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Perché il fosforo o l'azoto non sono nutrienti limitanti per gli animali?


L'azoto e il fosforo sono solitamente i nutrienti limitanti per le piante, specialmente per le alghe. Il fosforo viene utilizzato per DNA, ATP e fosfolipidi e l'azoto viene utilizzato per praticamente tutte le proteine ​​che una cellula potrebbe voler produrre. Cioè, il loro bisogno di processi biologici non è legato specificamente alla fotosintesi: tutto ciò che vive avrà bisogno di loro, praticamente per qualsiasi cosa voglia fare. Avrebbe senso per loro essere un nutriente limitante per quasi tutto ciò che sta cercando di crescere, pianta o animale.

Eppure per gli animali il "nutriente" limitante sembra essere sempre l'energia, cioè il cibo. Perché gli animali non sono limitati dalla mancanza di nutrienti allo stesso modo delle piante? Ovviamente anche gli animali hanno bisogno di questi nutrienti. O per invertire la domanda, perché le piante hanno bisogno di così tanto più fosforo/azoto rispetto agli animali?

La mia ipotesi migliore è che la digestione di materiale vegetale da parte di un animale sia relativamente inefficiente dal punto di vista energetico ma relativamente efficiente dal punto di vista dei nutrienti. Quindi, affinché un animale mangi abbastanza cibo per avere energia sufficiente per sopravvivere, probabilmente ha mangiato azoto e fosforo più che sufficienti per i suoi bisogni. Ma sto solo indovinando e non riesco a trovare alcun dato che possa sostenere tale ipotesi.


Fosforo

Il tuo suggerimento che se stiamo soddisfacendo il nostro fabbisogno calorico ne avremo abbastanza è vero per il fosforo. La maggior parte degli alimenti contiene molto fosforo. Il fabbisogno alimentare massimo si verifica durante la crescita adolescenziale, stimato in 1250 mg al giorno. Ipotizzando un apporto calorico di 2500 kcal possiamo calcolare un contenuto di fosforo equivalente a 2500 kcal per vari alimenti:

il latte scremato contiene 7.400 mg di fosforo per 2500 kcal

petto di pollo arrosto contiene 7.500 mg di fosforo per 2500 kcal

il riso bianco cotto contiene 3840 mg per 2500 kcal

(I calcoli si basano sui valori ottenuti tramite questo sito.)

Azoto

Il nostro fabbisogno di azoto è soddisfatto dal nostro apporto proteico: un apporto proteico inadeguato si manifesta come kwashiorkor che è essenzialmente dovuto a una carenza alimentare di aminoacidi essenziali. In altre parole, l'unico modo per ottenere una dieta carente di azoto è non mangiare proteine, e questo non sarebbe alleviato da alcuna fonte inorganica di azoto, anche se potessimo consumare abbastanza di tale fonte di azoto.


In cima alla mia testa:

  • Le piante sono fotosintetiche, quindi hanno accesso illimitato all'energia. Se un animale avesse accesso illimitato all'energia, probabilmente avrebbe azoto o fosforo o qualcos'altro come nutriente limitante.
  • Gli animali mangiano le piante e/o l'un l'altro. Qualunque cosa gli animali mangino avrà, in misura maggiore o minore, proteine/grassi/acidi nucleici ecc. sufficienti per soddisfare i requisiti nutrizionali minimi. Come notato nel commento di Chris, possono esserci alcune limitazioni specifiche per specie come la disponibilità di sale in una dieta erbivora o il fabbisogno umano di una fonte esterna di vitamina C.

Perché il fosforo o l'azoto non sono un nutriente limitante per gli animali? - Biologia

Cicli biogeochimici
Processi in cui elementi, composti chimici e altre forme di materia passano da un organismo all'altro e da una parte della biosfera all'altra.

Come suggerisce questa parola, i cicli della materia coinvolgono processi biologici, processi geologici e processi chimici. Anche l'attività umana può svolgere un ruolo importante. Quando la materia si muove attraverso questi cicli, si trasforma. Non viene mai creato o distrutto, solo cambiato.

Ci sono molti modi in cui possono essere classificati i processi coinvolti nei cicli biogeochimici. Qui, utilizzeremo le seguenti linee guida:

Processi biologici
I processi biologici consistono in tutte le attività svolte dagli organismi viventi. Questi processi includono mangiare, respirare, "bruciare" cibo ed eliminare i prodotti di scarto.

Processi geologici
I processi geologici includono le eruzioni vulcaniche, la formazione e la rottura della roccia e i principali movimenti di materia all'interno e al di sotto della superficie terrestre.

Processi chimici e fisici
I processi chimici e fisici includono la formazione di nuvole e precipitazioni, il flusso di acqua corrente e l'azione dei fulmini.

Attività umana
Le attività umane che influenzano i cicli della materia su scala globale includono l'estrazione e la combustione di combustibili fossili, la disboscamento di terreni per l'edilizia e l'agricoltura, l'incendio delle foreste e la produzione e l'uso di fertilizzanti.

Questi processi, mostrati nella Figura 3.14, fanno circolare ripetutamente gli stessi atomi e molecole. Immagina, per un momento, di essere un atomo di carbonio in una molecola di anidride carbonica che è appena stata espulsa da un vulcano. La foglia di un cespuglio di mirtilli in una catena montuosa vicina ti assorbe durante la fotosintesi. Diventi parte di una molecola di carboidrati in un mirtillo. Un caribù mangia il frutto e in poche ore esci dal corpo dell'animale. Sei presto inghiottito da uno scarabeo stercorario, che viene mangiato da un toporagno affamato. Sei combinato nei tessuti del corpo del toporagno, che viene poi mangiato da un gufo. Sei rilasciato di nuovo nell'atmosfera quando il gufo esala anidride carbonica, si dissolve in una goccia di acqua piovana e fluisce attraverso un fiume nell'oceano.

Questo potrebbe essere solo parte del ciclo infinito di un atomo di carbonio attraverso la biosfera. Gli atomi di carbonio nel tuo corpo potrebbero essere stati parte di una roccia sul fondo dell'oceano, la coda di un dinosauro o persino parte di una figura storica come Giulio Cesare!

Il ciclo dell'acqua
Come scorre l'acqua nella biosfera?

  • L'acqua si muove continuamente tra gli oceani, l'atmosfera e la terra, a volte al di fuori degli organismi viventi ea volte al loro interno.

Il vapore acqueo può essere trasportato dai venti su grandi distanze. Se l'aria che lo trasporta si raffredda, il vapore acqueo si condensa in minuscole goccioline che formano le nuvole. Quando le goccioline diventano abbastanza grandi, cadono sulla superficie terrestre come precipitazioni sotto forma di pioggia, neve, nevischio o grandine. Sulla terra, alcune precipitazioni scorrono lungo la superficie in quello che gli scienziati chiamano deflusso, fino a quando non entrano in un fiume o in un torrente che lo portano in un oceano o in un lago. Le precipitazioni possono anche essere assorbite nel terreno e vengono quindi chiamate acque sotterranee. Le acque sotterranee possono entrare nelle piante attraverso le loro radici o fluire in fiumi, torrenti, laghi o oceani. Alcune acque sotterranee penetrano abbastanza profondamente nel terreno da diventare parte di serbatoi sotterranei. L'acqua che rientra nell'atmosfera attraverso la traspirazione o l'evaporazione ricomincia il ciclo.

Cicli dei nutrienti
Qual è l'importanza dei principali cicli dei nutrienti?

  • Ogni organismo ha bisogno di nutrienti per costruire i tessuti e svolgere le funzioni vitali. Come l'acqua, i nutrienti passano attraverso gli organismi e l'ambiente attraverso cicli biogeochimici. I tre percorsi o cicli che muovono carbonio, azoto e fosforo attraverso la biosfera sono particolarmente critici per la vita.

Il carbonio è un componente importante di tutti i composti organici, inclusi carboidrati, lipidi, proteine ​​e acidi nucleici. In effetti, il carbonio è un ingrediente così fondamentale dei tessuti viventi e degli ecosistemi che la vita sulla Terra è spesso descritta come "vita basata sul carbonio". Il carbonio sotto forma di carbonato di calcio (CaCO3) è un componente importante di molti diversi tipi di scheletri animali e si trova anche in diversi tipi di rocce. Il carbonio e l'ossigeno formano l'anidride carbonica (CO2), che è un componente importante dell'atmosfera e si dissolve negli oceani.

Alcuni composti contenenti carbonio che un tempo facevano parte di antiche foreste sono stati sepolti e trasformati da processi geologici in carbone. I corpi di organismi marini contenenti carbonio sono stati trasformati in petrolio o gas naturale. Il carbone, il petrolio e il gas naturale sono spesso indicati come combustibili fossili perché sono essenzialmente carbonio "fossilizzato". I principali serbatoi di carbonio nella biosfera includono l'atmosfera, gli oceani, le rocce, i combustibili fossili e le foreste.

La Figura 3 17 mostra come il carbonio si muove attraverso la biosfera. L'anidride carbonica viene continuamente scambiata tra l'atmosfera e gli oceani attraverso processi chimici e fisici. Le piante assorbono anidride carbonica durante la fotosintesi e usano il carbonio per costruire carboidrati. I carboidrati passano quindi attraverso le reti alimentari ai consumatori. Molti animali, sia a terra che in mare, combinano il carbonio con il calcio e l'ossigeno mentre gli animali costruiscono scheletri di carbonato di calcio. Gli organismi rilasciano carbonio sotto forma di anidride carbonica per respirazione. Inoltre, quando gli organismi muoiono, i decompositori scompongono i corpi, rilasciando carbonio nell'ambiente. Le forze geologiche possono trasformare il carbonio accumulato in rocce contenenti carbonio o combustibili fossili. L'anidride carbonica viene rilasciata nell'atmosfera dall'attività vulcanica o dalle attività umane, come la combustione di combustibili fossili e il disboscamento e l'incendio delle foreste.

Gli scienziati sanno molto sui processi biologici, geologici, chimici e umani coinvolti nel ciclo del carbonio, ma rimangono importanti questioni. Quanto carbonio si muove attraverso ogni percorso? Come rispondono gli ecosistemi ai cambiamenti nella concentrazione di anidride carbonica atmosferica? Quanta anidride carbonica può assorbire l'oceano? Più avanti in questa unità imparerai perché le risposte a queste domande sono così importanti.

Tutti gli organismi richiedono azoto per produrre amminoacidi, che vengono utilizzati per costruire acidi nucleici, che si combinano per formare DNA, RNA e proteine. Molte forme diverse di azoto si trovano naturalmente nella biosfera. Il gas azoto (N2) costituisce il 78% dell'atmosfera terrestre. Sostanze contenenti azoto come ammoniaca (NH3), ioni nitrato (NO3?) e ioni nitrito (NO2?) si trovano nel suolo, nei rifiuti prodotti da molti organismi e nella materia organica morta e in decomposizione. L'azoto disciolto esiste anche in diverse forme nell'oceano e in altri grandi corpi idrici. La Figura 3 18 mostra come le diverse forme di azoto attraversano la biosfera.

Sebbene l'azoto gassoso sia la forma più abbondante di azoto sulla Terra, solo alcuni tipi di batteri possono utilizzare direttamente questa forma. Questi batteri vivono nel terreno e sulle radici di alcune piante, come arachidi e piselli, chiamate legumi. I batteri convertono il gas azoto in ammoniaca, in un processo noto come fissazione dell'azoto. Altri batteri del suolo convertono l'azoto fissato in nitrati e nitriti. Una volta che queste forme di azoto sono disponibili, i produttori primari possono utilizzarle per produrre proteine ​​e acidi nucleici. I consumatori mangiano i produttori e riutilizzano l'azoto per produrre i propri composti contenenti azoto. I decompositori rilasciano azoto da rifiuti e organismi morti come ammoniaca, nitrati e nitriti che i produttori possono assorbire di nuovo. Altri batteri del suolo ottengono energia convertendo i nitrati in gas azoto, che viene rilasciato nell'atmosfera in un processo chiamato denitrificazione. Una quantità relativamente piccola di gas azoto viene convertita in forme utilizzabili dai fulmini in un processo chiamato fissazione dell'azoto atmosferico. Gli esseri umani aggiungono azoto alla biosfera attraverso la produzione e l'uso di fertilizzanti. Il fertilizzante in eccesso viene spesso trasportato nelle acque superficiali o sotterranee per precipitazione.

Il fosforo è essenziale per gli organismi viventi perché fa parte di molecole vitali come il DNA e l'RNA. Sebbene il fosforo sia di grande importanza biologica, non è abbondante nella biosfera. A differenza del carbonio, dell'ossigeno e dell'azoto, il fosforo non entra nell'atmosfera in quantità significative. Invece, il fosforo sotto forma di fosfato inorganico rimane principalmente sulla terraferma, sotto forma di roccia fosfatica e minerali del suolo, e nell'oceano, come fosfato disciolto e sedimenti di fosfato, come mostrato nella Figura 3.19.

Man mano che le rocce e i sedimenti si consumano gradualmente, viene rilasciato fosfato. Alcuni fosfati rimangono sulla terra e si alternano tra organismi e suolo. Le piante legano il fosfato in composti organici quando lo assorbono dal suolo o dall'acqua. Il fosfato organico si muove attraverso la catena alimentare, dai produttori ai consumatori e al resto dell'ecosistema. Altro fosfato lava in fiumi e torrenti, dove si dissolve. Questo fosfato potrebbe eventualmente raggiungere l'oceano, dove gli organismi marini lo elaborano e lo incorporano in composti biologici.

Quali sono i tre percorsi che muovono i nutrienti attraverso la biosfera?

Che ruolo gioca l'ossigeno nei cicli dei nutrienti?

Perché il carbonio è importante per la vita?

Quali sono due importanti composti del carbonio e perché sono importanti?

Quali sono i tre principali composti azotati e dove si trovano?

Cos'è fissazione dell'azoto e perché è importante?

Cos'è denitrificazione?

Perché il fosforo è importante per gli esseri viventi?

Limitazione dei nutrienti
In che modo la disponibilità di nutrienti è correlata alla produttività primaria di un ecosistema?

  • Se sono disponibili molta luce solare e acqua, la produttività primaria di un ecosistema può essere limitata dalla disponibilità di nutrienti.

Limitazione dei nutrienti nel suolo

In tutti i terreni tranne quelli più ricchi, la crescita delle piante coltivate è tipicamente limitata da uno o più nutrienti che devono essere assorbiti dalle piante attraverso le loro radici. Ecco perché gli agricoltori usano i fertilizzanti! La maggior parte dei fertilizzanti contiene grandi quantità di azoto, fosforo e potassio, che aiutano le piante a crescere meglio in terreni poveri. I micronutrienti come calcio, magnesio, zolfo, ferro e manganese sono necessari in quantità relativamente piccole e questi elementi sono talvolta inclusi nei fertilizzanti speciali. (Il carbonio non è incluso nei fertilizzanti chimici perché le piante acquisiscono anidride carbonica dall'atmosfera durante la fotosintesi.) Tutti i cicli dei nutrienti lavorano insieme come gli ingranaggi nella Figura 3.20. Se un nutriente è scarso, se una ruota si "attacca", l'intero sistema rallenta o si ferma del tutto.

Limitazione dei nutrienti negli ecosistemi acquatici

Gli oceani aperti del mondo sono poveri di nutrienti rispetto a molte aree terrestri. L'acqua di mare contiene tipicamente solo lo 0,00005% di azoto, o 1/10.000 della quantità che si trova spesso nel suolo. Nell'oceano e in altri ambienti di acqua salata, l'azoto è spesso il nutriente limitante. In ruscelli, laghi e ambienti di acqua dolce, il fosforo è tipicamente il nutriente limitante.

A volte, come dopo forti piogge, un ecosistema acquatico riceve un grande apporto di un nutriente limitante, ad esempio il deflusso da campi fortemente fertilizzati. Quando ciò accade, il risultato può essere an fioritura algale.

Fioritura algale
Un drammatico aumento della quantità di alghe e altri produttori primari che deriva da un grande apporto di nutrienti limitanti, scolorimento dell'acqua, produzione di cattivi odori e cattivo gusto, o talvolta produzione di tossine o esaurimento dell'ossigeno libero nell'acqua, che porta ai pesci morire.

Perché il deflusso dai campi fertilizzati può produrre fioriture algali? Sono disponibili più nutrienti, così i produttori possono crescere e riprodursi più rapidamente. Se non ci sono abbastanza consumatori per mangiare le alghe, può verificarsi una fioritura algale, nel qual caso le alghe possono coprire la superficie dell'acqua e disturbare il funzionamento di un ecosistema.


Ciclo del fosforo (con diagramma)

Il ciclo del fosforo, a differenza di quelli del carbonio e dell'azoto, è privo di una componente atmosferica.

Il ciclo globale del fosforo coinvolge solo i compartimenti acquatici e del suolo. Come costituente di base degli acidi nucleici, dei fosfolipidi e di numerosi composti fosforilati, il fosforo è uno dei nutrienti di maggiore importanza per i sistemi biologici.

Inoltre, come ha notato Hutchinson, poiché il rapporto tra fosforo e altri elementi negli organismi tende ad essere considerevolmente maggiore del rapporto tra fosforo nelle fonti disponibili e primarie, il fosforo diventa ecologicamente significativo come il più probabile elemento limitante o regolatore della produttività.

Fonte fondamentale e grande riserva di fosforo sono le rocce o altri depositi che si sono formati nelle passate ere geologiche. Questi si stanno gradualmente erodendo, rilasciando fosfati negli ecosistemi. Ma molto fosfato sfugge in mare dove parte si deposita nei sedimenti poco profondi e parte si perde nei sedimenti profondi (Fig. 5.9).

Tuttavia, i mezzi per restituire il fosforo al ciclo sono inadeguati per compensare la perdita. Il principale flusso globale di fosforo consiste nel movimento di circa 21 x 10 12 g P anno .-1 dalla pozza terrestre agli oceani attraverso i fiumi. I fertilizzanti fosfatici, utilizzati in agricoltura, vengono aggiunti al suolo ad una velocità di circa 14 x 10 12 g all'anno -1 , che viene anche trasportato negli oceani dal ruscellamento e dai fiumi (Schlasinger 1991, Caraco 1993).

Molto fosfato viene perso in questo ciclo centrale da processi fisici, come la sedimentazione, che lo portano fuori dalla portata della risalita e della maggiore circolazione dell'acqua. Anche i processi biologici, come la formazione di denti e ossa, e l'escrezione sono responsabili di perdite considerevoli nella maggior parte del ciclo.

Anche i pesci e gli uccelli marini sono importanti nel ciclo del fosforo. Questi ultimi hanno apparentemente svolto un ruolo importante nel restituire il fosforo al ciclo. In questo contesto possiamo considerare gli enormi giacimenti di guano (il letame degli uccelli marini) lungo la costa occidentale del Sud America.

Sebbene l'uomo raccolga molti pesci marini, secondo Hutchsinson, in questo modo vengono restituite solo circa 60.000 tonnellate di fosforo elementare all'anno, rispetto a uno o due milioni di tonnellate di rocce fosfatiche che vengono estratte e la maggior parte delle quali vengono dilavate e perse .

Per la loro nutrizione le piante assorbono dal terreno i fosfati inorganici disciolti dall'acqua sia come diidrogenofosfato (H2PO4) o come idrogenofosfato (HPO4) (Fig. 5.10) e convertirli in fosfato organico. Quest'ultimo viene trasferito agli animali consumatori e decompositori.

I decompositori restituiscono il fosforo al suolo come ione fosfato. Il fosfato assorbito dal terreno viene restituito ad esso nei residui organici vegetali e animali morti, che vengono convertiti in humus dall'azione dei microrganismi del suolo. Gran parte del fosfato nel terreno è fissato o adsorbito sulle particelle del suolo, ma una parte viene persa attraverso la lisciviazione nei corsi d'acqua.

In acqua dolce, le alghe galleggianti o il fitoplancton assorbono rapidamente i fosfati inorganici solubili e li convertono in organofosfati (Fig. 5.11). Le alghe forniscono cibo per lo zooplancton che a sua volta viene consumato da altri animali. Tutte le piante e gli animali alla fine muoiono ea tempo debito i loro resti organici o detriti si decompongono per l'azione di microrganismi e i fosfati vengono rilasciati nell'acqua per il riciclaggio. Nelle piante acquatiche, il fosforo, limita la crescita delle piante.

Alcuni funghi specializzati svolgono un ruolo importante nel ciclo del fosforo. In molti casi le specie vegetali hanno micorrize (radici di funghi), una relazione mutualistica tra un fungo non patogeno e cellule radicali di piante viventi (Salisbury e Ross, 1985). Queste micorrize svolgono un ruolo importante nel ciclo dei nutrienti del suolo.

Gli esperimenti condotti con elementi marcati radioattivamente mostrano che la pianta beneficia di un aumento della velocità con cui può assorbire fosfato e altri nutrienti limitanti o acqua, il fungo a sua volta riceve composti organici dalla pianta.

Il ciclo naturale del fosfato può essere molto influenzato dall'inquinamento. I fertilizzanti agricoli contenenti perfosfato o triplo perfosfato sono ormai frequentemente utilizzati nei campi e le acque reflue, anche dopo il trattamento, contengono fosfati derivati ​​da escrementi e detergenti.

Questi fosfati possono eventualmente raggiungere corsi d'acqua dolce e fiumi attraverso il deflusso del terreno e lo scarico degli effluenti. L'inquinamento da fosfato di fiumi e laghi ha causato un'eccessiva crescita di alghe, che impoveriscono il contenuto di ossigeno disciolto nell'acqua e sconvolgono le catene alimentari naturali.


Perché il fosforo o l'azoto non sono un nutriente limitante per gli animali? - Biologia

Grande domanda. Ecco lo scoop. Quando facciamo la cacca, ci liberiamo di un mucchio di cose che non possiamo digerire o che i nostri corpi non possono usare. Ma ci sono ancora molti nutrienti utili nella cacca. Tutti gli esseri viventi sono fatti di cellule. E quelle cellule sono fatte di molecole. E quelle molecole sono costituite da sostanze nutritive. Se guardi un sacchetto di fertilizzante, vedrai parole come "azoto" e "fosforo". Questi sono i nutrienti che le piante possono utilizzare per costruire le loro molecole e cellule. e la cacca è piena di quei nutrienti.

Di solito non usiamo la cacca umana come fertilizzante perché germi e parassiti potrebbero entrare nel nostro cibo. Ma usiamo cacca di mucche, galline e pipistrelli. Spesso la cacca viene lasciata a marcire un po' in modo che batteri, funghi, insetti e altri decompositori abbiano la possibilità di abbattere le cose. Ciò rende più facile per le piante ottenere i nutrienti.

Perché pensi che i decompositori siano così importanti negli ecosistemi? Suggerimento: raccolta differenziata.

Potresti voler studiare ecologia.

Ci sono cose utili nella cacca per le piante. I nostri corpi non usano tutto il cibo che mangiamo e i batteri nel nostro intestino producono altre molecole utili dal cibo e dai rifiuti nel nostro intestino. Questi fanno fertilizzante utile per le piante.

Mio marito ha messo un carico di cacca di pollo nel suo nuovo giardino, ma le piante sono morte. La cacca conteneva alcune sostanze chimiche forti che hanno ucciso le piante. Bisogna lasciare che la cacca di pollo si sieda al sole, o annaffiarla molto, o fare qualcosa prima di poterla usare come fertilizzante.

Ho messo la cacca di cavia sulle piante del mio balcone e sembrano stare bene. La cacca di porcellino d'India esce in piccole palline secche, quindi penso che stiano ricevendo aria e acqua e il tempo per metterle al sicuro prima che si impregnino nel terreno intorno alle mie piante.

Ad alcuni animali piace mangiare la loro cacca. Wikipedia dice che la gente pensa che i batteri nell'intestino dell'animale producano le vitamine che gli animali ottengono quando mangiano la loro cacca.

La cacca, o letame, può aiutare le piante a crescere perché arricchisce il terreno in cui crescono. Le piante sono proprio come noi, abbiamo bisogno di nutrienti per aiutarci a crescere. Il letame fornisce nutrienti come azoto, fosforo, potassio, che accelera la decomposizione e abbassa il pH del terreno. Questo aiuta le piante a crescere più velocemente!

La cacca contiene fosforo, di cui le piante hanno bisogno ma che non è nell'aria. La cacca contiene anche azoto, che è nell'aria, ma la forma di azoto nell'aria non è nemmeno nella forma che le piante possono usare, quindi di nuovo le piante possono estrarlo dalla cacca.

Grazie per l'ottima domanda.

Gli animali mangiano cibo per crescere più grandi e per produrre energia, ma non usano tutto nel cibo. Gli animali si liberano del cibo che non usano facendo la cacca. Ciò significa che la cacca animale, o feci, contiene molti nutrienti o cose di cui tutte le piante e gli animali hanno bisogno per crescere.

Quando le feci animali vengono aggiunte allo sporco, si chiama letame. Il letame ha tutti i tipi di cose di cui le piante hanno bisogno per crescere, come l'azoto. Questi aiutano a rendere il terreno fertile o un buon posto per la crescita delle piante. Il letame fa sì che il terreno trattiene più acqua, il che è anche molto utile per far crescere le piante.

Il letame è così utile per le piante che senza di esso non avremmo tanto cibo.

Grazie ancora per la domanda!

La cacca, che chiamerò letame per il resto di questa spiegazione, fa molto per aiutare le piante a crescere. Le piante, come noi, hanno bisogno di nutrienti per crescere e a volte il terreno in cui le piante crescono naturalmente non ne ha abbastanza. Il letame ha in realtà molti dei nutrienti di cui le piante hanno bisogno per crescere. Oltre a ciò, l'aggiunta di letame come fertilizzante riscalda anche il terreno, il che accelera la decomposizione di piante e animali morti, di cui le piante possono quindi nutrirsi. Grazie mille per la tua domanda!


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Capitolo 54: Ecosistemi

Termini Definizioni
Colorazione aposematica La colorazione brillante degli animali con efficaci difese fisiche o chimiche che funge da monito per i predatori.
mimetismo batesiano Un tipo di mimetismo in cui una specie innocua sembra una specie velenosa o comunque dannosa per i predatori.
biogeografia Lo studio della distribuzione passata e presente delle specie.
Biomanipolazione Un approccio che applica il modello top-down di organizzazione comunitaria per alterare le caratteristiche dell'ecosistema. Ad esempio, gli ecologisti possono prevenire la proliferazione algale e l'eutrofizzazione alterando la densità dei consumatori di livello superiore nei laghi invece di utilizzare trattamenti chimici.
biomassa la massa totale della materia vivente in una data unità di superficie
Modello dal basso verso l'alto Un modello di organizzazione della comunità in cui i nutrienti minerali controllano l'organizzazione della comunità perché i nutrienti controllano il numero delle piante, che a loro volta controllano i numeri degli erbivori, che a loro volta controllano i numeri dei predatori.
Spostamento del carattere la tendenza dei caratteri ad essere più divergenti nelle popolazioni simpatriche di due specie rispetto alle popolazioni allopatriche delle stesse due specie.
Commensalismo relazione simbiotica in cui un membro dell'associazione trae beneficio e l'altro non viene né aiutato né danneggiato
Comunità (ecologia) un gruppo di organismi interdipendenti che abitano la stessa regione e interagiscono tra loro
Ecologia comunitaria Lo studio di come le interazioni tra le specie influenzano la struttura e l'organizzazione della comunità
Esclusione competitiva Il concetto che quando popolazioni di due specie simili competono per le stesse risorse limitate, una popolazione utilizzerà le risorse in modo più efficiente e avrà un vantaggio riproduttivo che alla fine porterà all'eliminazione dell'altra popolazione
colorazione criptica Mimetizzazione, che rende difficile individuare potenziali prede sullo sfondo
Disturbo Un evento naturale o causato dall'uomo che cambia una comunità biologica e di solito rimuove gli organismi da essa. I disordini, come incendi e tempeste, svolgono un ruolo fondamentale nella strutturazione di molte comunità.
specie dominante Quelle specie in una comunità che hanno la più alta abbondanza o la più alta biomassa. Queste specie esercitano un potente controllo sulla presenza e sulla distribuzione di altre specie.
Ipotesi di stabilità dinamica L'idea che le catene alimentari lunghe siano meno stabili delle catene corte.
Nicchia ecologica la somma dell'uso di una specie delle risorse biotiche e abiotiche nel suo ambiente
Successione ecologica Transizione nella composizione di specie di una comunità biologica, spesso in seguito al disturbo ecologico della comunità, all'insediamento di una comunità biologica in un'area praticamente priva di vita.
Ectoparassita Un parassita che si nutre della superficie esterna di un ospite.
endoparassita parassita che vive all'interno del suo ospite
Ipotesi energetica Il concetto che la lunghezza di una catena alimentare è limitata dall'inefficienza del trasferimento di energia lungo la catena.
Evapotraspirazione L'evaporazione totale dell'acqua da un ecosistema, compresa l'evaporazione dal suolo e dall'esterno delle piante, nonché la traspirazione dell'acqua dall'interno delle piante attraverso gli stomi.
Facilitatore Una specie che ha un effetto positivo sulla sopravvivenza e sulla riproduzione di altre specie in una comunità e che influenza la struttura della comunità.
Catena alimentare Il percorso lungo il quale l'energia alimentare viene trasferita da livello trofico a livello trofico, a partire dai produttori.
Catena alimentare catene alimentari interconnesse
erbivoro Un'interazione in cui un erbivoro mangia parti di una pianta o alga
Ospite Il partecipante più grande in una relazione simbiotica, che funge da casa e fonte di cibo per il simbionte più piccolo.
Ipotesi di disturbo intermedio Il concetto che livelli moderati di disturbo possono favorire una maggiore diversità delle specie rispetto a livelli bassi o alti di disturbo.
Concorso interspecifico Competizione per le risorse tra piante, tra animali o tra decompositori quando le risorse scarseggiano
Interazione interspecifica relazioni tra le specie di una comunità
Specie invasive Una specie, spesso introdotta dall'uomo, che prende piede al di fuori del suo areale originario.
specie chiave di volta Specie che di solito non sono abbondanti in una comunità, ma esercitano un forte controllo sulla struttura della comunità per la natura dei loro ruoli o nicchie ecologiche
mimetismo mulleriano un reciproco mimetismo di due specie sgradevoli.
Modello di non equilibrio Il modello delle comunità che sottolinea che non sono stabili nel tempo ma cambiano continuamente dopo essere state colpite dai disturbi
Parassita Un organismo che si nutre del contenuto cellulare, dei tessuti o dei fluidi corporei di un'altra specie (l'ospite) mentre si trova all'interno o sull'organismo ospite. I parassiti danneggiano ma di solito non uccidono il loro ospite
Parassitismo Una relazione simbiotica in cui un organismo, il parassita, beneficia a spese di un altro, l'ospite, vivendo all'interno o sull'ospite
patogeno un virus o un organismo che può causare malattie
Predazione un'interazione in cui un organismo cattura e si nutre di un altro organismo
successione primaria Un tipo di successione ecologica che si verifica in un'area dove originariamente non erano presenti organismi e dove il suolo non si è ancora formato.
Abbondanza relativa L'abbondanza proporzionale di specie diverse in una comunità.
Partizionamento delle risorse La divisione delle risorse ambientali per specie coesistenti in modo tale che la nicchia di ciascuna specie differisca di uno o più fattori significativi dalle nicchie di tutte le specie coesistenti
Successione secondaria Un tipo di successione che si verifica quando una comunità esistente è stata sgombrata da un disturbo che lascia intatto il suolo o il substrato.
Diversità Shannon Un indice di diversità comunitaria simboleggiato da H e rappresentato dall'equazione H = [(pA ln pA) + (pB ln pB) + (pC ln pC) + . . .], dove A, B, C . . . sono le specie nella comunità, p è l'abbondanza relativa di ciascuna specie e ln è il logaritmo naturale.
Diversità delle specie il numero e l'abbondanza relativa di specie in una comunità biologica
Ricchezza di specie il numero di specie in una comunità biologica.
Curva specie-area il modello di biodiversità, notato per la prima volta da Alexander von Humboldt, che illustra che maggiore è l'area geografica di una comunità, maggiore è il numero di specie.
Simbiosi Una relazione ecologica tra organismi di due specie diverse che convivono in contatto diretto e intimo.
Modello top-down Un modello di organizzazione della comunità in cui la predazione influenza l'organizzazione della comunità controllando i numeri di erbivori, che a loro volta controllano i numeri di piante o fitoplancton, che a loro volta controllano i livelli di nutrienti chiamato anche modello a cascata trofica.
Struttura trofica Le diverse relazioni di alimentazione in un ecosistema, che determinano il percorso del flusso di energia e il modello del ciclo chimico
Vettore Organismo che trasmette agenti patogeni da un ospite all'altro.
Patogeno zoonotico Un agente patogeno che viene trasmesso all'uomo da altri animali.

  • Un ecosistema è costituito da tutti gli organismi che vivono in una comunità e da tutti i fattori abiotici con cui interagiscono.
  • Le dinamiche di un ecosistema coinvolgono due processi che non possono essere completamente descritti dai processi e dai fenomeni della popolazione o della comunità: il flusso di energia e il ciclo chimico.
  • L'energia entra nella maggior parte degli ecosistemi sotto forma di luce solare.
    • Viene convertito in energia chimica dagli autotrofi, passato agli eterotrofi nei composti organici del cibo e dissipato come calore.
    • Un ecosistema deve essere alimentato da un continuo afflusso di energia da una fonte esterna, solitamente il sole.

    Concetto 54.1 L'ecologia dell'ecosistema enfatizza il flusso di energia e il ciclo chimico

    • Gli ecologisti degli ecosistemi vedono gli ecosistemi come trasformatori di energia e processori di materia.
    • Possiamo seguire la trasformazione dell'energia raggruppando le specie in una comunità in livelli trofici di relazioni alimentari.

    Gli ecosistemi obbediscono a leggi fisiche.

    • La legge di conservazione dell'energia afferma che l'energia non può essere creata o distrutta ma solo trasformata.
      • Le piante e altri organismi fotosintetici convertono l'energia solare in energia chimica, ma la quantità totale di energia non cambia.
      • La quantità totale di energia immagazzinata nelle molecole organiche più la quantità riflessa e dissipata come calore deve essere uguale all'energia solare totale intercettata dalla pianta.
      • Possiamo misurare l'efficienza delle conversioni energetiche ecologiche.
      • Un atomo di carbonio o azoto si sposta da un livello trofico a un altro e infine ai decompositori e viceversa.

      Le relazioni trofiche determinano le rotte del flusso energetico e del ciclo chimico negli ecosistemi.

      • Gli autotrofi, i produttori primari dell'ecosistema, alla fine supportano tutti gli altri organismi.
        • La maggior parte degli autotrofi sono piante fotosintetiche, alghe o batteri che utilizzano l'energia della luce per sintetizzare zuccheri e altri composti organici.
        • I procarioti chemiosintetici sono i produttori primari nelle bocche idrotermali di acque profonde.
        • Gli erbivori che mangiano produttori primari sono chiamati consumatori primari.
        • I carnivori che mangiano erbivori sono chiamati consumatori secondari.
        • I carnivori che mangiano produttori secondari sono chiamati consumatori terziari.
        • Ottengono energia da detriti, materiale organico non vivente come i resti di organismi morti, feci, foglie cadute e legno.
        • I detritivori svolgono un ruolo importante nel ciclo materiale.

        La decomposizione collega tutti i livelli trofici.

        • Gli organismi che si nutrono come detritivori costituiscono un importante collegamento tra i produttori primari e i consumatori in un ecosistema.
        • I detritivori svolgono un ruolo importante nel mettere a disposizione dei produttori gli elementi chimici.
          • I detritivori decompongono il materiale organico e trasferiscono elementi chimici in forme inorganiche a serbatoi abiotici come suolo, acqua e aria.

          Concetto 54.2 I fattori fisici e chimici limitano la produzione primaria negli ecosistemi

            La quantità di energia luminosa convertita in energia chimica dagli autotrofi di un ecosistema in un determinato periodo di tempo è la produzione primaria di un ecosistema.

          Il bilancio energetico di un ecosistema dipende dalla produzione primaria.

          • La maggior parte dei produttori primari utilizza l'energia luminosa per sintetizzare molecole organiche, che possono essere scomposte per produrre ATP.
          • La quantità di produzione fotosintetica stabilisce il limite di spesa dell'intero ecosistema.
          • Un bilancio energetico globale può essere analizzato.
            • Ogni giorno, la Terra è bombardata da circa 1023 joule di radiazione solare.
              • L'intensità dell'energia solare che colpisce la Terra varia con la latitudine, con i tropici che ricevono l'input maggiore.
              • La maggior parte di questa radiazione viene diffusa, assorbita o riflessa dall'atmosfera.
              • Gran parte della radiazione solare che raggiunge la superficie terrestre atterra su terreno nudo o corpi idrici che assorbono o riflettono l'energia.
              • Solo una piccola frazione colpisce effettivamente alghe, procarioti fotosintetici o piante, e solo una parte di queste è di lunghezze d'onda adatte alla fotosintesi.
              • Della luce visibile che raggiunge gli organismi fotosintetici, solo l'1% circa viene convertito in energia chimica.
              • Questa è la quantità di energia luminosa che viene convertita in energia chimica per unità di tempo.
                NPP = GPP - R
              • Questo non deve essere confuso con la biomassa totale di autotrofi fotosintetici presenti in un dato momento, che è chiamata coltura permanente.
              • La produzione primaria è la quantità di nuova biomassa aggiunta in un determinato periodo di tempo.
              • Sebbene una foresta abbia una grande biomassa incrociata permanente, la sua produzione primaria potrebbe effettivamente essere inferiore a quella di alcune praterie, che non accumulano vegetazione perché gli animali consumano rapidamente le piante.
              • Le foreste pluviali tropicali sono tra gli ecosistemi terrestri più produttivi.
              • Anche gli estuari e le barriere coralline sono molto produttivi, ma coprono solo una piccola area rispetto a quella coperta dalle foreste pluviali tropicali.
              • L'oceano aperto ha una produzione relativamente bassa per unità di superficie, ma contribuisce alla produzione primaria netta più di qualsiasi altro singolo ecosistema a causa delle sue dimensioni molto grandi.

              Negli ecosistemi acquatici, la luce e i nutrienti limitano la produzione primaria.

              • La luce è una variabile chiave che controlla la produzione primaria negli oceani, poiché la radiazione solare può penetrare solo fino a una certa profondità nota come zona fotica.
                • Il primo metro d'acqua assorbe più della metà della radiazione solare.
                • Non esiste un tale gradiente.
                • Ci sono parti dell'oceano nei tropici e subtropicali che mostrano una bassa produzione primaria, mentre alcune regioni oceaniche ad alta latitudine sono relativamente produttive.
                • In mare aperto, i livelli di azoto e fosforo sono molto bassi nella zona fotica ma sono più alti nelle acque più profonde dove la luce non penetra.
                • Questa conoscenza può essere utilizzata per prevenire le fioriture algali limitando l'inquinamento che fertilizza il fitoplancton.
                • Ad esempio, il Mar dei Sargassi ha una densità di fitoplancton molto bassa.
                • Esperimenti di arricchimento di nutrienti hanno mostrato che la disponibilità di ferro limita la produzione primaria in quest'area.
                • Si è verificata una massiccia fioritura di fitoplancton, con un aumento di 27 volte della concentrazione di clorofilla nei campioni di acqua dei siti di test.
                • La polvere trasportata dal vento dalla terraferma fornisce ferro all'oceano e relativamente poca polvere raggiunge il Pacifico centrale e l'Oceano Atlantico.
                • Ferro --> cianobatteri --> fissazione dell'azoto--> produzione di fitoplancton
                • Queste aree hanno una produzione primaria eccezionalmente elevata, a sostegno dell'ipotesi che la disponibilità di nutrienti determini la produzione primaria marina.
                • Le aree di risalita sono luoghi di pesca privilegiati.
                • Questo processo è chiamato eutrofizzazione e ha un'ampia gamma di impatti ecologici, inclusa la perdita della maggior parte delle specie ittiche.
                • La sua ricerca ha portato all'uso di detergenti privi di fosfati e ad altre riforme della qualità dell'acqua.

                Negli ecosistemi terrestri, la temperatura e l'umidità sono i fattori chiave che limitano la produzione primaria.

                • Le foreste pluviali tropicali, con le loro condizioni calde e umide, sono le più produttive di tutti gli ecosistemi terrestri.
                • Al contrario, gli ecosistemi a bassa produttività sono generalmente secchi (deserti) o secchi e freddi (tundra artica).
                • Tra questi estremi si trovano foreste temperate e ecosistemi di praterie con climi moderati e produttività intermedia.
                • Questi contrasti climatici possono essere rappresentati da una misura chiamata evapotraspirazione effettiva, che è la quantità di acqua traspirata annualmente dalle piante ed evaporata da un paesaggio.
                  • L'evapotraspirazione effettiva aumenta con le precipitazioni e con la quantità di energia solare disponibile per guidare l'evaporazione e la traspirazione.
                  • Gli agricoltori possono massimizzare i raccolti con il giusto equilibrio di nutrienti per il suolo locale e il tipo di coltura.

                  Concetto 54.3 Il trasferimento di energia tra i livelli trofici è generalmente inferiore al 20% di efficienza

                  • La quantità di energia chimica nel cibo dei consumatori che viene convertita nella propria nuova biomassa durante un determinato periodo di tempo è chiamata produzione secondaria di un ecosistema.
                  • Possiamo misurare l'efficienza degli animali come trasformatori di energia usando la seguente equazione:
                    • efficienza produttiva = produzione secondaria netta / assimilazione della produzione primaria
                    • Questo differisce tra gli organismi.
                      • Uccelli e mammiferi hanno generalmente basse efficienze produttive comprese tra l'1% e il 3% perché usano così tanta energia per mantenere una temperatura corporea costante.
                      • I pesci hanno efficienze produttive di circa il 10%.
                      • Gli insetti sono ancora più efficienti, con un'efficienza produttiva media del 40%.
                      • Le efficienze trofiche devono essere sempre inferiori alle efficienze di produzione perché tengono conto non solo dell'energia persa con la respirazione e contenuta nelle feci, ma anche dell'energia nel materiale organico a livelli trofici inferiori che non viene consumata.
                      • Le efficienze trofiche di solito vanno dal 5% al ​​20%.
                      • In altre parole, l'80-95% dell'energia disponibile a un livello trofico non viene trasferito al successivo.
                      • Se il 10% dell'energia viene trasferito dai produttori primari ai consumatori primari e il 10% di tale energia viene trasferito ai consumatori secondari, solo l'1% della produzione primaria netta è disponibile per i consumatori secondari.
                      • La dimensione di ogni blocco della piramide è proporzionale alla nuova produzione di ogni livello trofico, espressa in unità di energia.
                      • La maggior parte delle piramidi di biomassa si restringe bruscamente dai produttori primari ai carnivori di alto livello perché i trasferimenti di energia sono così inefficienti.
                      • In alcuni ecosistemi acquatici, la piramide è invertita e i consumatori primari superano i produttori.
                      • Tali piramidi di biomassa invertite si verificano perché i produttori, il fitoplancton, crescono, si riproducono e vengono consumati dallo zooplancton così rapidamente da non sviluppare mai un grande raccolto permanente.
                      • Hanno un breve tempo di rotazione, il che significa che hanno una piccola biomassa colturale in piedi rispetto alla loro produzione.
                        • tempo di rotazione = biomassa colturale (mg/m2) / produzione (mg/m2/giorno)
                        • Con alcune eccezioni, i predatori sono generalmente più grandi delle prede che mangiano.
                        • I predatori di alto livello tendono ad essere animali abbastanza grandi.
                        • Di conseguenza, la biomassa limitata al vertice di una piramide ecologica è concentrata in un piccolo numero di grandi individui.
                        • Mangiare carne è un modo inefficiente di sfruttare la produzione fotosintetica.
                        • L'agricoltura mondiale potrebbe sfamare molte più persone se gli esseri umani si nutrissero tutti come consumatori primari, mangiando solo materiale vegetale.

                        Gli erbivori consumano una piccola percentuale di vegetazione: l'ipotesi del mondo verde.

                        • Secondo l'ipotesi del mondo verde, gli erbivori consumano relativamente poca biomassa vegetale perché sono tenuti sotto controllo da una varietà di fattori, tra cui predatori, parassiti e malattie.
                        • Quanto è verde il nostro mondo?
                          • 83 × 1010 tonnellate di carbonio sono immagazzinate nella biomassa vegetale degli ecosistemi terrestri.
                          • Gli erbivori consumano annualmente meno del 17% della produzione primaria netta totale.
                          • Le piante hanno difese contro gli erbivori.
                          • I nutrienti, non l'approvvigionamento energetico, di solito limitano gli erbivori.
                            • Gli animali hanno bisogno di determinati nutrienti che le piante tendono a fornire in quantità relativamente piccole.
                            • La crescita e la riproduzione di molti erbivori sono limitate dalla disponibilità di nutrienti essenziali.
                            • La temperatura e l'umidità possono limitare la capacità di carico degli erbivori al di sotto del livello che eliminerebbe la vegetazione.
                            • Il comportamento territoriale e i comportamenti competitivi possono ridurre la densità di popolazione degli erbivori.
                            • Parassiti, predatori e malattie limitano la crescita delle popolazioni di erbivori.
                            • Questo applica il modello top-down della struttura comunitaria.

                            Concetto 54.4 I processi biologici e geochimici spostano i nutrienti tra le parti organiche e inorganiche dell'ecosistema

                            • Gli elementi chimici sono disponibili per gli ecosistemi solo in quantità limitate.
                              • La vita sulla Terra dipende dal riciclaggio di elementi chimici essenziali.
                              • Nell'atmosfera sono presenti forme gassose di carbonio, ossigeno, zolfo e azoto e i cicli di questi elementi sono globali.
                              • Gli elementi meno mobili nell'ambiente, come il fosforo, il potassio, il calcio e gli oligoelementi, generalmente hanno un ciclo su scala più localizzata a breve termine.
                                • Il suolo è il principale serbatoio abiotico di questi elementi.
                                • Ciascun serbatoio è definito da due caratteristiche: se contiene materiali organici o inorganici e se i materiali sono direttamente disponibili per l'uso da parte degli organismi.
                                • Gli ecologi studiano il ciclo chimico aggiungendo piccole quantità di isotopi radioattivi agli elementi che stanno tracciando.

                                Ci sono una serie di importanti cicli biogeochimici.

                                Il ciclo dell'acqua

                                • Importanza biologica
                                  • L'acqua è essenziale per tutti gli organismi e la sua disponibilità influenza i tassi dei processi ecosistemici.
                                  • L'acqua liquida è la forma primaria in cui viene utilizzata l'acqua.
                                  • Gli oceani contengono il 97% dell'acqua della biosfera.
                                  • Il 2% è legato come ghiaccio e l'1% è in laghi, fiumi e acque sotterranee.
                                  • Una quantità trascurabile è nell'atmosfera.
                                  • I principali processi che guidano il ciclo dell'acqua sono l'evaporazione dell'acqua liquida da parte dell'energia solare, la condensazione del vapore acqueo nelle nuvole e le precipitazioni.
                                  • La traspirazione delle piante terrestri sposta quantità significative di acqua.
                                  • Il flusso delle acque superficiali e sotterranee restituisce l'acqua agli oceani.

                                  Il ciclo del carbonio

                                  • Importanza biologica
                                    • Le molecole organiche hanno una struttura di carbonio.
                                    • Gli autotrofi convertono l'anidride carbonica in molecole organiche utilizzate dagli eterotrofi.
                                    • I principali serbatoi di carbonio includono combustibili fossili, suoli, sedimenti acquatici, oceani, biomassa vegetale e animale e atmosfera (CO2).
                                    • La fotosintesi delle piante e del fitoplancton fissa la CO2 atmosferica.
                                    • La CO2 viene aggiunta all'atmosfera dalla respirazione cellulare dei produttori e dei consumatori.
                                    • I vulcani e la combustione di combustibili fossili aggiungono CO2 all'atmosfera.

                                    Il ciclo dell'azoto

                                    • Importanza biologica
                                      • L'azoto è un componente di aminoacidi, proteine ​​e acidi nucleici.
                                      • Potrebbe essere un nutriente limitante per le piante.
                                      • Le piante e le alghe possono utilizzare l'ammonio (NH4+) o il nitrato (NO3?).
                                      • Vari batteri possono anche utilizzare NH4+, NO3? o NO2.
                                      • Gli animali possono utilizzare solo forme organiche di azoto.
                                      • Il principale serbatoio di azoto è l'atmosfera, che è costituita per l'80% da azoto gassoso (N2).
                                      • L'azoto è anche legato al suolo e ai sedimenti di laghi, fiumi e oceani.
                                      • Parte dell'azoto è disciolto nelle acque superficiali e sotterranee.
                                      • L'azoto è immagazzinato nella biomassa vivente.
                                      • L'azoto entra negli ecosistemi principalmente attraverso la fissazione dell'azoto batterico.
                                        • Una parte dell'azoto viene fissata dai fulmini e dalla produzione di fertilizzanti industriali.

                                        Il ciclo del fosforo

                                        • Importanza biologica
                                          • Il fosforo è un componente degli acidi nucleici, dei fosfolipidi, dell'ATP e di altre molecole che immagazzinano energia.
                                          • È un minerale costituente di ossa e denti.
                                          • L'unica forma inorganica biologicamente importante di fosforo è il fosfato (PO43?), che le piante assorbono e utilizzano per sintetizzare i composti organici.
                                          • Il principale serbatoio di fosforo sono le rocce sedimentarie di origine marina.
                                          • Ci sono anche grandi quantità di fosforo nel suolo, disciolto negli oceani e negli organismi.
                                          • L'erosione delle rocce aggiunge gradualmente fosfato al suolo.
                                          • Alcuni fosfati penetrano nelle acque sotterranee e superficiali e si spostano nel mare.
                                          • Il fosfato può essere captato dai produttori e incorporato nel materiale organico.
                                          • Viene restituito al suolo o all'acqua attraverso la decomposizione della biomassa o l'escrezione da parte dei consumatori.

                                          I tassi di decomposizione determinano in gran parte i tassi di ciclo dei nutrienti.

                                          • Le velocità con cui i nutrienti circolano in diversi ecosistemi sono estremamente variabili a causa di tassi variabili di decomposizione.
                                            • La decomposizione richiede in media da quattro a sei anni nelle foreste temperate, mentre in una foresta pluviale tropicale, la maggior parte del materiale organico si decompone in pochi mesi o pochi anni.
                                            • La differenza è in gran parte il risultato di temperature più calde e precipitazioni più abbondanti nelle foreste pluviali tropicali.
                                            • Il 75% dei nutrienti nell'ecosistema è presente nei tronchi legnosi degli alberi.
                                            • Il 10% dei nutrienti è concentrato nel terreno.
                                            • Tuttavia, le alghe e le piante acquatiche di solito assimilano i nutrienti direttamente dall'acqua.
                                            • I sedimenti acquatici possono costituire un pozzo di nutrienti.

                                            Il ciclo dei nutrienti è fortemente regolato dalla vegetazione.

                                            • La ricerca ecologica a lungo termine (LTER) monitora le dinamiche degli ecosistemi per lunghi periodi di tempo.
                                              • La foresta sperimentale di Hubbard Brook è stata studiata dal 1963.
                                              • Il sito di studio è una foresta decidua con diverse valli, ciascuna drenata da un piccolo torrente che è un affluente di Hubbard Brook.
                                              • Tutto il materiale vegetale originale è stato lasciato sul posto per decomporsi.
                                              • La concentrazione di Ca2+ nel torrente è aumentata di quattro volte, mentre la concentrazione di K+ è aumentata di un fattore 15.
                                              • La perdita di nitrati è aumentata di un fattore 60.

                                              Concetto 54.5 La popolazione umana sta interrompendo i cicli chimici in tutta la biosfera

                                                Le attività e le tecnologie umane hanno interrotto la struttura trofica, il flusso di energia e il ciclo chimico degli ecosistemi di tutto il mondo.

                                              La popolazione umana sposta i nutrienti da una parte all'altra della biosfera.

                                              • L'attività umana si intromette nei cicli dei nutrienti.
                                                • I nutrienti dal terreno agricolo possono defluire in torrenti e laghi, impoverendo i nutrienti in un'area, causando eccessi in un'altra e interrompendo i cicli chimici in entrambi i luoghi.
                                                • Gli umani aggiungono anche materiali completamente nuovi, molti tossici, agli ecosistemi.
                                                • Dopo un po', la riserva naturale di sostanze nutritive può esaurirsi.
                                                • Il terreno non può essere utilizzato per coltivare colture senza integrazione di nutrienti.
                                                • L'aratura e la miscelazione del terreno aumentano il tasso di decomposizione della materia organica, rilasciando azoto utilizzabile che viene poi rimosso dall'ecosistema quando vengono raccolte le colture.
                                                • Ciò può aumentare la quantità di ossidi di azoto nell'atmosfera e contribuire al riscaldamento atmosferico, all'esaurimento dell'ozono e possibilmente alle precipitazioni acide.
                                                • I minerali azotati nel suolo che superano il carico critico finiscono per lisciviare nelle acque sotterranee o defluire negli ecosistemi di acqua dolce e marina, contaminando le riserve idriche, soffocando i corsi d'acqua e uccidendo i pesci.
                                                • In un lago oligotrofico, la produttività primaria è relativamente bassa perché i nutrienti minerali richiesti dal fitoplancton sono scarsi.
                                                • La produttività complessiva è maggiore nei laghi eutrofici.
                                                • Le acque reflue e i rifiuti industriali e il deflusso di rifiuti animali da pascoli e allevamenti hanno sovraccaricato di azoto molti corsi d'acqua dolce e laghi.
                                                • Ciò si traduce in un aumento esplosivo della densità degli organismi fotosintetici, rilasciati dalla limitazione dei nutrienti.
                                                • Le aree poco profonde diventano soffocate da erbacce e alghe.
                                                • Quando gli organismi fotosintetici muoiono e i materiali organici si accumulano sul fondo del lago, i detritivori utilizzano tutto l'ossigeno disponibile nelle acque più profonde.
                                                • Questo può eliminare le specie ittiche.

                                                La combustione dei combustibili fossili è la causa principale delle precipitazioni acide.

                                                • La combustione di combustibili fossili rilascia ossidi di zolfo e azoto che reagiscono con l'acqua nell'atmosfera per produrre acido solforico e nitrico.
                                                • Questi acidi ricadono sulla terra sotto forma di precipitazioni acide: pioggia, neve, nevischio o nebbia con un pH inferiore a 5,6.
                                                • Le precipitazioni acide sono un problema regionale o globale, piuttosto che locale.
                                                  • Gli alti tubi di scarico costruiti per le fonderie e i piani di generazione esportano il problema molto sottovento.
                                                  • Con la diminuzione del pH, il calcio e altri nutrienti lisciviano dal terreno.
                                                  • Le carenze nutrizionali risultanti influiscono sulla salute delle piante e ne limitano la crescita.
                                                  • I laghi sottostanti alla roccia granitica hanno una scarsa capacità tampone a causa dei bassi livelli di bicarbonato.
                                                  • Le popolazioni di pesci sono diminuite in molti laghi in Norvegia, Svezia e Canada con il calo dei livelli di pH.
                                                    • Le trote di lago sono predatori fondamentali in molti laghi canadesi.
                                                    • Quando vengono sostituiti da specie tolleranti agli acidi, la dinamica delle reti trofiche nei laghi cambia drasticamente.
                                                    • Di conseguenza, la chimica dell'acqua di molti corsi d'acqua e laghi d'acqua dolce sta lentamente migliorando.
                                                    • Gli ecologi stimano che ci vorranno altri 10-20 anni perché questi ecosistemi si riprendano, anche se le emissioni continuano a diminuire.

                                                    Le tossine possono concentrarsi nei livelli trofici successivi delle reti trofiche.

                                                    • Gli esseri umani introducono molte sostanze chimiche tossiche negli ecosistemi.
                                                      • Queste sostanze vengono ingerite e metabolizzate dagli organismi e possono accumularsi nei tessuti adiposi degli animali.
                                                      • Queste tossine si concentrano maggiormente nei successivi livelli trofici di una rete alimentare, un processo chiamato ingrandimento biologico.
                                                        • L'ingrandimento si verifica perché la biomassa a un dato livello trofico è prodotta da una biomassa molto più grande ingerita dal livello inferiore.
                                                        • Pertanto, i carnivori di alto livello tendono ad essere gli organismi più gravemente colpiti dai composti tossici nell'ambiente.
                                                        • Ad esempio, il mercurio veniva regolarmente espulso nei fiumi e negli oceani in forma insolubile.
                                                        • I batteri nel fango del fondo lo hanno convertito in metilmercurio, un composto solubile estremamente tossico che si accumulava nei tessuti degli organismi, compresi gli esseri umani che pescavano in acque contaminate.

                                                        Le attività umane possono causare il cambiamento climatico aumentando l'anidride carbonica atmosferica.


                                                        Fosforo

                                                        Il fosforo è un nutriente essenziale sia come parte di diversi composti chiave della struttura vegetale sia come catalisi nella conversione di numerose reazioni biochimiche chiave nelle piante. Il fosforo è noto soprattutto per il suo ruolo nel catturare e convertire l'energia del sole in utili composti vegetali.

                                                        Il fosforo è un componente vitale del DNA, l'"unità di memoria" genetica di tutti gli esseri viventi. È anche un componente dell'RNA, il composto che legge il codice genetico del DNA per costruire proteine ​​e altri composti essenziali per la struttura della pianta, la resa dei semi e il trasferimento genetico. Le strutture sia del DNA che dell'RNA sono collegate tra loro da legami di fosforo.

                                                        Il fosforo è un componente vitale dell'ATP, l'"unità energetica" delle piante. L'ATP si forma durante la fotosintesi, ha fosforo nella sua struttura e si processa dall'inizio della crescita della piantina fino alla formazione del grano e alla maturità.

                                                        Pertanto, il fosforo è essenziale per la salute generale e il vigore di tutte le piante. Alcuni fattori di crescita specifici che sono stati associati al fosforo sono:

                                                        Sviluppo delle radici stimolato

                                                        Aumento della forza dello stelo e dello stelo

                                                        Miglioramento della formazione dei fiori e della produzione di semi

                                                        Maturazione del raccolto più uniforme e più precoce

                                                        Aumento della capacità di fissazione dell'azoto dei legumi

                                                        Miglioramenti nella qualità del raccolto

                                                        Maggiore resistenza alle malattie delle piante

                                                        Supporta lo sviluppo durante l'intero ciclo di vita

                                                        Carenza di fosforo nelle piante

                                                        La carenza di fosforo è più difficile da diagnosticare rispetto a una carenza di azoto o potassio. Le colture di solito non mostrano sintomi evidenti di carenza di fosforo a parte un arresto generale della crescita della pianta durante la crescita iniziale. Quando viene riconosciuta una carenza visiva, potrebbe essere troppo tardi per correggere nelle colture annuali. Alcune colture, come il mais, tendono a mostrare uno scolorimento anormale quando il fosforo è carente. Le piante sono generalmente di colore verde bluastro scuro con foglie e fusto che diventano violacei. Il grado di viola è influenzato dal corredo genetico della pianta, con alcuni ibridi che mostrano uno scolorimento molto maggiore di altri. Il colore violaceo è dovuto all'accumulo di zuccheri che favorisce la sintesi degli antociani (un pigmento di colore violaceo), che avviene nelle foglie della pianta.

                                                        Il fosforo è altamente mobile nelle piante e, quando è carente, può essere traslocato dal vecchio tessuto vegetale ad aree giovani e in attiva crescita. Di conseguenza, si osservano spesso risposte vegetative precoci al fosforo. Man mano che una pianta matura, il fosforo viene traslocato nelle aree fruttifere della pianta, dove sono necessarie elevate esigenze energetiche per la formazione di semi e frutti. Le carenze di fosforo alla fine della stagione di crescita influenzano sia lo sviluppo dei semi che la normale maturità del raccolto. La percentuale della quantità totale di ciascun nutriente assorbita è maggiore per il fosforo a fine stagione di crescita rispetto all'azoto o al potassio.

                                                        Sintomi nel mais

                                                        La foto a sinistra mostra una pianta di mais carente di P. Le foglie più vecchie sono colpite prima di quelle più giovani a causa della ridistribuzione di P nella pianta. Il mais può mostrare un colore viola o rossastro sulle foglie e sugli steli inferiori. Questa condizione è associata all'accumulo di zuccheri nelle piante carenti di P, specialmente durante i periodi di bassa temperatura.

                                                        Tutte le foto sono fornite per gentile concessione dell'International Plant Nutrition Institute (IPNI) e della sua raccolta di immagini sulla carenza di nutrienti delle colture. Le foto sopra sono un esempio di una collezione più ampia, che fornisce un campionario completo di centinaia di casi classici di carenza colturale da appezzamenti di ricerca e campi agricoli situati in tutto il mondo. Per accedere alla collezione completa, è possibile visitare il sito Web di IPNI.

                                                        Fosforo nei suoli

                                                        Il contenuto totale di fosforo della maggior parte dei suoli superficiali è basso, con una media di solo lo 0,6% di fosforo. Ciò a fronte di un contenuto medio del suolo di 0,14% di azoto e 0,83% di potassio. Il contenuto di fosforo dei suoli è piuttosto variabile, variando da meno dello 0,04% di P₂O₅ nei suoli sabbiosi delle pianure costiere dell'Atlantico e del Golfo a più dello 0,3% nei suoli degli Stati Uniti nordoccidentali.

                                                        Molti fattori influenzano il contenuto di fosforo del suolo:

                                                        Tipo di materiale genitore da cui deriva il suolo

                                                        Grado di invecchiamento ed erosione

                                                        Rimozione del raccolto e fertilizzazione

                                                        Fosforo organico

                                                        Il fosforo del suolo è classificato in due grandi gruppi, organico e inorganico. Il fosforo organico si trova nei residui vegetali, nel letame e nei tessuti microbici. I terreni a basso contenuto di materia organica possono contenere solo il 3% del loro fosforo totale in forma organica, ma i terreni ad alto contenuto di materia organica possono contenere il 50% o più del loro contenuto totale di fosforo in forma organica.

                                                        Fosforo inorganico

                                                        Le forme inorganiche di fosforo del suolo sono costituite da apatite (la fonte originale di tutto il fosforo), complessi di fosfati di ferro e alluminio e fosforo assorbito su particelle di argilla. La solubilità di questi composti del fosforo e del fosforo organico è estremamente bassa e solo quantità molto piccole di fosforo del suolo sono in soluzione in qualsiasi momento. La maggior parte dei suoli contiene meno di mezzo chilo per acro di fosforo solubile, con alcuni suoli che ne contengono considerevolmente meno.

                                                        Attraverso un'adeguata fertilizzazione con fosforo e una buona gestione del raccolto/del suolo, il fosforo della soluzione del suolo può essere sostituito abbastanza rapidamente per una produzione ottimale delle colture.

                                                        Disponibilità di fosforo nel suolo

                                                        Il fosforo solubile, proveniente dai fertilizzanti o dagli agenti atmosferici naturali, reagisce con i composti di argilla, ferro e alluminio nel terreno e viene convertito facilmente in forme meno disponibili mediante il processo di fissazione del fosforo.A causa di questi processi di fissazione, il fosforo si muove molto poco nella maggior parte dei terreni (meno di un pollice), rimane vicino al suo luogo di origine e le colture raramente assorbono più del 20 percento del fosforo fertilizzante durante la prima stagione di raccolta dopo l'applicazione. Di conseguenza, per lisciviazione si perde poco fosforo del suolo. Questo fosforo residuo fisso rimane nella zona di radicazione e sarà lentamente disponibile per le colture successive. L'erosione del suolo e la rimozione delle colture sono i modi significativi in ​​cui il fosforo del suolo viene perso.

                                                        Fattori di disponibilità di fosforo

                                                        Suolo pH

                                                        La precipitazione del fosforo sotto forma di fosfati di calcio leggermente solubili si verifica in terreni calcarei con pH valori intorno a 8.0. In condizioni acide, il fosforo viene precipitato sotto forma di fosfati di Fe o Al di bassa solubilità. La massima disponibilità di fosforo si verifica generalmente in a pH intervallo da 6.0 a 7.0. Questo è uno degli effetti benefici della calcinazione dei terreni acidi. Mantenere un suolo pH in questo intervallo favorisce anche la presenza di ioni H₂PO₄⁻, che sono più facilmente assorbiti dalla pianta rispetto agli ioni HPO₄⁺, che si trovano a pH valori superiori a 7.0.

                                                        Nutrizione equilibrata delle colture

                                                        Un adeguato apporto di altri nutrienti vegetali tende ad aumentare l'assorbimento del fosforo dal suolo. L'applicazione di forme ammoniacali di azoto con fosforo aumenta l'assorbimento di fosforo da un fertilizzante rispetto all'applicazione del solo fertilizzante a base di fosforo o all'applicazione separata dei fertilizzanti a base di azoto e fosforo. Le applicazioni di zolfo spesso aumentano la disponibilità di fosforo del suolo su terreni neutri o basici, dove il fosforo del suolo è presente come fosfati di calcio.

                                                        Materia organica

                                                        I terreni ricchi di materia organica contengono notevoli quantità di fosforo organico che viene mineralizzato (simile all'azoto organico) e fornisce fosforo disponibile per la crescita delle piante. Oltre a fornire fosforo, la materia organica agisce anche come agente chelante e si combina con il ferro, prevenendo così la formazione di fosfati di ferro insolubili. Applicazioni pesanti di materiali organici come letame, residui vegetali o colture di sovescio su terreni con alto pH i valori non solo forniscono fosforo, ma dopo la decomposizione forniscono composti acidi, che aumentano la disponibilità di forme minerali di fosforo nel suolo.

                                                        Tipo di argilla

                                                        Le particelle di argilla tendono a trattenere o fissare il fosforo nei terreni. Di conseguenza, i terreni a tessitura fine come i terreni argillosi hanno una maggiore capacità di fissare il fosforo rispetto ai terreni sabbiosi a tessitura grossolana. Le argille di tipo 1:1 (caolinite) hanno una maggiore capacità di fissazione del fosforo rispetto alle argille di tipo 2:1 (montmorillonite, illite, vermiculite). I suoli formati sotto precipitazioni elevate e temperature elevate contengono grandi quantità di argille caolinitiche e quindi hanno una capacità di fissaggio del fosforo molto maggiore rispetto ai suoli contenenti argilla di tipo 2:1. Le alte temperature e l'elevata piovosità aumentano anche la quantità di ossidi di ferro e alluminio nel terreno, che contribuisce notevolmente alla fissazione del fosforo aggiunto a questi terreni.

                                                        Tempistica dell'applicazione

                                                        La fissazione del fosforo nel terreno aumenta con il tempo di contatto tra fosforo solubile e particelle di terreno. Di conseguenza, un utilizzo più efficiente del fosforo fertilizzante si ottiene generalmente applicando il fertilizzante poco prima di piantare la coltura. Questa pratica è particolarmente efficace su terreni con elevate capacità di fissazione del fosforo. Nelle aree pianeggianti costiere, i fertilizzanti possono essere applicati diversi mesi prima della semina con poca o nessuna diminuzione della disponibilità del fosforo fertilizzante per la coltura. È anche molto più probabile che la fasciatura del fertilizzante per le colture a file aumenti l'efficienza del fertilizzante fosforo su terreni ad alta capacità di fissazione del fosforo rispetto a suoli a bassa capacità di fissazione del fosforo.

                                                        Temperatura del suolo/aerazione/umidità e compattazione

                                                        L'assorbimento del fosforo da parte della pianta è ridotto dalla bassa temperatura del suolo e dalla scarsa aerazione del suolo. I fertilizzanti di avviamento contenenti fosforo solubile in acqua hanno molte più probabilità di aumentare la crescita delle colture durante la stagione fredda. L'eccessiva umidità del suolo o la compattazione del suolo riduce l'apporto di ossigeno al suolo e diminuisce la capacità delle radici delle piante di assorbire il fosforo del suolo. La compattazione riduce l'aerazione e lo spazio dei pori nella zona della radice. Questo riduce l'assorbimento di fosforo e la crescita delle piante. La compattazione riduce anche il volume del suolo in cui penetrano le radici delle piante, limitando il loro accesso totale al fosforo del suolo.

                                                        Livelli di fosforo del test del suolo

                                                        Le risposte delle colture al fosforo dei fertilizzanti saranno maggiori e si verificheranno più frequentemente su terreni a basso contenuto di fosforo rispetto a suoli ad alto contenuto di fosforo. Tuttavia, le rese su terreni con livelli di test del suolo P elevati di solito sono più elevati. La risposta al fertilizzante a base di fosforo su terreni ad alto rischio è in aumento ed è importante mantenere livelli elevati di fosforo nel suolo per supportare una produzione ottimale delle colture.

                                                        Posizionamento del fosforo

                                                        Se un coltivatore cerca il massimo rendimento da un investimento ad alto contenuto di fosforo su terreni a basso test, l'applicazione a nastro è la cosa migliore. Laddove viene praticata la lavorazione conservativa, possono essere necessarie combinazioni di applicazioni a banda ea trasmissione di fosforo. Ciò garantisce un apporto di fosforo precoce e accessibile per lo sviluppo delle piantine e una riserva di nutrienti più avanti nella stagione di crescita, quando le richieste di fosforo rimangono forti.

                                                        Vantaggi delle applicazioni di fosforo Broadcast/Plow-down

                                                        Si possono applicare aliquote elevate senza danneggiare la pianta

                                                        La distribuzione dei nutrienti in tutta la zona della radice favorisce una radicazione più profonda, mentre il posizionamento della fascia provoca la concentrazione delle radici attorno alla fascia

                                                        Un radicamento più profondo consente un maggiore contatto radice-terreno, fornendo un serbatoio più grande di umidità e sostanze nutritive

                                                        Modo pratico per applicare fertilizzante ai foraggi

                                                        Aiuta a garantire la piena fertilità dell'alimentazione per aiutare il raccolto a sfruttare appieno le condizioni di crescita favorevoli durante la stagione di crescita

                                                        È stato riscontrato che la doppia applicazione di ammoniaca anidra e polifosfati di ammonio alla semina del frumento è superiore alle applicazioni a diffusione oa banda di polifosfati di ammonio.

                                                        Il posizionamento direttamente sotto la fila di semina (semina a nastro) per le colture foraggere si è dimostrato superiore al posizionamento a spaglio o laterale.

                                                        Adattato da "The Efficient Fertilizer Use Manual",
                                                        Capitolo sul fosforo del Dr. Bill Griffith


                                                        37.3 Cicli biogeochimici

                                                        In questa sezione, esplorerai le seguenti domande:

                                                        • Quali sono le fasi fondamentali dei cicli biogeochimici di acqua, azoto, fosforo e zolfo?
                                                        • In che modo le attività umane hanno influito su questi cicli biogeochimici e quali sono le potenziali conseguenze per la Terra?

                                                        Connessione per i Corsi AP ®

                                                        Come abbiamo appreso in Energy Flow through Ecosystems, l'energia segue un percorso a senso unico (fluisce in senso direzionale) attraverso i livelli trofici in un ecosistema. Tuttavia, la materia che compone gli organismi viventi viene conservata e riciclata attraverso le cosiddette cicli biogeochimici. I sei elementi più comuni associati alle molecole organiche (carbonio, azoto, idrogeno, ossigeno, fosforo e zolfo) assumono una varietà di forme chimiche e possono esistere per lunghi periodi nell'atmosfera terrestre, sulla terraferma, nell'acqua o sotto la superficie del nostro pianeta. . I processi geologici, inclusi gli agenti atmosferici e l'erosione, svolgono un ruolo in questo riciclaggio di materiali dall'ambiente agli organismi viventi. Ai fini di AP ® , lo fai non è necessario conoscere i dettagli di ogni ciclo biogeochimico, sebbene alcuni dettagli di tali cicli siano trattati in questa sezione.

                                                        Le informazioni presentate e gli esempi evidenziati nella sezione supportano i concetti delineati in Big Idea 2 e Big Idea 4 dell'AP ® Biology Curriculum Framework. Gli obiettivi di apprendimento AP ® elencati nel Curriculum Framework forniscono una base trasparente per il corso AP ® Biology, un'esperienza di laboratorio basata sull'indagine, attività didattiche e domande d'esame AP ®. Un obiettivo di apprendimento unisce il contenuto richiesto con una o più delle sette pratiche scientifiche.

                                                        Grande idea 2 I sistemi biologici utilizzano energia libera e blocchi molecolari per crescere, riprodursi e mantenere l'omeostasi dinamica.
                                                        Comprensione duratura 2.A La crescita, la riproduzione e il mantenimento dei sistemi viventi richiedono energia e materia libere.
                                                        Conoscenze Essenziali 2.A.3 Gli organismi devono scambiare materia con l'ambiente per crescere, riprodursi e mantenere l'organizzazione.
                                                        Pratica scientifica 1.1 Lo studente è in grado di creare rappresentazioni e modelli di fenomeni e sistemi naturali o antropici nel dominio.
                                                        Pratica scientifica 1.4 Lo studente è in grado di utilizzare rappresentazioni e modelli per analizzare situazioni o risolvere problemi qualitativamente e quantitativamente.
                                                        Obiettivo di apprendimento 2.9 Lo studente è in grado di rappresentare graficamente o modellare quantitativamente lo scambio di molecole tra un organismo e il suo ambiente, e il successivo utilizzo di queste molecole per costruire nuove molecole che facilitino l'omeostasi dinamica, la crescita e la riproduzione.
                                                        Grande Idea 4 I sistemi biologici interagiscono e questi sistemi e le loro interazioni possiedono proprietà complesse.
                                                        Comprensione duratura 4.A Le interazioni all'interno dei sistemi biologici portano a proprietà complesse.
                                                        Conoscenze Essenziali 4.A.6 Le interazioni tra i sistemi viventi e con il loro ambiente determinano il movimento di materia ed energia.
                                                        Pratica scientifica 1.4 Lo studente è in grado di utilizzare rappresentazioni e modelli per analizzare situazioni o risolvere problemi qualitativamente e quantitativamente.
                                                        Obiettivo di apprendimento 4.15 Lo studente è in grado di utilizzare rappresentazioni visive per analizzare situazioni o risolvere problemi qualitativamente per illustrare come le interazioni tra i sistemi viventi e con il loro ambiente si traducano nel movimento di materia ed energia.

                                                        L'acqua contiene idrogeno e ossigeno, essenziali per tutti i processi viventi. Il idrosfera è l'area della Terra in cui si verifica il movimento e l'accumulo dell'acqua: come acqua liquida in superficie e sotto la superficie o ghiacciata (fiumi, laghi, oceani, acque sotterranee, calotte polari e ghiacciai) e come vapore acqueo nell'atmosfera. Il carbonio si trova in tutte le macromolecole organiche ed è un importante costituente dei combustibili fossili. L'azoto è un componente importante dei nostri acidi nucleici e proteine ​​ed è fondamentale per l'agricoltura umana. Il fosforo, un componente importante dell'acido nucleico (insieme all'azoto), è uno degli ingredienti principali dei fertilizzanti artificiali utilizzati in agricoltura e dei relativi impatti ambientali sulle nostre acque superficiali. Lo zolfo, fondamentale per il ripiegamento 3-D delle proteine ​​(come nel legame disolfuro), viene rilasciato nell'atmosfera dalla combustione di combustibili fossili, come il carbone.

                                                        Il ciclo di questi elementi è interconnesso. Ad esempio, il movimento dell'acqua è fondamentale per la lisciviazione di azoto e fosfato in fiumi, laghi e oceani. Inoltre, l'oceano stesso è un importante serbatoio di carbonio. Pertanto, i nutrienti minerali vengono fatti circolare, rapidamente o lentamente, attraverso l'intera biosfera, da un organismo vivente all'altro, e tra il mondo biotico e quello abiotico.

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                                                        1. C'è una quantità variabile di ogni elemento sulla Terra.
                                                        2. Un serbatoio è il luogo in cui gli elementi rimangono nel tempo.
                                                        3. Solo le fonti di energia esterne guidano il movimento degli elementi.
                                                        4. I cicli geochimici sono caratterizzati dal movimento degli elementi.

                                                        Il ciclo dell'acqua (idrologico)

                                                        L'acqua è la base di tutti i processi viventi. Il corpo umano è composto da più della metà di acqua e le cellule umane sono costituite da più del 70% di acqua. Pertanto, la maggior parte degli animali terrestri ha bisogno di una scorta di acqua dolce per sopravvivere. Tuttavia, quando si esaminano le riserve di acqua sulla Terra, il 97,5% di essa è acqua salata non potabile (Figura 37.13). Dell'acqua rimanente, il 99 percento è bloccato sottoterra come acqua o come ghiaccio. Pertanto, meno dell'1% dell'acqua dolce è facilmente accessibile da laghi e fiumi. Molti esseri viventi, come piante, animali e funghi, dipendono dalla piccola quantità di acqua dolce di superficie, la cui mancanza può avere effetti enormi sulla dinamica dell'ecosistema. Gli esseri umani, ovviamente, hanno sviluppato tecnologie per aumentare la disponibilità di acqua, come scavare pozzi per raccogliere le acque sotterranee, immagazzinare l'acqua piovana e utilizzare la desalinizzazione per ottenere acqua potabile dall'oceano. Sebbene questa ricerca dell'acqua potabile sia andata avanti nel corso della storia umana, la fornitura di acqua dolce è ancora un problema importante nei tempi moderni.

                                                        Il ciclo dell'acqua è estremamente importante per la dinamica dell'ecosistema. L'acqua ha una grande influenza sul clima e, quindi, sugli ambienti degli ecosistemi, alcuni situati in parti lontane della Terra. La maggior parte dell'acqua sulla Terra viene immagazzinata per lunghi periodi negli oceani, nel sottosuolo e sotto forma di ghiaccio. La Figura 37.14 illustra il tempo medio che una singola molecola d'acqua può trascorrere nei principali bacini idrici della Terra. Tempo di residenza è una misura del tempo medio di permanenza di una singola molecola d'acqua in un particolare serbatoio. Una grande quantità di acqua terrestre è bloccata in questi serbatoi sotto forma di ghiaccio, sotto terra e nell'oceano e, quindi, non è disponibile per il ciclo a breve termine (solo l'acqua di superficie può evaporare).

                                                        Ci sono vari processi che si verificano durante il ciclo dell'acqua, mostrati nella Figura 37.15. Questi processi includono quanto segue:

                                                        • evaporazione/sublimazione
                                                        • condensa/precipitazione
                                                        • flusso d'acqua sotterranea
                                                        • deflusso superficiale/scioglimento della neve
                                                        • flusso di flusso

                                                        Il ciclo dell'acqua è guidato dall'energia del sole mentre riscalda gli oceani e le altre acque superficiali. Ciò porta all'evaporazione (acqua in vapore acqueo) dell'acqua liquida superficiale e alla sublimazione (ghiaccio in vapore acqueo) dell'acqua ghiacciata, che deposita nell'atmosfera grandi quantità di vapore acqueo. Nel tempo, questo vapore acqueo si condensa in nuvole sotto forma di goccioline liquide o congelate ed è infine seguito da precipitazioni (pioggia o neve), che riportano l'acqua sulla superficie terrestre. La pioggia alla fine penetra nel terreno, dove può evaporare di nuovo se è vicina alla superficie, scorrere al di sotto della superficie o essere immagazzinata per lunghi periodi. Più facilmente osservabile è il deflusso superficiale: il flusso di acqua dolce proveniente dalla pioggia o dallo scioglimento del ghiaccio. Il deflusso può quindi farsi strada attraverso ruscelli e laghi verso gli oceani o fluire direttamente negli oceani stessi.

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                                                        1. Gli esseri umani utilizzano l'acqua degli oceani, che è l'ecosistema più comune.
                                                        2. Gli esseri umani utilizzano l'acqua dolce, che è l'ecosistema più raro.
                                                        3. Gli esseri umani utilizzano l'acqua dolce, che è l'ecosistema più comune.
                                                        4. Gli esseri umani utilizzano l'acqua degli oceani, che è l'ecosistema più raro.

                                                        La pioggia e il deflusso superficiale sono i principali modi in cui i minerali, tra cui carbonio, azoto, fosforo e zolfo, vengono ciclati dalla terra all'acqua. Gli effetti ambientali del ruscellamento saranno discussi più avanti man mano che verranno descritti questi cicli.

                                                        Il ciclo del carbonio

                                                        Il carbonio è il secondo elemento più abbondante negli organismi viventi. Il carbonio è presente in tutte le molecole organiche e il suo ruolo nella struttura delle macromolecole è di primaria importanza per gli organismi viventi. I composti del carbonio contengono un'energia particolarmente elevata, in particolare quella derivata da organismi fossili, principalmente piante, che gli esseri umani usano come combustibile. Dal 1800, il numero di paesi che utilizzano enormi quantità di combustibili fossili è aumentato. Dall'inizio della rivoluzione industriale, la domanda globale per le limitate forniture di combustibili fossili della Terra è aumentata, quindi la quantità di anidride carbonica nella nostra atmosfera è aumentata. Questo aumento dell'anidride carbonica è stato associato ai cambiamenti climatici e ad altri disturbi degli ecosistemi della Terra ed è una delle principali preoccupazioni ambientali in tutto il mondo. Pertanto, l'"impronta di carbonio" si basa su quanta anidride carbonica viene prodotta e su quanto i paesi consumano combustibili fossili.

                                                        Il ciclo del carbonio è più facilmente studiato come due sottocicli interconnessi: uno che si occupa del rapido scambio di carbonio tra gli organismi viventi e l'altro che si occupa del ciclo a lungo termine del carbonio attraverso processi geologici. L'intero ciclo del carbonio è mostrato nella Figura 37.16.

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                                                        1. Le fonti di carbonio, come la combustione di combustibili fossili, producono carbonio mentre i pozzi di carbonio, come gli oceani, assorbono carbonio.
                                                        2. Le fonti di carbonio, come l'attività vulcanica, assorbono carbonio mentre i pozzi di carbonio, come la vegetazione, producono carbonio.
                                                        3. Le fonti di carbonio, come la vegetazione, producono carbonio mentre i pozzi di carbonio, come l'attività vulcanica, assorbono carbonio.
                                                        4. Le fonti di carbonio, come l'attività vulcanica, producono carbonio mentre i pozzi di carbonio, come la combustione di combustibili fossili, assorbono carbonio.

                                                        Il ciclo biologico del carbonio

                                                        Gli organismi viventi sono collegati in molti modi, anche tra ecosistemi. Un buon esempio di questa connessione è lo scambio di carbonio tra autotrofi ed eterotrofi all'interno e tra gli ecosistemi tramite l'anidride carbonica atmosferica. L'anidride carbonica è l'elemento base che la maggior parte degli autotrofi usa per costruire composti multi-carbonio ad alta energia, come il glucosio. L'energia imbrigliata dal sole viene utilizzata da questi organismi per formare i legami covalenti che uniscono gli atomi di carbonio. Questi legami chimici immagazzinano quindi questa energia per un uso successivo nel processo di respirazione. La maggior parte degli autotrofi terrestri ottiene l'anidride carbonica direttamente dall'atmosfera, mentre gli autotrofi marini la acquisiscono nella forma disciolta (acido carbonico, H2CO3 − ). Tuttavia, l'anidride carbonica viene acquisita, un sottoprodotto del processo è l'ossigeno. Gli organismi fotosintetici sono responsabili del deposito di circa il 21% di contenuto di ossigeno nell'atmosfera che osserviamo oggi.

                                                        Gli eterotrofi e gli autotrofi sono partner nello scambio biologico del carbonio (in particolare i consumatori primari, in gran parte erbivori). Gli eterotrofi acquisiscono i composti di carbonio ad alta energia dagli autotrofi consumandoli e scomponendoli mediante la respirazione per ottenere energia cellulare, come l'ATP. Il tipo di respirazione più efficiente, la respirazione aerobica, richiede ossigeno ottenuto dall'atmosfera o disciolto in acqua. Quindi, c'è un costante scambio di ossigeno e anidride carbonica tra gli autotrofi (che hanno bisogno del carbonio) e gli eterotrofi (che hanno bisogno dell'ossigeno). Lo scambio di gas attraverso l'atmosfera e l'acqua è un modo in cui il ciclo del carbonio collega tutti gli organismi viventi sulla Terra.

                                                        Il ciclo biogeochimico del carbonio

                                                        Il movimento del carbonio attraverso la terra, l'acqua e l'aria è complesso e, in molti casi, avviene molto più lentamente geologicamente di quanto osservato tra gli organismi viventi. Il carbonio viene immagazzinato per lunghi periodi in quelli che sono noti come serbatoi di carbonio, che includono l'atmosfera, i corpi di acqua liquida (per lo più oceani), i sedimenti oceanici, il suolo, i sedimenti terrestri (compresi i combustibili fossili) e l'interno della Terra.

                                                        Come affermato, l'atmosfera è un importante serbatoio di carbonio sotto forma di anidride carbonica ed è essenziale per il processo di fotosintesi. Il livello di anidride carbonica nell'atmosfera è fortemente influenzato dal serbatoio di carbonio negli oceani. Lo scambio di carbonio tra l'atmosfera e le riserve idriche influenza la quantità di carbonio presente in ciascun luogo, e ciascuno si influenza reciprocamente. Anidride carbonica (CO2) dall'atmosfera si dissolve in acqua e si combina con le molecole d'acqua per formare acido carbonico, quindi si ionizza in ioni carbonato e bicarbonato (Figura 37.17)

                                                        I coefficienti di equilibrio sono tali che più del 90% del carbonio nell'oceano si trova sotto forma di ioni bicarbonato. Alcuni di questi ioni si combinano con il calcio dell'acqua di mare per formare carbonato di calcio (CaCO3), un componente importante delle conchiglie degli organismi marini. Questi organismi alla fine formano sedimenti sul fondo dell'oceano. Nel corso del tempo geologico, il carbonato di calcio forma il calcare, che comprende il più grande serbatoio di carbonio sulla Terra.

                                                        Sulla terra, il carbonio viene immagazzinato nel suolo a causa della decomposizione di organismi viventi (da parte dei decompositori) o dell'erosione di rocce e minerali terrestri. Questo carbonio può essere lisciviato nei serbatoi d'acqua per deflusso superficiale. Più in profondità nel sottosuolo, a terra e in mare, ci sono combustibili fossili: i resti anaerobicamente decomposti di piante che impiegano milioni di anni per formarsi. I combustibili fossili sono considerati una risorsa non rinnovabile perché il loro utilizzo supera di gran lunga il loro tasso di formazione. UN risorsa non rinnovabile, come i combustibili fossili, si rigenera molto lentamente o non si rigenera affatto. Un altro modo per il carbonio di entrare nell'atmosfera è dalla terra (inclusa la terra sotto la superficie dell'oceano) dall'eruzione di vulcani e altri sistemi geotermici. I sedimenti di carbonio dal fondo dell'oceano sono presi in profondità all'interno della Terra dal processo di subduzione: il movimento di una placca tettonica sotto un'altra. Il carbonio viene rilasciato come anidride carbonica quando un vulcano erutta o dalle bocche idrotermali vulcaniche.

                                                        L'anidride carbonica viene aggiunta all'atmosfera anche dalle pratiche di allevamento degli animali da parte dell'uomo. Il gran numero di animali terrestri allevati per nutrire la crescente popolazione della Terra si traduce in un aumento dei livelli di anidride carbonica nell'atmosfera a causa delle pratiche agricole, della respirazione e della produzione di metano. Questo è un altro esempio di come l'attività umana influisca indirettamente sui cicli biogeochimici in modo significativo. Sebbene gran parte del dibattito sugli effetti futuri dell'aumento del carbonio atmosferico sui cambiamenti climatici si concentri sui combustibili fossili, gli scienziati prendono in considerazione i processi naturali, come i vulcani e la respirazione, mentre modellano e prevedono l'impatto futuro di questo aumento.

                                                        Il ciclo dell'azoto

                                                        Ottenere azoto nel mondo vivente è difficile. Le piante e il fitoplancton non sono attrezzati per incorporare l'azoto dall'atmosfera (che esiste come N triplo covalente strettamente legato2) anche se questa molecola comprende circa il 78% dell'atmosfera. L'azoto entra nel mondo vivente tramite batteri a vita libera e simbiotici, che incorporano l'azoto nelle loro macromolecole attraverso la fissazione dell'azoto (conversione di N2). I cianobatteri vivono nella maggior parte degli ecosistemi acquatici in cui è presente la luce solare e svolgono un ruolo chiave nella fissazione dell'azoto. I cianobatteri sono in grado di utilizzare fonti inorganiche di azoto per "fissare" l'azoto. rizobio i batteri vivono in simbiosi nei noduli radicali dei legumi (come piselli, fagioli e arachidi) e forniscono loro l'azoto organico di cui hanno bisogno. Batteri a vita libera, come Azotobatteri, sono anche importanti fissatori di azoto.

                                                        L'azoto organico è particolarmente importante per lo studio della dinamica degli ecosistemi poiché molti processi ecosistemici, come la produzione primaria e la decomposizione, sono limitati dalla disponibilità di azoto. Come mostrato nella Figura 37.18, l'azoto che entra nei sistemi viventi tramite la fissazione dell'azoto viene successivamente riconvertito da azoto organico in azoto gassoso dai batteri. Questo processo avviene in tre fasi nei sistemi terrestri: ammonificazione, nitrificazione e denitrificazione. In primo luogo, il processo di ammonificazione converte i rifiuti azotati da animali vivi o dai resti di animali morti in ammonio (NH4 + ) da alcuni batteri e funghi. In secondo luogo, l'ammonio viene convertito in nitriti (NO2 − ) nitrificando batteri, come Nitrosomonas, tramite nitrificazione. Successivamente, i nitriti vengono convertiti in nitrati (NO3 − ) da organismi simili. In terzo luogo, si verifica il processo di denitrificazione, per cui batteri, come Pseudomonas e Clostridio, convertono i nitrati in gas azoto, permettendogli di rientrare nell'atmosfera.

                                                        Connessione visiva

                                                        1. L'ammonificazione converte la materia organica azotata dagli organismi viventi in ammonio (NH4 + ).
                                                        2. La denitrificazione da parte dei batteri converte i nitrati (NO3 - ) in gas azoto (N2).
                                                        3. La nitrificazione da parte dei batteri converte i nitrati (NO3 - ) in nitriti (NO2 - ).
                                                        4. I batteri che fissano l'azoto convertono il gas azoto (N2) in composti organici.

                                                        L'attività umana può rilasciare azoto nell'ambiente attraverso due mezzi principali: la combustione di combustibili fossili, che rilascia diversi ossidi di azoto, e l'uso di fertilizzanti artificiali in agricoltura, che vengono poi lavati in laghi, torrenti e fiumi per deflusso superficiale. L'azoto atmosferico è associato a diversi effetti sugli ecosistemi della Terra, inclusa la produzione di piogge acide (come acido nitrico, HNO3) e gas serra (come protossido di azoto, N2O) potenzialmente causa di cambiamenti climatici. Un effetto importante del deflusso dei fertilizzanti è l'acqua salata e l'acqua dolce eutrofizzazione, un processo per cui il deflusso di nutrienti provoca la crescita eccessiva di microrganismi, impoverendo i livelli di ossigeno disciolto e uccidendo la fauna dell'ecosistema.

                                                        Un processo simile si verifica nel ciclo dell'azoto marino, dove i processi di ammonificazione, nitrificazione e denitrificazione vengono eseguiti da batteri marini. Parte di questo azoto cade sul fondo dell'oceano come sedimento, che può quindi essere spostato a terra in tempo geologico sollevando la superficie terrestre e quindi incorporato nella roccia terrestre. Sebbene il movimento dell'azoto dalla roccia direttamente nei sistemi viventi sia stato tradizionalmente considerato insignificante rispetto all'azoto fissato dall'atmosfera, uno studio recente ha mostrato che questo processo può effettivamente essere significativo e dovrebbe essere incluso in qualsiasi studio del ciclo globale dell'azoto. 3

                                                        Collegamento alla pratica scientifica per i corsi AP®

                                                        Pensaci

                                                        Qual è il processo di fissazione dell'azoto e in che modo è correlato alla rotazione delle colture in agricoltura?

                                                        Supporto agli insegnanti

                                                        Pensaci: la fissazione dell'azoto è l'incorporazione di azoto inorganico nelle molecole biologiche. Alcune colture fissano l'azoto più facilmente, lasciando azoto nel terreno per la successiva goccia piantata lì. La domanda è un'applicazione dell'obiettivo di apprendimento AP ® 2.8 e della pratica scientifica 4.1 perché gli studenti stanno descrivendo come un tipo di molecola/elemento viene assorbito dai batteri per essere utilizzato per sintetizzare le macromolecole necessarie per i processi cellulari in altri organismi.

                                                        La fissazione dell'azoto fa parte del ciclo dell'azoto. Un'animazione che aiuta gli studenti a visualizzare un altro ciclo biogeochimico, il ciclo del carbonio, è disponibile qui. Gli studenti possono anche simulare gli effetti del ciclo del carbonio seguendo questo modello.

                                                        Il ciclo del fosforo

                                                        Il fosforo è un nutriente essenziale per i processi viventi, è un componente importante dell'acido nucleico e dei fosfolipidi e, come fosfato di calcio, costituisce i componenti di supporto delle nostre ossa. Il fosforo è spesso il nutriente limitante (necessario per la crescita) negli ecosistemi acquatici (Figura 37.19).

                                                        Il fosforo si presenta in natura come ione fosfato (PO4 3−). Oltre al deflusso di fosfati a causa dell'attività umana, il deflusso superficiale naturale si verifica quando viene lisciviato dalla roccia contenente fosfati dagli agenti atmosferici, inviando così fosfati nei fiumi, nei laghi e nell'oceano. Questa roccia ha le sue origini nell'oceano. I sedimenti oceanici contenenti fosfati si formano principalmente dai corpi degli organismi oceanici e dalle loro escrezioni. Tuttavia, nelle regioni remote, anche ceneri vulcaniche, aerosol e polveri minerali possono essere importanti fonti di fosfato. Questo sedimento viene quindi spostato a terra nel corso del tempo geologico dal sollevamento di aree della superficie terrestre.

                                                        Il fosforo viene anche scambiato reciprocamente tra il fosfato disciolto nell'oceano e gli ecosistemi marini. Il movimento del fosfato dall'oceano alla terra e attraverso il suolo è estremamente lento, con lo ione fosfato medio che ha un tempo di residenza oceanico tra 20.000 e 100.000 anni.

                                                        L'eccesso di fosforo e azoto che entra in questi ecosistemi dal deflusso di fertilizzanti e dalle acque reflue provoca una crescita eccessiva di microrganismi e impoverisce l'ossigeno disciolto, che porta alla morte di molti ecosistemi faunistici, come crostacei e pesci pinna. Questo processo è responsabile delle zone morte nei laghi e alle foci di molti grandi fiumi (Figura 37.19).

                                                        UN zona morta è un'area all'interno di un ecosistema di acqua dolce o marina in cui vaste aree sono prive della loro normale flora e fauna, queste zone possono essere causate da eutrofizzazione, fuoriuscite di petrolio, scarico di sostanze chimiche tossiche e altre attività umane. Il numero di zone morte è in aumento da diversi anni e nel 2008 ne erano presenti più di 400. Una delle zone morte peggiori è al largo delle coste degli Stati Uniti nel Golfo del Messico, dove il deflusso di fertilizzanti dal Il bacino del fiume Mississippi ha creato una zona morta di oltre 8463 miglia quadrate. Il deflusso di fosfati e nitrati dai fertilizzanti influisce negativamente anche su diversi ecosistemi di laghi e baie tra cui la baia di Chesapeake negli Stati Uniti orientali.

                                                        Connessione quotidiana

                                                        Baia di Chesapeake

                                                        La baia di Chesapeake è stata a lungo considerata una delle aree più panoramiche della Terra, ora è in pericolo ed è riconosciuta come un ecosistema in declino. Negli anni '70, la baia di Chesapeake è stato uno dei primi ecosistemi ad aver identificato zone morte, che continuano a uccidere molti pesci e specie che vivono sul fondo, come vongole, ostriche e vermi. Diverse specie sono diminuite nella baia di Chesapeake a causa del deflusso delle acque superficiali contenente nutrienti in eccesso dal fertilizzante artificiale utilizzato sulla terraferma. La fonte dei fertilizzanti (ad alto contenuto di azoto e fosfato) non è limitata alle pratiche agricole. Ci sono molte aree urbane vicine e più di 150 fiumi e torrenti si svuotano nella baia che trasportano il deflusso di fertilizzanti da prati e giardini. Pertanto, il declino della baia di Chesapeake è una questione complessa e richiede la cooperazione dell'industria, dell'agricoltura e dei proprietari di case di tutti i giorni.

                                                        Di particolare interesse per gli ambientalisti è la popolazione di ostriche, si stima che nel 1700 esistessero nella baia più di 200.000 acri di banchi di ostriche, ma ora quel numero è sceso a soli 36.000 acri. La raccolta delle ostriche era una volta un'importante industria per Chesapeake Bay, ma è diminuita dell'88% tra il 1982 e il 2007. Questo calo è dovuto non solo al deflusso di fertilizzanti e alle zone morte, ma anche a una raccolta eccessiva. Le ostriche richiedono una certa densità di popolazione minima perché devono essere nelle immediate vicinanze per riprodursi. L'attività umana ha alterato la popolazione e le posizioni delle ostriche, sconvolgendo notevolmente l'ecosistema.

                                                        Il ripristino della popolazione di ostriche nella baia di Chesapeake è in corso da diversi anni con alterne fortune. Non solo molte persone trovano le ostriche buone da mangiare, ma ripuliscono anche la baia. Le ostriche sono filtratrici e mentre mangiano puliscono l'acqua intorno a loro. Nel 1700 si stimava che bastassero pochi giorni alla popolazione di ostriche per filtrare l'intero volume della baia. Oggi, con le mutate condizioni dell'acqua, si stima che la popolazione attuale impiegherebbe quasi un anno per fare lo stesso lavoro.

                                                        Gli sforzi di restauro sono in corso da diversi anni da organizzazioni senza scopo di lucro, come la Chesapeake Bay Foundation. L'obiettivo del restauro è trovare un modo per aumentare la densità della popolazione in modo che le ostriche possano riprodursi in modo più efficiente. Molte varietà resistenti alle malattie (sviluppate presso il Virginia Institute of Marine Science per il College of William and Mary) sono ora disponibili e sono state utilizzate nella costruzione di banchi di ostriche sperimentali. Gli sforzi per pulire e ripristinare la baia da parte della Virginia e del Delaware sono stati ostacolati perché gran parte dell'inquinamento che entra nella baia proviene da altri stati, il che sottolinea la necessità di una cooperazione interstatale per ottenere un ripristino di successo.

                                                        I nuovi, abbondanti ceppi di ostriche hanno anche generato una nuova ed economicamente sostenibile industria, l'acquacoltura di ostriche, che non solo fornisce ostriche per cibo e profitto, ma ha anche il vantaggio di pulire la baia.

                                                        1. L'eccesso di azoto dal fertilizzante riduce la crescita microbica, impoverendo l'ossigeno disciolto nell'acqua, uccidendo così la fauna dell'ecosistema.
                                                        2. Il deflusso del fertilizzante riduce la concentrazione di anidride carbonica nell'acqua, uccidendo così la fauna dell'ecosistema.
                                                        3. Il deflusso del fertilizzante produce una zona morta nella baia di Chesapeake aumentando la concentrazione di ossigeno nell'ecosistema.
                                                        4. L'eccesso di azoto dal fertilizzante aumenta la crescita microbica, impoverendo l'ossigeno disciolto nell'acqua, uccidendo così la fauna dell'ecosistema.

                                                        Il ciclo dello zolfo

                                                        Lo zolfo è un elemento essenziale per le macromolecole degli esseri viventi. Come parte dell'aminoacido cisteina, è coinvolta nella formazione di legami disolfuro all'interno delle proteine, che aiutano a determinare i loro schemi di ripiegamento 3D e quindi le loro funzioni. Come mostrato nella Figura 37.21, i cicli dello zolfo tra gli oceani, la terra e l'atmosfera. Lo zolfo atmosferico si trova sotto forma di anidride solforosa (SO2) ed entra nell'atmosfera in tre modi: dalla decomposizione di molecole organiche, dall'attività vulcanica e dalle bocche geotermiche e dalla combustione di combustibili fossili da parte dell'uomo.

                                                        Sulla terra, lo zolfo si deposita in quattro modi principali: precipitazioni, ricadute dirette dall'atmosfera, disfacimento delle rocce e sfiati geotermici (Figura 37.22). Lo zolfo atmosferico si trova sotto forma di anidride solforosa (SO2), e quando la pioggia cade attraverso l'atmosfera, lo zolfo si dissolve sotto forma di acido solforoso debole (H2COSÌ3). Lo zolfo può anche cadere direttamente dall'atmosfera in un processo chiamato cadere. Inoltre, l'erosione delle rocce contenenti zolfo rilascia zolfo nel terreno. Queste rocce provengono da sedimenti oceanici che vengono spostati a terra dal sollevamento geologico dei sedimenti oceanici. Gli ecosistemi terrestri possono quindi utilizzare questi solfati del suolo (SO 4 − SO 4 − ), e alla morte e decomposizione di questi organismi, rilasciano lo zolfo nell'atmosfera come acido solfidrico (H2S) gas.

                                                        Lo zolfo entra nell'oceano tramite il deflusso dalla terraferma, dalle ricadute atmosferiche e dalle bocche geotermiche sottomarine. Alcuni ecosistemi (Figura 37.9) si affidano a chemioautotrofi che utilizzano lo zolfo come fonte di energia biologica. Questo zolfo supporta quindi gli ecosistemi marini sotto forma di solfati.

                                                        Le attività umane hanno svolto un ruolo importante nell'alterare l'equilibrio del ciclo globale dello zolfo. La combustione di grandi quantità di combustibili fossili, in particolare dal carbone, rilascia nell'atmosfera grandi quantità di gas idrogeno solforato. Quando la pioggia cade attraverso questo gas, crea il fenomeno noto come pioggia acida. Pioggia acida è una pioggia corrosiva causata dall'acqua piovana che cade al suolo attraverso il gas di anidride solforosa, trasformandola in acido solforico debole, che provoca danni agli ecosistemi acquatici. Le piogge acide danneggiano l'ambiente naturale abbassando il pH dei laghi, uccidendo gran parte della fauna residente e danneggiando anche l'ambiente antropizzato attraverso il degrado chimico degli edifici. Ad esempio, molti monumenti in marmo, come il Lincoln Memorial a Washington, DC, hanno subito danni significativi a causa delle piogge acide nel corso degli anni. Questi esempi mostrano gli effetti ad ampio raggio delle attività umane sul nostro ambiente e le sfide che rimangono per il nostro futuro.

                                                        Link all'apprendimento

                                                        Fare clic su questo collegamento per ulteriori informazioni sul cambiamento climatico globale.

                                                        1. L'effetto serra è ridotto a causa delle attività umane.
                                                        2. Le attività umane rafforzano l'effetto serra intrappolando più calore nell'atmosfera.
                                                        3. Le attività umane riducono il rilascio di anidride carbonica, rafforzando così l'effetto serra.
                                                        4. Le attività umane fanno sì che meno calore venga intrappolato nell'atmosfera e diminuiscano la temperatura.

                                                        Il movimento dei nutrienti minerali attraverso gli organismi e il loro ambiente è chiamato ciclo ________.

                                                        Il carbonio è presente nell'atmosfera come ________.

                                                        La maggior parte dell'acqua presente sulla Terra è:

                                                        Il tempo medio che una molecola trascorre nel suo serbatoio è noto come ________.

                                                        Il processo per cui l'ossigeno viene impoverito dalla crescita di microrganismi a causa di nutrienti in eccesso nei sistemi acquatici è chiamato ________.

                                                        Il processo mediante il quale l'azoto viene portato nelle molecole organiche è chiamato ________.

                                                        Descrivi la fissazione dell'azoto e perché è importante per l'agricoltura.

                                                        La fissazione dell'azoto è il processo per portare il gas azoto dall'atmosfera e incorporarlo nelle molecole organiche. La maggior parte delle piante non ha questa capacità e per farlo deve fare affidamento su batteri a vita libera o simbiotici. Poiché l'azoto è spesso il nutriente limitante nella crescita delle colture, gli agricoltori utilizzano fertilizzanti artificiali per fornire una fonte di azoto alle piante durante la crescita.

                                                        Quali sono i fattori che causano le zone morte? Descrivere l'eutrofizzazione, in particolare, come causa.

                                                        Molti fattori possono uccidere la vita in un lago o in un oceano, come l'eutrofizzazione dovuta al deflusso superficiale ricco di sostanze nutritive, le fuoriuscite di petrolio, le fuoriuscite di rifiuti tossici, i cambiamenti climatici e lo scarico di rifiuti nell'oceano. L'eutrofizzazione è il risultato del deflusso ricco di sostanze nutritive dalla terra mediante fertilizzanti artificiali ad alto contenuto di azoto e fosforo. Questi nutrienti causano la crescita rapida ed eccessiva di microrganismi, che impoveriscono l'ossigeno disciolto locale e uccidono molti pesci e altri organismi acquatici.

                                                        Perché le forniture di acqua potabile sono ancora una delle principali preoccupazioni per molti paesi?

                                                        La maggior parte dell'acqua sulla Terra è acqua salata, che gli esseri umani non possono bere a meno che il sale non venga rimosso. Parte dell'acqua dolce è bloccata nei ghiacciai e nelle calotte polari o è presente nell'atmosfera. Le riserve idriche della Terra sono minacciate dall'inquinamento e dall'esaurimento. Lo sforzo di fornire acqua potabile alla popolazione umana in continua espansione del pianeta è visto come una grande sfida in questo secolo.


                                                        Matrice di gestione dell'azoto

                                                        La seguente matrice di gestione dell'azoto può essere utilizzata per valutare l'attuale gestione dei nutrienti azotati dell'azienda agricola e fornire indicazioni su pratiche di gestione dell'azoto accettabili e migliorate. Questa matrice si basa sul concetto delle 4R di gestione dei nutrienti, che fornisce un quadro per raggiungere gli obiettivi del sistema di coltivazione, come aumento della produzione, aumento della redditività degli agricoltori, maggiore protezione dell'ambiente e migliore sostenibilità utilizzando la giusta fonte, il giusto tasso, applicato al al momento giusto e nel posto giusto. Le categorie di gestione nella colonna di sinistra della matrice si basano sulle 4R. Le pratiche elencate nella colonna di destra non sono accettabili secondo le attuali normative Act 38 in Pennsylvania. Le pratiche elencate come "eque" rappresenterebbero la gestione minima richiesta per soddisfare i regolamenti dell'Atto 38. Le categorie di gestione "buona" e "migliore" forniscono una guida basata sulle 4R per migliorare la gestione dell'N oltre il minimo legale. Questa matrice dovrebbe essere utilizzata per prendere decisioni sulla gestione dell'N per fertilizzanti e letame in tutti i piani di gestione dei nutrienti.L'obiettivo della gestione nel tempo è eliminare la gestione nella categoria "non accettabile" e spostare N gestione dalle categorie "equo" alle categorie "buono" e "migliore". Seguendo questa matrice ci sono maggiori dettagli sulle pratiche di gestione che miglioreranno la gestione dell'N per la produzione agricola nella tua azienda agricola e assicureranno di soddisfare i requisiti normativi per proteggere l'ambiente.

                                                        Fertilizzante
                                                        Gestione
                                                        MeglioBeneEquoNon accettabile dai regolamenti della legge 38
                                                        Fertilizzante Azoto N Tasso di fertilizzante Il tasso non supera la raccomandazione N del raccolto o la rimozione di N da parte dei legumi e considera il raccolto di leguminose precedente, la storia precedente del letame e il metodo di applicazione del letame pianificato e PSNT, misuratore di clorofilla o altri test utilizzati per regolare il tasso di N di sidedress Il tasso non supera la raccomandazione N del raccolto o la rimozione di N da parte dei legumi e considera il raccolto di leguminose precedente, la storia precedente del letame e il metodo di applicazione del letame pianificato Il tasso non supera la raccomandazione N del raccolto o la rimozione di N da parte dei legumi Il dosaggio supera la raccomandazione del raccolto N e non considera la precedente coltura di leguminose, la precedente storia di letame e l'applicazione pianificata del letame
                                                        N Tempi del fertilizzante Fertilizzante applicato in applicazioni frazionate in sincronia con l'assorbimento del raccolto (ad es., applicare tagliando ai foraggi d'erba, concimare N sul mais, applicare la maggior parte di N in primavera ai cereali invernali) Fertilizzante applicato immediatamente (giorni) prima di piantare colture annuali
                                                        o
                                                        applicato in precedenza (settimane) a una coltura di copertura in crescita
                                                        o
                                                        applicato prima (settimane) con un inibitore della nitrificazione
                                                        Fertilizzante applicato con largo anticipo (settimane) rispetto alla semina di colture annuali senza colture di copertura o assorbimento previsto da parte di una coltura perenne Fertilizzante applicato un mese o più prima di piantare una coltura annuale o l'assorbimento previsto da parte di una coltura perenne
                                                        N Tempi di incorporazione del fertilizzante (UAN, urea e miscele di urea) Fertilizzante posto o iniettato direttamente nel terreno Fertilizzante incorporato entro 1 giorno Fertilizzante incorporato entro 1 settimana Fertilizzante non incorporato (vedere "Metodi di incorporazione del fertilizzante N" di seguito per alternative all'incorporazione)
                                                        Metodo di incorporazione del fertilizzante N (UAN, urea e miscele di urea) Fertilizzante posizionato o iniettato direttamente nel terreno con il minimo disturbo del suolo Fertilizzante incorporato con metodi di coltivazione conservativa
                                                        o
                                                        non incorporato e un inibitore dell'ureasi utilizzato con urea o fertilizzante UAN
                                                        o
                                                        applicazione banda superficiale non incorporata di UAN
                                                        o
                                                        non incorporato ma applicato immediatamente prima di un evento di pioggia che non produce deflusso
                                                        Fertilizzante incorporato con metodi di lavorazione convenzionali
                                                        o
                                                        non incorporato
                                                        Non applicabile
                                                        Azoto di letame Posizione del letame Letame applicato su terreni piani e ben drenati lontano dall'acqua con colture in crescita o 25% dei residui colturali e pratiche di conservazione implementate Letame applicato su terreni in pendenza e ben drenati con colture in crescita o 25% di residui colturali e pratiche di conservazione implementate Letame applicato su pendii ripidi o in aree soggette a allagamenti e terreni eccessivamente drenati o poco drenati Letame applicato entro le battute d'arresto richieste dell'applicazione o dove limitato dall'indice P o su una pendenza superiore al 15% in inverno
                                                        Tasso N letame Il tasso non supera il fabbisogno netto di N raccolto e considera il raccolto di leguminose precedente, la storia precedente di letame e il fertilizzante N da applicare indipendentemente dal letame (ad es. fabbisogno di N netto Il tasso non supera il fabbisogno netto di N raccolto e considera il raccolto di leguminose precedente, la storia precedente del letame e il fertilizzante N da applicare indipendentemente dal letame (ad es. fabbisogno di N netto Il tasso non supera il fabbisogno netto di N raccolto e considera il raccolto di leguminose precedente, la storia precedente del letame e il fertilizzante N da applicare indipendentemente dal letame (ad es. fabbisogno di N netto Il tasso supera il fabbisogno di N raccolto netto
                                                        Tempi di applicazione del letame Letame applicato a colture in crescita (principalmente colture foraggere)
                                                        o
                                                        applicato immediatamente (giorni) prima di piantare colture annuali
                                                        Letame applicato a una coltura di copertura in crescita entro 4 settimane dalla semina delle colture annuali
                                                        o
                                                        letame iniettato applicato con un inibitore della nitrificazione entro 4 settimane dalla semina delle colture annuali
                                                        Letame applicato con largo anticipo (un mese o più) rispetto alla semina di colture annuali con una coltura di copertura o almeno il 25% di copertura residua Letame applicato in inverno su terreno ghiacciato/innevato o applicato con largo anticipo (un mese o più) rispetto alla semina di colture annuali senza colture di copertura o con copertura residua inferiore al 25%
                                                        Tempi di incorporazione del letame Letame posto o iniettato direttamente nel terreno Letame incorporato entro 1 giorno 3 Letame incorporato entro 1 settimana Letame non incorporato (vedere "Metodi di incorporazione del letame" di seguito per alternative all'incorporazione)
                                                        Metodo di incorporazione del letame Letame collocato o iniettato direttamente nel terreno con il minimo disturbo del suolo Letame incorporato con metodi di coltivazione conservativa
                                                        o
                                                        non incorporato ma applicato immediatamente prima di un evento di pioggia che non produce deflusso
                                                        Letame incorporato con metodi di lavorazione convenzionali
                                                        o
                                                        non incorporato
                                                        Non applicabile


                                                        Perché il fosforo o l'azoto non sono un nutriente limitante per gli animali? - Biologia

                                                        Quasi tutta la vita sulla terra è supportata dalle piante perché hanno la capacità unica di trasformare l'energia del sole in materia organica che serve da cibo per tutti gli altri. In questo modo producono anche ossigeno di cui praticamente anche tutti gli altri hanno bisogno. Ci sono anche molti batteri in grado di farlo. Queste piante e questi batteri stanno producendo energia che il resto dell'ecosistema può utilizzare, e quindi sono chiamati il produttori primari. L'energia che producono si chiama produzione primaria, e la velocità con cui producono l'energia è chiamata produttività.

                                                        Nell'oceano, la maggior parte dei produttori primari sono microscopiche alghe unicellulari. Queste celle sono misurate in milionesimi di metro o micrometri o micron. Le alghe sono tipicamente 5-50 micron che è circa la larghezza di un capello. E sono essenzialmente responsabili della vita nell'oceano!

                                                        Le piante convertono l'energia solare in energia chimica immagazzinata come materia organica attraverso il processo di fotosintesi. In questo processo, la luce solare rimuove l'ossigeno dall'anidride carbonica. Gli atomi di carbonio solitari sono altamente reattivi e quindi "afferrano" le molecole d'acqua. Vengono rilasciate molecole di ossigeno. Questo processo di idratazione produce carboidrati che sono abbastanza stabili e possono essere conservati per un uso successivo. Anche le piante fanno lipidi o grassi, e proteine o aminoacidi con i carboidrati Questo è ciò di cui è fatta la materia organica come te.

                                                        Questa energia immagazzinata può essere rilasciata in seguito bruciando o ossidante il carbonio. In questo caso l'ossigeno viene aggiunto ai carboidrati --- proprio il contrario della fotosintesi:

                                                        C(H2O) + O2 à C02 + H20 + energia

                                                        Questo processo si chiama respirazione. Questo è ciò che ti fornisce tutta l'energia di cui hai bisogno per vivere. E tutto proveniva originariamente dal sole, attraverso le piante. E pensavi di essere importante!

                                                        Di cosa hanno bisogno le piante per fare questo per noi? Bene, considera le tue piante d'appartamento. Cosa devi fare per tenerli in vita. Dai loro luce, acqua e, se sei veramente coscienzioso, fertilizzante. Le alghe nell'oceano hanno bisogno delle stesse cose. L'acqua non è un problema, ovviamente. Le alghe sono progettate per galleggiare in modo che rimangano vicino alla superficie e possano ricevere la luce del sole. E il fertilizzante? Proprio come le tue piante, queste nutrienti sono i fattore limitante nella crescita delle alghe. Generalmente azoto e fosforo sono maggiormente richiesti e tendono ad essere piuttosto scarsi nell'ambiente marino. Da dove vengono?

                                                        Poiché i nutrienti sono il fattore limitante nella crescita delle alghe, maggiore è il numero di nutrienti maggiore è la produttività. Innanzitutto come facciamo a sapere quanta produttività c'è? Ci sono diversi modi per misurare questo. Primo, in generale, maggiore è la produttività in un ambiente, maggiore è l'abbondanza di vita. Quindi un modo per misurare la produttività è quantificare la massa degli organismi viventi, ad esempio gli organismi per metro cubo (metro quadrato se si parla di terra). Poiché gli animali di solito si muovono, questo è fatto più efficacemente con le piante. Nell'oceano questo significa contare le cellule di alghe.

                                                        Poiché le alghe producono ossigeno, un altro modo per quantificare (cioè misurare) le alghe consiste nel mettere un campione di acqua di mare in un contenitore sigillato e misurare la quantità di ossigeno che aumenta nell'acqua dopo un periodo di tempo. Questo di solito viene fatto ogni 24 ore. Questo metodo in genere confronta l'aumento di ossigeno in una bottiglia che lascia entrare la luce rispetto a una bottiglia che è oscurata. Nella bottiglia oscurata può avvenire solo la respirazione, quindi l'ossigeno che viene consumato da quel processo può essere determinato e aggiunto all'ossigeno prodotto dalla fotosintesi nella bottiglia chiara (nella bottiglia chiara avviene la stessa quantità di respirazione di quella scura ). In questo modo è possibile misurare la produzione totale di ossigeno. Questo si chiama metodo bottiglia chiaro-scuro.

                                                        Questi metodi funzionano in piccole aree, ma come guardiamo l'intero oceano? Un modo nuovo e più semplice per stimare la produttività oceanica è la misurazione satellitare. I satelliti possono misurare il colore dell'oceano. Più verde è l'acqua di superficie dell'oceano, più alghe, quindi maggiore è la produttività. In questo modo possono essere prodotte mappe globali della produttività come quella qui sotto. Qui i rossi indicano una produttività molto elevata e i viola indicano una bassa produttività. Ovviamente i dati sono codificati a colori per migliorare la chiarezza. Gli oceani non sono proprio viola.

                                                        Guardando quella mappa, che schemi vedi?

                                                        Dove sono le zone rosse di massima produttività? Il luogo più evidente è nell'Artico e nell'Antartico. Probabilmente li immagini come luoghi freddi e ostili dove non succede molto, eppure guardi questa produttività. Cosa sta succedendo? Considera cosa è necessario per la produttività: acqua, luce solare e sostanze nutritive. L'acqua nell'oceano non è mai un problema. Luce del sole? Bene, c'è il sole intorno ai poli nord e sud per 24 ore al giorno per metà dell'anno. È un sacco di sole. E i nutrienti? Sicuramente non molte sostanze nutritive si stanno erodendo dal ghiaccio? È vero, ma i modelli di vento e le correnti che si muovono intorno all'Artico e all'Antartico causano molto risalita. Ricorda che questo è quando l'acqua superficiale viene spostata e l'acqua profonda arriva in superficie per sostituirla. Quell'acqua profonda è piena di sostanze nutritive che si sono depositate. Quindi abbiamo molto sole e molte sostanze nutritive, quindi c'è molta produttività.

                                                        Dove altro è alta la produttività?

                                                        Lungo la maggior parte delle coste. Perchè è questo? Beh, ovviamente c'è molta acqua e praticamente sole ovunque. E i nutrienti? Ebbene, da dove vengono i nutrienti? L'upwelling è una fonte e abbiamo diverse situazioni come al largo del Sud America nel Pacifico dove abbiamo upwelling a causa delle correnti che spostano l'acqua al largo (ricordate la nostra discussione su El Nino/Southern Oscillation). C'è upwelling anche per altri motivi. Guarda la figura:

                                                        Inoltre, l'acqua lungo le piattaforme continentali è relativamente bassa e quindi è turbolento. Questa turbolenza o mescolando mantiene la sedimentazione dei nutrienti stimolata e disponibile. Questo è uno dei motivi principali per cui la baia di Chesapeake è così produttiva. La parte inferiore è molto vicina alla parte superiore. Infine, molti nutrienti vengono erosi dai continenti stessi e quindi l'acqua vicino alla costa tende ad essere ricca di sostanze nutritive.

                                                        Dove non è alta la produttività?

                                                        Hai bisogno di luce solare e sostanze nutritive per la produttività. In acque profonde ci sono molte sostanze nutritive ma nessuna luce solare. Questo è il motivo per cui è ragionevole misurare la produttività semplicemente osservando le acque superficiali. Nelle acque superficiali lontane dalle coste, generalmente c'è molto sole ma non abbastanza nutrienti. Quindi la maggior parte della superficie dell'oceano non è molto produttiva. L'acqua è troppo profonda perché le tempeste possano sollevare sostanze nutritive dal fondo e non c'è risalita.

                                                        La produttività media degli oceani è di circa 50 grammi di carbonio per metro quadrato all'anno. La produttività del oceano aperto (oceano lontano dalle coste) è paragonabile alla produzione del deserto. Ciò significa che la maggior parte dell'oceano, o circa il 90%, è essenzialmente deserto. E poiché l'oceano costituisce oltre il 70% della superficie terrestre, non sorprende che la terra sia molto più produttiva dell'oceano, anche se la vita sulla terraferma sembrerebbe essere più dura le piante terrestri non sono immerse nell'acqua. La produttività media della terra è di 160 grammi di carbonio per metro quadrato all'anno. Il problema nell'oceano è che l'acqua è così profonda che i nutrienti scendono rapidamente al di sotto della portata delle alghe ed è molto difficile recuperarli. Nella maggior parte dei casi semplicemente non succede. Nelle aree di upwelling lungo le coste dove vengono riportati i nutrienti, la produttività è 5-6 volte quella dell'oceano aperto e superiore alla media terrestre. Non è alto come foreste pluviali o estuari/paludi salmastre però.

                                                        Questa trappola per i nutrienti del mare profondo è evidente se guardiamo alle acque tropicali e ai modelli stagionali. Pensiamo ai tropici come ad aree altamente produttive. E sono, a terra. Nell'oceano, l'acqua di superficie diventa molto calda e ricorda che l'acqua calda è meno densa di quella fredda. Ciò significa che l'acqua calda in effetti rimane bloccata sopra l'acqua fredda dove si trovano tutti i nutrienti. Nelle zone temperate, questo accade solo in estate. In autunno, quando le acque superficiali si raffreddano, iniziano a mescolarsi con le acque sottostanti e questa miscelazione, con l'aiuto delle tempeste invernali, suscita sostanze nutritive. Quindi l'oceano è più produttivo nelle zone temperate. Questo spiega anche perché i tropici hanno quell'acqua blu abbastanza limpida. Non c'è molta vita in esso! La nostra acqua sembra verde perché è piena di alghe. Questo modello è illustrato di seguito:

                                                        Quindi nelle zone temperate ho appena detto che in inverno l'acqua si mescola facilmente e quindi i nutrienti sono disponibili e quindi la produttività è alta, giusto? Beh no. In inverno, non c'è abbastanza sole. Arriva la primavera però, le sostanze nutritive sono ancora lì, il sole aumenta e le alghe impazziscono. Questo si chiama fioritura primaverile. Le alghe si moltiplicano rapidamente, l'acqua può essere un po' torbida per un po', ma alla fine quei nutrienti si esauriscono e poiché durante questo periodo l'acqua di superficie si è riscaldata, gradualmente si blocca di nuovo sulla superficie eliminando la fonte di nutrienti. Questo termina la fioritura entro l'estate.

                                                        Troppo di una cosa buona

                                                        Abbiamo detto che i nutrienti provengono dalla terra, quindi l'acqua costiera è la più produttiva. Questo ha un lato negativo. L'inquinamento delle coste è un grosso problema. Tutti gli inquinanti che vomitiamo sulla terra finiscono per finire nell'acqua in un modo o nell'altro, o semplicemente li scarichiamo direttamente nell'acqua. Questo funzionava quando non c'erano molti di noi. Sfortunatamente, agli umani piace vivere lungo la costa, e sempre più persone lo stanno facendo. E anche se sei su una linea fognaria in modo che le tue acque reflue vengano trattate prima che finiscano nell'acqua e sei coscienzioso nel non scaricare le tossine nello scarico, sei parte del problema. La tua auto emette ogni sorta di cose cattive. Probabilmente prendi la tua elettricità da una centrale a vapore alimentata a carbone che mette mercurio nelle acque costiere. Quando piove così forte che i nostri sistemi di trattamento delle acque reflue non riescono a gestire l'acqua, l'eccesso trabocca e finisce comunque nell'acqua. Ci sono molte tossine di cui potremmo parlare, ma dal momento che siamo interessati ai nutrienti, perché sono un problema?

                                                        Innanzitutto i nutrienti, soprattutto azoto e fosforo, sono limitante. Ciò significa che le alghe crescerebbero di più se ce ne fossero di più disponibili. Beh, indovina un po'? L'azoto è il nutriente principale nelle acque reflue, sia le tue che quelle di un allevamento di suini. Inoltre, le fattorie e i campi da golf utilizzano fertilizzanti sui loro terreni e molti di questi tendono a defluire e finire nell'acqua. Il fosforo si trova in molti dei nostri prodotti per la pulizia che finiscono tutti nello scarico e anche nell'acqua. E così le alghe costiere hanno spesso un buffet regolare di sostanze nutritive disponibili. In risposta a questo, è fiorisce. Così? Questo è più cibo per i pesci, giusto? Ebbene sì, fino a un certo punto. Ma molto rapidamente c'è più cibo di quanto il pesce possa mangiare. In effetti ci sono così tante alghe che in realtà inizia a bloccare la propria fonte di luce e quindi inizia a morire. Non mangia troppo le alghe morte. Per lo più i batteri lavorano nel processo di decadimento. Ma i batteri devono respirare e quindi il processo di decadimento consuma ossigeno. Non molto vive senza ossigeno ed è così che finisci con i pesci che uccidono. E questo non è lo scenario peggiore. Le alghe stesse possono essere tossiche. Questo sarebbe un marea rossa, o probabilmente ne hai sentito parlare pfisteria che è tossico e sembra spuntare sempre di più qui nel sud-est. Le maree tossiche in generale sembrano presentarsi più frequentemente. Le barriere coralline sono sotto stress crescente. I lamantini stanno attraversando un momento difficile. È questo il risultato di un aumento dell'inquinamento? Acqua più calda a causa del riscaldamento globale? Abbiamo il lusso di aspettare per capirlo prima che il sistema venga danneggiato in modo permanente?

                                                        Per concludere con una nota positiva, a volte la soluzione a questo problema dell'eccesso di apporto di nutrienti non è troppo difficile. Negli anni '70 si decise di vietare l'uso di fosfati nei detersivi venduti nello spartiacque della baia di Chesapeake (uno spartiacque comprende tutte le fonti d'acqua per un corpo idrico). Questo semplice passaggio ha contribuito a migliorare la qualità dell'acqua. Attualmente, gli stati intorno alla baia stanno mettendo in atto programmi in cui è necessario lasciare un cuscinetto o un bordo di alberi o zone umide tra i terreni agricoli e l'acqua, perché gli alberi, essendo piante così grandi, sono bravi ad assorbire i nutrienti. Anche le zone umide in generale sono molto brave in questo ed entrambe lo fanno gratuitamente. Infine, probabilmente avrai notato che ci sono sempre barriere di plastica o almeno balle di fieno che circondano i cantieri. Lo scopo di questi è quello di evitare che la sporcizia proveniente dal luogo di lavoro venga dilavata nell'acqua. Questi passaggi funzionano? Bene, stanno aiutando. Certamente non abbiamo risolto il problema e senza dubbio avremo molti altri passaggi che dovremo fare, ma penso che sia bene ricordare che non è senza speranza.


                                                        Impatti umani sul ciclo del fosforo

                                                        Da quando gli umani hanno iniziato a camminare sulla Terra, abbiamo interagito con – e influenzato – molti processi naturali e il ciclo del fosforo non fa eccezione. Poiché i fosfati sono naturalmente abbastanza limitati nel suolo, le moderne pratiche agricole comportano spesso l'applicazione di fertilizzanti ricchi di fosfati inorganici. Quando il fosforo viene aggiunto a un ecosistema attraverso mezzi non naturali o eccessivi - il deflusso dalle aziende agricole (sia fertilizzanti che escrementi di animali), fognature o detergenti contenenti fosfati - l'improvviso aumento della disponibilità di nutrienti può avere un effetto drammatico sulla crescita delle piante .

                                                        Il suolo ha un punto di saturazione rispetto alla quantità di fosfato che può contenere e le piante hanno un limite alla velocità con cui possono assorbirlo, quindi l'applicazione di una quantità eccessiva di fosfato provoca sia lisciviazione nella rete idrica che il deflusso nell'acqua. laghi, ruscelli e oceani. Poiché gli ecosistemi acquatici hanno naturalmente concentrazioni di fosfato molto basse, ogni volta che il fosfato entra nella colonna d'acqua, il fitoplancton come le alghe lo consumano rapidamente.

                                                        Come Schindler e il suo team hanno mostrato con l'ELA, se l'afflusso di fosfato continua costantemente per un periodo di tempo, le alghe e altro fitoplancton acquatico sono in grado di riprodursi in modo così rapido ed efficiente da formare letteralmente un tappeto sulla superficie dell'acqua, bloccando la luce per altre piante e organismi che vivono sotto (Figura 8). Ciò riduce la capacità delle piante che vivono sul fondo di fotosintetizzare, riducendo la quantità di ossigeno rilasciata nell'acqua.

                                                        Figura 8: Lago Myvatn - un lago eutrofico poco profondo nel nord dell'Islanda. immagine e copia Israele Hervas Bengochea/Shutterstock

                                                        Quando le alghe muoiono, cadono sul fondo dove vengono decomposte dai batteri, un processo che utilizza una grande quantità di ossigeno disciolto. Quando questo ossigeno disciolto si esaurisce, i pesci e altri organismi che vivono nel corpo idrico soffocano lentamente e muoiono.

                                                        Sebbene abbiamo imparato meglio e fatto molti sforzi per cambiare, gli effetti di queste pratiche persistono ancora. L'applicazione eccessiva di fertilizzanti con alte concentrazioni di fosfato è ancora un problema e i corpi idrici in luoghi con comunità agricole pesanti ne risentono maggiormente. Fortunatamente, man mano che apprendiamo di più sull'impatto che le nostre azioni hanno sul nostro ambiente, possiamo fare consapevolmente scelte che trarranno beneficio piuttosto che danneggiare l'ambiente circostante.

                                                        Il corpo di ricerca sul fosforo condotto presso l'Area Sperimentale dei Laghi è stato un contributo fondamentale alla scienza ambientale. Mentre il ciclo del fosforo può essere semplificato, come abbiamo fatto sopra, in un ciclo che include una componente geologica e una componente biologica, il ciclo è in realtà molto più dettagliato di questo.

                                                        Riepilogo

                                                        Tutti gli organismi viventi hanno bisogno del fosforo per sopravvivere e crescere. Questo modulo descrive le forme che il fosforo assume in natura e come l'elemento scorre attraverso il mondo naturale. Un viaggio storico mette in luce come siamo giunti a comprendere questo elemento vitale. Il progetto Experimental Lakes mostra gli effetti dannosi dell'eccesso di fosforo sull'ambiente a causa delle attività umane.

                                                        Concetti chiave

                                                        Il ciclo del fosforo è l'insieme dei processi biogeochimici mediante i quali il fosforo subisce reazioni chimiche, cambia forma e si muove attraverso diversi serbatoi sulla Terra, compresi gli organismi viventi.

                                                        Il ciclo del fosforo è l'unico processo biogeochimico che non include una fase gassosa significativa.

                                                        Il fosforo è necessario affinché tutti gli organismi possano vivere e crescere perché è un componente essenziale dell'ATP, la struttura strutturale che tiene insieme DNA e RNA, membrane cellulari e altri composti critici.

                                                        Il deflusso agricolo, l'eccessiva fertilizzazione e le acque reflue aumentano la quantità di fosfato disponibile per le piante e possono causare danni ecologici significativi.


                                                        Guarda il video: KEMIA Atomrácsos anyagok tulajdonságai (Dicembre 2021).