APLIKOVANÁ HYDROBIOLOGIE III - EUTROFIZACE
Eutrofizace
je definována jako proces zvyšování produkce organické hmoty ve vodě, ke které dochází především na základě zvýšeného přísunu živin (OECD 1982)
S postupným nárůstem frekvence lokalit se zjevnou nadprodukcí (tzv. hypertrofie) přechází definice v devadesátých letech do podoby
„eutrofizace"
- narušení ekologických procesů následkem přebytku živin v prostředí
INDUKOVANÁ (ANTROPOGENNÍ) EUTROFIZACE
Příčiny indukované eutrofizace
Splachy anorganických hnojiv (nitráty a fosfáty)
Přírodní výluhy (nitráty a fosfáty)
Přísun nitrátu, fosfátu a amoniaku z odpadů živočišné produkce (močůvka, kejda, chlévská mrva)
Srážky
Přísun nečištěných odpadních vod
(nitráty a fosfáty
Živinami přesycený jezerní ekosystém;
narušení chemických cyklů
Přísun čištěných odpadních vod
(nitráty a fosfáty
Splachy a eroze v důsledku zemědělské výroby, těžby a stavebnictví
Přísun detergentů (fosfáty)
Živiny způsobující eutrofizaci
Nutno hledat regresní vztah mezi koncentrací jednotlivých živin a koncentrací chlorofylu a, jakožto nejsnadněji měřitelným parametrem charakterizujícím rozvoj řas
Dillon & Rigler (1974) - lineární regresní vztah mezi logaritmem koncentrace fosforu během jarní cirkulace a logaritmem průměrné letní (ve vegetačním období) koncentrace chlorofylu a
Fosfor vs chlorofyl-^
Straškraba (1980) - u koncentrací fosforu vyšších než 100 |jg/l je vhodnější použít místo mocninového logistický vztah, neboť biomasa řas, vyjádřená v chlorofylu a, nemůže být větší než určitá kritická hodnota, nad niz je dalsi rozvoj ras omezen samozastíněním a nikoliv koncentrací živin
■m
ife-.-ris--'-ite-
1ŮĎ 30* 3Dfl
*«u*l *#n«   lni q| fhdftphcui  mg t m>
Předpoklad, že fosfor vystupuje z makrobiogenních prvků nejčastěji jako limitující prvek, byl potvrzen celou řadou studií a experimentů, u nás např. Komárkova (1974) v Klíčavské a Slapské údolní nádrži zjistila zvýšený rozvoj planktonních řas pouze po přidání sloučenin fosforu
Vliv různých koncentrací fosforu na růst biomasy řas
Aplikace P
kontrola
■
Ä     1     «      1     ľ     1      J      1     Ä      1     * O     * "
ÍC|J1IJJLP *°
M-
■ŕPi------ 'i"ľ '
H " á   H   J    J    *   i    U N
10-Or
5 O ■ A.O -
30 -
zob
o?
Ol
50 na
1
ONTARIO
HURON I- SUPERIOR
MICHIGAN
Vztah mezi fosforem a chlorofylem -a
1111 li
1     3   4 E 67 8 10       ?,1 30 Phosphorus leading |mg P m 31
L   I  I I 'J
100
Vztah mezi fosforem a transparencí
HURON
SUPERIOR
Michigan
ONTARIO -
-J_L
I  I I 11
A—
3Í567B 10       20 30 Phosphorus reading |mg P m" 'f
ERIE
j—i i.....
100
Poměr N:P (dusík:fosfor) indikuje, který nutrient je pravděpodobně limitujícím pro růst řas v jezerech
C:N:P v tkáních řas v poměru 106:16:1 (tzv. REDFIELD RATIO)
r
^    N:P < 16:1 = limitace dusíkem (řasy mají méně dusíku)
N:P > 16:1 = limitace fosforem (rasy maji mene fosforu)
Vývoj koncentrací dusíkatých látek ve vodách
5t0 L 4,0 3,0
en £
2,0 -
■CD
E
1 1r0
Povrchové vody
N03-N
y organický N
- 100
|^ 80 ca -j'
>-= 60 -r en
I
40
20
Zemědělství
~T-1-1-1-1-1-1-T-T-T-1-ľ-T-T-T-T-1-T T—T—1
1960     62      64      66      68     70      71      74     76 78
Nejvetsim zdrojem celkového dusíku v povodích byl odtok z hnojené zem. půdy (50-67 %); komunální odpadní vody se podílely méně (12-30 %)
Retence fosforu půdou je
mnohem vyšší než v případě dusíkatých látek
Vývoj koncentrací fosforu ve vodách
Povrchové vody
| 24 ■ St 20'
e k
> T, 16 Cl x:
Zemědělství
a
(0
8
—i—i—i—i-1—i—i—i—i—i—i-1—i-1—i—r
1960 61 62 63 64 65 66 67 68 69  70 71  72 73 74 75
Nejvetsim zdrojem celkového fosforu v povodích byly komunální odpadní vody (75-90 %); zbývající část pocházela z eroze zemědělské půdy (5-14 %), z přirozeného od nosu v povodí (4-9 %) a z atmosférické depozice na hladinu toků a nádrží (1-2 %).
FOSFOR VE VODÁCH
1. Rozpuštěný anorganicky vázaný fosfor ve formě jednoduchých nebo komplexních orthofosforečnanů nebo polyfosforečnanů
2. Rozpuštěný organicky vázaný fosfor ve formě fosfátů hexos, fosfolipidů, ATP, ADP, nukleových kyslin apod. =^> fosfatázy
OH
O-P
I
o
-O—P mm........ — 0_P_0 _P tmm
O
OH
I
O'
Ha
I I
p p
OH
struktura katenapolyfosforecnanů
struktura kyseliny cykíotripolyfosforečné
Klasifikace trofie	Celkový P(M9/I)	Anorganický N (|jg/l)
1. Ultra-oligotrofie	< 5	<200
2. Oligo-mesotrofie	5-10	200-400
3. Meso-eutrofie	10-30	300-650
4. Eu-polytrofie	30-100	500-1500
5. Polytrofie	> 100	> 1500
		
Hraniční hodnoty pro klasifikaci trofie (OECD 1982)
Parametr	Ultraoligo-trofní	Oligotrofní	Mesotrofní	Eutrofní	Hypetrofní
Celkový fosfor (M9 P/l)	<4	<10	10-30	35-100	> 100 I
Chlorofyl a (|jg/l)	< 1	<2.5	2.5-8	8-25	>25
Secchiho deska (m)	>12	>6	6-3	3-1.5	< 1.5
					
Kritéria trofie a jejich odpovědi na zvýšenou eutrofizaci
Hodnota daného parametru všeobecně vzrůstá se stoupající eutrofizaci Hodnota daného parametru všeobecně se stoupající eutrofizaci klesá
Chemické
Transparence (Secchiho deska)
Suspendované látky
Koncentrace živin
Chlorofyl a
Elektrická vodivost
Rozpuštěné látky
Hypolimnetický kyslíkový deficit
Epilimnetická kyslíková supersaturace
Biologické
Četnost výskytu vodních květů
Druhová diverzita řas
Biomasa fytoplanktonu Litorální vegetace Zooplankton
Ryby Fauna dna
Diverzita fauny dna
Přesmyk z do je rychlejší a snazší - nebezpečí eutrofizace !!!
1. Drobné planktonní řasy
opticky homogenní suspenze (vegetační zbarvení či vegetační zákal); vysoká hodnota maximální specifické růstové rychlosti, obvykle na mělkých eutrofních nádržích rybničního typu v jarním období
2. Větší koloniální sinice
hromadný výskyt těch druhů, které mají schopnost se shromažďovat při hladině
a vytvářet zde okem patrné shluky - tzv. vodní květ {Microcystis, Anabaena, Aphanizomenorí). Zpravidla plankonní sinice s plynovými měchýřky, mnozí zástupci mají schopnost vazby atmosférického dusíku, hromadný nástup v letním období
3. Bentické sinice a rozsivky
iniciální stádia se vytvářejí na povrchu sedimentů, později tvorba „hladinových koberců", které se při hladině udržují dík fotosyntetické produkci bublinek kyslíku, přechodně zachycených mezi vlákny sinic. Hromadný rozvoj mívá sezónní charakter a postihuje zejména mělké vodní ekosystémy - šířením těchto společenstev z místa vzniku po celé ploše nádrže dochází k přemísťování jemných sedimentů
4. litorální vláknité řasy
Často vytrvávají po delší časové období, mělké stojaté vody a toky. V nádržích, majících tendenci k zarůstání vláknitými řasami bývá potlačen rozvoj jak drobného fytoplanktonu, tak i sinic
5. vyšší vodní vegetace
Probíhá-li v únosné míře, jde o jev vítaný; u nadměrně eutrofizovaných vod nastává masový rozvoj hladinových lemnid {Lemna, Spirode/lá)
OLITOTROFNÍ JEZERA
Staurastrum, Cosmarium, Staurodesmus, Tabellaria, Cyclotella, Melosira, Dinobryon MESOTROFNÍ JEZERA
Staurastrum, Closterium, Cyclotella, Stephanodiscus, Asterionella, Pediastrum, Eudorina, Peridinium, Ceratium
EUTROFNÍ JEZERA
Melosira, Asterionella, Stephanodiscus, Scenedesmus, Eudorina, Aphanizomenon, Microcystis, Anabaena
1. Okem patrné shluky u hladiny
2. Koloniální sinice (Anabaena,
Aphanizomenon, Microcystis)
1. Homogenní zákal v celém objemu
2. Drobné řasy (Chlorophyceae)
Predikční tabulka určující charakter a hustotu vodního květu sinice r. Aphanizomenon v rybnících (Pechara Fott 1991)
	Nízká zátěž fosforem	Vysoká zátěž fosforem
Převažují velcí jedinci	střední hustota vodního	vysoká hustota vodního
Daphnia	květu Aphanizomenon, velké	květu Aphanizomenon, velké
	kolonie	kolonie
Velcí jedinci Daphnia	žádný vodní květ	vysoká hustota vodního
chybí	Aphanizomenon	květu Aphanizomenon, malé
		kolonie
TOXÍNY SINIC (CYANOTOXINY)
1. CYTOTOXINY - cytotoxické a cytostatické účinky
2. BIOTOXINY - NEUROTOXINY, HEPATOTOXINY
NEUROTOXINY - Anatoxin, Aphanotoxin Termolabilní, blokují sodíkový kanál membrán -> křeče pohybového svalstva, dávení, dušení
HEPATOTOXINY - Microcystin
Termostabilní, poškození struktury a funkce jater
Cyanotoxiny přítomné ve vodách:
- poruchy zažívacího traktu
- alergické reakce (záněty spojivek, svědí pokožka.....)
- onemocnění jater
^^^^^^H BOJ PROTI EUTROFIZACI ^^^^^^H		
A. Omezení (redukce) externího přísunu živin B. Kontrola interních procesů („Ekotechnologie")		
		
! KOMBINACE OBOU STRATEGIÍ JE NEJVHODNĚJŠÍ ! 1		
		
	AI - Modifikace technologických výrobních postupů (detergenty) 1 A2 - Odstraňování N a P z odpadních vod 1 A3 - Úpravy v povodí (aplikace protierozních opatření) |	
	Bl - Aerace hypolimnia B2 - Destratifikace B3 - Srážení fosforu a ošetření sedimentů B4 - Odstraňování bahna B5 - Odstraňování makrovegetace a sinic B6 - Využití býložravých a algivorních ryb B7 - Použití algicidů, flokulantů a koagulantů B8 - Použití cyanofágů B9 - Biomanipulace	
Klíčové podmínky eutrofizace a možnosti jejich ovlivnění směrem k omezení procesu
Hlavní příčiny a podmínky eutrofizace	Možnosti ovlivnění
Inokulum autotrofních organismů	=^> Nelze
Teplota vod	=^> Nelze
Světlo ve vodních útvarech	=^> Pouze výjimečně
Další fyzikální charakteristiky (eufotická vrstva, doba zdržení aj.)	=^> Jen zřídka
Potravní a produkční vztahy v biocenózach ekosystémů	=^> Jen za určitých okolností
Koncentrace živin (zejména fosforu)	=^> Relativně nejstarší a účinné
[
■ Príklady vybraných ekotechnologických zásahů
Hypolimnetická aerace bez porušení stratifikace
Podpoří se okysličení vrstvy vody u dna ^> zabránění uvolňování fosforu ze sedimentů
Provzdušňování nádrže
Perforated pipes weighted with bricks
Bubbles of air entrain water as they rise- \|Jf water from lower levels carried to surface. Local destratification followed by genera! destratification
Perforated pipe
Adequate dissolved oxygen levels prevent anaerobic decay
INAKTIVACE A IMOBILIZACE FOSFORU
Biomasa řas před a po přidání Fe2(S04)3, Foxcote Reservoir		-
90	1-	
eo	>*^\	
	\ Dosirig	
70		
	\	
% SO	\	
1 40		
o 30 j—		
■i—		
20		
10		
o		
	1979       1980   '   1981   '   1982   '   1983 '	
1.  Srážení fosforu z vodního sloupce
a) Síran hlinitý AI2(S04)3
AI2(S04)3 + 6H20 -> 2 AI(OH)3 + 3S042" + 6H AI(OH)3 + P043- -> AIP04 + 3 OH-AI(OH)3 + P043" -> AI(OH)3~P043- (aq)
b) Chlorid železitý FeCI3
2 FeCI3 + 3H20 -> Fe203 + 6H+ + 6Ch FeO(OH) + H3P04 -> FeP04 + 2H20
FeO((OH) + P043" -> FeO(OH) ~P043" (aq)
c) Hydroxid vápenatý Ca(OH)2
10 Ca + 20H- + 6 P043" -> Ca10(PO4)6(OH)2
2. Ošetření sedimentu
Cílem je zabránit vytvoření anoxických podmínek
Mineralizace organické hmoty, snížení oxidačního potenciálu, využití jiných elektronových akceptorů
a) Denitrifikace
4 N03- + 5 CH20 -> 5 C02 + 2 N2 + 3 H20 + 4 Ohľ
b) Desulfurikace
2 CH20 + S042" + 2H+ -> H2S + 2 C02 + 2H20
2 FeO(OH) + 3H2S ^(2 FeS}f S + 4 H20
^FeS^f
2 FeP04 + 3H2S -f FeSY 2P043" + S + 6H+
c) Metanogeneze
Co s tím ?
Aplikace sloučenin dusíku (Ca(N03)2 a železa (FeCI3) na povrch sedimentu
2 CH20 -> CH4 + C02
metan je relativně málo rozpustný ve vodě, uvolňuje se ze sedimentu ve formě bublin promíchávání sedimentu a uvolnění fosfátů
Odstranění sedimentu vybagrováním
a) Suchou cestou pomocí buldozerů a bagrů, kdy je rybník vypuštěn a vysušen
b) Mokrá cesta pomocí sacího bagru, těžba je prováděna bez vypuštění nádrže.
Použití herbivorních a algivorních ryb
Amur bílý (Ctenopharyngodon idellá)
biologická meliorace"
Za vegetační období zlikvidují 80-100 % ponořených a 30-40 % _emerzních porostů__
Planktonofágové; fytoplankton (97 %), detrit (3 %), schopnost konzumovat sinice
Tolstolobik bílý (Hypopthalmichthys molitrix) Tolstolobik pestrý {Aristichthysnobilis)
Kaskádový trofický řetězec
Biomanipulace
= ovlivnění potravní sítě (řízení ekosystému shora dolů) TOP-DOWN CONTROL
(Shapiro et al. 1975)
Model trofické kaskády (= regulace potravního řetězce shora): Méně ryb, více zooplanktonu, méně řas
(Hrbáček 1962, Hrbáčk etal. 1961)
Ovlivnění rybí obsádky (řízená rybí obsádk<
trávení ryb (pisticidy)
- selektivní odchyt planktivorních ryb
- zvýšení obsádky dravých ryb (štika, candát)
- manipulace vodní hladinou v době tření
Drenneretal. 1999: Arch. HydrobioL 146,2: 129-165
Typ bioman. eperimentu
Nasazení piscivorů
Nasazení piscivorů + částečné odstranění ryb
Částečné odstranění ryb
Eliminace ryb
Eliminace ryb následovaná znovuosazením
% úspěšnost
28.6
60
X3
40
66.7
61 % biomanipulací bylo úspěšných, nejvyšší úspěšnost u malých (do 25 ha) a mělkých jezer (max. 3 m hloubk
Obecné vlivy biomanipulací
Q
r
t year
2 yrs
3 yrs I
í-
i
o H
PRIMARY EFFECTS:
P from sediment to water (-)
li......i
Damage I o pfants (-)
in......n n...... mim
Zooplankton {+)
Food competition among fish (-)
"!.....~!........     w"        III-1211 !:i:pi'Jpiiřllliin"-M -imiT-l
->-Phosphorus (-)
Plants {+) Light (+) * Algae (-)
Fisher:----------------
-ŕ-   YOY (-)
Piscivores (•+•)
i-i
I
P
I I I I I I I
YOY(+)
Zooplankton {-)
Algae (+}
Light (-)
Sätoftasjön
Fiiyasjon
ioo
50
■h	
	Total-P
m ■ —i—i—111—h	■í—í—t—1—H-1—1
31 ^ 51 5i ^
600
300 0
tni i-'1) Daphnia rM
it)
20
r-ifíř- S iN [-"i -Ť u-v -Ů KHK      íl * c* ^ n a
Submersed macruphyms
im
WS L"1 í
so-, m-
40
-M
'P
-d
-*—t-
Chlorophyll
Of) tI.S
i d
T   <   F   I    í   < ■
'0.(1
l^j >: >i x « k u; S J
íř ŕ- ŕ   ^ í?   J> iji ^
i.-:>'n
ic hi -,-
ňo--
20,.
o -I-
Bluŕ-green algať
5i Oí   5i & » Sl
S ? s- S S J
* ni       5- ŕ
Total-ľ
200
Daphnia _ T60
síM-0
IWl
L 9«
IMS
1992
Submersed macrophyles
1993
1995
(Hr L1) Oni
CC CK
f s ü i I §
tíáä
1993 1994
100 _.
eo ■-
60
40 -
20
Iilni'-;'.^vii :iI.'/;:'
0 ■
1993
Příklady efektu biomanipulací
Zahájení biomanipulace
	0+ ryby		Daphnia	
\ \				
(kg ha1)	
20O-.	
150-	
100,	
Í0.	
0.	
(|lg DffL-l) t i 00
(CPUE) L^SJtv^lMrg^fll. ,DV/LA) 300000t _ t130
(k* ha*') 60j
40.. 201
o
—
JU i......
0
(CPUE) 4000..
2000--
0
Sninlilii [)
(mgDWL-l) -r2
.1
Festem RinjHji.m
{mg DWL1) Jů.l2
Table 2. Number of Improved Diagnosis Variables and the Reduction in Cyprinid Fish Abundance
Fish
Lakes	Improvement (%)	Red (%)
Finjasjön	100	80
Zwemlust	100	89
Gjersjöen	100	80
Vesijarvi	83	85
Helgetjern	80	99
Lyng	80	—
Vaeng	80	50
Cockshoot Broad	75	95
Haugtjern	75	100
Lake St. George	75	60
Eastern Ringsjön	67	80
Bleiswijkse Zoom	60	75
Norddiep	60	56
Sätoftasjön	50	60
Western Ringsjön	33	49
Sövdebordssjön	25	20
Bautzen Reservoir	25	—
Před zahájením biomanipulace
Fish present
200
100
_i
s
.3 -°
Q
0)
£
3
Daphnia
Chlorophyll
- 30
- 20 10
b»lew25%       Lilies 50% UNOS100%
Fish absent
200 -
100 -
_ o
- 30
- zo
10
0J CL
c o
nj —■ c
O
c o o
flj
CL
2 o .c
Ü
Lilies 25%
Lilies 100%
4
Top-down control
Top-down control
10
Přidání fosfátu
N
N
3 >
Zvýšena —► produkce řas
*2       6 y
Zvýšená y bakteriálni produkce
Zvýšená dekompozice alochtonního POM a DOM
/
Zvýšený růst hmyzu a zvýšená populace Brachycentrus a Baetis
8
Pokles denzity Prosimulium z důvodu kompetitivní interakce s Brachycera
Potenciálni Top-down control
Zvýšení růstu a plodnosti — lipana
N
Potenciální vzrůst populace lipana