Ökosystem SeeSeen sind die zweitgrößten Oberflächengewässer der Erde, sie nehmen ein Gesamtvolumen von 280 x 103 km3 ein. Sie sind größere stehende Gewässer, die inselartig auf dem Festland verteilt sind ohne eine direkte Verbindung zum Meer. Kleinere stehende Gewässer werden der Größe nach als Weiher, Tümpel oder Lachen bezeichnete, Teiche sind künstlich angelegte Gewässer. Allgemein enthalten Seen Süßwasser, Ausnahmen bestehen dort, wo die Verdunstung die Wasserzufuhr durch Niederschläge übersteigt. Der größte See ist der Kaspisee, der salzwasserhaltig ist. Die nordamerikanischen Seen sind die größten zusammenhängenden, süßwasserhaltigen Seen der Erde.
Durch die unterschiedlichen Licht- und Wärme Verhältnisse innerhalb eines Sees kommt es zu einer differenzierten Gestaltung des Lebensraumes See. Als Lebensräume werden die Freiwasserzone (Pelagial) und die Bodenzone (Benthal) unterschieden, wobei letzteres weiter gegliedert ist in die Uferzone (Litoral) und in die Tiefenzone (Profundal). Die Gewässertiefe, in der wegen Lichtmangel keine Fotosynthese mehr stattfinden kann, markiert die Grenze zwischen Litoral und Profundal, diese Grenzschicht wird Kompensationsebene genannt. Ihre Lage unterliegt jahreszeitlichen Schwankungen, die Gliederung des Benthals ist also keineswegs starr. produktionsbiologisch Gliederung:.
Das Pelagial - für Stoffhaushalt bedeutendste Lebensgemeinschaft: Plankton (aquatische Lebensgemeinschaft mit fehlender oder kaum ausgebildeter Eigenbewegung) - zweitgrößte Lebensgemeinschaft: Nekton ( alle größeren Organismen, mit deutlicher Eigenbewegung) Das
Litoral - reich strukturiert in unterschiedliche Lebensgemeinschaften:
Das Profundal - überwiegend Destruenten - Eintrag organischer Stoffe über Peligial und Litoral, sowie durch chemoautotrophe Produktion, bei Baumwuchs in Ufernähe gelangt Laub in diesen Bereich, hinzu kommen Einträge von mineralischen Teilchen, wie Tonen und Sanden - infolge systemeigener und systemfremder Einträge Bildung von Sedimenten, sobald mehr Einträge als abgebaut werden können Jahreszeitliche Veränderung in der thermische Schichtung der Wassermassen Wegen der intensiven Sonneneinstrahlung im Sommer wird die Oberflächenregion des Wasserkörpers stark erwärmt, diese besonders warme und lichtdurchflutete Schicht wird Epilimninon genannt. Hier kann das Wasser zirkulieren was zu einer gleichmäßigen Erwärmung der gesamten oberen Schicht führt. Da die Dichte des Wassers temperaturabhängig ist, kommt es zu einer klaren Abgrenzung tieferer Schichten, die sich Metalimnion (Sprungschicht) und Hypolimnion unterteilen lassen. Bereits im Metalimnion sinkt die Temperatur sprunghaft ab ( daher auch die Bezeichnung Sprungschicht). In der Tiefenschicht (Hypolimnion) kann die Temperatur bei etwa 4°C liegen, wobei flache Seen etwas wärmer sind. Da Wasser bei 4°C seine größte Dichte hat, kommt es zum Absinken der Wassermassen mit dieser Temperatur. Fehlen Zu- und Abflüsse ist diese Schichtung im Sommer sehr stabil. Weil kein Wasser bewegt wird, finden auch kaum Austauschvorgänge zwischen den Regionen statt, der Gas- und Ionenaustausch beschränkt sich auf Diffusionsvorgänge. da der Zustand des Sees im Sommer also stagniert, spricht man von der Sommerstagnation. Während des Herbstes kommt es im Epilimninon zur Abkühlung, so dass sich auch die Dichten zwischen epi- und hypolimnischen Wassermassen angleichen und bereits kleinste Bewegungen (Wellen durch Wind) ausreichen für eine Durchmischung. Sobald sich das Wasser des Epilimnions auf 4°C abgekühlt hat sinkt es herab und das Wasser des Hypolimnions, dass eine durchschnittliche Temperatur von 5°-6° C hat, steigt auf. Auf diese Weise wird im Idealfall das gesamte Wasservolumen des Sees von der Herbstzirkulation erfasst. Die Temperaturschichtung des Winters ist der des Sommers entgegengesetzt, durch die Dichteanomalie schichtet sich das gegen 0°C abgekühlte Wasser über das 4°C warme Tiefenwasser. Der See friert von oben nach unten zu. Die Schichtung ist ebenso stabil wie die im Sommer, daher wird der zustand als Winterstagnation bezeichnet. Nach der Eisschmelze im Frühling laufen prinzipiell die gleichen Vorgänge wie Herbst ab. Nach der Annäherung der Temperatur der Wasserschichten zirkuliert das Wasser bis zur Temperaturabgleichung (Frühlingszirkulation) Die zweimalige Zirkulation ist, da sie von den klimatischen Verhältnissen abhängig ist, beschränkt auf die entsprechenden Regionen. Es gibt also auch Klimazonen in denen die Seen einmal (Subtropen) oder mehr als zweimal zirkulieren. Stoffhaushalt -Verteilung und Entstehung Da die Schichtenbildung mitteleuropäischer Seen einer jahreszeitlichen Periodik folgt, unterliegen auch die Stoffkreisläufe einer Periodik. Bei fast allen Stoffumwandlungen sind Organismen beteiligt, rein chemische Umwandlungen sind selten (Phosphor-Eisen-Umsatz). Der Großteil biogener Stoffkreisläufe wird durch mikroskopische Organismen getragen. Der Nahrungskreislauf: Beispiel:
Wie bereits erwähnt wird nur ein Teil der organischen Substanz bereits im Epilimninon zersetzt, während der weitaus größere Teil ins Hypolimnion gelangt, wo die Sauerstoffverhältnisse bestimmen, ob Oxidation der Reduktion als Abbauprozess in Frage kommen. Sauerstoff und Kohlenstoffdioxid - die Schlüsselfaktoren im See beeinflussende Faktoren:
O2 und CO2 sind gut wasserlöslich, die Löslichkeit ist jedoch abhängig von Temperatur und Druck. Mit steigender Temp. sinkt die Löslichkeit, wie auch bei abnehmenden Partialdrücken die Löslichkeit der Gase abnimmt. Henry-Dalton'sches Gesetz: Die im Wasser gelösten Mengen der Gase sind ~ ihren Partialdrücken in der Atmosphäre. Zirkulationsbewegungen: siehe Herbstzirkulation, Sommerstagnation Stickstoffumsatz Unter sauerstoffreichen Bedingungen werden Exkremente und Eiweißstoffe der abgestorbenen Lebewesen durch eiweißspaltende Pilze und Bakterien über eine Reihe von Zwischenstufen bis zu NH+4, CO2 und H2O abgebaut (Ammonifikation). Durch Bakterien der Gattung Nitrosomonas werden Ammonium-Ionen zu Nitrit- Ionen und durch die Gattung Nitrobacter Nitrit- zu Nitrat-Ionen oxidiert (Nitrifikation). Dabei wird die freigesetzte Energie von ihnen chemosynthetisch zur eigenen Versorgung mit organischen Substanzen genutzt. In nährstoffreichen Seen können die O2- verbrauchenden Abbauvorgänge bis zum völligen Aufzehren des O2 reichen, dann spricht man davon, dass der See umkippt. Dann laufen aerobe Reduktionsprozesse ab, die Nitrat-Ionen werden durch andere Bakteriengruppen wieder NH+4 (Nitratammonifikation) oder zu N2 (Denitrifikation). Schwefelumsatz
Phosphorumsatz
- freigesetzte Phosphat-Ione aus organ. Stoffen mit O2 zu Fe (III)- Ionen gebunden - Adsorption des entstehenden unlösliches Eisen(III)-phosphat (Fe(III)PO4 ) im Sediment - bei anaeroben Bedingungen: Reduktion von Fe(III)PO4 zu Eisen (II)-phosphat
Mineralisierung
Umsetzung organischer Substanzen ( abgestorbene Organismen und Ausscheidungen) in mineralische Materie. Endprodukte: CO2, NO3, SO2-4, Phosphat –Ione Bei anaeroben Bedingungen entstehen: Schwefelwasserstoff (H2S), Ammoniak ( ) und Methan ( Bei fehlendem O2 nur teilweise Zersetzung, Bildung von Faulschlamm
Weiterhin spielt die Litoralausbildung und Sedimentation eine Rolle, je tiefer das Litoral reicht, desto das Produktionsprofil im Sommer und die Gasverteilung im Sommer spielen ebenfalls eine Rolle zur Klassifikation:
Initialstadium (vegetationsfreier Wasserkörper) - Ansiedlung von planktischen Algen und Aufwuchsorganismen, Beginn einer geringen Primärproduktion - Ansiedlung planktischer Konsumenten in einfachen Nahrungsketten - Zuwachs an Arten und zunehmende Vernetzung von Trophieebenen, Stabilisierung eines Gleichgewichtes zwischen Auf- und Abbau - langsame Nährstoffanreicherung - allmähliches Überwiegen von Aufbauvorgängen gegenüber den Abbauprozessen unter dem Einfluss wachsender Nährstoff Angebote - verstärkte Sedimentation durch unvollständigen Abbau organ. Substanz - Verflachung und Verlandung Klimaxstadium (Moor, Wald)
Nicht immer lassen sich alle einzelnen Vorgänge exakt beobachten, da die Sukzessionsverläufe von speziellen Bedingungen abhängig sind Auch die Moorbildung richtet sich nach den Verhältnissen vor Ort. Nach dem Verlandungsprozess ist bald die gesamte Wasseroberfläche mit litoralen Pflanzen bedeckt. Nun kann sich ein Erlenbruch bilden. Der Abbau der großen Pflanzenmassen am Ende des Verlandungsstadiums kann zur Freisetzung großer Mengen CO2 und dem Sinken des pH- Wertes führen. Dann siedeln sich Azidophyten an. Unter solchen Bedingungen entstehen aus Flachmooren Graslandbiotope, die zunehmend trockener werden. dem Grasland folgen schließlich Gehölze. In niederschlagsreichen Gebieten können sich in den versäuerten Flachmooren Torfmoose ansiedeln, die den pH- Wert weiter absenken. Die Torfmoose bilden dichte Polster die das Wasser halten. Wegen des niedrigen pH-Wertes können sich nur wenige abbauende Mikroorganismen hier etablieren. Das entstehende Hochmoor ist daher arm an wasserlöslichen Nährstoffen. Während die Torfmoose am oberen Teil ständig nachwachsen, zersetzen sich die abgestorbenen untere Teile nicht und in Folge dessen wächst der Körper weiter in die Höhe. Die abgestorbenenKonzentrationsschwankungen des Co2 und O2 - Gehaltes in Abhängigkeit zueinander
Gemessen wurde an einem sonnigen Julitag in einem Altlauf-Stillwasser bei einem pH-Wert von 7,5 -8 und einer Temperatur bei 20 -22°C. Die gestrichelte Linie stellt die O2 -Konzentration dar, die durchgehende Linie gibt den Gehalt an CO2 wieder. Erkennbar werden ein Maximum des O2- Gehaltes bei 18.00Uhr und ein Maximum des Co2 Gehaltes bei 4.00Uhr, die Minima liegen für O2 bei 6.00Uhr und für CO2 bei 18.00 Uhr. Beide Stoffe unterliegen also einem tageszeitlich bedingten Zyklus. Dabei fällt der Zusammenhang zwischen Maximal-Konzentration von Sauerstoff und gleichzeitiger Minimal-Konzentration an Kohlendioxid auf. Dies lässt sich dadurch erklären, dass Kohlenstoffdioxid durch fotoautotrophe Produzenten in Form von organischen Kohlenstoffverbindungen gebunden wird. Zur Vorbereitung der Kohlenstoffassimilation wird Wasser gespalten (Fotolyse), dadurch wird Sauerstoff frei. Da die erste Phase der Fotosynthese lichtabhängig ist, erreicht sie am Tage ihre Höchstleistung, während sie nachts rückgängig ist, sie setzt erst wieder ein nachdem der Lichtkompensationspunkt erreicht wurde. Durch die Atmung wird andererseits Sauerstoff verbraucht und Kohlendioxid freigesetzt. Da nachts die lichtabhängige Phase der Fotosynthese nicht stattfinden kann, sinkt der Gehalt an O2 bei gleichzeitiger Zunahme von CO2. Zwischen 4.00 und 6.00Uhr können wir ein gleichzeitiges Absinken von CO2 und O2 feststellen, was sich darauf zurückführen lässt, dass die Fotosynthese bereits wiedereingesetzt hat (Rückgang von CO2) aber das Licht noch nicht den erforderlichen Kompensationspunkt erreicht hat. Somit werden durch Dissimilationsvorgänge noch mehr O2 veratmet, als fotosynthetisch produziert wird. Erst wenn der Lichtkompensationspunkt überschritten wird, (an dem sich Dissimilation und Assimilation die Waage halten), nimmt die O2-Konzentration wieder zu. ---------------------------------------------------------------------------------------------------- Seit einigen Jahren weiß man, dass auch bei Wasserpflanzen elektrophysiologische Prozesse zur Informationsübertragung vorkommen. Die Wasserfalle, Aldrovande vesiculosa, eine nur bis 15 cm groß werdende fleischfressende Wasserpflanzen, kann wie die Venusfalle, durch Zusammenklappen ihrer Blättchen kleine Wassertiere fangen. Bei Berührung, z.B. durch ein Ruderfußkrebschen, werden die Aktionspotentiale ausgelöst. Dabei ist es interessant diese pflanzlichen Aktionspotentiale mit denen menschlicher Neuriten zu vergleichen. Es fällt auf, dass die Dauer des Aktionspotentials bei der Pflanze sehr viel größer ist, die Nervenzelle eines Menschen bleibt nur 1-2 ms erregt bis sie in die Refraktärphase übergeht. Gleich ist jedoch bei beiden, dass vom Ruhepotential durch Depolarisation und nachfolgender Repolarisation der Aufbau eines Aktionspotentials erfolgt Auch pflanzlichen Aktionspotentialen liegen Prozesse von Ionenbewegungen und unterschiedliche Ionenverteilungen an der Zellmembran zugrunde.
Ionenverteilung im Zellinneren und an der Membranaußenseite einer Wasserpflanze an einer nichterregten Membran, (us: Biologie-Unterrichtsmaterialien, Stark-Verlag, o. J.) Die Ladungsverteilung gleicht grundsätzlich der am Neuriten. In der Membraninnenseite überwiegen negative Ladungsträger, vor allem organische Anionen Chlorid-Ionen sind etwa in hundertfacher, Kalium-Ionen in etwa tausendfacher Form vorhanden. Für das Aktionspotential sorgen die Ionen die in größter Ungleichverteilung vorliegen. Ein Aktionspotential kann sich also nur durch den Ausstrom von Chlorid-Ionen aufbauen, weil nur dadurch die Innenseite positiver werden kann. Die Redpolarisierung kann nur durch einen Ausstrom von Kalium-Ionen erfolgen, da die Innenseite nur dadurch wieder negativ werden kann. Da die anderen Kationen im Zellinnenraum in höherer Konzentration vorliegen, kann sich durch deren Einströmen kein Aktionspotential aufbauen. da der Einstrom nicht gegen ein Konzentrationsgefälle aufbauen kann. Veränderungen durch sauren Regen
Metallgehalt eines Fließgewässers in Abhängigkeit vom pH-Wert (untere Leiste) (nach: Kronberg, I., Natura -Ökologie. - Stuttgart, Klett, 1996, S.83)
Deutlich zu erkennen ist die Abhängigkeit der Schwermetallkonzentration vom pH-Werte, je niedriger der pH- Wert desto höher ist der Gehalt an Schwermetallen. Saurer Regen enthält schweflige Säure und Schwefelsäure, bei einem solchen Eintrag in das Gewässer werden Schwermetall-Ionen aus dem Sediment gewaschen. Die Zunahme von Hydroxid -Ionen bewirkt eine Versauerung des Gewässers und führt zu dessen erhöhtem Schwermetallgehalt.
Die Giftwirkung der Schwermetalle auf den Organismus ist vor allem in ihrem Einfluss auf die Enzyme zu sehen. Eine mögliche Wirkung der Schwermetalle, könnte eine irreversible Schädigung der DNA-Polymerase sein. Dies hätte zur Folge, dass die DNA nicht mehr identisch repliziert werden kann und damit keine Mitose, also kein Wachstum mehr möglich ist.
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