Vodní organismy, ekosystémy, potravní sítě Úvod do hydrobiologie B. Maršálek pro RECETOX Duben 2023 Limnologie…. Co to je? • Limnologie (slovo pochází z řeckého Λίμνη [limne]) je věda o kontinentálních vodních útvarech s pomalou výměnou vody. • Učí o vztazích ve vodních ekosystémech • Popisuje hydrobiologické, hydrochemické a hydrologické souvislosti ve vodních nádržích a tocích Limnologie= hydrobiologie, hydrochemie, hydrologie: • Povrchových vod – Stojaté (lenitické) • Přírodní jezera, přírodní a nově tvořené tůně • Přehrady (vodárenské, rekreační, technologické) • Rybníky, MVN, mokřady – Tekoucí (lotické) • Prameniště, potoky, řeky • Podpovrchové a podzemní vody Rozloha některých velkých kontinentálních vodních nádrží (vše ve stejném měřítku): 1 jezero , 2 Velké Medvědí. 3 Ladoga, 4 Aralské. S Balkaš, 6 Oněga, 7 Winnipeg, 8 Neusiedlerské, 9 Bajkal, 10 Velké Solné. 11 Velké Otročí, 12 Černé moře, 13 Kaspické moře, 14 jezero Čad, 15 Viktoriino, I6 Njasa, 17 Innaren. 18 Tanganjika, 19 Ženevské, 20 Vättern, 21 Titicaca, 22 Nicaragua, 23 Hořejší. 24 Michigan, 25 Huron. 26 Erie. 27 Ontario, 28 Tana, 29 Rudolfovo. 30 Mrtvé Lentické ekosystémy • Jezera • - ledovcová (šumavská jezera) • - krasová (Macocha, Hranická propast) • - sesuvová (Mladotické jezero) • - rašelinná (Jizerské hory, Šumava) • Říční (Květné , Křivé – Dyje) • Rekultivační Milada, Medard… • Lomová – Kamencové, Bílina • Rybníky a přehradní nádrže - rozmach 16., 17. stol. 52. tis. ha • funkce: regulace průtoku, zavlažování, odběr pitné vody • výroba elektřiny, rybolov, rekreace • vltavská kaskáda, Vranov, Třeboňská a Českobudějovická pánev • Tůně a mokřady Krasové systémy Nádrže-tůně-mokřady Podpora obnovy přirozených funkcí krajiny (POPFK) je národní dotační program MŽP Malá vodní nádrž (MVN) – souhrnný pojem ve smyslu ČSN malé vodní nádrže. Existují MVN různých určení – k chovu ryb, ekologické a krajinotvorné, retenční, akumulační, závlahové, rekreační, dočišťovací. •Mokřad – obvykle členitější kompozice vodních ploch, zamokřených a suchých, umožňující rozvoj mokřadních společenstev •Tůň – vodní plocha, vytvořená hloubením, obvykle bez hráze, bezpečnostního přelivu a spodní výpusti. http://strednicechy.ochranaprirody.cz/pece-o-vodni-rezim-krajiny/male-vodni-nadrze/ V volná voda, B bentál, H hyporheál (Kubíček, orig.) Schéma říčního profilu horního a dolního úseku toku se základními biotopy: Klíčové procesy v hyporeálu Potravní sítě hyporeálu Autochtonní org. materiál – fotická vrstva, zelené řasy, rozsivky, sinice Allochtonní org. materiál (POM, CPOM, FPOM, DOM) • listový opad - sezónní závislost • eroze břehových partií • biofilm - bakterie, houby, prvoci a jejich extracelulární produkty, na povrchu POM i anorg. zrn (jemnozrné sedimenty mají velkou plochu!), zvyšuje kvalitu potravy (C:N) MICRO, MEIOFAUNA Ekosystémové funkce hyporeálu • Kumulace, destrukce a utilizace organické hmoty • Nitrifikační a denitrifikační cyklus • Hospodaření s fosforem • Refugium pro epibentické organismy při disturbancích • Biotop pro pravý hyporheos (hyporheobionti) permanetně v hyporhealu • Biotop pro temporální organismy (larvy vodního hmyzu, …) – hyporheofiolové Hyporeál jako líhniště larev a dějiště přeměn dusíku ve VE Drift - sukcesní a stabilizační mechanismus toků • Český termín – snos – pasivní pohyb částic a organismů ve vodním sloupci • Několik typů – Emergentní drift – Terestrický drift – Katastrofický drift – Organický drift (živé nebo topící se organismy) • Protiproudový drift (aktivní!!) Hlavní produkční složka toků je bentos!!! • Fytobentos – nárosty, perifyton – primární producenti • Zoobentos – konzumeti • Bakteriobentos – destruenti, biologicky aktivní povrchy, biofilmy – jednoduché houby a plísně, bakterie • Mikro (pod 50 µm, meio (50µm až 1mm)a makrobentos (více jak 1mm) Zoobentos má různé potravní specializace Kouskovači - drtiči Seškrabávači - spásači Filtrující sběrači Potravní sítě tekoucích vod Koncepce říčního kontinua Schéma horizontálního a vertikálního členění vodní nádrže stratifikované teplotně a světelným klimatem. Diagram ilustruje členění mělké nádrže mírného klimatického pásma v době letní stagnace (podle Goldmann et Horneho, 1983) Schéma sezónního cyklu termiky jezera mírného pásma V létě Je vodní sloupec teplotně stratifikován, přičemž termoklima (T) odděluje teplejší vrstvu epilimnionu (E) od studenější a hustší vody hypolimnionu (H). Působení větru na hladinu vyvolává horizontální cirkulaci vody epilimnionu a výměnu živin a potravy mezí pelegiálními (P) a litorálními (S) cenózami. Sedimentujícími částicemi detritu s organismy jsou do hlubších vrstev vody a na dno přiváděny živiny, které mohou cirkulovat mezi vodou s sedimenty (b). Na podzim dochází k vyrovnání teploty a k úplnému promíchání vodního sloupce činností větru. V zimě nastává opět stagnace s teplotou vody blízko +4°C a poklesem teploty u hladiny. Na jaře, po opětném promíchání vodního sloupce, se hladinové vrstvy vody opět otepluj( a stabilizuje se vertikální stratifikace (podle různých autorů, upraveno) Stratifikace nádrží na epilimnion, metalimnion a hypolimnion Mikce – míchání a stratifikace • Holomiktická nádrž – promíchává se celá – Malé nádrže – rybníky, tůně, jezera • Meromiktická nádrž – promíchává se jen svrchní vrstva – profundal je stabilní – Hluboká tektonická jezera – Slaná jezera • Monomiktická jezera – 1x za rok – arktická j. • Dimiktická jezera – 2x za rok – mírné pásmo • Polymyktická jezera – více x za rok, tropické j., mělká j. atd. Vztah teplotní a světelné stratifikace vodní nádrže v době letní stagnace Skupiny organismů vodních ekosystémů • Plankton (virio, bakteri, fyto, zooplankton) • Bentos (mikrobiální biofilmy, fytobentos, zoobentos) • Vodní makrofyta • Ryby • Moluskofauna, • vodní ptáci (cerkárie, trofie, enterokoky…) • vodní savci (vydra, ondatra, bobr….) Ekologické potravní sítě Bakteriální smyčka Fytoplankton je hlavní produkční složka stojatých vod Potravní sítě ve VE Zooplankton Tůně a mokřady Biochemické procesy v mokřadech Další typy vodních útvarů • Technologické nádrže (zavlažovací, požární..) • Vodní prvky zahradního umění (vodotrysky, vodopády, jezírka okrasná, rybochovná, vodní prvky indoor-outdoor • okrasné a koupací biotopy a biokoupaliště • Rozlišovat dle izolace okolí (folie/přírodní dno), dle účelu a způsobu užívání!!!! Malé vodní nádrže v krajině Malé vodní nádrže (nádrže o objemu při normální hladině do 2 mil. m³ a největší hloubkou do 9 m) jsou budovány k různým účelům: ochranné (retenční) nádrže (k ochraně před povodněmi nebo vodní erozí), rybochovné nádrže čili rybníky, nádrže na ochranu flory a fauny, rekreační nádrže, hospodářské (př. protipožární) a další. Výstavbou nebo obnovou nádrže lze, krom stanoveného účelu, docílit řady dalších příznivých efektů. Především vždy dojde ke zvětšení zásoby vody v krajině s pozitivním dopadem též na lokální zásoby podzemních vod. Nádrž také příznivě ovlivňuje průběh velkých vod („zploštění“ povodňové vlny). Rybníky do dvou hektarů s výškou hráze do 1,5 metru je možné postavit tzv. na ohlášení. Jde o další z mnoha opatření pro zadržení vody v krajině. Shrnutí • Vodní typy a útvary • Základní limnologické pojmy • Ekologické skupiny vodních organismů • Hydrochemické a hydrobiologické souvislosti důležité pro pochopení procesů a řízení kvality vody Průnik světla do vody - základní princip• Čistá voda absorbuje nejlépe červenou a oranžovou část spektra, a proto tyto části spektra nepronikají hluboko (5m). Nejhlouběji pronikají fialové a zelenomodré paprsky (30m). • rozptyl v čisté vodě je v negativní korelaci se čtvrtou mocninou vlnové délky (1/λ)4, takže nejvíce náchylné na rozptyl je krátkovlnné modré a UV záření. Světlo• Světlo = viditelná část elektromagnetického záření (elektromagnetické vlnění o vlnových délkách ≈ 390 – 790 nm) • Elektromagnetické záření = je příčné postupné vlnění magnetického a elkektrického pole (elektromagnetického pole) Průnik světla a barva vody • Čistá voda absorbuje nejlépe červenou a oranžovou část spektra, a proto tyto části spektra nepronikají hluboko. Nejhlouběji pronikají fialové a zelenomodré paprsky. • rozptyl v čisté vodě je v negativní korelaci se čtvrtou mocninou vlnové délky (1/λ)4, takže nejvíce náchylné na rozptyl je krátkovlnné modré a UV záření. • Molekuly vody rozptylují světlo ve všech směrech, a to, která se vrací zpět nahoru směrem k pozorovateli, je důvodem modré barvy vody těchto čistých jezer. • I velmi malé množství zabarvujících DOM a organických částic velmi rychle absorbuje fotony modré části spektra a způsobuje, že vodou nejlépe prochází světlo zelené. To je pak následně rozptylováno a je důvodem pro zelenou barvu takovéto vody. • Se zvyšujícím se obsahem rozpuštěných organických látek roste absorpce světla v modré až fialové části spektra, voda je zabarvena do žluta až hněda. Sedimenty nádrží a toků • Sedimenty jsou paměť vodních ekosystémů • Letokruhy u dřevin jsou bentokruhy vrstev sedimentů – umožní datování!!! • Prozradí děje, procesy – povodně, havárie, radiologie sedimentů- Černobyl, 50.léta H-bombs • Podstatná část reakcí – biogeochemické procesy • Detoxifikace, kumulace, detekce…. Sedimenty toků a nádrží • Odpad? Surovina? Problém? Legislativa… – Analýzy sedimentů určí obsahy látek dle legislativy – – Legislativa dle určení – skládky, komposty, stavebnictví, orná půda… – Bohatý zdroj fosforu – RECYKLACE!!! – Důležité je využití přímých ekotoxikologických biotestů!!! (rostlina, bentos, bakterie) jako půda! Vzorkování, testování a mapování sedimentů Možnosti ošetření sedimentů • Mechanické • těžba na sucho • Těžba sacími bagry • Překrývání inertními materiály, příp. sorbenty a kompozity (volné, v rohožích atd.) • Chemické • Oxidace dusičnany • Klasická, nebo difůzní aerace vzduchem (příp.s příměsí kyslíku, ozonu) • Srážení fosforu (Fe,Al.) • Biologické • Podpora přirozené aktivity mikroorganisnů • Bioaugmentace BIOMONITORING a BIOINDIKACE Biologická indikace: • Železa a manganu • Sirovodíku • Vápníku • Salinity • Acidifikace • Organických látek Bioindikace - pokračování • Netoxického fekálního znečištění • SAPROBIOLOGIE • Toxických látek • REPRODUKCE • BIOMASA • BIODIVERSITA • Eutrofizace Termín „zdraví vodních ekosystémů“ odráží multikriteriální systém a multidisciplinární pojetí souvislostí. 2 Základní typy indexů: • Indexy diverzity – druhová rozmanitost, biodiverzita • Biotické indexy – na rozdíl od indexů diverzity vycházení z představy rozdílných vztahů organismů k podmínkám prostředí – volba reprezentanta – indikační druhy Společenstva reagují na: • Trofii (s projevy na strukturu populací a společenstev fyto i zoobentosu/planktonu, ryb a makrofyt) • Toxicitu (akutní, chronickou, reprodukční) • Saprobitu (org. Netox.znečištění, kyslíkové poměry) • Spec. Znečištění (specific. Typy látek – farmaka, endokrinní disruptory, patogenní organismy, • Acidifikaci a změny pH • Hydrologické poměry Benthic organisms have differing tolerances to pollution; their relative populations help indicate sediment quality ColeopteraEphemeroptera Plecoptera Příklad xenosaprobních a oligosaprobních organismů a - perloočka Holopedium gibberum, b - vodní mech Fontinalis, c dvojčatkovitá řasa Micrasterias truncata, d - ploštěnka Dugesia gonocephala, e - jepice Epeorus asimilis, f - rozsivka Tabellaria flocculosa, g - ploštěnka Crenobia alpina, h - obrněnka Ceratium hirundinella, i - rozsivka Meridion circulare Příklad betamezosaprobních organismů a - rozsivka Asterionella formosa, b - zelená řasa Pediastrum boryanum, c - měňavka Amoeba proteus, d - zelená řasa Scenedesmus quadricauda, e - jepice Cloeon dipterum, f - vířník Brachionus urceolaris, g - ploštěnka Dendrocoelum lacteum, h - kamenomil říční, i vírník obecný, j - pošvatka rodu Perla Příklad alfamezosaprobních organismů a - nálevník Stentor coeruleus, b - okružanka Sphaerium corneum, c bičíkovec Anthophysa vegetans, d - pijavka Erpobdella octoculata, e rozsivka Navicula viridula, f - larva bráněnky Stratiomys sp., g - bičíkovec Bodo saltans, h - bičíkovec Cryptomonas erosa Příklad polysaprobních organismů a - bakterie Sphaerotilus natans, b - pakomár Chironomus thummi, c - nitěnky Tubifex tubifex, d - pestřenka r. Eristalis, e - vířník Rotaria neptunia, f - bičíkovec Hexamitus inflatus, g - bičíkovec Bodo putrinum, h - bakterie Beggiatoa alba Zoobentos (odběry vzorků) Malformace obojživelníků – ekotoxikologie vodních ekosystémů – BIOINDIKACE in situ Bioindikace TROFIE • Možnosti detekce trofie: • Koncentrace a formy živin (N, P, Mg, Fe .. Dle limitace) • Chlorofyl a další pigmenty • Biomasa makrofyt • Biomasa fytoplanktonu a fytobentosu • Počty buněk • Objemová biomasa • Primární produkce • Struktura populací a společenstev Metody 2 • Přirozené substráty • Umělé substráty • Sklo čisté a broušené • Kulaté – 1.5 cm • Obdélníky - podložní sklo a 5x40 cm • Kameny dle geologického podloží • Kompozitní materiály • Stativy plovákové a bentické Je bioindikace fytobentosu dominantně indikace trofie? • Společenstva řas, sinic, rozsivek, bakterií, plísní atd. reagují na komplexní podněty: – Světelných podmínek lokality – Mikrohabitat (např. proudění vody) – Organické látky ….saprobitu….. – Salinitu a pH – Atd…toxicita, zoobentos, ryby,….. – A samozřejmě také živiny (koncentrace, poměry, limitace prvky, formy živin atd.) Způsoby hodnocení trofie dle: • 1. Zvýšené nabídky živin, (koncentrace N,P ve vodě) • 2. Hodnocení podle růstové odezvy in vitro, (trofický potenciál- laboratorní biotesty • 3.Hodnocení podle in situ zvýšené koncentrace biomasy fototrofů, (reálná koncentrace v přírodě) • 4. Hodnocení podle změn v druhovém složení (bioindikace) Klíčové otázky výběru indikátorů: • Bohaté seznamy indikátorů vs. 100-200 vybraných druhů • Jen rozsivky vs. Všechny řasy fytobentosu • Realita praxe: (použitelnost pro rutinní aplikaci) – Rychlost – čas, který lze věnovat odběru, zpracování a vyhodnocení 1 vzorku – vliv na preciznost , citlivost a validitu analýz Výhody a nevýhody rozsivek • Výhody: • Dobře poznatelné • Při výběru limitovaných počtů lze zaučit i více nových pracovníků • Vzorky lze skladovat a znovu určit – kontrola QA/QC, GLP.. • Nevýhody • Těžko poznatelné, zda před vypálením byly schránky živé, či mrtvé • Nejistota, zda společenstvo reagovalo na trofii, org. znečištění, salinitu, aciditu, toxicitu atd. • Široké ekologické valence – málo striktních indikátorů (38 TP BIOINDIKACE TROFIE POMOCÍ ŘAS Hodnocení trofického stavu lokality • Saprobita vs. Trofie • WFD a Hodnocení stavu lokality • Indexy a vyhodnocení pomocí OMNIDIA • Kombinace bioindikací s kvantifikací realizované biomasy fytobentosu – BenthoFluor sonda – Variabilita – Reprodukovatelnost Další otázky: • Expoziční substráty vs. klasické podklady – Výhody: – přesně známá expozice, – využitelné i pro další analýzy, – možnost výběru optimálního místa- referenční lokality! – Nevýhody – – možná selektivita, – nutnost jet 2x na lokalitu… Závěr • Bioindikace pomocí fytobentosu jsou užitečné, ale je nutné znát limitace metod odběru, analýzy a vyhodnocení !!! • Společenstvo nereaguje pouze na trofii! • Pro interpretaci je vhodné se opírat o další informace (chemické analýzy, hydrologie, realizovaná trofie in situ…) • Je čas srovnávat výsledky různých systémů a propojit interpretace na mezinárodní úrovni!