Přetížení sladkých vod živinami Přetížení sladkých vod živinami Terestický vodný cyklus N a P Koncentrace N, P, C a O v hydrosfére jsou svázány Redfieldovou reakcí Photosynthesis and Respiration 106CO2 + I6NO3- + HPOr + 122H20 + 18H + **..*».: AM4.~ T (+ trace elements and nUtnentS p ^ energy ____ i micro-nutrients {Cl06H26301ioN16P1} + 13802 micro.nutrients algal protoplasm don't SHOW up in Algal protoplasm may conveniently be also in this approximate expressed as molecular formula {(CH2O)106(NH3)16(H3PO4)} AN(+)/AP(+) = 16 ACO2(+)/AP(+) = 106 AC02(+)/AN(+) = 6,6 A02(+)/AP(-) = 138 A02(+)/AN(-) = 8,6 A02(+)/AC02(-) = 1,3 Přetížení sladkých vod živinami Výměna P a N s atmosférou Přírodní zdroje „fixovaného" N (NOx a NH3) v atmosféře pocházejí přímo z emisí biosférou a půdou, malá část ze vzniku NOx v blescích a hlavní část NOx znečištěním - zvláště spalováním N2 + 02 + teplo <-> NOx NH3 páry se rozpouštějí v dešťových kapkách za vzniku NH4+ a OH- ionů NOx páry se rozpouštějí v dešťových kapkách za vzniku N03_ a H+ ionů P se vyskytuje především v nerozpustné anorganické formě. Tok N a P deštěm do krajiny je velmi malý. N a P v povrchové vodě oceánů je velmi nízký - spotřebovány fotosyntézou, [N] = [P] ~ 0 v marinních aerosolech. N v kontinentálních deštích určen především atmosférickými plyny. P v kontinentálních deštích určen především obsahem pevných částic (prachem) - velmi nízký. Přetížení sladkých vod živinami Souhrn P a N N cyklus má významnou atmosférickou a biologickou část s významným antropogenním vychýlením. N vstupuje do řek a jezer hlavně vyluhováním půdní vlhkosti (rozklad organických látek, fixace N2 mikroorganismy). P cyklus nemá plynnou část, vstupuje do řek a jezer hlavně jako plavenina a dále jako DIP (dissolved inorganic P), někdy označovaný jako „ortho-P" (H3P04 a konjugované báze). Oba prvky cyklují v anorganické i organické podobě. Oba prvky cyklují jako rozpuštěné i ve vznosu Qako plaveniny). Antropogenní (znečišťující) toky u obou prvků představují zhruba 50 % celkových toků v cyklech N a P. N DIN:DON = -30 % TDN : -70 % TDN = 4:10 = 2:5 P DIP:DOP = -40 % TDP : -70 % TDP = 8:12 = 2:3 N DN:PN = 14,5:21 -5:7 P DP:PP = 2:22-1:10 D - dissolved (rozpuštěný), P - particulate (v částicích), I - inorganic (anorganický), O - organic (organický) Lidská aktivita výrazně zvýšila rychlost s jakou se oba prvky pohybují v hydrosfére. Na P jsou rychle využívány autotrofními organismy, proto zůstávají doby zdržení v rezervoárech nízké. Přetížení sladkých vod živinami Vychýlení N v terestických vodních systémech Protože N cykluje mnohem rychleji než P, vytvořily si ekosystémy efektivní způsoby „podržení" N přinášeného srážkami do krajiny (fungují efektivněji než pro P). 0.6 CM E CT Q) > c CZ CD E O 0.4 ŕ: 0.2 CO California Ohio / <& fŕ / / / / / / & / / / / / s A / Mid-Atlantic Tennessee• / / / / Lower / Mississippi / / / / / / / / / /Pacific Northwest » Upper Mississippi New England • Great Lakes • South Atlantic-Gulf / / Great Basin ____• rande* Colorado (Upper and Lower} Souris-Red-Rainy •^io G Missouri ;: Texas-Gulf f Arkansas-White-Red 0.2 0.4 Deposition (g/m2/yr) 0.6 Znečišťující N může být v ekosystémech systémech zadržován vysokou přítomností bioty, v některých případech je však systém „nasycen" dusíkem a ekosystém jej uvolňuje. Z toho důvodu pak může uvolňování N v průběhu několika sezón rychle stoupat i při stejném znečišťujícím vstupu. Přetížení sladkých vod živinami Zemědělství N prochází rychle, obvykle se aplikuje nadbytek pro dosažení vyšších výnosů; P prochází pomaleji, obvykle nízké koncentrace (suspenze), zvýšení při odlesňovaní a erozi půdy 1000 100 o E l l l l i i l l Excess N Z "Agricultural Rivers" Excess P Industrial Rivers" 1_____1____.....1 1 10 Phosphate (/xmol/l) 100 Osídlení Detergenty a čističe zvyšují P v rozpuštěné podobě, koncentrace je obecně úměrná počtu obyvatel. Antropogenní „tlak" vychyluje složení řek proti poměru v Redfieldově reakci - 2 typy řek. Přetížení sladkých vod živinami Cyklus živin v jezerech Fotosyntéza a dýchání vedou ve stratifikovaných vodách k typickému profilu živin N solar kenergy P ^°'> PHOTOSYNTHESIS Autotrophs (mosity algae) N.P RESPIRATION (consumption and decomposition) Helerotrophs ;animus, bacteria , fungi) VcoX CONCENTRATION OXYGEN O 100 200 /JM P>R P7).] (c) Lake Gersau. [From H. Ambür. HydroL 37. 35 (1975).] For (b) and (c) only re deeper water layers were considered. Strumm and Morgan, Aquatic Přetížení sladkých vod živinami Cykly živin v oceánech Poměry živin vyplývající z Redfieldovy reakce platí také pro regeneraci živin v oceánech. ■ v \.' / -' ■■ a?? Rising ocean currents <^ | Descending ocean currents > Přetížení sladkých vod živinami Omezení výživy - nejméně zastoupená složka výživy určuje množství fotosynteticky vázaného C Demanded Demand/Supply by Supplied by (Plant/Water) Plants Water Ratio Element Symbol (%) (%) (approx.) Oxygen 0 80.5 89 1 Hydrogen H 9.7 11 1 Carbon3 C 6.5 0.0012 5,000 Silicon Si 1.3 0.00065 2,000 Nitrogen3 N 0.7 0.000023 30,000 Calcium Ca 0.4 0.0015 <1,000 Potassium K 0.3 0.00023 1,300 Phosphorus3 P 0.08 0.000001 80,000 Magnesium Mg 0.07 0.0004 <1,000 Sulfur S 0.06 0.0004 <1,000 Chlorine Cl 0.06 0.0008 <1,000 Sodium Na 0.04 0.0006 <1,000 Iron Fc 0.02 0.00007 <1,000 Boron B 0.001 0.00001 <1,000 Manganese Mn 0.0007 0.0000015 <1,000 Zinc Zn 0.0003 0.000001 <1,000 Copper Cu 0.0001 0.000001 <1,000 Molybdenum Mo 0.00005 0.0000003 <1,000 Cobalt Co 0.000002 0.000000005 <1,000 - P je obvykle určující v jezerech, N v marinním prostředí - ve složitých ekosystémech dostávají přednost organismy, které chybějící složky potřebují nejméně Přetížení sladkých vod živinami Eutrofizace Experimentální jezera v Kanadě s přebytkem P, který způsobuje růst modrých řas (Cyanobacteria) - zelená barva. Přetížení sladkých vod živinami DO a T profil v oligotrofních a eutrofických jezerech Spring turnover Qj (mg/et 0 4 8 12 Summer stratification mg/e 0 4 B 12 Fall turnover mg/e 0 4 8 12 Winter stratification mg/í 0 4 8 12 0 10 20 Temp (*C) mg/i 0 4 S 12 10 20 30 0 10 20 30 0 10 20 30 "c °c °c Oligotrophy Largely Inorganic Control T 0, ?0 20 °c 30 mg/1 mg/e 0 4 8 12 3 4 6 12 1 ' 1 T \ 1 ľ 1 y^ |T _U. °2 t 1 — It fil y0* r i i 10 20 30 0 10 20 30 "C Slabá fotosyntéza Slabé dýchání (tlení) Silná fotosyntéza Silné dýchání (tlení) Eutropíiic Largely Organic Control Přetížení sladkých vod živinami Obecný model eutrofizace Generalized Eutrophication Long Pond, Brewster/Harwich, MA Přetížení sladkých vod živinami Oligotrofní jezero: u dna dostatek kyslíku pro udržení Fe3+ a vylučování FeP04 (vivianit) Eutrofické jezero: u dna redukční podmínky, Fe v podobě Fe2+ a rozpouštění FeP04 (vivianit) NO, {(jM) Mn (^M) 20 £ 4Ü 60 L "T-TI 4 / X : T------1------1 Fe (mM) 0 20 40 0 10 20 0 * I I I S \ oligotrophic epilimnion hypolimnion sediments Přetížení sladkých vod živinami Eutrofizace Pokud máme údaje o tocích fosforu a data o speciaci složek, pak můžeme určit bod (koncentraci P), při které se stane jezero eutrofické. Každý mg P spotřebovaný ve vrstvě epilimnia vyprodukuje 100 mg řas a 140 mg kyslíku. Pokud se dostane všechen tento fosfor do hypolimnia zde bude odčerpáno 140 mg kyslíku. V reálném cyklu 20 % P zpět do epilimnia 20 % P do sedimentu. "Box Model" Photosynthesis (iO?: + 140 mq diffusion sedimentation Epiiimnion with balanced P and O fluxes throughout the system. Hypolimnion Sediments Přetížení sladkých vod živinami Eutrofizace Podle „boxů modelu můžeme napsat rovnici pro spotřebu kyslíku v hypolimniu jako funkci přísunu P řekou, délkou periody stratifikace a hloubkou nádrže A02 = (140mg 02 /1 mg P) x (tstratifikace/ hloubka) x (|_p [mg/rok] / 365 dní) 10 CM IX CT> O z o o 0.1 EUTROPHIC OLIGOTROPHY ___i_____________ 10 100 MEAN OEPTH , z 1000 10 CM E --------1----------r EUTROPHIC OLIGOTROPHY 10 100 1000 i q$: -w