Gliederung der Vorlesung - SBW.EDU

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Gliederung der Vorlesung
Datum
Thema
Dozent
27.10
Geschichte des Umweltschutzes – Agenda 21
Dichtl
03.11
Chemisch/physikalische Grundlagen
10.11
Wachstum und seine Grenzen
17.11
Grundlagen der allgemeinen Ökologie
24.11
Biologische Grundlage
Dockhorn
01.12.
Stoffwechselphysiologie
Dockhorn
08.12.
Toxikologie und Ökotoxikologie
Dockhorn
15.12.
Stoffkreisläufe
Dichtl
22.12.
Klima: Grundlagen und Fakten
Fricke
12.01.
Wasser: Grundlagen und Fakten
Dichtl
19.01.
Boden: Grundlagen und Fakten
Fricke
26.01.
Ressourcenschutz und Energie
Dichtl
02.02.
Einführung ins Umweltrecht
Fricke
09.02.
Klausurvorbereitung
Dockhorn
Santen
Fricke
1
Definition der Ökologie
•
Ökologie ist die Wissenschaft
– Von den Wechselbeziehungen und Wechselwirkungen zwischen
Lebewesen und ihrer Umwelt (zur belebten und unbelebten
Umwelt),
– Vom Stoffhaushalt und den Energieflüssen, die das Leben auf der
Erde möglich machen und
– Von den Anpassungen der Organismen an die
Lebensbedingungen.
•
Ökologie beschreibt weiterhin die Interaktion von Organismen
und Lebensräumen
2
Biotische und Abiotische Faktoren
Biotische Faktoren
Abiotische Faktoren
Konkurrenz
Licht
Symbiose
Temperatur
Parasitismus
Boden
Einfluss des
Menschen
Luft
Wasser
3
Umweltfaktoren
Umweltfaktoren wirken sich in folgender Weise aus:
•
Unterschiedliche Konzentration / Intensität in verschiedenen
Lebensräumen
•
Nur eine begrenzte Anzahl von Arten ist im speziellen
Lebensraum überlebensfähig (Grund: Anpassung)
•
Eine Art toleriert nur einen bestimmten Bereich eines
Umweltfaktors (Toleranzbereich = Ökologische Potenz)
– Ökologische Potenz: Fähigkeit eines Organismus einen
Umweltfaktor zu nutzen bzw. zu tolerieren
– Ökologische Valenz: Wertigkeit eines Faktors ggü. dem
Organismus
4
Gesetz des Minimums
•
Umweltfaktoren sind nicht alle gleich wirksam
•
Ein Faktor wirkt begrenzend = limitierender Faktor
z.B. Phosphat als limitierender Faktor für Pflanzen
5
Limitierende Faktoren
Limitierende Faktoren bestimmen das Gedeihen von
Organismen
Liebigs Gesetz des Minimums:
"Die relative Wirkung eines Faktors ist um so größer, je mehr
sich dieser den anderen Faktoren gegenüber im Minimum
befindet"
Shelfords Toleranzgesetz:
"Nicht nur ein Zuwenig, sondern auch ein Zuviel eines
Faktors hat die gleiche, entscheidende [lebensbegrenzende]
Wirkung„
Alle Ding‘ sind Gift und nichts ohn‘ Gift, allein die Dosis mach, das ein Ding6
Gift ist ! (Paracelsus 1493-1541)
Gliederung der Ökologie
•
Nach den Organismen, die im Mittelpunkt der Untersuchung
stehen: Tierökologie, Pflanzenökologie, Humanökologie...
•
Nach den Lebensräumen: Terrestrische Ökologie, Aquatische
Ökologie, Marine Ökologie, Bodenökologie, Stadtökologie...
•
Angewandte Ökologie: Agrarökologie, Radioökologie,
Ökotoxikologie, Naturschutz, Umweltschutz...
•
Nach der Betrachtung anderer wissenschaftlicher Disziplinen
unter dem Gesichtspunkt ökologische Auswirkungen: Genetik,
Verhaltensökologie, Paläoökologie...
7
Klassische Dreiteilung der Ökologie
•
Autoökologie: Beziehung eines Individuums zu seiner Umwelt
(Betrachtung einer einzelnen Art oder eines einzelnen
Individuums)
•
Synökologie: Beziehung verschiedenartiger Organismen zu
ihrer Umwelt (ganze Lebensgemeinschaften in einem
begrenzten Areal)
•
Demökologie (oder Populationsökologie): ökologische
Beziehung einer Population zu ihrer Umwelt (Populationen in
großen Arealen)
8
Umweltbeziehungen des Menschen aus
ökologischer Sicht, autoökologischer Ansatz
chemische Umwelt:
1
Luftsauerstoff
2
CO2 der Luft
3
Chemische Technik + Rohstoffquellen
4
Trinkwasser
5
Chemische Luft- und Wasserverschmutzung
6
Chemische Zivilisationsabfälle
physikalische Umwelt:
1
Temperatur
2
Luftfeuchtigkeit + Niederschläge
3
Luftdruck
4
Wind
5
Strahlung
6
Boden
7
Schwerkraft
8
Lärm
9
Technik + Rohstoffquellen
10
Zivilisationsabfälle
zwischenartliche Umwelt:
1
Fressfeinde
2
Konkurrenten
3
Parasiten
4
Beutetiere
5
Nahrungspflanzen
6
Rohstofflieferanten
7
Tiere + Pflanzen als Arbeitsobjekte
8
Tiere + Pflanzen als Pflegeobjekte
9
Abfallverwertende Organismen
10
Sonstige
innerartliche Umwelt:
1
Mensch als Sozialpartner
2
Mensch als Sexualpartner
3
Mutter-Kind-Beziehungen
4
Familienangehörige
5
Mensch als Mitarbeiter
6
Mensch als Rivale, Konkurrent oder Gegner
soziale Umwelt
9
Wichtige Fachbegriffe
•
Biosphäre: Beschreibt die Gesamtheit aller Ökosysteme Î
Globalsystem
•
Ökosystem: Bildet eine übergeordnete Ganzheit, kann mehrere
Untersysteme enthalten
•
Biozönose: Lebensgemeinschaft, sämtlicher Populationen
eines Areals
•
Biotop: Lebensraum (Habitat), wird charakterisiert durch
biotische und abiotische Faktoren
•
Umweltfaktor: Kraft, die auf einen Organismus wirkt (biotisch,
abiotisch)
•
Umwelt: Summe aller einwirkenden Umweltfaktoren
10
Umweltbereiche,
Makrostrukturen
Alle Bereiche beeinflussen sich
wechselseitig
Meteorologie
Biologie
Bodenkunde
Hydrologie
Geologie/Mineralogie
Aufgabe ökologischer Forschung:
Ordnung in das Chaos zu bringen,
grundlegende Zusammenhänge zu verstehen.
11
Ökosystem - Funktionsschema
•Produzenten: Pflanzen
(autotrophe), die aus
Sonnenenergie Biomasse
aufbauen
•Konsumenten: Lebewesen
(heterotrophe), die ihre
Energie aus org. Masse
gewinnen
•Destruenten:
Heterotrophe Organismen,
die tote Biomasse
verwerten und in anorg.
Grundstoffe zerlegen
(Bakterien, Pilze)
12
Ökozonierung der Erde
13
Klimaklassifikation nach Köppen
A (tropisch)
f (tropisches
Regenwaldklima)
w (Savannenklima)
B (trocken, arid)
S (Steppenklima)
W (Wüstenklima)
C
(warmgemäßigt)
s (warmes
sommertrockenes Klima)
w (warmes
wintertrockenes Klima)
f (feuchttemperiertes
Klima)
D (kaltgemäßigt,
boreal)
w (wintertrockenes-kaltes
Klima)
f (winterfeuchtes-kaltes
Klima)
E (polar)
T (Tundrenklima)
F (Klima ewigen Frostes)
14
Vertikaler Klimagradient
•
In grober Näherung ist Köppens Klimazonierung auch auf die
vertikale übertragbar.
– Hier am Beispiel der Anden:
Jeder dieser Klimatypen ist durch eigene Vegetation und Boden
charakteriesiert
15
Die großen Kompartimente unserer Biosphäre
Die Ozeane
bedecken 2/3 der Erdoberfläche,
sind die „Wiege des Lebens“,
leisten einen enormen Beitrag zur globalen Primär- und Sauerstoffproduktion,
transportieren Stoffe und Wärme über den gesamten Globus,
haben wichtige regulatorische Funktionen für das Weltklima.
Die Landmassen
sind der Lebensraum höherer Pflanzen, von Säugetieren, Insekten,
Vögeln, Reptilien und nicht zuletzt des Menschen,
„tragen“ die „Lunge der Erde“, die Tropenwälder,
stellen einen entscheidenden Teil unserer Lebensgrundlage dar
(z.B. sämtliche Nutzflächen).
Die Atmosphäre
ermöglicht überhaupt erst das Leben auf der Erde,
schirmt uns gegen Strahlung aus dem All ab,
enthält die lebenswichtigen Gase Sauerstoff und Kohlendioxid
bewerkstelligt einen globalen Stofftransport von Gasen und
Wasser.
16
Die Wasservorräte der Erde
Teil der
Hydrosphäre
Total
Weltmeer
Grundwasser,
(salzig)
Oberflächenw.
(salzig)
Summe Süßwasser
Eis und Schnee
Grundwasser (süß)
Süßwasserseen
Moore, Sümpfe
Flüsse
Bodenfeuchte
Atmosphäre
Organismen
Wasservolumen
[km3]
1.385.984.600
1.338.000.000
12.870.000
Anteil am
Vorkommen
[%]
100
96,54
0,93
85.500
0,006
35.029.100
24.364.000
10.530.000
91.000
11.500
2,53
1,76
0,76
0,006
2.100
16.500
12.900
1.100
0,0009
0,0002
0,001
0,009
0,0001
Anteil am
Süßwasser
[%]
Austauschzeiten
37.000 a
10-10.000 a
100
69,6
30,1
0,26
0,03
0,01
0,05
0,04
0,003
16.000 a
300 a
10-100 a
12-20 d
280 d
9d
[Korzun et al., 1974]
17
Quelle: HAHN, 2002
18
Globaler Wasserhaushalt
19
Das Meer als Wärmepumpe
20
Ökosystem Meer
•
Das Meer als riesige
Gemeinschaft von
Mikroorganismen, pflanzlichen
und tierischen Lebewesen in
ökologischer
Wechselbeziehung:
•
Plankton (das Treibende,
Pflanzen und Tiere)
•
Nekton (frei umherschwimmende Organismen)
•
Benthos (unmittelbar über, auf
oder im Meeresgrund)
•
Arten sind je nach
Entwicklungsstand der einen
oder anderen Gruppe
zuzuordnen
21
Jahresgang im Ökosystem Meer
Schematischer
Jahresgang des
Phytoplanktons und
Zooplanktons sowie
der
produktionssteuernde
n Faktoren Nährstoffe
und Licht
Biomasse:
Phytoplankton
(Primärproduzenten)
Zooplankton
(Primärkonsumenten)
Produktionssteuernde
Faktoren:
Nährstoffe
Licht
22
Schadstoffanreicherung in der Nahrungskette
23
Die Landmassen der Erde in Bewegung
195 Mio a
135 Mio a
65 Mio a
24
Auswirkung der Plattentektonik auf die Verbreitung
der Arten
•
Pangea: gleichmäßige Ausbreitung von Pflanzen und Tieren
•
Durch Trennung der Kontinente (Bildung von eigenen
Biozönosen und Biotiope ), Entwicklung eigener Unterarten Î
Ausbildung endemischer Arten (nur in diesem Gebiet
vorkommend)
– Beispiel: Australien – Beuteltiere
•
Zur Zeit der Entstehung der Säugetiere Platten bereits getrennt
Æ Arten konnten sich nicht gleichmäßig ausbreiten Î
6 biogeographischen Regionen
– Nordamerika & Grönland
- Europa & Rußland
– Südamerika
- Australien
– Südafrika
- Asien
25
Aspekte der Plattentektonik und Evolution
•
Kontinentaldrift Î Verinselung und Isolierung von Arealen
(auch durch Gebirge, Flüsse, Wüsten)
•
Klimaveränderungen: z.B. pleistozäne Eiszeiten (1,8 Millionen
Jahren bis etwa 10.000 v. Chr)
•
Evolution:
– Wechselbeziehungen zwischen Organismen und Umwelt führen
über natürliche Selektion zu bestimmten Anpassungen
– Survival of the fittest (auch höchster Beitrag für kommende
Generationen)
– Darwins Theorie (1859): Individuen einer Popultaion nicht
identisch, Variabilität z.T. erblich;
– Verschiedene Anzahl von Nachkommen und Fortpflanzungsstrategien der Arten, Zahl der Nachkommen auch abh. von
Wechselwirkungen mit der Natur
26
Artenzahl der Tiere in Deutschland und weltweit
Deutsche Bezeichnung
Einzeller
Schwämme
Plattwürmer
Rippenquallen
Schnurwürmer
Nesseltiere
Rundwürmer
Kratzer
Weichtiere
Kranzfühler
Ringelwürmer
Krebstiere
Insekten
Spinnentiere
Borstenkiefer
Stachelhäuter
Kragentiere
Manteltiere
und Schädellose
Säugetiere
Vögel
Kriechtiere
Lurche
Fische
Wissenschaftliche
Bezeichnung
Unterreich Protozoa
Stamm Porifera
Stamm Plathelminthes
Stamm Ctenophora
Stamm Nemertini
Stamm Cnidaria
Stamm Nemathelminthes
Klasse Acanthocephala
Stamm Mollusca
Stamm Tentaculata
Stamm Annelida
Klasse Crustacea
Klasse Insecta
Klasse Arachnida
Stamm Chaetognata
Stamm Echinodermata
Stamm Branchiotremata
Unterstämme
Acrania und Tunicata
Klasse Mammalia
Klasse Aves
Klasse Reptilia
Klasse Amphibia
Klasse Pisces
Quelle: Bundesamt für Naturschutz, DzN 2002
Artenzahl in Artenzahl
Deutschland in der Welt
5 000
35 000
31
9 000
1 300
20 000
3
84
32
1 000
130
9 600
2 122
23 060
80
800
485
125 250
42
3 480
409
15 000
585
32 000
29 500
1 000 000
4 360
102 150
2
60
30
6 010
1
70
16
100
256
14
21
277
2 115
4 350
9 700
6 600
4 000
21 750
27
Artenzahl der Wirbeltiere im europäischen Vergleich
28
Gefährdungssituation der Wirbeltiere in der BRD
29
Der tropische
Regenwald
30
Vielfalt der Arten im Tropischen Regenwald
Deutscher Nutzwald: eigentlich Monokultur (12-24 Baumarten, keine Unterschicht, fehlen
von Kräutern)
Tropischer Regenwald: 10.000-20.000 Arten
31
Abholzung des Regenwaldes
•
Jährliche Abholzung (trop. Regenwald) lt. Schätzungen >17 Mio ha
Wald
– August 01 – August 02 in Amazonien: 25.500 km², (Vergleich: Belgien:
32.545 km²)
•
0,2-0,3% der Arten sterben pro Jahr aus
– Insgesamt ca. 1-2 Mio. Arten Æ jährlich sterben 3.000-6.000 Arten
– Gegenwärtige Aussterberate anthropogen bedingt 1.000fach erhöht
•
Gründe
– Landwirtschaftliche Nutzung (z.B. Sojaproduktion Amazonien in den
nächsten Jahren > als USA; auch große Rindfleischnachfrage
– Export tropischer Edelhölzer
– Brennholzbedarf (ca. 80% des Holzertrages in Entwicklungsländern), ca.
9/10 der Erdbewohner sind derzeit auf Holz als Hauptenergieträger
angewiesen
– etc...
32
Gliederung der Atmosphäre
33
Wirkung des anthropogenen Treibhauseffekts
34
Sonnenlicht und Kohlenstoff
•
Sonnenlicht, Kohlendioxid (CO2 ), Wasser und Bodennährstoffe
sind in terrestrischen Biozönosen die Ressourcen für die
Primär-produktion
•
Insbesondere Kohlenstoff und Sonnenlicht bilden die Grundlage
für:
– Die Photosynthese
– Bilden notwendige Lebensressourcen
– Sind Energieträgerlieferant
– Sind Motor diverser regenerativer Energien
•
In aquatischen Lebensräumen sind die limitierenden Faktoren
in erster Linie: Verfügbarkeit von Nährstoffen (vor allem Nitrat
und Phosphat) und Licht
35
Energiefluss der Erde
eU + S + aU = ÖS
eU: eingetragene E. (Input) aU: ausgetragene E. (Output)
S: Speicheranteil
ÖS: Ökosystem
36
Energiefluss im Ökosystem
•
Sonneneneregie (Globalstrahlung)
10.000 KJ
•
Photosythesisch aktive Strahlung
4.000 KJ
•
Brutto Primär Produktion
Transmission
Refelexion
Wärmeenergie
(Transpiration)
200 KJ
Lebensprozesse
•
Netto Produktion
•
Phytophase für Pflanzenfresser
nutzbar (Konsumenten 1. Ordnung)
•
Zoophase (Konsumenten 2.
Ordnung)
•
Konsumenten 3. Ordnung
100 KJ
Nahrungsenergie, Atmung
10 KJ
1 KJ
0,1 KJ
37
Energieverdichtung
Beispiel:
1 kg Kartoffeln =
3.560 kJ
1 kg Schweinefleisch= 14.450 kJ
Verdichtung
ABER: Um 1 kg Schweinefleisch zu erzeugen ist ein vielfaches
(Faktor ca. 5,6) der Energie eines kg Kartoffeln nötig.
Æ Nivellierung: z.B. bei Löwe und Gazelle kein weiterer Anstieg
mehr. Verdichtung: SonneÆautotropheÆheterotrophe
Mit Energieverdichtung geht der Verlust (ÆWärme) hoher
Energiemengen einher. (s.Beispiel)
Kopplung: Abnahme der verfügbaren Energie mit Zunahme der
Energiequalität
Energieverdichtung = eingesetzte Energie / produzierte Energie
38
Ablauf der Photosynthese
Redoxpotential
2 Elektronen
Die Lichtreaktion
Die Grundgleichung der Photosynthese
6 CO2 + 6 H2O Æ C6H12O6 + 6 O2
39
Chemische ATPAufbau
Schema des
Energiehaushaltes der
40
Zelle
Kohlenstoff- und
Sauerstoffkreisla
uf
41
Faustzahlen
Glukoseproduktion pro m2 Blattfläche u. d
= 24g
Biomasseproduktion (TS)
= 5 x 1011 Mg/a
davon 50% in den Meeren
Veratmung Mensch
= 1 kg CO2 /d
Veratmung/ha
= 50 bis 120 kg CO2 /d
Treibstoffen in industrialisierten
Ländern, aus Transport von Nahrungsmitteln,
eigener Transport.
= 5 Mg CO2 / Bürger u. a.
Speicher Atmosphäre
= 2.300 Mrd. Mg CO2
Speicher Ozeane (Faktor 50)
= 1,3 1013 Mg CO2
Im Meer ist das CO32- /CO2 – Gleichgewicht als Puffer sehr wichtig.
Der meiste Kohlenstoff liegt in anorg. (meistens: CaCO3) / org. Sedimenten
gebunden vor.
42
Aerober und Anaerober Abbauprozess
Unter aeroben Bedingungen sind alle biologisch entstandenen Verbindungen
abbaubar.
Am aeroben und anaeroben Abbau beteiligte Mikroorganismen sind
hauptsächlich:
Bakterien,
Aktinomyzeten und
Pilze.
Aerober Abbau von Glukose:
C6H12O6 + 6 O2 → 6 CO2 + 6 H2O + Energie (Wärme und ATP)
Anaerober Abbau von Glukose:
C6H12O6 Æ 3CO2 + 3CH4 + Energie
Nutzung dieser Prozesse in diversen technischen Anwendungen möglich!
43
44
Umweltfaktoren und Ressourcen
Tilman (1982): Alles, was ein Organismus konsumiert (nutzt,
umwandelt), ist eine Ressource
Ressourcen lebender Organismen:
- Stoffe, aus denen ihre Körper bestehen
- Energie, die für Aktivitäten benötigt wird
- Raum, in dem sich Lebenszyklen abspielen
45
Beispiele
Grüne Pflanzen bestehen aus anorganischen Ionen und
Molekülen ⇒ Nahrungsressource
Sonnenstrahlung für Photosynthese ⇒ Energieressource
Grüne Pflanzen sind Nahrungsressourcen für Herbivore, diese
sind wiederum Nahrungsressourcen für Carnivore
46
Ressourcennutzung
Wie werden Ressourcen genutzt?
Ressourcenaufteilung auf Grund morphologischer,
sinnesökologischer und verhaltensökologischer Anpassungen
Wie flexibel ist Ressourcennutzung? Wie gut kann ein
Organismus auf geänderte Umwelt-bedingungen in seiner
Ressourcennutzung reagieren? Spezialisten versus
Generalisten.
47
Der Begriff der Population
•
Definition: Gruppe von Organismen einer Art
•
Charakteristische Eigenschaften einer Population
– Populationsdichte: Verhältnis Anzahl Individuen / Fläche
– Populationsdominanz
– Sterbe und Geburtenrate Î Wachstumsrate
•
Eine Population wächst exponentiell bis zu einer spez.
Kapazität
•
Wachstum einer Population regelt sich selbst (neg.
Rückkopplung): Geburtenrate abhängig von Populationsdichte
– ABER: Störung durch Wegfall von Feinden, Entzug von Nahrung,
keine Rückzugmöglichkeiten, anthropogen induzierte
Seuchen/Krankheiten etc.
48
K- und R-Strategen
R- Strategen
Klima
K- Strategen
Hohes Vermehrungspotential
Optimale Ausnutzung ökologischer
Gegebenheiten
Extreme Lebensbedingungen
größtmögliche Ausnutzung der
Gegebenheiten
Sehr variable Bedingungen mgl.
Stabile Umweltbedingungen
Kapazität
Katastrophisch, nicht gerichtet
Dichteabhängig
Dichteunabhängig
Populationsgröße
In der Zeit variabel, kein
Gleichgewicht
Ziemlich konstant, Gleichgewicht
Konkurenz
Variabel
Normalerweise intensiv
Oft lax
Allgemein
Rasche Entwicklung
Langsame Entwicklung
Hohes Maximum
Verzögerte Reproduktion
Frühe Reproduktion
größeres Gewicht
Kleines Körpergewicht
Wiederholte Reproduktion
Einmalige Reproduktion
Intensive Brutpflege
49
Veränderungen von Nischendimensionen durch
Wechselwirkungen von Organismen
Die Hauptkomponenten von Wechselbeziehungen zwischen
Organismen sind:
– Konkurrenz (Merkmalsverschiebungen, Veränderung der
Dominanzverhältnisse, Häufigkeit)
– Prädation (Räuber-Beute)
– Parasitismus (Organismus lebt auf Kosten eines anderen,
z.B. Misteln )
– Mutualismus (Vorteilhafte, nicht lebensnotwendige
Beziehung)
– Detritivorie (Fressen toter organischer Substanz)
50
Intraspezifische Konkurrenz
Auswirkung der intraspezifischen Konkurrenz ist dichteabhängig
– bei allen Populationsdichten dichteunabhängige Mortalität
– dichteabhängige Mortalität wird
• unterkompensiert
• überkompensiert
• exakt kompensiert
51
Intraspezifische Konkurrenz
Auswirkung intraspezifischer Konkurrenz auf Wachstums- und
Entwicklungsraten von Individuen:
Gesamtbiomasse bleibt gleich, Größen der Individuen ändern
sich ⇒ bei zunehmender Populationsdichte werden
Organismen kleiner (Beispiel Napfschnecke Patella)
Intraspezifische Konkurrenz kann zu stabilen
Populationsdichten führen: (Umwelt)kapazität
Ressourcen reichen aus, um Populationsdichte konstant zu
halten.
52
Ergebnisse von Konkurrenz
Interspezifisch starke Konkurrenten verdrängen interspezifisch
schwache Konkurrenten
Bei stärkerer interspezifischer Konkurrenz als intraspezifische
entscheidet Populationsdichte
Bei geringerer interspezifischer als intraspezifischer Konkurrenz
kommt es zu Koexistenz
53
Konkurrenz und Koexistenz
Lotka-Volterra Modell: stabile Koexistenz von Konkurrenten
möglich, wenn interspezifische Konkurrenz weniger stark als
intraspezifische Konkurrenz ist
x = Beute; y = Räuber
a1/2 = Vermehrung Beute/Räuber
b1 /2= Mortalität Beute/Räuber
Prinzip der begrenzenden Ähnlichkeit (limiting similarity): Arten
können nur dann koexistieren, wenn sie sich in bestimmter
Weise voneinander unterscheiden, z. B. Nischendifferenzierung
durch unterschiedliche Ressourcenaufteilung.
Problem: variable Umweltbedingungen, Heterogenität und
Dynamik der System
54
Diversität
•
Die Diversität ist eine Messgröße für die Elastizität (Fähigkeit
zur Anpassung und Erholung) eines Ökosystems. Diese setzt
sich wie folgt zusammen:
– Diversität =
Artenvielfalt (Anzahl der Arten pro Bereich) +
relative Abundanz (relative Häufigkeit der Art)
– Es gilt: wi = ni / N
• wi: Diversität
• ni: Anzahl / Biomasse der Individuenart i
• N: Gesamtzahl / -biomasse der Individuen
•
Vergleich verschiedener Ökosysteme mittels Indices:
– Simpson-Index:
– Æ Je näher D an 1 liegt, desto größer ist die Dominanz einer Art
(und desto kleiner ist die Elastizität eines Systems)
55
Ökotoxikologie
Als Zweig der Umweltwissenschaften beschäftigt sich die
Ökotoxikologie mit der Analyse und dem Verständnis der
Auswirkungen chemischer Stoffe auf die belebte Natur. Hierbei
werden alle biologischen Ebenen betrachtet.
– Schadwirkungen von Chemikalien (Einzelverbindungen und
Gemischen auf Individuen bis Ökosystem)
– Verknüpfung von von Konzepten aus der Umweltchemie,
Toxikologie und Ökologie
– Î Ermittlung von Grenzwerten und Einfluss in der Gesetzgebung
56
Schicksal von Chemikalien in der Umwelt
Luft
Volatilisation
UmweltChemikalie
Deposition
Photolyse,
Abbau
Boden
Photolyse,
Abbau
Bi o
De
po
Vo
sit
io
la
n
til
is
at
io
n
a kk
um
ula
Wasser
Hydrolyse,
Photolyse,
Mikrobieller Abbau,
Oxidation
n
io
t
p
n
or
s
io
t
d
i
A
os
p
De
a
Bio
tion
Exkretion
Bioakkumulation
BIOTA
Metabolismus
n
tio
a
l
mu
u
k
k
57
Dosis-Wirkung-Beziehung
•
A = Essentielle Stoffe, die
sowohl bei Unterversorgung wie
Überdosierung zu negativen
Wirkungen führen.
Homöostase (Konstanthaltung
physiologischer Parameter im
Organismus) tritt im mittleren
Konzentrationsbereich auf.
•
B = Typische
Umweltchemikalien, die mit
zunehmender Dosis zu
reversibler und irreversibler
Schädigung und schließlich
zum Tod führen.
A
B
58
Begriffe
•
Akute Toxizität: nach einmaliger Verabreichung oder kurzer
Zeit toxisch, i.d.R. hohe Dosen notwendig, nötige
Expositionszeit abhängig von Generationszeit und Organismus
(z.B. Fische im Test: 48 oder 96 h)
– LD50-Wert, bzw. LC50-Wert: Lethale Dosis/Konzentration tritt mit
50% Häufigkeit auf. (Maß für die akute Toxizität)
– EC50-Wert: Konzentration bei der der Effekt auf diese
Konzentration 50% beträgt. (z.B. Beweglichkeit, Pflanzen:
Hemmung des Wachstums)
•
Subakute Toxizität: unterhalb der Konz. welche direkte
Mortalität verursacht. (Effekte auf Verhalten, Funktion etc.)
•
Chronische Toxizität: Toxizität nach Exposition über längere
Zeit (je nach Organismus: Tage-Jahre), z.B. Cancerogenität
– NOEL- u. NOEC-Wert: No Observed Effect Level/Concentration:
höchster Wert bei dem keine Reaktion aufgetreten ist
59
Vernetzung der Wirkung auf verschiedenen
biologisch-ökologischen Ebenen
Zeitskala
Schadstoff
Sofort /
einige Tage
Stunden
- Wochen
Verhaltensänderung
Biochem.-molekulare Rx
Neurologische u. endokrine
Symptome, Gleichgewicht,
Fortbewegung, etc.
Enzym-, Metabolismusaktivität,
Membranveränderungen, DNA-Mutation
Physiologische Veränderung
Morphologische Veränderung
Sauerstoffzehrung, Photosythese,
Nahrungsaufnahme, -verdauung, -exkretion
Wochen Monate
Veränderung im indiv. Lebenszyklus
Monate Jahre
Veränderung in der Population
Monate Jahrzehnte
Ökologische
Konzequenzen
Embryonalentwicklung, Wachstum,
Reproduktion, Regeneration
Reduzierte Individuenzahl, Wechsel
Altersstruktur, Veränderung Genpool
Veränderungen in Biozönose/ Ökosystem
bezügl. Dynamik, Struktur, Funktion
60
Fallbeispiel DDT
•
DDT = Dichlordiphenyltrichlorethan, gehört zu den persistenten
chlorierten Kohlenwasserstoffen, wohl das bekannteste
Pflanzenschutzmittel (Insektizid)
•
Großräumiger Einsatz v.a. nach 1945
•
1948 Nobelpreis für die Entwicklung des DDT (P.Müller)
•
Seit 1947 Eierschalenverdünnung z.B. bei Wanderfalken
sichtbar (Korrelation zu DDT-Einsatz), auch viele andere
Greifvögel
•
Verweiblichende Effekte auf z.B. Alligatoren, Vögel und Fische
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Ab 1972 Verbot DDT in USA und anderen Industrieländern
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1975 in BRD nur noch ~ 10% der Wanderfalken vorhanden
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ABER: Durch Verbot DDT in einigen Entwicklungsländern
erneut auftretende Malariaproblematik
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