Eigenschaften des Wassers vorgegeben: Lösevermögen, Dichte, Viskosität, Oberflächenspannung
- mit der Tiefe eines Sees nehmen Lichtintensität und sauerstoffgehalt ab.


Lebensbereiche

-Benthal -> Bodenzone und wird vom Pelagial -> Freiwasserzone unterschieden
-Benthal gliedert sich in Litorial -> Uferbereich und Profundal -> Tiefenbereich
-Grenze verläuft dort, wo die Lichtintensität im Wasser für die Fotosynthese zu gering wird
- diese Kompensationsebene trennt im Pelagial die trophogene Nährschicht von der tropholytischen Zehrschicht

trophogene Zone ->                      Epilimnion (Nährschicht)
Kompensationsebene->                             Metalimnion (Sprungschicht)
tropholytische Zone->                  Hypolimnion (Zehrschicht)

-nur in durchleuchteter trophogenen Zone können Fotosynthesefähige Lebewesen existieren, deshalb über Kompensationsebene Wasser sauerstoffreicher
- Tauchblattpflanzen sind Wasserpflanzen, die ständig untergetaucht im Litoral leben (Hornblatt, Wasserpest)
-Schwimmblattpflanzen sind Wasserpflanzen, die häufig zur Landseite hin gürtelförmig an die Tauchblattpflanzen anschließen, ihre Schwimmblätter liegen mit der Unterseite auf dem Wasserspiegel auf und besitzen daher nur auf der unbenetzen Oberseite Spaltöffnungen (Seerose)
-Röhricht bildet den Pflanzengürtel unmittelbar am Seeufer (Rohrkolben, Seebinse, Schilfrohr)
-das Röhricht ist als Übergangsbereich vom See zu den angrenzenden Ökosystemen besonders artenreich





Lebensformen

Plankton ->Gesamtheit der im Freiwasser schwebenden Kleinlebewesen, aus                                                         pflanzlichen (Phytoplankton) und tierischen (Zooplankton) Lebewesen zusammengesetzt
                   -der Phytoplankton ist auf Licht angewiesen
                   -der Zooplankton lebt vom Phytoplankton
Nekton ->Schwimmer, kommen gegen Wasserbewegung voran
Neuston ->Mikroorganismen (Algen, Bakterien)
Pleuston ->größere Pflanzen und Tiere (Wasserläufer)
                                                              
-Neuston und Pleuston leben an dem Oberflächenhäutchen, sie                                                          hängen daran, Schwimmen oder laufen auf ihm

Temperaturverhältnisse

Sommer

-direkt an der Wasseroberfläche werden sommerliche Wassertemperaturen gemessen. Diese hohen Temperaturen ändern sich mit zunehmender Tiefe zunächst kaum (Deckschicht)
- in einer gewissen Tiefe ist die ins Wasser aufgenommene Sonnenstrahlung weitgehend absorbiert und es kommt zu einem plötzlichen starken Temperatursprung (Sprungschicht)
- danach sinkt die Wassertemperatur noch bis auf 4°C ab. Dieser Wert wird bis zum Gewässerboden beibehalten (Tiefenschicht)

Herbst & Frühjahr

- die Temperatur in der Deckschicht sinkt ab und schließlich hat der Wasserkörper im See überall eine gleichmäßige Temperatur von 4°C

Winter

-direkt unterhalb der Eisdecke wird eine Temperatur von 0°C gemessen
- diese Temperatur steigt mit zunehmender Tiefe an und erreicht blad den Wert von 4°C
- am Gewässerboden beträgt die Temperatur ebenfalls 4°C


Die Temperatur am Gewässerboden beträgt stets 4°C.
Wasser hat bei 4°C seine größte Dichte.



Stoffkreislauf im See

-Produzenten von Biomasse = verschiedene Algensorten als Organismen des Phytoplanktons
- Fotosynthese nur in der von der Sonne erhellten Deckschicht
-  die Konsumenten verwerten die energiereiche organische Substanz
- Exkremente und tote Körpersubstanz werden am Gewässerboden von den Destruenten unter Sauerstoffverbrauch verwertet und mineralisiert, dabei werden Nitrate, Sulfate und Phosphate wieder freigesetzt
- im Sommer kein Stoffaustausch möglich
- im Herbst bei ausgeglichener Temperatur werden im Rahmen der Vollzirkulation Sauerstoff und Mineralstoffe im ganzen Wasserkörper neu verteilt
- Umwälzung durch Herbststürme
- im Winter kann sich daran wenn es eine Eisdecke gibt nichts ändern
- zu Beginn des Sommers wieder Sauerstoff in Tiefenschicht um Destruenten Leben zu ermöglichen
- See besitzt Fähigkeit zur Selbstreinigung


Gewässergüte

- kann durch Untersuchung von Wasserproben bestimmt werden
- die Gewässergüte wird dabei durch Bestimmung von Leitorganismen beurteilt
- mikrobielle Leitorganismen sind Saprobien, wie Bakterien und niedere Pilze, die je nach Verschmutzungsgrad variieren

biochemischer Sauerstoffbedarf (BSB)

- dieser Wert gibt den Sauerstoffverbrauch in einer bestimmten Zeitspanne an
- der BSB-Wert wird ermittelt indem man den Sauerstoffgehalt einer Wasserprobe nach der Probenaufnahme und dann nach einer Zeitspanne bestimmt
- daraus berechnet man den Sauerstoffverbrauch
- erfolgt die zweite Messung nach fünf Tagen spricht man von BSB5
- in der Zeit zwischen den Messungen wird die Probe bei 20°C unter Luftabschluss in Dunkelheit aufbewahrt
- je höher der BSB-Wert desto stärker die Wasserverschmutzung


Saprobien Index

-Saprobien Index ist eine biologische DIN-Norm für die Beurteilung der Gewässer Güte mit zeigerarten
- mikroskopisch kleine Saprophagen nennt man Saprobien
- mit dem Saprobien Index meint man den Fäulniszustand des Gewässers

Güte-klasse	Grad der organischen Belastung	Saprobien-index	Kenn- Farbe in der Karte	Chemischer BSB5 Parameter in mg/l	Wichtige Indikator- Organismen	Fische
1	Unbelastet bis sehr gering belastet	1,0 bis < 1,5	Dunkel-blau	1	Steinfliegen-larven, Hakenkäfer	Bachforelle
1 -2	Gering belastet	1,5 bis < 1,8	Hellblau	1 – 2	Steinfliegen-larven, Hakenkäfer, Strudelwürmer, köcherfliegen-larven	Bachforelle, Äsche
2	Mäßig belastet	1,8 bis < 2,3	Grün	2 – 6	Hakenkäfer, Eintagsfliegen-larven, Köcherfliegen-larven, Kleinkrebse, Schnecken, Blütenpflanzen	Barbe, Äsche, Flussbarsch, Nase, Hecht
2 – 3	Kritisch belastet	2,3 bis < 2,7	Gelb-grün	5 – 10	Egel, Schnecken, Kleinkrebse, Moostierchen, Grünalgenkolonien, Muscheln	Karpfen, Aal, Schleie, Brachsen
3	Stark verschmutzt	2,7 bis < 3,2	Gelb	7 – 13	Egel, Wasserassel, Wimperntierchen-kolonien, Schwämme	Plötze, Schleie
3 – 4	Sehr stark verschmutzt	3,2 bis < 3,5	Rot-orange	10 - 20	Zuckmücken-larven, Schlamm-röhrenwürmer, Wimperntierchen
4	Übermäßig verschmutzt	3,5 bis < 4,0	Rot	< 15	Schwefelbakterien, Geißeltierchen, Wimperntierchen

Eutrophierung

- Voraussetzung Selbstreinigung: Produktion Biomasse im See darf nicht mehr Material liefern als die Destruenten abbauen können
Nach der Intensität der pflanzlichen Produktion kann man Seen in zwei Kategorien unterteilen:


Oligotrophe (nährstoffarme Seen)
- kaum oder garnicht vom Menschen beeinflusst
- große Gewässertiefe
- Wasser klar
- arm an Mineralstoffen
- Ufer kaum bewachsen

Eutrophe (nährstoffreiche Seen)
- häufig vom Menschen beeinflusst
- flache Gewässer
- Sichttiefe gering
- Wasser mineralstoffreich
- Ufer breit und dicht bewachsen

Eutrophierung -> Vorgänge, die zur Anhäufung von Nährstoffen und damit zu erhöhter Produktion führen

- durch Eutrophierung nimmt die Biomasse in Seen zu
- dadurch mehr Phytoplankton und dadurch mehr Konsumenten
- Destruenten bekommen mehr abgestorbenes Material zur Verwertung und können sich vermehren
- Folge: wachsender Verbrauch von Sauerstoff
- am Ende der Sommerstagnation kommt zu einem Sauerstoffmangel in der Tiefenschicht und das abgestorbene material kann nicht mehr remineralisiert werden
- Folge: Ablagerung Schlammschicht, was zu einer Verladung führt



Beschleunigung Eutrophierung

- durch antrophogene (menschengemachte) Zufuhr von organischen Nährstoffen und Mineralstoffen wird die Eutrophierung beschleunigt


Verschmutzung

Beispiel Waschmittel

-waschmittel enthält Phosphat
Phosphat begrenzt das Wachstum des Phytoplanktons als Minimumfaktor

- wenn das Wasser in den See kommt vermehrt sich das Phytoplankton rasch
- Nahrungsgrundlage für die anderen Lebewesen ändert sich drastisch
- Gewässer wird mit großen Mengen organischer Substanz belastet
- deren Verstärkter Abbau durch die Destruenten führt zu einem drastischen Absinken des Sauerstoffgehalts
-die auf den Boden sinkende Substanz kann wegen Sauerstoffmangel nicht abgebaut werden
- es bildet sich Faulschlamm
- Sauerstoffmangel führt zur Aufhebung der Phosphatfalle, Phosphat Ionen werden am Boden freigesetzt und dem Stoffkreislauf des Sees zugeführt
- Produktion Biomasse angekurbelt
- Faulschlammschicht wächst
- in dieser Schicht anaerobe Bakterien am Werk
- sie setzten Fäulnisprozesse in Gang
- der Übergang eines Sees vom aeroben zum anaeroben zustand nennt man Umkippen


Temperaturwandel

- Nach der RGT-regel laufen bei einer Temperaturerhöhung Stoffwechselprozesse schneller ab, wofür auch mehr Sauerstoff benötigt wird
- mit steigender Temperatur sinkt die Sauerstoffaufnahmefähigkeit
- im Extremfall kann es zum völligen Sauerstoffschwund und zum Zusammenbruch der Selbstreinigung  des Gewässers kommen

kaltes Wasser : sauerstoffreicher



Kläranlagen

Reinigung in drei Stufen:

Mechanische Reinigungsstufe

- zunächst passiert das Abwasser Grob – und Feinrechen, die größere Festkörper (Tuchfetzen, Holz) zurückhalten
- dann durchfließt das Wasser einen Sandfang
- Fließgeschwindigkeit so eingestellt, dass schwere Stoffe (Erde) zu Boden sinken
- im Vorklärbecken werden aufschwimmende Stoffe (fette, Benzin) abgeschieden
- durch lange Verweildauer von 1 bis 2 Stunden setzten sich zugleich leichte Feststoffe (Schwebestoffe) ab
- der entstehende feiner Schlamm wird in einen Faulturm gepumpt und dort einer Gärung unterworfen, das entstehende Faulgas enthält Methan und kann als Heizgas verwendet werden
- der eingedickte Faulschlamm kann nach weiteren Verarbeitungsschritten als Bodenverbesserungsmittel in der Landwirtschaft und Forstwirtschaft eingesetzt werden
- wegen häufig hohem Gehalt an Schwermetallen muss der Schlamm meist auf Mülldeponien abgelagert werden


Biologische Reinigungsstufe

- Wasser gelangt zuerst ins Belüftungsbecken, wo aerobe Mikroorganismen die organischen Nährstoffe abbauen
- durch ständige Luftzufuhr wird notwendiger Sauerstoff zugeführt
- nach etwa 8 Stunden wird dann in einem Nachklärbecken ein aus Mikroorganismen und organischen Schmutzstoffen bestehender Schlamm abgetrennt
- dieser Schlamm kann auch im Faulturm weiterverwertet werden


Chemische Reinigungsstufe

- Nitrate und Phosphate werden als unlösliche Salze ausgefällt und abgetrennt
- im Abwasser enthaltene Krankheitserreger können durch Chlorierung, Ozonierung oder Erhitzung abgetötet werden

Flockung ->Salze auflockern durch Zugabe von Eisenchlorid oder Eisen (3) Sulfat
Ozonierung->organische Stoffe oxidieren durch Begastung des Wassers mit Ozon                                                                   (Verbesserung Geruch & Geschmack)