в чем измеряется биомасса

Единицы измерения биомассы и продукции

В экологических системах

Закономерности трансформации вещества и энергии

ЛЕКЦИЯ 10

Основные понятия.Впервые целостные представления о трофическических уровнях и закономерностях трансформации вещества энергии в экологических системах разработал шведский ученый Р. Линдеман в 1942 году. Тем самым он заложил основы новой отрасли биологии – экологической биоэнергетики, которая оказала огромное воздействие на прогресс экологии и биологии в целом. В дальнейшем это направление интенсивно разрабатывалось многочисленными учеными во всем мире. Среди них необходимо особо отметить Г. Г. Винберга, который более 20 лет работал в Беларуси и явился основоположником белорусской гидроэкологической школы, занимавшей лидирующее положение в мировой гидроэкологии.

Общее количество живого вещества в экосистеме называется биомассой.Биомасса экосистемы образована всеми населяющими ее живыми организмами.

Свойство экосистем создавать в процессе своего функционирования органическое вещество называется биологической продуктивностью.

Органическое вещество, создаваемое в экосистеме, в результате прироста массы населяющих ее организмов, называется продукцией.

Таким образом, биомасса является статическим показателем, отражающим количество живого вещества в экосистеме, на данный момент времени, а продукция – динамическим показателем.

Различают продукцию отдельных видов, целых трофических уровней и всей экосистемы.

Органическое вещество, которое создается автотрофными организмами в процессах фотосинтеза или хемосинтеза, называется первичной продукцией.

Органическое вещество, создаваемое гетеротрофными организмами, находящимися на втором и последующих трофических уровнях, называется вторичной продукцией.

Вторичная продукция является суммой приростов массы тела гетеротрофных организмов за определенный период времени.

Количество органического вещества, покидающего тем или иным способом экосистему (сбор урожая, вылов рыбы, вылет наземных насекомых из их водных личинок и т.д.), называется конечной продукцией.

Биомасса и продукция экосистемы могут быть выражены в различых единицах, однако предпочтительнее их выражать в одинаковых единицах.

Биомассу и продукцию можно выражать в единицах массы живого, сухого, или обеззоленного вещества. Однако, определение массы представляет серьезные методологические трудности. Практически у всех организмов имеются метаболически неактивные структуры, не принимающие значительного участия в процессах трансформации вещества и энергии. К ним относятся кора и одревесневшие ткани у растений, раковина у моллюсков, скелет у позвоночных и т. д. У травоядных млекопитающих приблизительно 20% живой массы составляет находящийся в их желудках растительный корм.

Поскольку практически все метаболические процессы происходят в цитоплазме клеток, наилучшим показателем массы организма является суммарная масса их живой цитоплазмы. Ряд соединений, например, хлорофилл и АТФ существуют только в живых клетках, а вне их они быстро разрушаются. Поскольку содержание АТФ в клетках достаточно постоянно, количество этого соединения может быть хорошими показателями общей массы цитоплазмы организмов. Однако количественное определение АТФ сопряжено со значительными методическими трудностями.

По этой причине биомассу и продукцию организмов обычно выражают в единицах массы (живой, обезвоженной, обеззоленной и т.д.) или, что предпочтительнее, в их энергетическом эквиваленте.

Первичная продукция.Основой существования всех экологических систем и Биосферы Земли в целом являются автотрофные организмы, которые образуют органические вещества из неорганических. Образованание органических веществ происходит в процессах фотосинтеза и хемосинтеза.

Различают фотосинтез высших растений и сине-зеленых водорослей, при котором из углекислого газа и воды образуется органическое вещество и выделяется кислород и бактериальный фотосинтез, при котором кислород не выделяется.

Фотосинтез у высших растений происходит в особых структурах клетки, которые называются хлоропластами. В них содержится особое химическое соединение – хлорофилл, который придает растениям зеленую окраску; благодаря нему и происходит фотосинтез. В клетках сине-зеленых водорослей фотосинтез происходит на внутренней поверхности их клеточной мембраны.

Поскольку связь между атомами водорода и углерода содержит гораздо энергии, чем между атомами водорода и кислорода, для образования этих связей в органическом соединен требуется дополнительная энергия.

В процессе фотосинтеза для этих целей используется солнечная энергия. Молекула хлорофилла поглощает квант света, который выбивает из нее один электрон. В таком состоянии вода становится способной отобрать электрон от молекулы воды, в результате этого происходит фотолиз воды, т.е. ее молекула распадается на ион водорода и гидроксильную группу:

☼электромагнитная энергия

солнечного света

Важно отметить, что образовавшийся кислород больше не участвует механизмах фиксации углекислого газа, а выделяется в атмосферу как побочный продукт. Тем не менее, его роль его в Биосфере огромна, поскольку он используется для дыхания всеми аэробными организмами, как автотрофными, так и гетеротрофными.

Часть органического вещества, образованного в процессе фотосинтеза, сразу же расходуется растениями в процессе дыхания для образования АТФ. Это обусловлено тем, что образующегося при фотосинтезе количества АТФ (2 на одну молекулу глюкозы) недостаточно для обеспечения протекания всех химических реакций в клетках. Напротив, в процессе дыхания при окислении одной молекулы глюкозы образуется до 38 молекул АТФ.

Интенсивность дыхания растений днем и ночью приблизительно одинакова. Однако поскольку ночью фотосинтез не происходит, в среднем на дыхание растения расходуют до половины создаваемого ими органического вещества.

Недавно у растений был открыт новый процесс – фотодыхание, или окисление органическких соединений кислородом на свету до СО₂ и Н₂O без образования АТФ. Биологический смысл фотодыхания вполне ясен; предполагается, что оно может выполнять защитную функцию, связывая излишки кислорода.

Все органическое вещество, создаваемое в процессе фотосинтеза, называется валовой первичной продукцией(ВПП).

Разность между энергией ВПП и расходом ее в процессе дыхания (Т) является чистой первичной продукцией (ЧПП). Таким образом,

Чистая первичная продукция является тем самым органическим веществом, которое накапливается в растениях. Из него в результате сложных процессов, происходящих в растениях, образуются все их органы – стебли, листья, корни, цветки плоды и другие, которые могут использоваться в пищу гетеротрофными организмами.

Величины фотосинтеза в значительной степени зависят от факторов среды. При сравнительно низкой освещенности (обычно до 25% от освещенности в яркий солнечный день) интенсивность фотосинтеза прямо пропорциональна интенсивности освещения. Однако при более ярком свете рост скорости фотосинтеза начинает замедляться, затем он стабилизируется на постоянном уровне, а потом резко снижается.

При постоянном освещении скорость фотосинтеза вначале повышается с увеличением температура, достигая определенного максимума в пределах сравнительно узкого интервала температур. При дальнейшем повышении температуры интенсивность фотосинтеза резко падает.

Температура, при которой отмечается максимальный фотосинтез, у растений различается от приблизительно 16 о С у видов из умеренных зон до 38 o C – у тропических видов.

В последние годы было установлено, что у растений имеются разные пути фиксации СО₂ при фотосинтезе. У большинства их видов он идет по С₃-пентозфосфатному пути, или циклу Кальвина. Однако некоторых видов фиксация СО₂ происходит по С₄-дикарбоновому пути. Поэтому эти группы растений названы С₃— и С₄-растениями.

С₄-растения более устойчивы к повышенной температуре, их фотосинтез подавляется при значительной большей интенсивности света, чем у С₃-растений, для производства органического вещества им требуется значительно меньше воды. Поэтому они встречаются в основном в теплых и засушливых районах. Чаще всего С₄ растения относятся к злаковым, в их числе такие важные сельскохозяйственные культуры, как кукуруза, согро и сахарный тростник. Интересно, что фотодыхание у С₄ растений не обнаружено, чем в значительной степени обусловлена их высокая урожайностью

Однако при слабой освещенности и низкой температуре С₃-растения превосходят по величине первичной продукции С₄-растения.

Недавно был открыт еще один способ фотосинтеза, встречающийся приспособленный к условиям пустынь, напр., у кактусов. Их устьица на протяжении жаркого дня закрыты, чтобы предотвратить потерю воды через испарение и открываются только прохладной ночью. Двуокись углерода, поглощаемая ночью через устьица, накапливается в форме органических кислот, и фиксируется в углеводах только на следующий день. Такой способ фотосинтеза получил название САМ-метаболизм.

У автотрофных бактерий имеет место особая разновидность фотосинтеза, или бактериальный фотосинтез. К таким бактериям относятся зеленые бактерии, серобактерии и др.

В этом случае донором водорода является не вода, а другое неорганическое вещество. У серобактерий, например, им является сероводород (Н₂S). Поэтому при фотосинтезе у серобактерий выделяется не свободный кислород, а элементарная сера (S) или ее соединения, например, серная кислота (Н₂SО₄).

☼электромагнитная энергия

солнечного света

В процессе эволюции жизни на Земле бактериальный фотосинтез появился раньше. Однако появившийся гораздо позднее «классический» фотосинтез высших растений оказался гораздо эффективнее, поскольку в природе запасов воды как источника водорода гораздо больше, чем других соединений.

Недавно был открыт приницпиально новый тип бактериального фотосинтеза, который встречается у архебактерий, обитающих в пересоленных континентальных водоемах, напр., в Мертвом море. У них фотисинтезиирующим пигментом является не вещество из группы хлорофиллом, а бактериородопсин. Этот пигмент, имеющий значительно меньшую молекулярную массу, чем хлорофиллы, сходен по строению с воспримимающим свет пигментом родопсином, находящимся в сеткатке глаза.

Предполагается, что такой способ фотосинтеза является первичным и возник раньше, чем фотосинтез с участием магнийсодержащих пигментов.

Хемосинтез.У достаточно большого числа видов микроорганизмов, обитающих в местах, куда не проникает солнечный свет, имеет место иной процесс образования органических веществ, называемый хемосинтез. При этом органические вещества создаются из неорганических за счет энергии, выделяющейся при окислении некоторых неорганических соединений.

В целом бактериальный фотосинтез и хемосинтез не имеют большого значения в Биосфере. Например, в экосистемах континентальных водоемов доля бактериального фотосинтеза в чистой первичной образовании органического вещества не превышает 1–5% от величины фотосинтеза. Лишь в некоторых ручьях с высоким содержанием сероводородам его доля в чистой первичной продукции возрастает до 25%.

В последние годы установлено, что хемосинтез имеет важнейшее значение для функционирования экосистем, находящихся в тех местах, куда не проникает солнечный свет – на больших глубинах, нижних слоях почвы, в подземных водах, в донных отложениях водоемов и т.д.

В 1980 годах на дне Атлантического и Тихого океанов на глубинах 2 – 3 км были открыты скопления небольших действующих подводных вулканчиков. Они извергают не лаву, как наземные вулканы, а воду температурой до 350 о С и дымы темного цвета с высоким содержанием метана, сероводорода и других соединений серы и т.д. Поэтому они получили неофициальное название «черные курильщики».

Одной из форм хемосинтеза является нитрификация, которую с биохимической точки зрения правильнее назвать нитратным дыханием, т.е. одной из форм анаэробного дыхания.

Способы определения первичной продукции.Чистая первичная продукция наземных экосистем обычно оценивают по годовому приросту растительной массы. Для того, чтобы определить ее величину за сезон вегетации, в конце этого сезона все растения, находящиеся на определенных территориях известной площади, удаляют и взвешивают. Поскольку обычно корни и подземные части растений не учитываются, определяют только массу их наземных органов – или чистую годовую наземную продуктивность. По отношению зерновым сельскохозяйственным культурам она будет равной суммарной массе собранного зерна и соломы.

В балансовом уравнении фотосинтеза соотношении молекулярной массы одной молекулы глюкозы и шести молекул кислорода составляет 180:192 = 0,9375.

Поэтому по величине прироста органической массы растений (без учета воды и минеральных веществ) за определенный период времени возможно приблизительно оценить массу произведенного ими кислорода.

Например, общая урожайность кукурузы (зеленая масса, корни, початки и пр.) может достигать 500 ц/га. Содержание воды в кукурузе равно в среднем 50%. Отсюда за период выращивания кукурузы один ее гектар произведет приблизительно 267 ц кислорода.

Первичную продукцию в водных экосистемах изменяют методом «темных склянок». Суть его состоит в следующем. Вода из водоема пропускается через тонкий фильтр, чтобы удалить из нее зоопланктон. В этой воде определяется исходное содержание кислорода. Затем она заливается в одинаковые бутылочки из светлого и темного стекла (не пропускающего солнечные лучи) на сутки или на другой промежуток времени.

В светлых склянках происходят процессы фотосинтеза и дыхания фитопланктона, в темных – только его дыхание. Отсюда ЧПП фитопланктона равна разности между содержанием кислорода в светлой в склянки и контроле, а его дыхание – разности между содержанием кислорода в контроле и темной склянке.

В последние годы стал широко использоваться радиоуглеродный метод определения первичной продукции. Он основан на том, что живые организмы в равных пропорциях поглощают из среды обычный нерадиоактивный изотоп углерода ( 12 C) и его радиоактивный изотоп ( 14 С) с периодом полураспада 5600 лет.

В какую-либо герметичную установку добавляют известное количество изотопа 14 С, например, в виде 14 СО₂. Затем после определенной экспозиции определяют содержание 14 С в растении. Чистую первичную продукцию рассчитывают по формуле:

Допустим, в установку внесли 100 мг смеси ( 14 CO₂ + 12 CO₂), в которой соотношение C_r/С_s= 0,10, т.е. количество 14 CO₂ составило 10 мг.

Величина потребления 14 CO₂ за сутки составила 2 мг. Тогда ЧПП = можно рассчитать из пропорции: 10 : 2 = 100 : Х.

Отсюда Х = (100 . 2)/10 = 20.

Источник

Единицы измерения биомассы и соотношения между ними. Величина чистой первичной продуктивности биосферы и её биомассы.

Биомасса и продукция экосистемы могут быть выражены в различых единицах, однако предпочтительнее их выражать в одинаковых единицах.

В наземных экосистемах биомасса обычно обычно пересчитывается на единицу площади (г м2, км2, ц. га и т.д.).
В водных экосистемах продукция фито- и зоопланктона, обитающего в толще воды, часто рассчитывается на единицы объема, обычно на 1 л или на 1 м3.
В таком случае продукция можно выражать в г м2 сут-1, т га-1, год-1

По этой причине биомассу и продукцию организмов обычно выражают в единицах массы (живой, обезвоженной, обеззоленной и т.д.) или, что предпочтительнее, в их энергетическом эквиваленте. Одним из важнейших показателей, характеризующих продукционные возможности организмов, является Р/B-коэффициент, или отношение продукции (Р) какого-либо вида или даже всего трофического уровня к биомассе (В) этого вида или трофического уровня.

Особенности и эффективность 1-го трофического уровня.

Первый трофический уровень занимают автотрофы, или так называемые первичные продуценты

На первом трофическом уровне поглощается 50% падающего света, а переходит в химическую энергию пищи всего 1% поглощенной энергии

Эффективность поглощения энергии первым трофическим уровнем, или отношение валовой первичной продукции к энергии поглощенного растением солнечного излучения. Она обычно равна от 1 до 10%.

Эффективность ассимиляции трофического уровня, или отношение ассимилированной энергии последующего трофического уровня к ассимилированной энергии предыдущего трофического уровня:

41. Что такое правило 10% применительно к трофической цепи?

Источник

Биомасса

Биомасса Земли составляет 2423 миллиарда тонн. Люди дают около 350 миллионов тонн биомассы в живом весе или около 100 миллионов тонн в пересчете на сухую биомассу — пренебрежимо малое количество в сравнении со всей биомассой планеты.

Связанные понятия

Упоминания в литературе

Связанные понятия (продолжение)

Абиоти́ческий фа́ктор (др.-греч. α — отрицание, βίος — жизнь) — совокупность прямых или косвенных воздействий неорганической среды на живые организмы; подразделяется на физический (климат, орография), химический (состав атмосферы, воды, почвы). Приспособление растений и животных к жаре, холоду, атмосферному давлению, подводной глубине, зимняя или летняя спячка некоторых животных и прочее связано с абиотическими факторами.

Сушу и океан связывают реки, впадающие в моря и несущие различные загрязнители. Не распадающиеся при контакте с почвой химические вещества, такие как нефтепродукты, нефть, удобрения (особенно нитраты и фосфаты), инсектициды и гербициды в результате выщелачивания попадают в реки, а затем в океан. В итоге океан превращается в место сброса этого «коктейля» из питательных веществ и ядов.

Речная экосистема — экосистема, работающая в природной среде и включающая в себя биотические взаимодействия среди растений, животных и микроорганизмов, а также абиотические физические и химические взаимодействия.Речные экосистемы являются яркими примерами проточных (lotic) экосистем. Lotic относится к проточной воде, от лат. lotus, что означает «промывание». Под проточной водой можно понимать водные объекты в диапазоне от ручья в несколько сантиметров в ширину до главных рек в несколько километров.

Источник

Биомасса

Биома́сса (биоматерия) — совокупная масса растительных и животных организмов, присутствующих в биогеоценозе в момент наблюдения.

Среди наземных животных организмов наибольшую по массе часть составляют насекомые, членистоногие и подобные им, обеспечивающие существование растительных организмов. (Более 80-ти процентов сухопутной биомассы).

Человечество, как часть млекопитающих, представляет собой менее 1-го кубического километра, что составляет одну пренебрежимо малую, несоизмеримую со всей биомассой, часть всей биомассы Земли.

Содержание

Состав

Применение биомассы в энергетике

Биомасса — шестой по запасам из доступных на настоящий момент источников энергии после горючих сланцев, урана, угля, нефти и природного газа. Приближённо полная биологическая масса земли оценивается в 2,4·10 12 тонн[1].

Биомасса — пятый по производительности возобновимый источник энергии после прямой солнечной, ветровой, гидро и геотермальной энергии. Ежегодно на земле образуется около 170 млрд т. первичной биологической массы и приблизительно тот же объём разрушается.

Биомасса — крупнейший по использованию в мировом хозяйстве возобновляемый ресурс (более 500 млн т.у.т./год)

Основная часть топливной биомассы (до 80%), это прежде всего древесина, употребляется для обогрева жилищ и приготовления пищи в развивающихся странах.

Примеры

В 2002 году в электроэнергетике США было установлено 9733 МВт генерирующих мощностей, работающих на биомассе. Из них 5886 МВт работали на отходах лесного и сельского хозяйства, 3308 МВт работали на твёрдых муниципальных отходах, 539 МВт на других источниках.

В 2003 году 4 % всей энергии в США производилось из биомассы.

В 2004 году во всём мире производили электричество из биомассы электростанции общей мощностью 35 000 МВт.

В настоящее время европейские страны проводят эксперименты по выращиванию энергетических лесов для производства биомассы. На больших плантациях выращиваются быстрорастущие деревья: тополь, акация, эвкалипт и другие. Испытано около 20 видов растений. Плантации могут быть комбинированными, когда между рядами деревьев выращиваются другие сельскохозяйственные культуры, например, тополь сочетается с ячменём. Период ротации энергетического леса — 6—7 лет.

Распространено применение топливных пеллет — твёрдого топлива из отходов деревообрабатывающих и сельскохозяйственных производств.

Жидкое биотопливо

Из масличных культур при помощи этерификации выделенного растительного масла производится различное дизельное топливо (Биодизель). Проводятся исследования по выращиванию высокопродуктивных плантаций масляных водорослей.

Путём ферментации сахаро и крахмалсодержащих продуктов (злаки, картофель, сахарная свёкла), и с предварительным гидролизом в случае использования целлюлозосодежащего растительного сырья (древесина, солома, растительные отходы) получают этанол (биоэтанол). Этанол применяется в качестве моторного топлива в чистом виде и в смеси с бензинами, используется для производства этил-трет-бутилового эфира — качественного топлива для бензиновых двигателей, являющегося частично биотопливом в отличие от метил-трет-бутилового эфира.

Газификация биомассы

Из 1 килограмма биомассы можно получить около 2,5 нм 3 генераторного газа, основными горючими компонентами которого являются монооксид углерода (CO) и водород (H₂). В зависимости от способа проведения процесса газификации и исходного сырья можно получить низкокалорийный (сильно забалластированный) или среднекалорийный генераторный газ.

Из навоза животных методом метанового брожения получают биогаз. Биогаз на 55—75 % состоит из метана и на 25—45 % из СО₂. Из тонны навоза крупного рогатого скота (в сухой массе) получается 250—350 кубических метров биогаза. Мировой лидер по количеству действующих установок по производству биогаза — Китай.

Лэндфилл-газ — одна из разновидностей биогаза. Получается на свалках из муниципальных бытовых отходов. В США в 2002 году находилось в эксплуатации 350 заводов по производству лэндфилл-газа, в Европе — 750, всего в мире — 1152, общее количество производимой энергии — 3929 МВт, объём обрабатываемых отходов — 4548 млн. тонн!

Ресурсы

Россия ежегодно накапливает до 300 млн. т. в сухом эквиваленте органических отходов: 250 млн т в сельскохозяйственном производстве, 50 млн. т. в виде бытового мусора.

США на свободных землях могут ежегодно выращивать 1,3 миллиарда тонн биомассы (Switchgrass — разновидности проса). Из этой биомассы можно получать биотоплива в объёме, эквивалентом 4,5 млн. баррелей нефти в день.

Ссылки

Полезное

Смотреть что такое «Биомасса» в других словарях:

биомасса — биомасса … Орфографический словарь-справочник

БИОМАССА — (от био. и лат. massa ком, кусок), выраженное в единицах массы количество живого вещества, приходящееся на единицу площади или объема местообитания (г/м2, кг/га, г/м3 и др.). Более точно биомасса выражается в энергетических единицах,… … Экологический словарь

БИОМАССА — (от био. и масса) общая масса особей одного вида, группы видов или сообщества в целом (растений, микроорганизмов и животных) на единицу поверхности или объема местообитания; чаще всего выражают в массе сырого или сухого вещества (г/м&sup2,… … Большой Энциклопедический словарь

БИОМАССА — (от био. и масса), общая масса особей одного вида, группы видов или сообщества в целом (растений, микроорганизмов и животных) на единицу поверхности или объема местообитания; чаще всего выражают в массе сырого или сухого вещества (г/м2, кг/га,… … Современная энциклопедия

БИОМАССА — суммарная масса особей вида, группы видов или сообщества организмов, выражаемая обычно в единицах массы сухого или сырого вещества, отнесённых к единицам площади или объёма любого местообитания (кг/га, г/м2, г/м3, кг/м3 и др.). Для того чтобы… … Биологический энциклопедический словарь

Биомасса — (от био. и масса), общая масса особей одного вида, группы видов или сообщества в целом (растений, микроорганизмов и животных) на единицу поверхности или объема местообитания; чаще всего выражают в массе сырого или сухого вещества (г/м2, кг/га,… … Иллюстрированный энциклопедический словарь

Биомасса — совокупная масса растительных и животных организмов, присутствующих в биогеоценозе в момент наблюдения; возобновляемые источники органического материала, который может быть использован в качестве топлива и для промышленного производства. … … Официальная терминология

биомасса — Вещество организмов, выраженное в единицах массы или энергии. [ГОСТ 9.102 91] биомасса Все виды веществ растительного и животного происхождения, продукты жизнедеятельности организмов и органические отходы, образующиеся в процессах производства,… … Справочник технического переводчика

БИОМАССА — БИОМАССА, общая масса (за вычетом обитателей воды) растений и/или животных, обитающих в какой либо местности. Термин часто применяют ко всему объему живых существ на Земле или на какой либо ее части, например, в океанах. Его относят также к… … Научно-технический энциклопедический словарь

биомасса — общая масса особей одного вида, группы видов или сообщества (растений, микроорганизмов, животных) на единицу поверхности, объема местообитания или массы субстрата. Б. выражают в массе сырого или сухого вещества (г/л, кг/га, кг/м3 и т. д.).… … Словарь микробиологии

биомасса — сущ., кол во синонимов: 1 • масса (96) Словарь синонимов ASIS. В.Н. Тришин. 2013 … Словарь синонимов

Источник