Laboratorium techniek 1 Fysiologie Ecologie Arthur Rep.
-
Upload
erika-bosmans -
Category
Documents
-
view
223 -
download
2
Transcript of Laboratorium techniek 1 Fysiologie Ecologie Arthur Rep.
1Laboratoriumtechniek
FysiologieEcologie
Arthur Rep
2Laboratoriumtechniek
Wat gaat het om?
• Wat is de rol van de ecologie in de maatschappij?
• Hoe passen organismen zich aan aan veranderende omstandighe-den en wat zijn hiervan de gevolgen op lange termijn (=evolutie)?
• Waarom zijn verspreidingspatronen in de natuur zelden random?
• Welke modellen beschrijven de groei van populaties en hoe worden de aantallen gereguleerd?
• Hoe interacteren verschillende populaties met elkaar (o.a. predatie, competitie, symbiose)?
• Hoe beschrijf je de structuur van levensgemeenschappen?
• Hoe ontwikkelen levensgemeenschappen zich?
• Wat zijn ecosystemen (voedselpiramiden of -webben, trofieniveaus, energiehuishouding)?
• Stofkringlopen (koolstof, stikstof, fosfor)
• Effecten van menselijk handelen
3Laboratoriumtechniek
Bodemkunde
Bodem = grond op bepaalde plek
Grond = materiaal waaruit bodem bestaat
Drie fasen:
Gasvormige faseVloeibare faseVaste fase
Bodemkunde waarom?• keten van grond tot mond • hoe nemen organismen stoffen op uit de bodem?• hoe reageren organismen op aanwezige stoffen?• worden stoffen afgebroken?
water
org.stoflucht
minerale delen
4Laboratoriumtechniek
• wortelademhaling en respiratie van micro-organismen
hoog CO2 –gehalte
• microhabitat zeer variabel
• waterverzadigde bodem
laag O2 -gehalte
Gasvormige fase
5Laboratoriumtechniek
Vloeibare fase
• Vochtkarakteristiek- veldcapaciteit pF=2,2- verwelkingspunt pF=4,2- vochtleverend vermogen= Δvocht% (pF2,2-pF4,2)
7
6
5
4
3
2
1
00 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
verwelkingspunt
veldcapaciteit
4,2
2,2
pF
vol% water
pF = -log (cm waterkolom)
1 cm waterkolom = -102 Pa = pF0
10 cm waterkolom = -103 Pa = pF1
1m waterkolom = -104 Pa = pF2
10 m waterkolom = -105 Pa = pF3
100 m waterkolom = -1 MPa = pF4
• Bodemvocht met opgeloste stoffen
• Door adhesie capillaire werking zuigspanning
6Laboratoriumtechniek
Vaste fase
• Minerale bestanddelen- zand 50-2000 µm geen adsorptie houdt weinig water vast
- stof of silt 2-50 µm geen adsorptie houdt meer water vast
- klei of lutum <2 µm wel adsorptie houdt veel water vast
Ca2+
Mg2+
K+
Na+
NH4+
H+
• Bodemclassificatie met textuurdriehoek
40
25
35
7Laboratoriumtechniek
Vaste fase
• Organische stof- planten- en dierenresten- humus ontstaat na degradatie en polymerisatie
- houdt veel water vast- groot adsorptievermogen
8Laboratoriumtechniek
Het adsorptiecomplex l
• Kleideeltjes en humus binden kationen
• Adsorptiecomplex = klei-humuscomplex
• Uitwisselend vermogen = CEC (cation exchange capacity)
Tabel 2 CEC van enkele bodembestanddelen
bodembestanddeel grootte in µm oppervlak m2/g CEC in meq/100 gkaoliniet 0,1-5,0 5- 20 3- 15 illiet 0,1-2,0 100-200 15- 40 montmorilloniet 0,01-1,0 700-800 80-150 organische stof 200-400 _
• Afhankelijk van pH
• Belangrijk instrument milieuwetgeving
9Laboratoriumtechniek
Het adsorptiecomplex ll
• (Water)bodemkwaliteitNorm geldt voor sediment met 10% org.stof en 25% lutum
10Laboratoriumtechniek
pH en redoxpotentiaal
pH
• pH-H20 meet reële zuurgraad
• pH-KCl meet potentiële zuurgraad = maat voor verzadiging van het adsorptiecomplex
• pH-H20 varieert meer dan pH-KCl
redoxpotentiaal
• Geoxideerde bodem Eh=+800 mV
• Heterotrofe activiteit doet Eh
dalen tot +500 mV
• In anaëroob (methanogeen)
sediment Eh=-450 mV
11Laboratoriumtechniek
Waterhuishouding
• totaal= pressure + solutes
• Watertransport door membranen wordt gefaciliteerd door aquaporinen
• Waterpotentiaal = -R.T.i.M.10–3 Mpa
12Laboratoriumtechniek
Wateractiviteit
In levensmiddelenmicrobiologie gebruikt men begrip
wateractiviteit aw
= RT ln aw /V -8
-7
-6
-5
-4
-3
-2
-1
0
0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1
wateractiviteit
waterpotentiaal
13Laboratoriumtechniek
Planten - watertransport
Transpiratie
• Buitenlucht =-10...-100 MPa
• Ademholte =-7,0 MPa
• Celwanden =-1,0 Mpa
Cohesie en adhesie =capillaire kracht
• Xyleem =-0,8 Mpa
Worteldruk door ionenopname
• Centrale cylinder =-0,6 Mpa
Bodemvocht =-0,3 MPa
14Laboratoriumtechniek
Transpiratie
15Laboratoriumtechniek
Watertransport
Hoe verklaar je de dikteveranderingen?
16Laboratoriumtechniek
Huidmondjes
Sluitcellen:
- nemen K+-ionen op
- opname water door afname waterpotentiaal
- door toename turgor wordt opening groter
17Laboratoriumtechniek
2.1 Essentiële nutriënten
18Laboratoriumtechniek
Essentiële nutriënten
Essentiële voedingsstoffen:
• Nodig voor groei en reproductie bij verschillende plantensoorten
• Kunnen niet worden vervangen door andere elementen
• Hebben een directe functie
Minimumwet van Blackman:
Eindresultaat van groei wordt bepaald door factor die minimaal aanwezig is
19Laboratoriumtechniek
Opname nutriënten
Selectieve opname door:
- concentratieverschil
- membraaneigenschappen
- ladingsverschil
- carriers
20Laboratoriumtechniek
Transport door de wortel
Transport
- in schors via apoplast en symplast
- endodermis sluit apoplast af door Bandjes van Caspari
Wortelstelsel
- groot oppervlak door wortelharen
- extra opname met hulp van mycorrhizae
21Laboratoriumtechniek
Het adsorptiecomplex lll
• Zure regen
• pH is ook van belang voor beschikbaarheid
22Laboratoriumtechniek
Suikertransport
Verschil plant-dier:
23Laboratoriumtechniek
Pressure flow
Pressure flow = Drukstroom
is gevolg van hydrostatische drukverschillen die door osmose zijn ontstaan
24Laboratoriumtechniek
Waterhuishouding bij dieren
Terug naar de nieren
25Laboratoriumtechniek
Waterhuishouding bij dieren
Deze vis leeft in zoet/zout water
26Laboratoriumtechniek
Waterhuishouding bij dieren
Deze vis leeft in zoet/zout water
27Laboratoriumtechniek
Einde deel 1
28Laboratoriumtechniek
Inleiding ecologie
Ecologie = wetenschappelijke studie van de interacties tussen organismen en hun omgeving
• Observationeel en experimenteel onderzoek- lab- en veldexperimenten moeilijk- wiskundige modellen en simulaties
• Wederzijdse beïnvloeding organisme en omgeving- korte termijn: fysiologische adaptatie, verschuiving genfrequenties- lange termijn: evolutie
• Omgeving: biotische en abiotische factoren
29Laboratoriumtechniek
Ecologie - integratieniveaus
• Gemeenschapsecologie onderzoekt interacties tussen soorten binnen gemeenschap
• Populatie-ecologie onderzoekt samenstelling populatie
• Autoecologie onderzoekt invloed van omgevingsfactoren
• Systeemecologie kijkt naar verband tussen gemeenschap en milieu
Ecologie is onmisbaar in onderzoek naar milieuproblemen
Biosfeer = som alle ecosystemen
30Laboratoriumtechniek
Biosfeer – abiotische factoren
Bioom = globaal ecosysteem in klimaatzone
• Temperatuur- snelheid bioprocessen- lichaamstemperatuur
• Water- osmoregulatie, uitdroging
• Licht- fotosynthese, daglengte
• Wind- transpiratie, uitdroging
• Bodem- mineralen, pH
• (Periodieke) verstoring
31Laboratoriumtechniek
Zoetwatersystemen
• Verticale stratificatie bij diepe meren (wielen, zandputten, grindgaten)Beneden spronglaag of thermocline in eutrofe meren anaëroob
32Laboratoriumtechniek
Autoecologie
Organismen overleven en reproduceren binnen bepaalde grenzen
• Regulators besteden energie aan homeostase, conformers variëren met de omgeving
• Habitat = woonplaats
• Allocatieprincipe = organisme moet zijn energie verdelen over activiteiten
33Laboratoriumtechniek
Natuurlijke selectie en adaptatie
Feit 1 Potentieelexponentiële groei
Feit 2 Waargenomen steady state
Feit 3 Hulpbronnen zijn beperkt
Conclusie 1 Strijd om het bestaan tussen individuen
Feit 4 Elk individu is uniek
Feit 5 Variatie is erfelijk
Conclusie 2 Survival of the fittest
Conclusie 3 Graduele verandering over langere tijd: evolutie
34Laboratoriumtechniek
Natuurlijke selectie en adaptatie
Summarizing Darwin’s ideas:
• Natural selection is this differential success in reproduction, and its product is adaptation of organisms to their environment
• Natural selection occurs from the interaction between the environment and the inherent variability in a population
• Variations in a population arise by chance, but natural selection is not a chance phenomenon, since environmental factors set definite criteria for reproductive success
35Laboratoriumtechniek
Adaptatie
• Adaptatie heeft evolutionaire basis- variatie milieu mag niet te groot zijn- fysiologische aanpassing- morfologische aanpassing- gedragsverandering- genetische verandering, evolutie
36Laboratoriumtechniek
Populatie-ecologie
• Populatie = individuen van een soort in één gebied
• Dichtheid = aantal per ruimte-eenheid- diverse bemonsteringstechnieken- merk-terugvangmethode
37Laboratoriumtechniek
Dispersie
Dispersie = verspreidingspatroon- random: Poisson-verdeeld s=m
- groepsgewijs: s>m
- regelmatig: s< m
38Laboratoriumtechniek
Statistische toetsing l
Statistische toetsing van een verspreidingspatroon
aantal dieren x per monster totaal
0 1 2 3 4 5 6 7 _
A Regelmatig aantal monsters 0 2 4 8 4 2 0 0 20
(uniform) totaal aantal dieren 0 2 8 24 16 10 0 0 60 _
B Toevallig aantal monsters 2 3 3 3 5 2 2 0 20
(random) totaal aantal dieren 0 3 6 9 20 10 12 0 60 _
C Groepsgewijs aantal monsters 5 3 1 1 2 4 4 0 20
(clusters) totaal aantal dieren 0 3 2 3 8 20 24 0 60 _
D Volgens Poisson aantal monsters 1.0 3.0 4.5 4.5 3.4 2.0 1.0 0.6 20
totaal aantal dieren 0.0 3.0 9.0 13.5 13.6 10.0 6.0 4.9 60 _
Poisson: P(x=0, 1, 2, 3, 4, enz.) = e–m·(1, m, m2/2!, m3/3!, m4/4!, enz.)
39Laboratoriumtechniek
Statistische toetsing ll
Is A random verdeeld? We berekenen:
- de standaardafwijking sn-1 uit de reeks 1,1,2,2,2,2,3,3,3,3,3,3,3,3,4,4,4,4, enz. en
vinden sn-1 = 1.12 (variantie sn-12 = 1.26).
- de standaardafwijking sp volgens Poisson uit m en vinden sp = 1.73
(variantie sp2 = 3.00).
- sn-12 / sp
2 is de dispersiecoëfficiënt
Hypotheses:
• H0 : dispersiecoëfficiënt = 1, de dieren zijn volgens het toeval verdeeld,
• Ha1: dispersiecoëfficiënt < 1, de dieren zijn regelmatig verdeeld,
• Ha2: dispersiecoëfficiënt > 1, de dieren zijn groepsgewijs verdeeld.
(n–1)·sn-12
———— is 2-verdeeld sp
2
19 ·1.26———— = 7.98, dus Ha1 3.00
40Laboratoriumtechniek
Demografie
• Demografie = studie naar geboorte- en sterftecijfers
- Leeftijdsopbouw, generatie- duur en sexratio
- Life table = tabel met leeftijd, overleving en nakomelingen van een cohort
• Overlevingscurve overleving
nakomelingen- type I hoog weinig- type II gemiddeld gemiddeld- type III laag veel
41Laboratoriumtechniek
Life table koolmees
42Laboratoriumtechniek
Life-history
• Life historySchema van reproductie en sterfte
• Allocatie: nakomelingen of overleving?- aantal reproductieve episodes- aantal nakomelingen per episode- leeftijd aanvang reproductie
43Laboratoriumtechniek
Groeimodellen
• Exponentieel model, geen beperkingen aan groeidN/dt = R.N
Nt=N0eRt
• Logistisch model, groei beperkt tot plafond (K)dN/dt = R.N(K–N)/K
K Nt= 1+[(K–N0)/ N0].e–Rt
R = intrinsieke groeisnelheid
K = carying capacity
• Simplistisch – in werkelijkheid interacties
44Laboratoriumtechniek
K- en r-strategieën
45Laboratoriumtechniek
Populatiebeperkende factoren
• Dichtheidsafhankelijke factoren
- concurrentie om voedsel, broedplaatsen
- prooidichtheid
- uitscheiding van toxicanten
- stress
• Dichtheidsonafhankelijke factoren- weer, klimaat, natuurrampen
• In natuur mix van beide
• Vaak cycli van hoge en lage dichtheid
46Laboratoriumtechniek
Einde deel 2
47Laboratoriumtechniek
Gemeenschapsecologie
Structuur van een gemeenschap
• diversiteit: aantal en relatieve abundantie van soorten
• individuele hypothese: soorten reageren onafhankelijk van elkaar op gradiënten
• interactieve hypothese: structuur is samenspel tussen interacterende, van elkaar afhankelijke soorten
48Laboratoriumtechniek
Interacties
49Laboratoriumtechniek
Predatie
Predator eet prooi(herbivoor eet planten)
Aanpassingen:- cryptische kleuring- aposematische kleuring- mimicry (nabootsing)- doorns, stekels, kristallen- toxinen, smaakstoffen
Tussen predator en prooi bewapeningswedloop
aposematische kleuring
mimicry
50Laboratoriumtechniek
Competitie l
Interspecifieke competitie
• Soorten met dezelfde ecologische niche sluiten elkaar uit
51Laboratoriumtechniek
Competitie ll
Interspecifieke competitie
• Soorten gaan zich specialiseren: resource partitioning
A.insolitus
A.distichus
52Laboratoriumtechniek
Competitie lll
Interspecifieke competitie
• Sympatrische soorten divergeren: character displacement – is resultaat van evolutie
53Laboratoriumtechniek
Mutualisme
Mutualisme = symbiose
• Korstmossen
• Rhizobium
• Mycorrhizae
• Endosymbionten
54Laboratoriumtechniek
Commensalisme
Commensalismeéén soort profiteert, de andere heeft er geen last van
55Laboratoriumtechniek
Voedselketens en -webben
• Levensgemeenschap heeft verschillende trofieniveaus
• Lengte voedselketen wordt beperkt door beschikbare energie voedselpyramide
56Laboratoriumtechniek
Structuur l
• Sleutelsoorten onmisbaar voor structuur- meestal predatoren houden abundantie dominante soorten laag
• bottum-up model: N V H P
• top-down model:P H V N
57Laboratoriumtechniek
Structuur ll
• Verstoring vaak belangrijk voor structuur – geen evenwicht
• Successie - op nieuwe bodem: primair
- na verstoring: secundair
58Laboratoriumtechniek
Biodiversiteit
• Biodiversiteit kenmerken: - soortenrijkdom- relatieve abundantie
• Hangt af van:- geografische ligging- grootte van gemeenschap- uitsterving en import
59Laboratoriumtechniek
Ecosystemen
• Energiestromen
• Nutriëntencycli
• Decompositie vanuit alle trofieniveaus
• Beschikbare energie wordt bepaald door primaire productie- in water beperkt door licht en nutiënten- in bodem beperkt door temperatuur, vocht en nutriënten
60Laboratoriumtechniek
Secundaire productie
• Energie-overdracht 5-20% tussen trofieniveaus
• Fytoplankton heeft snelle turn-overturn-overtijd =aanwezige biomassa (g/m2) productie (g/m2.dag)
• Herbivoren consumeren slechts klein deel planten
61Laboratoriumtechniek
Vleeseter of vegetariër?
62Laboratoriumtechniek
Stofkringlopen
C-kringloop
- aëroob CO2
- anaëroob CH4
63Laboratoriumtechniek
Voedselweb
64Laboratoriumtechniek
N-kringloop
N-kringloop
- N-fixatie door wortelknollenvrijlevende m.o.
- ontleding org.N: ammonificatie
- aëroob: nitrificatie
- anaëroob: denitrificatie
65Laboratoriumtechniek
Nitrificatie-denitrificatie
Nitrificatie: NH3 is
elektronendonor
2NH3+4O2
2HNO3+2H2O
G’=-839KJ/mol
Denitrificatie: org.stof (NADH) is elektronendonor
66Laboratoriumtechniek
Menselijke impact
• Ontregeling stofkringlopen
• Zure regen
• Biomagnificatie = accumulatie in de voedselketen- klopt dit plaatje?
• Verandering vegetatie en
klimaat door CO2-toename
• Aantasting ozonlaag
67Laboratoriumtechniek
AMOEBE staat voor Algemene Methode voor OEcosysteembeschrijving en BEoordeling.
Amoebe
68Laboratoriumtechniek
Ecologische voeding
Ecologische voeding
Ons voedingspatroon heeft niet alleen invloed op onze eigen gezondheid maar bepaalt ook mee de kansen voor mens en milieu over de hele planeet.Ecologische voeding is geen vreemd eetpatroon dat we hier willen importeren. Het is de keuken van onze moeders en grootmoeders, maar dan geschoeid op de aandacht voor onze gezondheid en die van het milieu.
In een notedop : ecologische voeding gebruikt biologisch geteelde producten van de eigen bodem. Het voedsel is seizoengebonden en we vertrekken in de keuken van zo weinig mogelijk bewerkte producten, liefst met een minimum aan verpakking. Ons menu bestaat overwegend uit plantaardige elementen.
(Het ‘Yggdrasil’ project)
69Laboratoriumtechniek
Modules met ecologie
• P1 en 2: Triade-project
• P2: Ecotoxicologie (P2)
• P5: Analyse van Ecologische gegevens en Vegetatiekunde (Schiermonnikoog)