Talajállatok ökotoxikológiája Ökotoxikológus MSc Tárgyfelelős: Dr. Seres Anikó SZIE-MKK, Állattani és Állatökológiai Tanszék
A félév beosztása • • • •
3. félév: 1+1óra; 1+1kr; vizsga Ea: (02.08. -03.18.) Gyak: (03-28. – május 20.) Tavaszi szünet: 03.21- 0.25-ig
• Értékelés: gyakorlati eredmények prezentálása (05.12. vagy 05. 19) + elméleti zh a félév közepén!(03.17.)
Vázlat • • • • • •
Bevezetés (történet; paradigmák; cél) Talajtan (talaj kialakulás; fejlődés; típusok; vizsgálati lehetőségek) Talaj élővilágának biodiverzitása; mennyiségi viszonyok; osztályozhatóság A talaj hatótényezői A talajökotoxikológia története, vizsgálati módszerei A legjellemzőbb taxonok ismertetése: – Nematoda – Oligochaeta – Gastropoda – Myriapoda – Isopoda – Collembola – Carabidae • Gyűjtési módszerek • Talaj táplálékhálózatok, funkcionális kapcsolatok • …. Közben ökotox …
2015: A talaj éve
https://www.soils.org/iys/monthly-videos
Történet
• Aristoteles: „...a giliszták a talaj belső szervei...” • Darwin (1831): 326 oldalas kiadvány – humuszképzés, giliszták szerepe • • • • • • • • • • • • •
Hampus von Prost (1862, svéd) V. Hensen (1877, 1882, német) PE Müller (1879, 1884, dán) K. Diehm (1903) – összefoglaló mű az Alpok talajfaunájáról A. Berlese (1905, olasz) – atkák kinyerése automatikus úton Bornebush (1930, dán) Sondek (1928, cseh) Frenzel (1936, német): taxonómia, ökológia, faunisztika Ghiljarov (1949) Kühnelt (1950) Franz (1950) Delamare-Deboutteville (1951) Dudich, Balogh, Loksa, Mahunka, Bakonyi.....
• XX. sz.: Alkalmazott ökológiai kutatási irány – – – –
A talaj termőképességének problémája Iparosodás Népességnövekedés – építkezés Táplálékforrás
– Szükségszerűen megjelent: fizikai-kémiai jellemzők; talaj mikrobiológia – I. Világháború után fellendülés (Ausztria: Sehera&Kubiena; Dokucajev)
• A talajbiológia alapfeladata – a talajlakók fajgazdagságának feltárása – Taxonómia, ökológia (pop. dinamika, táplálékválasztás, feldolgozás) – Szerepük a talaj ökoszisztémában (termőképesség!) – ökoszisztéma szolgáltatás – Talaj táplálékhálózat feltárása – tápanyag forgalom követése – Alkalmazott területek (talajszennyezés, GMO...)
• 1958 óta: Talajzoológiai kollokviumok: • XIVth International Colloquium on Soil Zoology and Ecology •
"Soil Animals and Ecosystem Services„
• XIth International Colloquium on Apterygota •
the Université de ROUEN (Mont Saint Aignan, France)
• 1961: első szakfolyóirat -
Pedobiológia
2012 Coimbra
XVI ICSZ – International Colloquium on Soil Zoology Coimbra, August 6-10, 2012 XIII ICA – International Colloquium on Apterygota Coimbra, August 13-15, 2012 X ISE – International Symposium on Enchytraeidae Coimbra, August 13-14, 2012
A talaj funkciói: • „Ökológiai” funkciók: • biotóp (biológiai élettér) • biomassza termelő terület (termőtalaj) • szabályozó (pufferoló) közeg
Illetve: • Emberi tevékenységhez kötődő funkciók: • fizikai közeg (építészeti: telkek-pihenőhelyek)
• nyersanyagforrás (és más források lelőhelye) • archeológiai-paleontológiai információk hordozója.
Európai Talaj Karta (European Soil Chart, Európa Tanács, 1972) • A talaj az emberiség egyik legértékesebb kincse, amely korlátozottan áll rendelkezésre, könnyen tönkretehető, ezért védeni kell az erózió, a szennyezések és más emberi behatások ellen. Erőforrásainak leltárát el kell készíteni, a beruházások során törekedni kell minimális károsodására, objektumok telepítésekor a hatástanulmányoknak a talajvédelmi intézkedések költségeire is ki kell terjedniük. • Megóvása érdekében további kutatásokra és interdiszciplináris együttműködésre van szükség, védelmének fontosságát be kell építeni a köztudatba és a kormányoknak, valamint a helyi hatóságoknak céltudatos intézkedésekkel kell elősegíteniük védelmét.
A talaj, mint élőhely - nehezen átjárható, nem áramlik (pl. a vízhez képest),
- az avar gyenge minőségű táplálékforrás, - mozaikos mind vertikálisan mind horizontálisan. - a talajállatok denzitása a felső 10 cm-ben a legnagyobb, majd fokozatosan csökken a talajmélységgel. - különböző léptékek, méretek
http://soilquality.org
Szintezettség
Az állatok nagyrészt a talaj legfelső rétegeiben élnek (felső 10-20 cm). De…
A talajzoológia legfőbb nehézségei • Jelentős méretbeli különbözőségek • Mozaikosság (térbeli heterogenitás)
Mikroélőhelyek, szférák a talajban („functional domains”) Beare et al. 1995 1. Driloszféra – avartakaró, gilisztajáratok, stb. 2. Detritusz-szféra – felső, szervesanyagban leggazdagabb r.
3. Pórus-szféra 4. Aggregátum-szféra 5. Rizoszféra - gyökérzóna
http://www.nature.com/ scitable/knowledge/library/ the-soil-biota-84078125
Driloszféra, detritusz-szféra
Pórus-szféra, aggregátumszféra
http://www.nature.com/scitable/knowledge /library/the-soil-biota-84078125
Rizoszféra
A talaj összetevői Szerves anyagok kb. 5 %
A talaj szervesanyagtartalmának összetevői Élőlények biomasszája kb. 5 %
Forrás: http://soils.usda.gov
Kérdés... ???
SCHROEDER, D. (1992
Akkor miért érdemes vizsgálnunk őket egyáltalán? „Kampánybeszéd” a talajlakó élőlények jelentőségéről...
A TALAJ ÉLŐLÉNYEINEK szerepe “A FÖLD BIOLÓGIAI MOTORJA” mint ökoszisztéma szolgáltatások JAVAK (tartalék) – tápanyagok, rost – biotechnológiai összetevők SZOLGÁLTATÁSOK (szabályozás) – tápanyagok körforgalma – víz tárolása és szállítása – talaj strukturális változásai (pl.: erózió, áthalmozás) – biotikus szabályozás (pl.:kártevők, kórokozók) – detoxifikáció – atmoszféra összetétel (CO2!!!) Professor Karl Ritz Cranfield University
A talajállatok többrétű jelentősége • Változatos méretkategóriák, táplálkozási módok és szaporodási dinamika
• Szabályozó szerep a tápanyagok körforgásában, különböző lebontóutak vonatkozásában • Fentiek miatt: REPREZENTATÍV indikátor jelleg
A talajlakó élőlények szerepe a tápanyagok körforgásában
A talaj élő anyagának összetevői A talaj élő komponensei
Rét, legelő
Árpa
Biomassza (t / ha)
% (átlagok)
Biomassza (t / ha)
%
20-90
89
1,46
37
Baktériumok
1-2
1,6
0,73
18,5
Sugár-gombák
0-2
1,6
-
-
Gombák
2-5
5,6
1,63
41,3
Egysejtűek
0-0,5
0,004
0,07
1,8
Fonálférgek
0-0,2
0,001
0,002
0,0005
Gyűrűsférgek
0-2,5
2
0,056
1,4
Egyéb állatok
0-0,5
0,004
0,0006
0,0002
Gyökerek
A talaj élőlényeinek („biota”) összetevői
Jellemző egyedszámok
Forrás: http://soils.usda.gov
Jellemző biomassza-értékek
Forrás: http://soils.usda.gov
A talaj biomassza jellemző térbeli és időbeli trendjei
Forrás: http://soils.usda.gov
Talaj biodiverzitás jelentősége • • • • •
HIPOTÉZIS - a diverz rendszer előnyei: – produktívabb – fenntarthatóbb – zavaró tényezőkkel szemben ellenállóbb – megújuló képessége jobb
• • • •
Mechanizmusok: – repertoár („toolbox”) – interakciók – redundancia
A biodiverzitást veszélyeztető hatások KÖZVETETT – szerkezeti leromlás – erózió – talajfedés – szerves anyag csökkenés KÖZVETLEN – fizikai hatások pl. szikesedés – kémiai szennyezések xenobiotikumok (biocidek, szennyezőanyagok)
Forrás: http://soils.usda.gov
Forrás: http://soils.usda.gov
Mineralizáció - immobilizáció
Forrás: http://soils.usda.gov
Talajfauna és ökoszisztéma szolgáltatás „Soil is more than just dirt”
Mikroorganizmusok talajfolyamatok szabályozói
Mezofauna: talaj predátorok, pathogének, herbivórok
Makrofauna: Talaj „mérnökök”
Mi (nem) lenne nélkülük? • • • • • •
Szervesanyag lebontás Szervetlen anyagok átalakítása Talaj aggregátumok képzése Toxikus anyagok lebontása Nitrogén fixácó Biológiai növényvédelem
Miért fontosak a talajállatok? • Lebontók (befolyásolják a szervesanyag lebomlását; a mineralizációt) • Direkt, indirekt hatások a talaj termékenységére • Kapcsolat a talaj mikroorganizmusokkal • Megváltoztatják a talaj jellemzőit (pH, nedvesség, szerves anyag) • Táplálék: madarak, kétéltűek, hüllők, gerinctelenek • Ragadozók: a zsákmány populációk szabályozói
A talajállatok fontosak…
1. lebontás (fragmentáció)
2. Talaj keverése (levegőztetés)
Bouteloua gracilis lebomlása „blue grama” – alacsony moszkitófű
A talajbiológia jelentősége – A fenntartható és ökologikus mezőgazdaság alapja • • • •
Lebontás Tápanyag körforgás Szerves anyag javítás – „betegség” kezelés Növekedést segítő baktériumok, mikorrhizák
– Talaj minőség és egészség • A szerves anyag kulcsszerepe
– Globális klímaváltozás és C elvonás a talajokban
Mit tudunk a talaj élővilágáról?
• Nevezéktan: R. Francè: „edaphon” = a talaj élővilága • Funkciója: - biológiai mállás - humifikáció - mineralizáció - „átépítés”, „morzsalékosság” kialakítása - járatok készítése • „Talajállat” definíció: ...közvetlenül vagy közvetve befolyásolják a talaj állapotát. (Pl.: Carabidae vs. elefánt!?) – Közvetlen hatás: holt szerves anyag feldolgozása – Közvetett hatás: más talajállatot ragadoz; gyökeret eszik, stb.
Talajbióta • A legkomplexebb biológiai közösség • A táplálék és élőhely feltételek sokfélesége („patchy environment”) • A diverzitás a talaj minőségének jelzője – Fajdiverzitás – Funkcionális diverzitás
• Funkcionális redundancia – Sokféle organizmus látja el ugyanazt a feladatot – Ez stabilitáshoz és rezilienciához vezet • A talajok a legkülönbözőbb tényezők mellett és zavarások után is képesek az „ökoszisztéma szolgáltatásukat” ellátni
• Kulcsfajok (keystone spp) – Egyes feladatokra „szakosodtak” • Nitrogén körforgás • A szerves anyag fizikai újraelosztása
Funkció szerinti felosztás • A talajállatok csoportosítása táplálékforrásaik szerint • Növényevők (elsősorban gyökérfogyasztók): pl.: kabóca lárvák (Cicadidae), lótücsök (Gryllotalpa gryllotalpa), tetvek, különböző lárvák, szövőcsévések (Symphyla) • Szaprofágok: Ikerszelvényesek (Diplopoda), ászkarákok (Isopoda: Oniscidea) • Gombaevők: Ugróvillások (Collembola), egyes atkák (Acari)
• Ragadozók Pókok (Aranei), álskorpiók (Pseudoscorpionides), százlábúak (Chilopoda), ragadozó atkák (Acari), egyes bogarak (Carabidae, Cicindelidae), hangyák (Formicoidea)
O horizont felszín: elhalt növényi/állati szerves anyag A horizont Felső talajr. (Topsoil): növényi gyökerek, baktériumok, gombák, kis állatok B horizont Alsó talajr. (Subsoil): kevesebb élőlény, kevesebb „topsoil”; növényi növekedésnek nem kedvez C horizont Megváltoztatott növényi anyag: kevéssé „élő”
Talajképződés – élővilág szukcesszió
Talaj, mint élőhely (habitat) élőlények – forrásaik elérhetősége
Növényi gyökerek
Talaj részecskék
Víz
Gyep mikrozóna 1 cm2
Életfeltételek a talajban: • • • • • • • • •
élettér talajszerkezet – alkalmazkodás (funkcionális féreg alkat) talajnedvesség talaj levegő tartalom (O2) talajhőmérséklet fény kémiai sajátságok (kicserélhető Ca pH) táplálékellátottság szervesanyag tartalom
és a
Vertikális heterogenitás ganajtúrók
földigiliszták
Levélnyíró hangyák
Horizontális heterogenitás
Amynthas (ázsiai)
Lumbricidae (európai)
Térkép: E. Ellis & D. Cilento, Dept. of Geography, UMBC
A talaj szervezetek a talaj minőségének minden aspektusából fontosak Struktúra/Aggregátum
Szervesanyag
Humifikáció
talaj közösség Nitrát kimosódás
Lebontás Tápanyag körforgás
Diverzitás
„Poor man’s rainforest”
Az edafon csoportosítása: • Kevan (1962) féle osztályozás – – – – – –
állandó időleges periódikus részleges alternatív átmeneti talajlakók
• méret szerinti csoportosítás (hossz; keresztmetszet) • funkció szerint (lebontók, ragadozók, fitofágok)
I.
II. III. IV.
V.
valódi talajállatok: egész életüket, mindegyik fejlődési formájukban a talajban, vagy a talaj felszínén (az avarban, kövek, kidőlt fák alatt, mohában, zuzmóban, ürülékben stb.) töltik, időszakos talajállatok: legalább egy fejlődési szakaszuk a talajban zajlik és ezalatt részt vesznek a talaj tápanyagforgalmában, talaj feletti állatok: a talajszint felett élnek, de például a petéjüket a talajba rakhatják, vagy a talajban bábozódhatnak, vízi állatok: teljes életciklusuk, vagy legalább egy fejlődési szakaszuk vizekben (pocsolyák, tavak, folyók stb.) történik, egyéb állatok: nincs elég információ az életmódjukról.
A talajfauna biodiverzitása I.
II.
III.
IV.
V.
%
%
%
%
%
Hortobágyi NP
20,8
18,7
48,2
7,5
4,9
7384
Kiskunsági NP
20,3
17,1
51,9
6,7
4,0
8822
Bükki NP
16,7
20,3
53,4
4,9
4,7
8464
Aggteleki NP
8,8
18,5
64,3
5,0
3,4
7394
Bátorligeti TT(1953)
17,6
14,2
57,7
9,2
1,3
4370
Bátorligeti TT(1991)
24,2
16,8
50,9
7,3
0,9
5450
18,1 (±5,3)
17,6 (±2,1)
54,4 (±5,8)
6,8 (±1,6)
3,2 (±1,7)
Átlag (±SD)
Összfajszám
Talajállatok fajgazdagságának összehasonlítása különböző élőhelyeken I. valódi talajállatok, II. időszakos talajállatok, III. talaj feletti állatok, IV. vízi állatok, V. egyéb állatok.
hiperedafikus – aljnövényzetben élők epedafikus/epigeikus – talaj felszínén élők hemiedafikus/hipogeikus – a humuszrétegben élők euedafikus/endogeikus – a felső talajrétegben élők Protaphorura armata (Collembola) Endogeikus, talajpórusokban él.
A diverzitás megalapozói: • A táplálék és élőhely feltételek sokfélesége („patchy environment”) • Fokozottan diverz kőzettani, kémiai, fizikai feltételek • A diverzitás a talaj minőségének jelzője – Fajdiverzitás – Funkcionális diverzitás
Diverzitással kapcsolatos koncepciók • Funkcionális redundancia – Sokféle organizmus látja el ugyanazt a feladatot – Ez stabilitáshoz és rezilienciához vezet • A talajok a legkülönbözőbb tényezők mellett és zavarások után is képesek az „ökoszisztéma szolgáltatásukat” ellátni
• Kulcsfajok („keystone” spp) – Egyes feladatokra „szakosodtak” • Nitrogén körforgás • A szerves anyag fizikai újraelosztása
A lebontó állatok taxonómiai diverzitása 1. Regnum/Phylum
Subphylum/Classis
Subclassis/ordo
közönséges név
Protista
Flagellata Sarcodina Ciliophora
egysejtűek: ostorosok, amőbák, csillósok
Platyhelminthes
Turbellaria
örvényférgek
Nematoda
fonálférgek
Gastrotricha
csillóshasúak
Rotatoria
kerekesférgek
Mollusca
Gastropoda
csigák
Annelida
Clitellata: Oligochaeta Hirudinea
földigiliszták televényférgek piócák
Tardigrada
medveállatkák
2. Regnum/Phylum Arthropoda
Subphylum/Classis
Sub-classis/ordo
Myriapoda: Chilopoda Pauropoda Symphyla Diplopoda
közönséges név százlábúak villáscsápúak szövőcsévések ikerszelvényesek
Chelicerata: Arachnida
Pseudoscorpiones Ricinulei Opiliones Acari Araneae
álskorpiók sapkáspókok kaszáspókok atkák pókok
Crustacea: Malacostraca
Ostracoda, Copepoda, Amphipoda, Decapoda, Isopoda
kagylós-, evezőlábú, felemáslábú, tízlábú, ászkarákok
Hexapoda: Parainsecta
Protura Collembola Diplura
előrovarok ugróvillások lábaspotrohúak
Insecta
Dermaptera Blattoptera Isoptera Ensifera Thysanoptera Hymenoptera Lepidoptera Diptera
fülbemászók csótányok termeszek tücskök, sáskák tripszek hártyásszárnyúak lepkék legyek
Taxonómiai diverzitás
Méret szerinti osztályozás • Makro >2mm, mezo 0.1-2mm, mikro < 0.1mm – Makroflóra • Edényes növények gyökerei, Bryophyta (mohák)
– Makrofauna
makrobióta
(vakond), giliszta, ikerszelvényes, ászka
– Mezofauna • ugróvillások, atkák
– Mikrofauna • Nematoda, protozoa
– Mikroflóra • algák, gombák, baktériumok, actinomycetes
mikrobióta
Méret (átmérő) szerinti felosztás
A talajszervezetek denzitás viszonyai
