Structura trofică a ecosistemului

17.Ecotehnologiile: principii şi reguli de bază, sisteme de control a resurselor naturale, bioindicatori ai calităţii mediului, lucrări tehnice de conservare a naturii
Principiile fundamentale ale ecotehniei; reguli pe care se bazează ecotehnia
Principiile fundamentale ale ecotehniei:
1. intrările de energie şi stocările acesteia sub formă de produse materiale sunt limitate. În sistemele ecologice intră o cantitate limitată de energie, care se consumă în procesele de întreţinere, iar excesul este stocat sub formă de produse materiale.

Se consideră la ora de faţă pe plan mondial că cca 90% din substanţă este stocată sub formă de produse fosile, humus, sedimente, forme de rezistenţă la plante şi animale, şi abia 10% din substanţă se află în circulaţie.

2. informaţia în ecosistem este stocată în structurile sale biotice şi abiotice. În sistemele ecologice viul şi neviul interacţionează pentru a menţine cât mai multă informaţie, deoarece stabilitatea unui ecosistem este direct proporţională cu conţinutul de informaţie.

3. sistemele ecologice sunt sisteme deschise, disipative. Intrările de energie sunt convertite doar parţial, iar restul se pierde prin entropie.

4. sistemele ecologice sunt sisteme cu feed-back-uri multiple. Astfel, orice schimbare apare în orice punct în ecosystem, poate determina efecte în diferite locuri ale ecosistemului. Singurele capabile să diminueze aceste efecte sunt sistemele cu autoreglare.

5. principiul homeostaziei sistemelor ecologice: sistemele ecologice au o mare stabilitate. Dacă se încearcă dereglarea prin imputuri foarte intense, homeostazia poate slăbi, iar uneori întregul ecosistem se poate prăbuşi.

6. ecosistemele sunt sisteme adaptative cu autoorganizare. Între anumite limite imputurile manifestate asupra ecosistemelor pot fi corectate, permiţând prin autoorganizare adaptarea la noile condiţii de mediu.


Reguli de bază ale ecotehniei
1. minimalizarea energiei reziduale

Pornind de la faptul că toate tehnologiile sunt puternic energofage se caracterizează prin consumuri ridicate de energie, prin pierderi de căldură, prin eliminare în mediu a unor materiale şi produse reziduale ce mai conţin energie, rezultă creşterea cantităţii de CO₂ din atmosferă, care duce la schimbări ale microclimatului. Din această cauză reducerea pierderilor de energie, tocmai minimalizarea energiei reziduale, este una din opţiunile de bază pentru poluarea mediului.

2. reciclarea materialelor

Indiferent că sunt materiale naturale sau sintetice toate aceste materiale sunt extrase din natură. Disponibilitatea lor este limitată, iar preluarea lor din mediu determină degradarea acestuia. De aceea reciclarea tuturor produselor este singura cale de reducere a poluării, precum şi a impactului acesteia asupra mediului.

3. menţinerea tuturor structurilor naturale existente

Sistemele economice naturale formate în timp îndelungat vor trebui păstrate cât mai mult timp cât mai aproape de starea lor naturală.

4. viziunea pe termen lung

Toate ecotehnologiile vor avea drept scop păstrarea pe termen lung a armoniei între activităţile umane şi mediu. Această viziune se încadrează în conceptul de dezvoltare durabilă.

5. reconsiderarea interacţiunilor şi interdependenţelor din mediu

Considerarea sistemelor ecologice ca fiind sisteme bazate pe principiul interacţiunilor multiple, fiecare componentă vie sau nevie intrând în sistem cu cota sa de informaţie.

6. respectarea dinamicii ecosistemelor

Sistemele ecologice au o dinamică deosebit de complexă. În consecinţă, în gestionarea ecositemelor se va ţine cont de fluctuaţiile temporale ale acestor ecositeme.

7. înţelegerea sistemelor ecologice complexe

Capacitatea de a supravieţui a unui ecositem depinde de capacitatea lui de a se adapta la condiţii diverse. Studiul modului în care organismele se adaptează la mediu poate constitui singura modalitate prin care putem face faţă unor schimbări majore determinate de activităţile umane.

8. dependenţa de energie solară

Toate activităţile umane sunt dependente direct sau indirect de energia solară, care este însă folosită neraţional şi abuziv. Pentru a intra în armonie cu mediul este necesar a ne limita aceste consumuri mai ales ca sursa de energie solară este unidirecţională.

9. dependenţa de resursele organice şi minerale ale pamântului

Toate activităţile umane se desfăşoară cu consum de resurse minerale şi organice, şi omenirea va trebui să se organizeze în aşa fel încât să folosească pe termen lung aceste resurse, care nu sunt inepuizabile.

10. ecosistemele sunt sisteme interconectate, şi nu o îngrămădire de sisteme izolate

Între componentele unui ecositem există feed-back-uri multiple, iar de cunoaşterea acestora depinde înţelegerea proceselor care au loc în natură.

11. evaluarea simultană a opţiunilor manageriale posibile

Orice scop tehnologic poate fi atins pe căi diferite, prin mijloace diferite, iar adoptarea uneia sau alteia dintre opţiuni se va face strict pe calea minimizării efectelor negative.

12. recunoaşterea efectelor secundare

Orice activitate umană are la un moment dat efecte secundare, de cele mai multe ori negative, pe termen lung asupra ecosistemelor. Din nefericire aceste efecte negative pot avea impact local, regional sau chiar global. Cunoaşterea acestui impact pe termen lung e principala măsură în combaterea efectelor secundare.

13. recunoaşterea capacităţii de homeostazie a ecosistemelor

Homeostazia = capacitatea ecosistemelor de a asimila diferite tipuri de poluanţi în anumite limite. De cunoaşterea acestor limite ale homeostaziei depinde stabilitatea ecosistemelor. În ecotehnie nu se va depăşi niciodată capacitatea de homeostazie a ecosistemelor.

14. respectarea capacităţii de autoadaptare a ecosistemelor

Cunoaşterea stabilităţii ecosistemelor şi a limitelor de adaptabilitate ale componentelor vii sau ale condiţiilor abiotice, determină stabilitatea ecosistemelor, iar depăşirea acestor limite de adaptabilitate conduce la apariţia unor catastrofe ecologice.

15. evaluarea mediului înconjurător din punct de vedere socio-economic

Orice activitate umană, socială sau economică va trebui să ţină cont de impactul asupra ambianţei, de costurile protejării, prevenirii sau corectării daunelor produse.

16. evaluarea impactelor umane posibile asupra mediului

Atunci când demarăm acţiuni de folosinţă a mediului ambiant trebuie să se efectueze un studiu de impact luând în considerare toate posibilităţile, dar evident optând pentru varianta cea mai puţin poluantă.

17. respectarea principiilor ecologiei în orice ecotehnie.
Organisme bioindicatoare a calitatii mediului

• 
  Directii de utilizare a organismelor bioindicatoare:
  
• 
  A) utilizarea de organisme bioindicatoare ale calitatii mediului; se refera la selectarea din mediu a unor organisme capabile ca, prin prezenta lor, sa indice calitatea mediului pe termen indelungat;
  
• 
  B) utilizarea organismelor bioindicatoare ca biosenzori ai modificarilor bruste care apar in calitatea mediului
  

A. Organisme bioindicatoare

• 
  Minerii utilizau soarecii ca bioindicatori pentru a detecta scurgerile de bioxid de carbon si metan, avand o sensibilitate mai mare decat oamenii.
  
• 
  In statiile de epurare se introduc in mod deliberat pestii, care se dezvolta normal daca apele sunt curate-fara a putea fi consumati deoarece in corpul lor se acumuleaza substante toxice, iar daca epurarea este nesatisfacatoare ei mor.
  

Organisme bioindicatoare a calitatii mediului ca biosenzori

• 
  Cele mai utilizate organisme bioindicatoare ca biosenzori s-au obtinut in mediul acvatic; ele sunt:
  
• 
  Pestii
  
• 
  Dafniile
  
• 
  Algele si bacteriile
  
• 
  Se tine cont ca poluantul toxic este adus din amonte spre aval si ca se dilueaza pe masura ce se amesteca cu apele raurilor.
  
• 
  Biosenzorii pot evidentia prezenta toxicului numai in momentul trecerii lui prin locul de control
  

Pestii- biosenzori

• 
  Este una din metodele cele mai usor de realizat
  
• 
  Principiul: toxicul aflat in apa afecteaza organismul animal la nivelul mucoasei branhiale, la nivelul plamanului nu mai ajunge oxigen si astfel organismul se asfixiaza
  
• 
  Se intensifica respiratia pestilor, apoi pestele se agita, miscarile devin dezordonate
  
• 
  Apoi pestele iese la suprafata , branhiile se irita tot mai mult, apar rani sau necroze
  
• 
  Pestii apoi au miscari dezordonate, isi pierd echilibrul si cad la fund
  

• 
  Sistemul tehnic al detectarii pestilor in apa (Justel, 1987)
  
• 
  Utilizeaza tineret de pastrav, crap, caras,
  
• 
  Intr-o incinta reactiile pestilor sunt inregistrate sub forma de semnale electrice
  
• 
  In camera de testare intra un curent slab de apa din rau, iar la suprafata si fund se afla o sita cu ochiuri rare si un grilaj
  
• 
  Sitele si grilajul sunt conectate la curent electric care scurtcircuiteaza pestii care le ating
  
• 
  Un aparat de inregistrare pune in evidenta aceste atingeri, marcand acustic si grafic aceste atingeri
  
• 
  Cand in apa intra un toxic pestii respira mai des, apoi se agita, incearca sa se ridice la suprafata, apoi in fazele finale incep sa cada la fund. Toate acestea sunt inregistrate grafic.
  

• 
  In functie de viteza de reactie a pestilor si timpul de deteriorare a activitatii locomotorii se stabileste intensitatea procesului de intoxicare
  

• 
  Amplitudinea reactiilor depinde de specia de peste, starea lor de sanatate, varsta acestora.
  

• 
  Numai analizele chimice permit precizarea exacta a toxicului si concentratiei lui
  

Dafniile- ca biosenzori

• 
  Sunt nevertebratele acvatice cele mai usor de utilizat-se cresc usor, sunt hranite cu alge, au numeroase generatii pe an.
  
• 
  Pentru testare se folosesc exemplare tinere de aceeasi varsta si marime, iar dupa 20 de zile, inainte de a depune noi oua se inlocuiesc.
  
• 
  Sunt organisme care traiesc numai in masa apei unde se mentin prin batai ritmice ale antenelor
  
• 
  In caz de intoxicare miscarile antenelor se reduc, animalele coboara spre partea inferioara a bazinului, iar daca toxicitatea creste dafniile mor pe fundul bazinului
  
• 
  Realizarea aparaturii are la baza acelasi principiu ca la pesti, dar grila de scurtcircuitare se afla numai la fundul bazinului
  
• 
  Apa se introduce in camera de testare lent, pe la fund si iese de aici la suprafata
  
• 
  Masuratorile se fac sonor si grafic
  
• 
  Dafniile fiind mai sensibile decat pestii indetificarea deversarilor de toxic se face mai rapid.
  

Algele – ca biosenzori

• 
  Cele mai utilizate sunt algele verzi Scenedesmus si Chlorella
  
• 
  Utilizarea lor se bazeaza pe doi parametri:
  
• 
  -capacitatea de fotosinteza –masurarea cantitatii de oxigen dizolvat
  
• 
  -cantitatea de clorofila continuta de plante, –masurarea clorofilei in lumina fluorescenta
  
• 
  Algele au un ritm rapid de inmultire, ele nu sunt pretentioase la calitatea apelor naturale, dar sunt sensibile la prezenta unor toxice (metale grele si pesticide)
  
• 
  Daca apa contine toxice fotosinteza este incetinita sau se opreste si scade cantitatea de oxigen si de clorofila
  
• 
  Durata unei analize este de 6 minute, masuratorile se fac la 30 minute.
  
• 
  Modificarile se transmit unui calculator care avertizeaza si se pot lua imediat masuri de detectare a toxicului din apa.
  
• 
  Algele se tin in vase cilindrice , luminate si apa tinuta in miscare cu ajutorul unui agitator
  
• 
  Pentru intensificarea fotosintezei in vas se introduce bioxid de carbon
  
• 
  In vase sunt introdusi electrozi care masoara temperatura si cantitatea de oxigen dizolvat
  
• 
  La fiecare 30 minute se introduce apa din rau filtrata in prealabil, automat se evacueaza din vas o cantitate de apa egala cu cea introdusa, apa care contine alge.
  
• 
  In ultimii ani se utilizeaza si plante terestre la care se vizeaza inregistarea unor parametri fiziologici masurabili cu sisteme electronice moderne- gasirea unor biosenzori capabili sa caracterizeze global un ecosistem
  

Bacteriile- ca biosenzori

• 
  Principiul: intoducerea unei cantitati exacte de inocul si substante nutritive
  
• 
  Daca apa nu este toxica cultura bacteriana creste intr-un ritm exponential bine determinat pentru o perioada de timp
  
• 
  Daca in apa sunt toxici ritmul de crestere scade sau este stopat
  
• 
  Sunt utilizate bacterii bioluminescente, care pot fi detectate usor in lumina fluorescenta dupa 20-30 minute de incubare
  
• 
  Sistemul este automatizat: prelevarea probelor de apa, introducerea inoculului, a substantelor nutritive, citirea bioluminescentei bacteriilor.
  
• 
  Datele sunt preluate de un calculator si transpuse grafic
  
• 
  Semnalul sonor se declanseaza cand multiplicarea bacteriilor atinge valori sub 10% din valorile normale.
  

Ecotehnologii de gospodarire ecologica a ecosistemelor

Gospodarirea resurselor energetice

• 
  Omeniria nu respecta Legea fundamentala a naturii:gospodarirea judicioasa a energiei care patrunde in ecosisteme
  
• 
  Cauze:
  
• 
  - necunoastere;
  
• 
  - necesitatea satisfacerii nevoilor omenirii;
  
• 
  - dorinta de a castiga mai mult;
  
• 
  -dorinta de a produce mai mult;
  

• 
  Consecinte:
  

- se consuma cantitati tot mai mari de energie;

- cantitatile de energie consumata sunt peste posibilitatile pe care le ofera natura

• 
  Solutii: utilizarea energiilor stocate in produsele fosile :carbune, gaze naturale, petrol, elemente radioactive
  
• 
  Ultimele decenii: largirea gamei de surse energetice – energie solara, eoliana, ape curgatoare si maree, geotermala sau gazele reziduale
  
• 
  Preocupari actuale:
  

-realizarea de tehnologii mai putin energofage

- recuperarea si folosirea caldurii reziduale

- realizarea unor aparate noi cu consum redus de energie;

- lampi de iluminat mai economice

- reducerea consumului de carbu-ranti la autovehicole

stimularea activitatilor pentru folosirea locala a energiilor necon-ventionale

-reducerea pierderilor de caldura prin izolarea termica eficienta a cladirilor.

• 
  Scopul acestor activitati: folosirea mai judicioasa a energiei utilizate in industrie si in gospodariile populatiei
  
• 
  Cele mai noi preocupari:consumul de biomasa lemnoasa, producerea si utilizarea biogazului, cresterea capacitatii de recuperare a titeiului din zacamintele epuizate sau sarace
  
• 
  1.Intensificarea productiei de biomasa lemnoasa
  
• 
  Lemnul- una din resursele ener-getice si de materiale regenerabile de cea mai mare importanta
  
• 
  Se utilizeaza: gatit, incalzit, pro-ducerea de abur, obtinerea de papetarie si produse celulozice diverse
  
• 
  Ex. : in Romania suprafata impadurita a scazut intr-un secol de la 34% la 22%, extinderea agriculturii in tarile inapoiate se face extensiv, prin defrisarea padurilor, padurea tropicala braziliana se taie masiv din ratiuni economice
  

• 
  Solutii:
  

- refacerea masivelor forestiere taiate;

- crearea unor noi zone forestiere

• 
  Tehnologia de exploatare a padurilor prevedea:
  

- o perioada de pauza in vederea regenerarii naturale (care pornea rapid, dar dura cateva decenii),

- sau aducerea de puieti din pepinierele forestiere si plantarea lor in locul vechilor arbori taiati

• 
  Actualmente intensificarea productiei de biomasa lemnoasa se face prin:
  
• 
  A) in padurile naturale extragerea masei lemnoase se face mai nuantat:
  

- se trece de la taierile rase la taieri selective (in vederea mentinerea heterogenitatii de varsta a populatiei arboricole)

- se marcheaza annual (vara), arborii de urmeaza a fi taiati in iarna urmatoare

-sunt alesi arborii batrani sau bolnavi

-utilajele folosite; sa afecteze cat mai putin solul

-taierile se fac iarna pe zapada, scoaterea arborilor se face fara smulgerea lor din sol- butucii raman si putrezesc pe loc, contribuind la ingrasarea solului, neafectand structura si calitatea acestuia

• 
  Rezultat: mentinerea heterogenitatii speciilor arborilor si diversitatea ecosistemelor forestiere naturaleB) crearea unor paduri monospecifice, prin replantarea unor zone in care s-au aplicat taierile “rase” cu puietii unei singure specii
  
• 
  -in aceste plantatii monospecifice biodi-versitatea, heterogenitatea si stabilitatea ecosistemelor forestiere s-a diminuat
  
• 
  - sunt mai usor afectate de vanturile puter-nice, sensibile la atacul defoliatorilor, apar mai usor procesele erozionale
  
• 
  Masura: extragerea selectiva a masei lem-noase urmata de replantarea dar cu specii diferite pentru refacerea heterogenitatii
  

C) Masivele forestiere plantate de om au urmatoarele caracteristici:

- sunt plantate cam in acelasi timp,

- arborii au acelasi ritm de crestere,

- o plantatie devine buna de exploatat cam in acelasi timp

Padurea se exploateaza integral in functie de specie:

- dupa 90 ani- stejari si fagi;

- dupa 40-60 ani -molizi;

- dupa 20-30 ani – plop canadian

Avantaje:

- ofera omului – dupa o perioada bine stabilita – biomase lemnoase sigure

- daca necesarul de biomasa este ridicat –se planteaza arbori din esente rapid crescatoare, ce pot fi exploatate dupa 20 ani

D) Mentinerea intr-o stare de bonitare a padurilor prin:

- reducerea tratamentelor generale cu pesticide (slabesc rezistenta arborilor)

- aplicarea pe scara larga a sistemelor de combatere integrata

- utilizarea tratamentelor biologice
2. Producerea si utilizarea biogazului

Biogazul- stabilizarea namolurilor reziduale sau fermentarea subs-tantelor vegetale in conditii anae-robe, cu eliminarea unui amestec de compusi gazosi, cei mai importanti sunt: metanul si bioxidul de carbon ( impreuna cu alte 12 substante gazoase, dar cu pondere nesemni-ficativa)

Avantajele biogazului:

- valoare calorica de 2-3000 kcal/mc gaz;

- produs cu usurinta din deseuri vegetale si resturi animale;

- cost de productie mic;

- determina economisirea de carburanti naturali sau fosili;

- concomitent are loc si prelucrarea deseurilor din gospodarii si utilizarea lor la ingrasarea terenurilor agricole

• 
  Utilizarile biogazului:
  

- in gospodarii taranesti izolate, la gatit si la incalzitul hranei iarna, pentru animale;
- la preincalzirea namolului care se introduce in metatancurile care functioneaza in flux continuu in statiile de epurare;
- la incalzirea atelierelor si laboratoarelor din statiile de epurare;
- la incalzirea serelor mici;
- la functionarea unor motoare de mica capacitate

• 
  Dezavantajele folosirii biogazului:
  

- productie relativ mica;

- putere calorica redusa;

- comprimarea si imbutelierea costisitoare

• 
  Instalatii de gaz in gospodarii agricole:
  

- utile pentru zona montana, la case mai izolate, la ferme de animale mici

- functioneaza cu succes in China, Germania

- de la punerea in functiune la obtinerea biogazului: 2-3 saptamani

• 
  Materialul din care se obtine biogaz poate fi: dejectii de animale, resturi din gospo-darie, resturi de furaj nefolosite de animale in grajd
  
• 
  Mod de producere a biogazului:
  

- se introduc in bazinul de fermentare (2,5-3 mc) si se amesteca manual de 2-3 ori /zi

- la o presiune de 1,5-2 atm. gazul se eva-cueaza deoarece el contine doar bioxid de carbon si resturi de oxigen

- ulterior, dupa ce se ajunge iar la 2 atm, conducta de gaz se poate cupla la aragaz si poate da prin ardere, caldura

• 
  3.Recuperarea titeiului din zacaminte sarace sau secatuite
  

- cel mai mare consum energetic se realizeaza prin consumul de titei

• 
  Se extrage de la adancimi variate (100-5000m) prin:
  

- foraj,

- urmat de evacuarea carburantului natural, pe baza presiunii din punga de titei ( functie de gazele existente si gra-dul de presiune a rocilor inconjuratoare)

• 
  titeiul se afla in scoarta terestra in depresiuni impermeabile – pungi-umplute cu material fin, poros, si in care se afla la fund o apa de zaca-mant foarte sarata
  
• 
  -deasupra se afla titeiul care imbiba materialul poros , iar deasupra gaze-le de sonda care asigura presiunea din interiorul pungii de titei
  

• 
  la forare sapa sondei poate ajunge in:
  

- punga de gaze si atunci sonda erupe numai gaze

- in stratul de apa fosila –sonda erupe numai apa sarata

- in zacamantul de titei – sonda erupe titei

• 
  Pe masura exploatarii, gazele din punga se decomprima, caz in care se monteaza o pompa absorbanta care “ suge” din titeiul ramas
  
• 
  -Prin evacuare naturala si prin pompare se extrage cam 20% din titeiul aflat in zacamant, iar restul de 80% nu mai poate fi exploatat.
  
• 
  In vederea recuperarii unei parti se utilizeaza 2 categorii de metode:
  

- fizice – se inchid sondele care au strapuns punga si se ridica presiunea in interiorul zacamantului

- biologice - selectarea de tulpini bacteriene si asa-numitele “ bacterii producatoare de titei”

• 
  a)Procedee fizice:
  

- se insufla aer in zacamant pentru a se ridica presiunea

• 
  - se aprinde sonda in interior - arde o parte din titei si astfel creste presiu-nea in interiorul pungii
  
• 
  -se pompeaza sub presiune apa la fundul pungii – creste astfel presiunea in punga de jos in sus – este metoda cea mai sigura, dar costisitoare
  
• 
  B) Biologice:
  
• 
  -stimularea bacteriilor anaerobe care pot produce gaze ca rezultat al activitatii lor metabolice;
  
• 
  
  
• 
  Sunt doua metode aplicate:
  
• 
  
  
• 
  1. selectarea si cultivarea bacteriilor mezo- si termofile care se dezvolta pe substrat organic (melasa), iar ca urmare a degradarii acestora se elibereaza mari cantitati de metan si CO2
  

• 
  Mod de lucru:
  

- realizarea de culturi microbiene mari – tone-

- inchiderea sondelor care strapung punga

- printr-o singura sonda se introduce o cantitate mare de melasa ce are o cultura microbiana speciala

- se inchide aceasta sonda

- dupa 2-4 luni bacteriile descompun melasa si cresc presiunea

- se deschid cateva sonde din apropiere si se reia extractia titeiului prin presiunea realizata biotehnologic

• 
  Rezultatele sunt promitatoare si conduc la extractia inca a 20% din zacamant
  
• 
  In Romania s-a experimentat la Caldararu - Bucuresti
  
• 
  2. A doua varianta:
  

- selectia de bacterii anaerobe ce traiesc si se multiplica in apele foarte sarate, ca apa de zacamant

- bacteriile anaerobe se cultiva apoi pe medii bogate in zaharuri

- inoculul si substratul se introduce in pun-ga, la nivelul apei de zacamant

- se continua pomparea de apa pentru cresterea presiunii din punga hidraulic

- dupa cateva luni se deschid unele sonde din jurul celei prin care s-a facut insaman-tarea si se reia extractia titeiului

• 
  Cresterea si cultivarea bacteriilor producatoare de titei
  

- se porneste de la premiza ca formarea titeiului este rezultatul descompunerii anaerobe a substratului organic si vegetal

- in gropile de depozitare a gunoaielor au loc, in grosimea straturilor de deseuri procese anaerobe de descompunere, cu eliberare de metan si eliminarea unui lichid vascos brun “lesie”, bogat in substante asfaltice

- din lesie se selectioneaza bacterii care ar putea fi dirijate spre producerea de titei, sau echivalentul acestuia.

18.