Eutrofizace
Zvyšování úživnosti ekosystémů
Eutrofizace
- proces zvyšování produkce organické hmoty ve
vodě zejména vlivem zvýšeného přísunu živin
- obohacování vod o živiny – DUSÍK a FOSFOR
- od 50. let 20. století
Zdroje živin
• Autochtonní
– rozklad organické hmoty, mrtvých organismů
– vyluhování sedimentů a hornin, výplach z půdy
– biogenní fixace dusíku – bakterie a cyanobakterie
• Allochtonní
– eroze půdy – povrchový odtok
– znečištění atmosféry NOx
– odpadní vody – odtoky z ČOV bez terciálního čištění,
prací a čistící prostředky, průmyslové odpadní vody,
zvýšená produkce komunálních odpadních vod
– splachy hnojiv ze zemědělství
Trofie (úživnost) vody
= úživnost = schopnost vodního prostředí dodávat organismům živiny, aby mohly růst,
rozmnožovat se a produkovat další organickou hmotu.
Procesy ve vodách související s biodostupností forem dusíku a fosforu – trofizace (eu-,
hyper-)
Projevy:
• Vegetační zákal – drobné planktonní řasy (zdroj potravy!)
• Vodní květ – větší koloniální nebo vláknité sinice (nebo i řasy), toxiny
• Bentické sinice a rozsivky – na povrchu sedimentů (ovlivňují výměnu plynů)
• Zelené vláknité řasy (ne toxiny, ale alelopatické látky)
• Vyšší vodní vegetace
Omezování:
• Zabránit přísunu živin
• Zpomalit koloběh živin
• Odstranění živin, odstranění biomasy
Indikace
• Přímé stanovení živin - podle koncentrace N a P ve vodě
• Podle růstové odezvy in vitro – metoda trofického potenciálu – laboratorní metoda,
růstové testy na řase Desmodesmus quadricauda
• Stanovení koncentrace řas a sinic jako chlorofyl a - in situ
• Podle in situ realizované zvýšené koncentrace biomasy fototrofů
• Bioindikační metody – analýza společenstva řas a sinic
• Hodnocení podle změn v druhovém složení – fytoplankton, fytobentos, makrofyta
Fosfor jako limitující prvek
Element Symbol Supply in water (%) Demand by plants (%)
Oxygen O 89.0 80.5
Hydrogen H 11.0 9.7
Carbon C 0.0012 6.5
Silicon Si 0.00065 1.3
Nitrogen N 0.000023 0.7
Calcium Ca 0.0015 0.4
Potassium K 0.00023 0.3
Phosphorus P 0.000001 0.08
Magnesium Mg 0.0004 0.07
Sulfur S 0.06 0.06
Sodium Na 0.0006 0.04
Iron Fe 0.00007 0.02
Zákon minima: limitujícím prvkem pro růst rostlin je ten
prvek, který je v prostředí v minimu
Stupně trofie
Trofický stav Koncentrace celkového fosforu ve
vodě (µg/L)
Oligotrophic < 10 µg/L
Mesotrophic 10-30 µg/L
Eutrophic 30-100 µg/L
Hypertrophic > 100 µg/L
Pro masový rozvoj sinic postačuje koncentrace fosforu
cca 20-25 µg/L
Brněnská přehrada (před zásahy): 200-300 µg/L
Plumlov: 40-50 ug/L
Máchovo jezero – 20-30 ug/L
Dominanty trofizovaných vod
1. drobné planktonní řasy
(vegetační zbarvení)
2. koloniální a vláknité sinice
(tzv. vodní květ)
3. bentické sinice a rozsivky
4. litorální vláknité řasy
5. vyšší vodní vegetace
- rostliny
Důsledky zvýšené trofie
• Vodní květ - rychlejší vývoj řas a sinic
– Posmrtně uvolňují toxiny
• Snížená samočisticí schopnost vod
• Problémy s úpravou vody
• Zmenšená možnost využívání vody
k zásobování a rekreaci
MASOVÉ ROZVOJE SINIC
NH
O
CH3
N NH NH NH
NH
O
O
OH
HH
O3SO
H3C
H
NH
NH
O
O
CH3
NH
NH
NH
N
NH
O
O
O
OCH3
CH3 CH3
H3C
O
COOH CH3
COOH
H3C
O
H2C
CH3
CH3
NH
NH2HN
O
O
O
N
H
N
+
O
O
O
-
N
NH
N
H
N
H
NH2
+
O
NH2
+
OH
OH
H
NH2 O
SINICE (=CYANOBAKTERIE)
• fotosyntetizující prokaryota - bakterie
• jednobuněčné či vláknité organismy
• modrozeleně zbarvené (blue-green algae)
• velikost 1-10 μm
• přes 2000 druhů
• osidlují rozmanité biotopy (sladké i slané vody, vlhká
půda, ledovce, kůra dřevin, fykobionti v lišejnících…)
• většina druhů se vyskytuje ve vodních
ekosystémech – v sladkých i slaných vodách
• produkce biologicky aktivních látek
• cca 3.5 mld let staré
• vytvoření kyslíkové atmosféry Země
Přemnožení
→ vodní květ
STAVBA TĚLA
 Vegetativní buňky
 Akinety –schopné přežít nepříznivé podmínky
 klidové rezistentní stadium
 větší buňky s tlustou stěnou, často v řetízcích
 rezistence vůči vysychání a fyzikálnímu porušení
 vegetativní buňky se přeměňují v akinety na konci exponenciální fáze
 akinety klíčí a vyrůstají z nich vegetativní buňky, v řetízcích
 Heterocyty – bezbarvé, váží vzdušný dusík
 za nedostatku využitelného dusíku se v řetízku tvoří heterocyty –
zhruba každá sedmá buňka
jednobuněčná X
- propojení slizovými pouzdry
⇒ kolonie
mnohobuněčná (vláknitá)
- nevětvená nebo větvená
- propojené buňky
- specializované buňky
- specializované buňky
! LIDSKÉ AKTIVITY !
CYANOTOXINY
masový rozvoj sinic
(vodní květy)
NH
NH
O
O
CH3
NH
NH
NH
N
NH
O
O
O
OCH3
CH3 CH3
H3C
O
COOH CH3
COOH
H3C
O
H2C
CH3
CH3
NH
NH2HN
H2N
O
O
+H2N
H
OH
OH
NH2
+
NH
NHN
NH
N N H N H NH
N H
O
O
O H
HH
O 3S O
H 3C
H
N H
O
C H 3
eutrofizace vodních
ekosystémů
spalování
zemědělství,
odpadní vody
nárůst koncentrace
CO2 v atmosféře,
nárůst UV radiace
sinice
(cyanobaktérie)
GLOBÁLNÍ
ENVIRONMENTÁLNÍ
PROBLÉM
Masový rozvoj sinic – globální problém
Upper Saranac River, USA
Lake Mokoan, Austrálie
Neuse River, USA
Baltské moře, Evropa
Jihoafrická republikaŽluté moře, Čína
Nové Mlýny, Česko
Bedetti Lake, Argentina
Eutrofizovány téměř všechny evropské řeky – Seina, Dunaj, Labe
Jezera – Balaton, africká jezera - Viktoriino jezero – úhyny ryb a ptáků
Moře a oceány – Finský záliv v Baltském moři, kanál La Manche
Podmínky masového rozvoje
• Sluneční záření
• Teplá voda (teplé letní dny)
• Stojatá nebo pomalu tekoucí
voda
• Živiny (fosfor)
Důsledky masového rozvoje sinic
- snížení biodiverzity
- narušení kyslíkového režimu (ranní anoxické
zóny) - bakteriální rozklad biomasy sinic - náhlé
vyčerpání kyslíku z vody
- změna chemismu vody v průběhu jejich
růstu (zejm. změny pH)
- snížení kvality vod (produkce pachů a
pachutí)
- hospodářský dopad (rekreace, rybářství)
- vliv na akvatické bakterie, zooplankton, ryby a
obojživelníky; vlivy na chování zvířat
- ovlivnění vodních rostlin – redukce prostupnosti
světla pro fotosyntézu
Metabolismus sinic
• Primární metabolismus
– Fotosyntéza - produkce O2
• Sekundární metabolismus
– vitamíny, peptidy, hormony, enzymy, polysacharidy,
antibiotika, CYANOTOXINY
Produkce cyanotoxinů
- Producenti: Kokální i vláknité sinice
produkují stovky sekundárních metabolitů
• rozmanité struktury:
• peptidy a depsipeptidy (lineární, cyklické)
• heterocyklické sloučeniny
• lipidické látky
BIOTOXINY - vysoká akutní toxicita pro savce
- dle specifických účinků:
neurotoxiny, hepatotoxiny,dermatotoxiny, genotoxiny,
imunotoxiny a embryotoxiny
CYTOTOXINY – biologická aktivita, nízká akutní toxicita
(př. protirakovinné metabolity-cryptophyciny)
SINICE

NH
NH
O
O
CH3
NH
NH
NH
N
NH
O
O
O
OCH3
CH3 CH3
H3C
O
COOH CH3
COOH
H3C
O
H2C
CH3
CH3
NH
NH2HN
• nejvýznamnější jsou:
microcystiny a nodulariny
anatoxiny a saxitoxiny
cylindrospermopsin
• toxicitu vykazují také
sinicové lipopolysacharidy –
součást buněčných stěn
všech sinic
• desítky dalších metabolitů
s biologickou aktivitou
(př. herbicidní, fungicidní,
protirakovinnou, virocidní, chelatační,
anticyanobakteriální)
Masový rozvoj sinic – CYANOTOXINY
NH
O
CH3
N
NH
N
H
N
H
NH2
+
O
NH2
+
OH
OH
H
NH2 O
NH N
N
CH3
CH3
NH
P
O
O
-
O
CH3
N NH NH NH
NH
O
O
OH
HH
O3SO
H3C
H
MICROCYSTIN
ANATOXIN-A(S)
SAXITOXINY
ANATOXIN-A
CYLINDROSPERMOPSIN
CYANOTOXINY
Nejvýznamnější rody produkující cyanotoxiny
(dosud identifikováno cca 50 druhů
produkujících tyto látky):
Anabaena (microcystiny, anatoxiny, anatoxin-a(S),
saxitoxiny, cylindrospermopsin)
Aphanizomenon (anatoxiny, saxitoxiny,
cylindrospermopsin)
Microcystis, Nodularia (microcystiny a nodulariny)
Planktothrix/Oscillatoria (microcystiny, anatoxiny,
saxitoxiny)
Cylindrospermopsis (cylindrospermopsin, saxitoxiny)
Specifické účinky cyanotoxinů
• Neurotoxiny – narušení nervového systému
– Anatoxin-a
– Anatoxin-a(s)
– Saxitoxin
– Neosaxitoxin
• Hepatotoxiny – poškození jater
– Microcystiny
– Nodulariny
– Cylindrospermopsin
• Dermatotoxiny - poškození kůže
- Lyngbyatoxin
- Aplysiatoxin
• Promotory nádorů – podporují nádorové bujení
– Microcystiny, lyngbyatoxin, aplysiatoxin
Lipopolysacharidy – narušení gastrointestinálního traktu,
kožní iritant 
CEECHE – Bratislava, 2006
• Toxické VKS
80% nádrží a
rybníků v ČR
HRAZ
SOKOLAK
ROKLE
datum
100
1000
10000
20000
100000
500000
1000000
2000000
2500000
3.5. 15.5. 30.5. 12.6. 26.6. 10.7. 24.7. 7.8. 20.8. 3.9. 18.9.
b/ml
datum
Hráz
Přístaviště
Sokolské
koupaliště
1. VAROVÁNÍ
I. SIGNALIZACE
II. SIGNALIZACE
III. SIGNALIZACE
?
• WHO (ČR) 1 µg/l
MC-LR v pitné vodě
• při 100 000 buněk/ml
- zákaz koupání
• Toxické VKS
80% nádrží a
rybníků v ČR
HRAZ
SOKOLAK
ROKLE
datum
100
1000
10000
20000
100000
500000
1000000
2000000
2500000
3.5. 15.5. 30.5. 12.6. 26.6. 10.7. 24.7. 7.8. 20.8. 3.9. 18.9.
b/ml
datum
Hráz
Přístaviště
Sokolské
koupaliště
1. VAROVÁNÍ
I. SIGNALIZACE
II. SIGNALIZACE
III. SIGNALIZACE
?
• WHO (ČR) 1 µg/l
MC-LR v pitné vodě
• při 100 000 buněk/ml
- zákaz koupání
„Nové“ cyanotoxiny
• Ohromné množství sloučenin (anagnostec.com: 5000 látek)
• Minimum informací:
•toxikologie ?
• výskyt a osud v prostředí ?
• vliv na volně žijící organismy ?
• účinky složitých směsí ?
• přirozená funkce těchto látek ?
• Podle mnoha indicií existuje mnoho dalších dosud
neobjevených toxických metabolitů sinic (sinice jsou často
toxické i když neobsahují žádný z dosud identifikovaných
cyanotoxinů!!!).
• Farmakologicky slibné látky
•Tříděné látek, nomenklatura….. nejednotné
• detailní studium – nutnost LC/MS instrumentace
Cyanotoxiny
Cyanotoxiny – zdravotní a ekologická rizika ?
NH
NH
O
O
CH3
NH
NH
NH
N
NH
O
O
O
OCH3
CH3 CH3
H3C
O
COOH CH3
COOH
H3C
O
H2C
CH3
CH3
NH
NH2HN
OCH3
CH3 CH3
NH
NH
NH
O
CH3
COOH
NH
N
CH3
CH3
O
O
COOHO
O
NH
NH NH2
CH3
NH
O
CH3
N
NH
N
H
N
H
NH2
+
O
NH2
+
OH
OH
H
NH2 O
NH N
N
CH3
CH3
NH
P
O
O
-
O
CH3
CH3
NH
N
O
N
S
N
S
N S
N
S
H3C
CH3
O
H3C
H3C CH3
CH3
N
NH
H3C
H3C
O
O
O
NH
NH
NH
O
O
HO
H3C
CH3
NH NH
NH
O
O OH
NH2
NH
NH
NH
N
OH
CH3
CH3
O
NH
H3C CH3
H2N
OH
NH
NHH3C
O
O
O
H3C
NH
O
O
O
OCOOH
H3C
O
N
NH
N
S
NH NH
N
S
CH3
CH3
H3C
H3C O
O
O
HO
O
H3C
H3C
O
OH
NH OH
O
HO
NH2
NH
NH
NHN
O
O
O
N
H
CH2
CH3
Cl
CH2
CH3
N
N
H
N
+
O
O
O
-
Toxins
Animal Health Effects
Country Species Killed
• Argentina
• Australia
• Canada
• England
• USA
• cattle
• cattle, sheep
• cattle, waterfowl
• dogs, fish
• dogs, cattle,
human?
In July 2002, a Wisconsin teenager died two days after swimming in a golf-course
pond that had a bloom of Anabaena flos-aquae. A year later, an autopsy reported
the death was due to cyanotoxins in the pond water (Anatoxin-a).
Vliv na člověka
– z pitné vody, z rekreační expozice
• Alergie – vyrážky
• Zánět spojivek
• Bronchitida
• Střevní a žaludeční potíže
• Bolesti hlavy
• Jaterní problémy
Otravy dobytka a domácích zvířat (psi) pijících znečištěnou
vodu
Zvířata – více dokumentovaných otrav - nádrže nebo řeky
kontaminované sinicemi pro zvířata často jediným
dostupným zdrojem vody a jsou pak nucena konzumovat jí
nesrovnatelně větší množství, než je náhodné požití lidmi
při rekreaci
Účinky na fotoautotrofní organismy
• studium alelopatických interakcí
• objasnění možné funkce některých cyanotoxinů
Zelené řasy (Chlorophyta)
Sinice (Cyanophyta)
Skrytěnky
(Cryptophyta)
Rozsivky (Chromophyta)
- vliv na vodní rostliny, které jsou schopny přijímat microcystiny; některé
studie ukázaly účinky microcystinů na aktivitu rostlinných detoxikačních
enzymů (Pflugmacher et al. 1998; Pflugmacher et al. 1999)
Účinky na živočichy
• planktonní korýši (Daphnia magna)
• akutní toxicita, chronická a reprodukční
toxicita
• embrya drápatek (Xenopus laevis)
• embryotoxicita, teratogenita
• Úhyny ryb spojené především
se snížením obsahu kyslíku
Účinky na obratlovce
• Hromadné úhyny ptáků v různých
částech světa spojovány s masovými
rozvoji sinic – nejednoznačné důkazy
• Většinou souhrn více faktorů – paraziti, UV, sinice,
patogeny – oslabení populací
Potlačování eutrofizace
Metody omezení masového rozvoje sinic
• Snížení koncentrace živin v povodí nad nádrží Odstranění
zdrojů z povodí
– Bodové zdroje – ČOV, odpadní vody
– Plošné zdroje – eroze půdy, znečištění ovzduší
– Zákaz fosfátových detergentů (prací prášky ČR 2006, EU 2013)
– Omezení užití umělých hnojiv
• Snížení koncentrace živin v nádrži
• Odstraňování inokula sinic ze sedimentů, odtěžení
sedimentů z nádrží
• Regulace rybí obsádky, Biomanipulace
• Rozšiřování makrofyt (vyšší vodní rostliny)
• Algicidní zásahy
Zdroje fosforu v povodí nad nádrží
Bodové zdroje – lidská sídla (města, vesnice)
- průmyslové závody
- zemědělské objekty
- čistírny odpadních vod!
- rybníky… atd.
Difuzní zdroje – atmosferický spad
- geologické podloží
- roztroušená sídla
- pole … atd
Zdroje fosforu v nádrži
• Biomasa – řasy, rostliny, sinice, zooplankton, ryby …
• Sediment – zásobárna fosforu nádrží
- zpětné uvolňování do vodního sloupce za
anoxických podmínek (role dusičnanů)
Zdroje sinic
• Sinice jsou přirozenou součásti nádrží, avšak bez
„pomoci“ člověka by se nikdy znovu nestaly dominantní
skupinou autotrofů
• Povodí nad nádrží – rybníky, přehrady s masovým
rozvojem sinic
• Sedimenty v nádržích s masovým rozvojem sinic
Snižování koncentrace fosforu v povodí
•Výstavba ČOV s terciálním stupněm čištění
•Zákaz používání fosfátových prášků a mycích prostředků
•Technická protierozní opatření
•Vrstevnicové hospodaření
•Ochranné travní pásy
•Zajištění úniků živin z farem
•Terasy a meze
•Decentralizované čištění odpadních vod
•Nevegetační stabilizace půdy
•Protipovodňová opatření v citlivých oblastech
Snižování koncentrace fosforu v nádrži
• Aplikace železa/hliníku
• Aplikace vápna
• Využití jílů
Látky vážící fosfor aplikovány přímo do vodní nádrže. Fosfor deaktivují a
snižují tak jeho dostupnost pro primární producenty.
- řada komerčně využívaných látek ke srážení fosforu z vodního sloupce.
- založeny na reakcích fosforu s hliníkem, železem, kalcitem (uhličitan
vápenatý), hašeným vápnem (hydroxid vápenatý) nebo jílovými
částicemi (bentonity, zeolity, modifikované jíly, kaolíny apod.)
• Hypolimnické odpouštění
• - snížení obsahu živin v nádrži odpouštěním na živiny bohaté
hypolimnické vody, i zlepšení kyslíkových poměrů u dna
Ošetření sedimentů
• Překrývání sedimentů
– aktivní bariéry - materiály které mohou aktivně
adsorbovat fosfor (jíly, vápence)
- pasivní bariéry - inertní materiály, geotextílie,
izolační fólie, surový popel, rozdrcené cihly...
• Odstraňování sedimentů – sací bagry
• Oxidace sedimentů – provzdušňování
• Aplikace bakterií
Ošetření sedimentů
Provzdušňovací a okysličovací techniky
teplotní stratifikace – kvůli rozkladu organické hmoty
a minimální cirkulaci vody nade dnem mohou vznikat
anoxické (bezkyslíkaté) podmínky - uvolnění živin ze
sedimentů
- Provzdušňovací jednotky, aerátory, aerační věže
Ošetření sedimentů
- odstranění svrchní vrstvy sedimentů - nejvíc fosforu
- redukce vnitřní zásoby živin v nádrži
- odkryta vrstva s větší kapacitou pro další vázání
fosforu.
- odstraněna značná část inokula (dočasně inaktivního
stádia) sinic, které je v sedimentu trvale přítomno.
Regulace struktury biotických vztahů
• Využití rybí obsádky
• Přímá predace planktofágních ryb –
ichtyoeutrofizace (Tilapie?)
• Redukce bentofágních ryb (kapr, candát, cejn)
• Podpora dravých ryb (okoun, štika…) = podpora
růstu vyšších rostlin
Regulace struktury biotický vztahů
• Využití makrovegetace
• Podpora rozvoje litorální vegetace → redukce živin (N,
P), stabilizace ekosystému
• Odstranění nežádoucích látek (kumulace těžkých kovů,
pesticidů aj.)
• Produkce alelopatických látek inhibujících růst sinic
(Myriophyllum sp.)
Aplikace algicidních přípravků
Zásahy (pomocí algicidních přípravků)
proti autotrofním organismům v
eutrofních vodách je finančně náročný a
nevede k dlouhodobým efektům pokud
nejsou odstraněny živiny v povodí nad
nádrží! Ale…
Algicidní zásahy
• Výhody
• Rychlý účinek
• Relativně levné
• Snadná
manipulace
• Dostupnost
Nevýhody (Rizika)
• Toxicita pro necílové
organismy
• Akumulace v
životním prostředí
• Vznik rezistence
• Kyslíkový deficit na
dně nádrže
• Uvolňování toxinů
Algicidní látky
• Přírodní látky - ječná sláma, Myriophyllum, výluhy
rostlin (listový opad)
• Algicidy první generace – skalice modrá, dusičnan
stříbrný, manganistan draselný
• Algicidy druhé generace – většinou komerční přípravky
biologicky rozložitelné, selektivní vůči řasám/sinicím,
nezanechávají rezidua v ekosystému
• Koagulanty – síran hlinitý, polyaluminium chlorid, síran
železitý (snižují obsah živin ve sloupci, schopny i
odstraňovat buňky sinic)
• Omezení přísunu živin
• Cyanocidy (chemické i přírodní)
• Biologická kontrola
(biomanipulace, využití živých organismů)
• Ostatní (mechanické odstranění, ekotechnické
zásahy)
v povodí
v nádrži
Jak na toxické sinice ?
Neexistuje univerzální návod
- kombinace metod
- „specifický problém“ podle nádrže