1. Функционирование экосистем

1.1. Перенос энергии и вещества по пищевым цепям

Для составления энергетических балансов, материальных балансов потоков веществ, расчета продуктивности искусственных экосистем и объема отходов необходимо знать структуру переноса энергии и вещества в экосистеме.

В пределах экосистемы синтезированные и накопленные питательные вещества многократно циркулируют; они расходуются организмами и вновь синтезируются. Такая рециркуляция обеспечивает независимость системы от поступления субстратов извне. В отличие от рециркулируемых питательных веществ поток энергии переносится через экосистему один раз: у него есть вход и выход. Всякая экосистема зависит от внешнего источника энергии.

Основа функционирования большинства наземных и океанических экосистем - солнечная энергия. Из общего количества поступающей на Землю солнечной энергии растения и микроорганизмы утилизируют лишь небольшую часть ее. Эффективность преобразования солнечной энергии в энергию химических веществ непосредственно в молекулярных системах природного фотосинтеза сравнительно высока E-10%). Однако часть фотосинтетически фиксированной энергии расходуется на дыхание, поддержание клеточной структуры, транспирацию воды и т.д. В результате в процессах фотосинтеза в растениях и микроорганизмах в химическую энергию преобразуется лишь около 0,03% солнечной энергии.

Движение энергии и вещества по пастбищной пищевой цепи можно представить следующим образом:

В потенциальную энергию пищи, в растения в процессе фотосинтеза переходит лишь очень небольшая часть солнечной энергии (1-5%). Большая же ее часть теряется в виде тепла.

При дальнейшем переносе с одного трофического уровня на другой часть энергии рассеивается в виде тепла при дыхании и лишь небольшая часть энергии (в среднем 10%) суммарной продукции нижестоящего трофического уровня переходит в продукцию вышестоящего. Остальная часть фиксированной энергии (первичной продукции фотосинтезирующих организмов) теряется в результате естественного отмирания организмов. Эффективность усвоения энергии для некоторых фитофагов, питающихся характерной для них растительной пищей, приведена в табл. 1.

На каждом последующем уровне потери энергии, заключенной в пище, составляют 90-99%. По мере ее продвижения по пищевой цепи доступное количество пищи сокращается, и уже для пятого трофического уровня почти не остается пищи и энергии. Поэтому пищевые цепи состоят не более чем из 4-5 звеньев. Существование большого числа трофических уровней в экосистеме невозможно из-за быстрого приближения доступной энергии к нулю (максимум 4-5 уровней). На конечных звеньях длинных пищевых цепей не может быть большой биомассы. Чем короче пищевая цепь и чем ближе организм к ее началу, тем больше энергии доступно для популяции, тем больше биомасса популяции и ниже занимаемый ею трофический уровень.

В сооружениях биологической очистки сточных вод, биоценозы которых имеют большое число трофических уровней, образуется меньше отходов в виде избыточной биомассы. Масса избыточной биопленки с биофильтров, где биоценозы более разнообразны, меньше, чем масса избыточного активного ила, образующегося в аэротенках очистных сооружений.

Трофическую структуру экосистем изображают графически в виде экологических пирамид (пирамид численности организмов, пирамид биомассы, пирамид энергии, рис. 1), основанием которых служит первый трофический уровень (продуценты), а последующие уровни образуют этажи и вершину пирамиды.

Рис. 1. Трофическая структура (пирамида), формируемая в биопленке капельных

биофильтров очистных сооружений.