Hidrobiológia vízi organizmusok adaptáció forrás populáció dinamika

Az előadások a következő témára: "Hidrobiológia vízi organizmusok adaptáció forrás populáció dinamika"— Előadás másolata:

1 Hidrobiológia vízi organizmusok adaptáció forrás populáció dinamika
1. Abiotikus környezet Hidrobiológia 2. Organizmusok vízi organizmusok → hőmérséklet → oxigén → fény adaptáció 21 fitoplankton 22 baktériumok 23 Zooplankton 24 bentikus organizmusok 25 Zoobentosz 26 halak és vízi madarak forrás populáció dinamika

2 Élettájak, élőlénytársulások
LITORÁL PELAGIÁL BENTÁL

3 Pelagiál: Plankton (algák, kerekesférgek, egysejtűek stb.) Nekton (halak, vízi bogarak, poloskák stb.)

4 PLANKTON Hennig: azok az élőlények, melyek a vízben szabadon lebegnek, parttól és üledéktől függetlenül Szabad lebegés: p = p’ Valóság: p < p’ süllyed Viszkozitás: az az ellenállás, amit a folyadékban mozgó testnek le kell győznie. A „győzelem” két tényezőtől függ: a viszkozitástól (méz-víz) valamint a test mozgási erejétől. Kontinuum, ami leírja: REYNOLDS SZÁM, Re = r: a vízbe merített test sugara (m) v: ugyanezen test mozgási sebessége (m/s) p: a folyadék (víz) fajlagos tömege (kg/m3) N: dinamikus viszkozitás (20 oC-on 10-3, 0 oC-on 1, kg/m3/s) 2 r v p n

5 A Reynolds szám (dimenziója nincs)
Mozgó részecske Reynolds-szám Úszó bálna Úszó hering „ugró” vizibolha Úszó papucsállatka Süllyedő kovaalga Ostoros kénbaktérium Alacsony Re: A víz turbulens mozgásait és horizontális áramlásait nem tudja „átúszni”, sodródik: PLANKTON Magas Re: „átússza, NEKTON

6 PLANKTON ÉS NEKTON Relatív, pl. mert a viszkozitás hőmérséklettől függően változik Életciklusonként változhat (halivadék – hal) Határ zooplankton esetén körül van Alapvető táplálkozásbiológiai hatása van: Nekton: aktív táplálékszerzés, oda úszik, ahova akar (jelölt pontyok) Plankton: a közvetlenül körülötte lévő víztérből kell a táplálékot megszereznie (aktívan kimeríti a „környéket”, süllyed-emelkedik aktívan vagy passzívan), szűr PLANKTON: Az az életközösség, mely a horizontális áramlásokkal sodródik, s alkalmazkodott a nyíltvízben való élethez - sok esetben mozgási erélye elég a vertikális vándorláshoz (forráskihasználás) - a parttól és az üledéktől ritka esetben független (ontogenetikai állapotok)

7 A plankton süllyedése a STOKES-EGYENLET
vs: a részecske süllyedési sebessége (m/s) g: nehézségi gyorsulás (9,81 m/s2) r: a süllyedő test térfogatával ekvivalens gömb sugara (m) p’: a süllyedő részecske fajlagos tömege (kg/m3) p: a folyadék (médium) fajlagos tömege (kg/m3) η: a médium viszkozitása (kg/m2/s) Φ: alakrezisztencia (gömbre 0) EVOLÚCIÓS ALKALMAZKODÁSI LEHETŐSÉGEK: r, p’ és Φ

8 Tüskék Szám, hossz, szimmetria Modellszervezet: Tetrastrum sp. (glabrum, hastiferum, staurogeniaeforme, hortobagyii) Alakrezisztencia: Az alakrezisztencia nem mindig függ az indítási helyzettől Sok tüske: nagyobb alakrezisztencia Hosszú tüske: nagyobb alakrezisztencia Szimmetrikus tüske: nagyobb alakrezisztencia; aszimmetrikus formák a tüskékkel „felfelé” süllyednek A tüskék nemcsak a szűrés ellen védenek, hanem növelik az alakrezisztenciát is

9 Faciál Epi~ ~pleuszton: Gerris paludum, keringő bogarak. ~neuszton: Salvia natans, Lemna sp Hipo szúnyoglárva, Limnea stagnalis, alsóbrendű rákok algák baktériumok

10 Fitál Rizomenon: gyökerező növények Metafiton: rizomenon között élő élőlények Biotekton: élőbevonat (alga, baktériumok, Vorticella) Plokon: hidra Pekton: mohaállat, szivacs

11 Benton bentosz Epibentosz (herpon) endobentosz Herpon: felületen él Pszammon: homokos, kavicsos aljzat élővilága Pelon: finom iszap élővilága Freatál Sztigon: Harpacticoida, Niphargus sp. Ciliata

12 méret, funkció, taxonomiai szempontok
konzumensek producensek Nekton Makroplankton >20 mm rekuperánsok Mesoplankton 200 µm–20 mm Mikroplankton (20)30–200(300) µm Nanoplankton 2–20(30) µm Pikoplankton ! 0,2–2 µm Femtoplankton <0,2 µm

13 FEMTOPLANKTON (< 0,2 µm)
Vírusok és fágok, legkisebb baktériumok Csak elekrtonmikroszkópos technikával vagy tenyésztéses eljároásokkal vizsgálhatók Ökológiai szerepük nagyrészt tisztázatlan, pl. a kékalga virágzások letörésében tulajdonítanak a fágoknak nagy szerepet, de ezt sokan vitatják. További kutatások elengedhetetlenek.

14 PIKOPLANKTON (0,2 - 2 µm) A legtöbb baktérium, legkisebb fitoplankton, Protozoa Vizsgálat: Fluoreszcencián alapuló technikákkal. Baktériumok és Protozoa: fluoreszcens festés után számlálás DAPI (4',6-Diamidino-2-phenylindole ): a DNS-t festi All organisms in the sample are marked in blue by using DAPI (4',6-Diamidino-2- phenylindole),  a fluorescent dye which bounds to all DNA. Methane producing microorganisms of the order Methanomicrobiales are marked in red by hybridisation with a specific oligonucleotide probe (MG1200). By overlaying the pictures the fraction of Methanomicrobiales cells per DAPI-detected cells can  be visualised.

15 AUTOTRÓF PIKOPLANKTON
Jelentőségét csak az elmúlt évtizedekben fedezték fel; előbb a tengerben, aztán az édesvizekben; FM Kis méretük miatt nagy a fajlagos felületük, ezért igen hatékony a táplálékfelvétel + árnyéktűrés DCM a tengerben és oligotróf tavakban (eufotikus felső hipolimnion)

16 AUTOTRÓF PIKOPLANKTON
                                                                        Cyanobacteria: Synechococcus és Synechococcus-szerű sejtek Chlorophyta: Chlorella-szerű sejtek Számlálás fekete membránfilteren autofluoreszcenciát kihasználva (a klorofillt gerjesztjük) SYNECHOCOCCUS CHLORELLA

17 NANOPLANKTON ( µm) A legnagyobb baktériumok; jellemzően fotoszintetikus baktériumok (részletesebben a bakterioplanktonnál) Sok fitoplankton faj (jórészt egysejtűek, de vannak kolóniások is), Protozoa Vizsgálat: fordított mikroszkópos számlálás

18 NANOPLANKTON (2 - 20 µm) Algák: SCENEDESMUS CYCLOTELLA
Protozoa: HALTERIA Baktériumok: Thiopedia

19 MIKROPLANKTON ( µm) - Nagy egysejtű fitoplankton, kolóniás fitoplankton, kis metazoa (Rotatoria)

20 MEZOPLANKTON (200 µm – 2 mm) Néhány nagyon nagy fitoplankton, kolóniás fitoplankton, sok metazoa (Cladocera, Copepoda) Ceratium

21 MIKROPLANKTON ( µm) Rotatoria

22 MEZOPLANKTON (200 µm – 2 mm) Néhány nagyon nagy fitoplankton, kolóniás fitoplankton, sok metazoa (Cladocera, Copepoda) Cladocera, Daphnia Volvox Copepoda, Diaptomus

23 MAKROPLANKTON (2 mm – 2 cm)
Extrém nagy fitoplankton kolóniák (vízvirágzás), zooplankton Microcystis

24 MAKROPLANKTON (2 mm – 2 cm)
Extrém nagy fitoplankton kolóniák (vízvirágzás), zooplankton: Euphausiidae Krill, bálnaabrak, Euphausia superba

25 MEGAPLANKTON (> 2 cm), pl. medúzák

26 A plankton funkcionális csoportjai

27 BAKTERIOPLANKTON Nagy anyagcsere- diverzitás
Milyen az energiaforrás? Fény: fototróf; Kémiai energia: kemotróf Milyen a szénforrás? Inorganikus (CO2, HCO3-): autotróf; Organikus: heterotróf Milyen az elektron- donor? Inorganikus: litotróf; Organikus: organotróf.

28 FOTOLITOAUTORÓF BAKTÉRIUMOK
Energiaforrás: fény; elektrondonor: szervetlen; szénforrás: szervetlen

29 FOTOLITOAUTORÓF BAKTÉRIUMOK
Energiaforrás: fény; elektrondonor: szervetlen; szénforrás: szervetlen Zöld kénbaktériumok: H2S az elektrondonor, az oxidált végterméket (szulfát, elemi kén) leadják a közegbe Bíbor-kénbaktériumok: H2S az elektrondonor, de az oxidált végterméket (szulfát, elemi kén) nem adják le a közegbe, hanem sejten belül tárolják (kén; az ionok túl nagy ozmózisnyomást csinálnának) Bíborbaktériumok: H2 az elektrondonor Fontos: minden elektrondonor redukált, ezért csak anaerob körülmények közt megtalálhatók. Anaerob, de eufotikus metalimnionokban, rétegeket képezhetnek (klinográd vagy negatív heterográd oxigéngörbe)

30 KEMOLITOAUTORÓF BAKTÉRIUMOK
Energiaforrás: kémiai; elektrondonor: szervetlen; szénforrás: szervetlen Színtelen kénbaktériumok: H2S + ½ O2  S + H2O S + H2O + 3/2 O2  SO H+ S2O32- + H2O + 2O2  2SO H+ A Thiobacillus denitrificans esetén az oxidálóanyag nem O2 hanem nitrát. Nitrifikáló baktériumok: A biológiai leépítési folyamatok során keletkező ammónium oxidálásával nyerik az energiát Nitrosomonas: NH4+ + 3/2 O2  NO2- + 2H+ + H2O (energianyerés: 276 kJ/mol) Nitrobacter: NO2- + ½ O2  NO3- (energianyerés: 75 kJ/mol) Vasoxidáló baktériumok: Ferrobacillus, ferro (+2)  ferri (+3) 4 Fe2+ + 4H+ + O2  4 Fe H2O (energianyerés: 45 kJ/mol)

31 KEMOORGANOHETEROTRÓF BAKTÉRIUMOK
Energiaforrás: kémiai; elektrondonor: szerves; szénforrás: szerves Aerob, heterotróf baktériumok: „állati anyagcsere” – szénforrás szerves anyag, melynek kémiai energiáját hasznosítják, és a terminális elektrontranszportlánc (légzés) elektonakceptora az oxigén. Szerves szénforrás: DOM (dissolved organic material) Külső szerves anyaggal nem terhelt vizekben lassan nőnek, kicsik Külső szerves anyaggal terhelt vizekben gyorsabban nőnek, nagyobbak (de azért a víz ne legyen oxigénhiányos!) Anaerob, heterotróf baktériumok: mint az előbb, de a terminális elektronakceptor nem az oxigén, hanem a nitrát vagy a szulfát nitrátlégzés: nitrát  dinitrogén (dentirifikáció) vagy nitrát  ammonium (nitrátammonifikáció) szulfátlégzés: szulfát  szulfid, kén, tioszulfát Erjesztő baktériumok: lebontás fermentáció (alkohol, szerves sav + redukált gázok keletkeznek (metán – metanogén baktériumok -, hidrogén, kénhidrogén, ammónia). Energianyerés kicsi. 1 mol cukor rendes légzéssel: 2802 kJ/mol; alkoholos erjedéssel 67 kJ/mol, tejsavas erjedéssel 111 kJ/mol.

32 MIKOPLANKTON Szaprofita szervezetek: szerves anyagok lebontása
Pl. Ascomycetes, Saccharomycetes (élesztők). Néha élőnek látszó sejteken is megtalálhatók, de élő sejtet nem támadnak. Paraziták: az élő szervezetet támadják. Endobionták: benne élnek a sejtben, epibionták: un. rhizoidokkal benőnek, de a gomba kívül van. Phaeosphaeria spartinicola

33 FITOPLANKTON MINDEGY, HOGY PROKARYOTA VAGY EUKARYOTA, KÉPES LEGYEN VIZET HASZNÁLNI ELEKTRONDONORNAK, EZÁLTAL OXIGÉNT TERMELNI: OXIFOTOTRÓF

34 méret, funkció, taxonomiai szempontok

35 FITOPLANKTON Cyanophyta, Cyanobacteria, Cyanoprokaryota Prochlorophyta
Euglenophyta Dinophyta Cryptophyta Chromophyta: Chrysophyceae, Bacillariophyceae, Xanthophyceae

36 Cyanbacteria Chroococcales Oscillatoriales Nostocales
Egysejtűek vagy kolóniások Fonalasak, a fonál sejtjei +/- egyformák, a csúcsi sejt alakja eltérő lehet Fonalasok, a fonalak heterocitákat és akinétákat tartalmazhatnak

37 Cyanobacteria, lebegés regulációja
Gázvezikulumok, melyek csoportokat alkotnak. Ezeket aerotópoknak nevezzük - fénymikroszkóppal szemcsék formájában láthatók Eufotikus zóna, fotoszintézis, cukor keletkezik (ozmotikusan aktív). Ozmózisnyomás nő, „összenyomja” a gáz-vezikulumokat, fajlagos tömeg nő, a sejt (telep, fonal) süllyed. Afotikus zóna (metalimnion): a sejt tápanyagokat vesz fel, a cukrokból keményítőt szintetizál, ami ozmotikusan nem aktív, ozmózisnyomás csökken, gáz- vezikulumok szintetizálódnak, szaporodnak, fajlagos tömeg csökken, a sejt (telep, fonal) felemelkedik.

38 Fitoplankton közötti P kompetícó stratégiája
vertikális mobilitás: 0.5 – 3 m hr-1 epilimnium - P hipolimnium +P → hipolimnium +P →

39 Fitoplankton közötti P kompetícó stratégiája

40 Fitoplankton, perifiton, makrofita
konkurencia a fényért és a tápanyagokért (2 csoport – 2 forrás)

41 Cyanoprokaryota, vízvirágzás
Water bloom: felszíni vagy szuszpendált Fényhasznosítás: I-P görbe, fénylimitáció, fénygátlás P Tájékoztató adat: a felszín alatt mérhető globálsugárzás maximuma μmol közötti Ik1 Ik2 Ik3 I, μmol/m2/sec

42 Cyanoprokaryota, vízvirágzás
Alacsony Ik ( μmol), erős fénygátlás Közepes Ik (200-ig μmol), gyenge fénygátlás Magas Ik (200 μmol felett), nincs fénygátlás Planktothrix rubescens, P. agardhii (Oscillatoriales) Cylindrospermopsis raciborskii (Nostocales) Anabaena, Aphanizomenon, Gloeotrichia (Nostocales) Microcystis (Chroococcales) Felszíni vízvirágzást nem okoznak (de nyugodt vízben könnyen foszló felületi hártya lehet); könnyen fotooxidálódnak a pigmentek; zöldeskékek vagy rózsaszínek (kromatikus adaptáció); árnyéktűrés miatt DCM oligotróf tavakban. Előfordulás: DCM vagy hipertróf sekély tavak. Jó lebegésreguláció, de ha „nem sikerül” időben lesüllyedni (nagy denzitás esetén), akkor fotooxidáció (ha a fotoszintézis nem tökéletes, nincs lebegésreguláció sem!!!), felszíni vízvirágzás. Előfordulás: változó trofitás mellett, sekély és mély tóban is Jó lebegésreguláció, üledék és felszín közt „mozognak); főleg sekély tavakban; nincs fotooxidáció (3000 mol -ig), ezért a felszíni tömeg süllyedhet; napközben a felületi algatömeg árnyékol, ezért alatta a víz „tiszta”, alig valami tud nőni fénylimitáltság miatt. Előfordulás: sekély tóban (mélyben csak a litorális régióban).

43 Cyanoprokaryota, N2-kötés
NITROGENÁZ enzimkomplex N2-kötést mennyiségileg mérni nehéz, mert a sok légköri N2 „bezavar”) szubsztrátanalóg: acetilén Jobban köti Kizárólag anaerob körülmények közt megy végben, az oxigén mérgezi az enzimrendszert Őslégköri bioszféra maradvány, ami „talált” másik szubsztrátot. A folyamat energiaigénye nagy, ezért csak akkor jelentős mennyiségileg, ha tényleg erős N-limitáltság lép fel Helye: heterocita (gyökérgümő), de anaerob körülmények közt a nem heterocitások is képesek lehetnek N2-kötlsre.

44 Cyanoprokaryota, N2-kötés
HETEROCITA (nem heterociszta!) Védi az enzimkomplexet az oxigéntől, elvileg bármely rendes sejtből differenciálódhat 3. A szomszéd sejtek határán szimbiotikus autotróf baktériumok, amik a „befelé igyekvő” oxigént „ellégzik” 2.A sejt színe más, mint a többié. A PSII-t lebontja és áttér bakteriális fotoszintézisre (akkor nem keletkezik oxigén). Elektrondonor: kismolekulájú szerves anyag, amit a szomszéd sejtek transzportálnak. Fotoorganoautotróf anyagcsere. A transzport miatt a heterocita fala a szomszédos sejtek felé vékonyabb (oldott oxigénveszély!) 1.Vastag a fala, hogy a vízben oldott oxigén ne tudjon bediffundálni Analóg: a pillangósokkal szimbionta Rhizobium baktérium. Gyökérgümő, ami vastag falú, véd a légköri oxigén ellen, továbbá a pillangós termel egy „leg- hemoglobin nevű anyagot, ami köti a mégiscsak bekerült oxigént

45 Cyanoprokaryota, toxicitás
Régóta ismert (háziállatok pusztulása), de nem tudták, mi az oka Kb. 30 éve vált világossá, azóta dinamikusan fejlődő tudományág (toxinok, tesztek, fontosság, elterjedtség, mely fajok toxikusak, stb. Három nagy toxincsalád, mindbe több variáns tartozik Neurotoxinok Hepatotoxinok Cylindrospermopsin - Akut hatás (ingerületátvitelt gátolja) -Krónikus hatás, májkárosodást okoz. Ivóvizben: a májbetegségek és ezekkel kapcsolatos halálozás nő -Hepatotoxikus hatás, de van idegrendszeri is. Palm Island disease

46 Alapvető organizmus csoportok (Lindemann 1942)
táplálék lánc szintek λ 1. szint λ 2. szint λ 3. szint λ 4. szint

47

48 trofikus csoportok (Lindemann 1942)
producensek – fitoplankton, fitobentos, makrofita (bakteriumok) konzumensek – zooplankton, zoobentosz, halak, madarak… (herbivorok, omnivorok, carnivorok, csúcs ragadozók) grazing (legelés) – „részleges predáció“ szűrők, kaparók, vadászók, paraziták, parazitoidok… Rekuperánsok, lebontók, detritusz fogyasztók – baktériumok, zoobentosz darálók, gyűjtögetők (szűrők, kaparók) TÁPLÁLÉK LÁNC (ÉPÍTÉS, LEBONTÁS) un. mikrobiális hurok – baktériumok, ostorosok, egysejtűek… => TROFIKUS RENDSZER koncepció

49 A mikrobiális hurok (detrituszlánc)
Van kapcsolata a „rendes lánccal”, de ez nem obligát (barlang) Az „energiamotor” nem a napfény energiája domináns módon, hanem autokton (a rendszer által megtermelt) vagy allokton (külső) oldott és partikulált szervves anyag Időszakosan (tiszta vizes fázis) fontos a planktonban (autokton), „menti” a süllyedni kényszerülő planktont (diatóma) Litorális régió tocsogóiban (az emerz makrovegetáció miatt erősen árnyélolt, de sok szerves anyagot termel) (autokton) Oligotróf vizek (pikofitoplankton DCM) (autokton) vagy nagy DOC-POC terhelt vizek (Skandinávia) (allokton) Wetland (autokton általában) Patak (behulló avar) (allokton és autokton) Barlag (itt fény egyáltalán nincs) (allokton) Szennyvizek és általában poliszaprób vizek (allokton) Relatív, részleges, akár teljes anaeróbia (utóbbi az alloktonokban) Szárazföldi „szaprofita-lánccal” analóg

50

51 TROFIKUS RENDSZER