Stresory v akvatických ekosystémech
Hydromorfologická degradace:
hydrologické ovlivnění
degradace morfologie koryta
fragmentace habitatů
Nadužívání vodních zdrojů
Klimatické změny
Obecná degradace
Znečišťování vod
eutrofizace
organické znečištění
toxické znečištění
acidifikace
tepelné znečištění
a – intenzita
působení
t - čas
Změny v krajině
• Změny povrchových odtokových poměrů v krajině :
zemědělství, odlesňování, vysoušení mokřadů (meliorace)
a výstavba rybníků, scelování pozemků:
– eroze (voda ovlivňuje krajinu, splachy ovlivňují vodní prostředí)
– změna vodní jímavosti půdy
– změna objemu a distribuce průtoků
• Změny přirozených průtokových režimů, změna zásob
vod v krajině
– komplexní důsledky pro abiotické podmínky ve vodním prostředí
(teplota, chemismus, proudění, hloubka, ztráta habitatů etc.), změny
ve společenstvech
Nadužívání vodních zdrojů
• Odběry vody – snížení průtoků nebo objemu nádrží
potřeba: ze zdroje plus recyklovaná
spotřeba: odpar, voda použitá do výrobku, nebo vracená do
vodního prostředí v jiném místě
odpadní voda: vrací se v místě spotřeby nebo poblíž něho
Vlivy odběrů
– průmysl: znečišťování, havárie
– závlahy: zasolování půd, zvyšování salinity v nádržích
– odběry pitné vody z podzemí – pokles hladiny spodní vody
• Snížené průtoky či objemy zesilují negativní působení dalších vlivů
Nadužívání vodních zdrojů
• zadržování vody v nádržích
typ a míra vlivu závisí na velikosti nádrže, manipulaci (odtok z
epilimnia/hypolimnia), umístění na toku
– změna přirozeného průtokového režimu pod nádržemi (sezónní,
denní – energetické špičkování)
– změny teploty, chemismu, proudění - změna habitatů, potravní
nabídky
– změna režimu plavenin a splavenin
• plaveniny: částice unášené ve vodním sloupci
• splaveniny: částice posouvané či valené po dně ukládané na určitém místě
koryta
– migrační bariéra
– zánik původních biotopů a biocenóz
Morfologické
ovlivňování toků
Regulace toků:
snížení diverzity habitatů, ztráta habitatů
zejména v rámci protipovodňové ochrany – zvýšení kapacity koryta, ochrana
zastavěných oblastí, zamezení eroze, změny trasy toku kvůli různé
výstavbě
– napřímení – zrychlení odtoku
– bagrování – splavnost, kapacita koryta
– zaklenutí (zatrubnění)
– opevnění – nejhorší tvrdé opevnění dna
– příčné stavby na tocích
• narušení migračních koridorů – migrační bariéry
(určité řešení: balvanité skluzy, rybí přechody)
• fragmentace biotopů, populací, ekosystémů
– likvidace břehových porostů (stromy působí problémy při povodních a komplikují
údržbu toků) x jejich důležitost a příznivý vliv na zpevnění břehů a omezení
eroze při narušování břehů
Vliv lidské činnosti na rybníky
• Vápnění – desinfekce, urychlení mineralizace
• Vysekávání porostů – zvětšení prostoru pro ryby, úbytek habitatů…
• Vyhrnování dna - zvětšení prostoru, likvidace bentosu
• Hnojení a krmení – cílem je zvýšení produktivity
• Zimování (ponechání rybníků přes zimu bez vody pro provzdušnění dna a
urychlení mineralizace org. látek) a letnění (během vegetačního období
alespoň částečně bez vody) rybníků – vypuštění rybníků s cílem zlepšení
sktruktury substrátu dna, likvidace porostů mikro- i makrofyt, parazitů.
• Pesticidy, léčiva pro ryby, koagulanty – ovlivnění i necílových organismů,
celého ekosystému - selektivně ovlivňují složení bioty, některé kumulace v
biomase
• Lépe mechanické zásahy (vysekávání makrofyt, aerace, stínění…)
Oteplování vodních ekosystémů
Místní vlivy
• Tepelné znečištění = nárůst nebo pokles teploty vody způsobené
lidským vlivem.
• vypouštění oteplených vod - využití vody jako chladící směsi v
elektrárnách a průmyslových provozech
• i městské odpadní vody mohou zvýšit teplotu v povrchových vodách
• hlubinné důlní vody, výtoky z nádrží – např. vypouštění velmi
studené vody na dně nádrží do teplejších řek
• Vazba na obsah kyslíku ve vodách a další fyz.-chem. ukazatele zvýšená
teplota vody způsobuje pokles hladiny kyslíku a ovlivňuje
ekosystém
• Významná je distribuce vypouštění v čase (nepřirozené vyrovnání
nebo nepřirozené kolísání teplot)
– Kvalitativní i kvantitativní změny společenstev, vliv na rychlost
vývoje, reprodukci, vymizení citlivějších druhů.
Klimatické změny
Globální vlivy – klimatické změny (předpokládané)
– změny (nárůst?) teploty vzduchu
– změny chodu teplot
– změny srážkového režimu
– různé scénáře vývoje klimatu podle různých modelů
• Důsledky pro akvatické ekosystémy:
– změny teploty vody (korelováno s T vzduchu)
• vazba na průtoky, na využití půdy v povodí
• vliv na intenzitu fyz.-chem., chemických, biochemických a biologických
procesů ve vodním prostředí
– změny hydrologického režimu a morfologie toků
• rozkolísané průtoky – povodně, nízké průtoky, sucho
• korytotvorné průtoky, plaveniny, splaveniny
• vztah k jakosti vody: zhoršení/zlepšení
• vytváření a zanikání habitatů
– změny fyzikálně-chemických a chemických vlastností vody
• ve vazbě na předchozí body – saprobita, trofie, toxicita, acidifikace
Klimatické změny
Předpokládané odezvy
- změny v druhovém složení - vymizení druhů z určité oblasti –
vyhynutí, změny areálů
– změny ve funkčním složení – geologické a environmentální faktory
včetně klimatických – působí hierarchicky na různých škálách – selekce
druhů s vhodnými vlastnostmi
– podél environmentálních gradientů existují rozdíly v morfologických,
behaviorálních, fyziologických vlastnostech druhů
– tedy: v regionech s různým klimatem je biota s různým taxonomickým i
funkčním složením
Změna klimatu – změna bioty též z hlediska funkční struktury.
Předpoklad: funkční struktura méně citlivá než druhové složení.
funkční struktura = struktura daná rozložením skupin organismů
(producenti, konzumenti, destruenti) je jejich funkcí v rámci ekosystému
Typy znečištění ve
vodních ekosystémech
Znečištění
Jako znečištění lze z praktického hlediska chápat každou změnu přirozených
fyzikálních a chemických vlastností vody, která snižuje jejich kvalitu se
zřetelem k použitelnosti
autochtonní
alochtonní
havarijní (akutní)
trvalé (chronické)
periodické (kampaňové)
hledisko časové
bodové
rozptýlené (doprava)
plošné (splachy)
zbytkové
druhotné
hledisko vodohospodářské
Přirozené (autochtonní) zdroje znečištění
• eroze břehu, sesuvy půdy
• zakalení po silném dešti
• sopečná činnost
• vyplavování toxických látek vznikajících při geologické činnosti z podloží
• životní pochody rostlin (opad listí) a živočichů (exkrementy),
• větší množství současně uhynulých organismů – rozkladné procesy
odumřelých těl
• zvyšování teploty vody v důsledku vysýchání v období snížených vodních
srážek
• okyselení výplachem z rašelinišť a tajícího sněhu
Kontaminace vod
Rozdělení podle lokalizace
Místní úniky znečišťujících látek
• kontaminující látky, které do vody proniknou
při jejich přepravě (potrubí nebo nádrž)
• vypouštění odpadních vod z čistíren, a
továren, nebo z měst při prudkých deštích.
Rozptýlené znečištění
• rozptýlená kontaminace
• nepochází z jednoho konkrétního zdroje.
• často jde o souhrný účinek malého množství
kontaminujících látek na velké ploše
(přívalové deště)
Rozdělení podle povahy znečištění
• znečištění půdními a jílovitými částicemi -např.
následkem eroze
• eutrofizace
• toxickými látkami
• anorganickými průmyslovými kaly
• průmyslovými tuky a oleji
• radioaktivitou
• teplem
• mikrobiálním znečištěním (patogenními
zárodky)
Rozdělení podle specifického zdroje
• zemědělství
• doprava
• těžba
• průmyslová výroba a skladování
• služby
• přirozené zdroje
Odpadní vody
1. městské (splaškové)
2. průmyslové (+ odpadní vody ze zemědělských závodů);
Odpadní vody
hnilobné
toxické
s anorganickými kaly
s tuky, oleji a ropnými látkami
oteplené
radioaktivní
s patogenními mikroby
kyselé důlní vody
Zdroje znečištění vodních ekosystémů
Splachy ze zemědělství
Splachy ze znečištěných povrchů
Dálkový transport, kyselé deště
Další zdroje kontaminace
Organické znečišťující látky
• Čistící prostředky
• Dezinfekční přípravky jsou v chemicky
dezinfikované vodě jako je pitná voda. Jde
například o chloroform
• Odpady ze zpracování potravin, které mohou
obsahovat organické zbytky, tuky a maziva
• Insekticidní a herbicidní přípravky
• Ropné deriváty a organické uhlovodíky, včetně
paliv (benzin, nafta, letecké palivo, a topný olej) a
maziv (motorové oleje) a vedlejší produkty hoření
• odpady po přívalových deštích.
• Zbytky stromů a keřů z dřevozpracujícího
průmyslu.
• Těkavé organické sloučeniny (např.aromatické
uhlovodíky) jako jsou průmyslová rozpouštědla, v
důsledku nevhodného skladování.
• Chlorovaná rozpouštědla, které jsou těžší než
voda a mohou klesnout až na dno nádrže, nejsou
schopny se smíchat s vodou a jsou hustší.
• Různé chemické sloučeniny užívané v osobní
hygieně, kosmetice.
Anorganické znečišťující látky
• Zvýšení kyselosti způsobené emisemi
(kyselý déšť) z průmyslových závodů (oxid
siřičitý z elektrárny)
• Amoniak z rozkládájícího se odpadu z
potravin
• Chemické odpady jako průmyslové produkty
• Hnojiva s obsahem živin - dusičnany a
fosforečnany které unikají se srážkami ze
zemědělství
• Těžké kovy z motorových vozidel
• Nánosy po výstavbě, vypalování nebo
čistění pozemků.
Makrostrukturní znečištění
• Znečištění velkými viditelnými složkami
znečišťujícími vodu (trosky, komunální
odpad),
• Odpadky, jejich části (např. papír, plasty,
nebo potravinářské odpady, mikroplasty) v
odpadních vodách, smývané srážkami, nebo
vyváženy
• Vraky lodí
POLUTANTY
Persistentní
(vysoká rezistence k rozkladu)
Degradovatelné
(nízká rezistence k rozkladu)
Samočištění vody Tendence k biomagnifikaci !!!
• krátkodobý výskyt
• různá toxicita
• rychlá-střední degradabilita
• dlouhodobý výskyt
• obvykle toxické
• velmi nízká degradabilita
• kumulace v sedimentech či tkáních
For more discussion, see:
http://epa.gov/nerlesd1/chemistry/pharma/critical.htm
Prevalence/Distribution of Xenobiotic Occurrence
Radionuklidy
Pesticidy
Organické toxické odpady (např. formaldehyd, fenoly)
Živiny (zejména fosfáty a dusičnany)
Oleje a olejové disperzanty
Patogeny
Farmaka, nové typy polutantů – nanočástice, mikroplasty
Kovy (např. Cd, Zn, Pb, Hg)
Organochlorované látky
Plyny (např. chlor, amoniak)
Polycyklické aromatické uhlovodíky a jejich deriváty
Splašky a zemědělská hnojiva
Detergenty
Anionty (např. sulfidy, sulfáty, kyanidy)
Kyseliny a zásady
Kategorie polutantů vyskytujících se ve vodách
• Teplota vody
• pH
• Obsah kyslíku
• Elektrická vodivost
• Obsah různých iontů
• Obsah minerálních látek
• Obsah anorganických i organických polutantů
• Obsah mikrobů
• BSK – biologická spotřeba kyslíku = množství kyslíku spotřebované mikroorganismy pro
rozklad organických látek za aerobních podmínek
• udává obsah organických látek ve vodě (oleje, cukry, tuky, bílkoviny, mikroby)
BSK5 = vyjadřuje spotřebu kyslíku za 5 dní na biochemickou oxidaci biologicky
rozložitelných látek mikroorganismy, které jsou přítomné v dané odpadní vodě
• BSK5 se používá jako míra koncentrace biologicky rozložitelných látek
• CHSK – chemická spotřeba kyslíku = obsah chemicky oxidovatelných látek ve vodě.
Úplné oxidace se dosahuje roztokem dichromanu draselného, roztokem manganistanu
draselného se stanovuje pouze obsah snadno oxidovatelných látek.
hodnota CHSKCr zahrnuje tedy i látky biologicky nerozložitelné
• Biologická a chemická spotřeba kyslíku se udávají mg na l vody.
Parametry kvality vody
Poměr BSK5: CHSK indikuje zastoupení biodegradabilních látek. Je-li
poměr > 0.5, odpadní voda obsahuje primárně biologicky odbouratelné
látky
Příklady: odpadní vody ze škrobáren (poměr 0.57), pivovarů (0.64) a
cukrovarů (0.70).
Měření BSK používáno pro srovnání „síly znečištění různých odtoků
(odpadních vod)“. Obvykle měříme znečišťující kapacitu vyjádřenou
spotřebou kyslíku mikroorganismy, degradujícími organické látky
obsažené v odpadní vodě.
Čím vyšší je BSK odpadní vody, tím vyšší je potenciál pro redukci kyslíku
v recipientu.
Typické hodnoty BSK pro splaškové odpadní vody jsou mezi 250-350
g.m-3. BSK čisté, neznečištěné vody dosahuje ≤ 3 g.m-3, zatímco silně
znečištěná voda může dosáhnout hodnot až 103 g.m-3.
Sloučeniny s terciárním uhlíkemSloučeniny bez terciárního uhlíku
Více substituované látkyMéně substituované látky
Nasycené sloučeninyNenasycené sloučeniny
Aromatické sloučeninyAlifatické sloučeniny
Vysoké koncentraceNízké koncentrace
Vysokomolekulární látkyNízkomolekulární látky
Biologicky obtížně rozložitelnéBiologicky dobře rozložitelné
Biologická rozložitelnost organických látek
Organické znečištění = velké množství organických látek, které
slouží jako substrát pro mikroorganismy, vstupuje do vod
přírodní antropogenní
ORGANICKÉ ZNEČIŠTĚNÍ
nejstarší a dosud nejrozšířenější typ znečištění
lehce odbouratelné látky typu BSK
Zdroj:
komunální splaškové vody, zemědělství, potravinářský, papírenský
a textilní průmysl
Organické odpadní vody obsahují rovněž velká množství
suspendovaných látek, které redukují dostupnost světla
pro fotosyntézu a tím, že sedimentují, mění charakter
substrátu (říčního dna).
Toxické koncentrace amoniaku
Organické znečištění
• lehce odbouratelnými organickými látkami (nikoliv perzistentní organické
polutanty)
• Zdroje: komunální znečištění, zemědělství, potravinářský průmysl – cukrovary atd.
• Rozklad organických látek – spotřeba kyslíku, až anaerobní stavy – saprobní
(hnilobné procesy)
• Saprobita - soubor vlastností a biologický stav vody, vyvolaný přítomností
biologicky rozložitelných organických látek (biochemický rozklad, činnost
destruentů)
• Indikace: BSK5 – biologická spotřeba kyslíku
• Saprobita vody je charakteristický stav vodního prostředí, které určuje výskyt
saprobiontů. Základem stanovení stupně saprobity je biologický rozbor.
• Bioindikace – saprobiologické hodnocení, saprobní indexy
Saprobní systém
• Biologické hodnocení kvality vody podle saprobního systému vychází z předpokladu,
že v rozdílně znečištěných vodách žijí různé organismy, které se podílejí na
probíhajících rozkladných procesech
• Různému stupni znečištění odpovídají různé vodní biocenózy, které jsou tvořeny
různě odolnými organismy.
• Organismy, použité jako indikátory znečištění označujeme jako saprobionty nebo
bioindikátory
• Původní systém hodnocení je založen na toleranci jednotlivých indikačních druhů ke
stupni znečištění vody lehce odbouratelnými organickými látkami (vyjádřenými
většinou jako BSK5)
• Vliv organického znečištění na faunu je otázkou rovnováhy mezi nepříznivými
podmínkami (nedostatek kyslíku, chemické látky) a výhodami zvýšeného přísunu
potravy i redukce kompetice a predace. Obecně se znečištění organickými látkami
projevuje vzestupem počtu organismů a poklesem diverzity. Vhodnými indikátory
saprobity jsou v tekoucích vodách zejména makrozoobentos a nárosty a ve
stojatých vodách někteří zástupci planktonu.
Saprobní systém
• Katarobita (nejčistší vody, slabé oživení -podzemní vody, prameny)
• Limnosaprobita (povrchové i podzemní vody různě znečištěné,
odlišná struktura společenstev)
– Xenosaprobita
– Oligosaprobita
– Betamesosaprobita
– Alfamesosaprobita
– Polysaprobita - voda velmi silně znečištěná
• Eusaprobita (odpadní vody se značně zvýšeným obsahem
organických látek)
– Isosaprobita – cilitový stupeň
– Metasaprobita – flagelatový stupeň
– Hypersaprobita – bakteriálně mykofytový stupeň
– Ultrasaprobita – abiotická
• Transsaprobita (zvláštní odpadní vody s nehnilobnými látkami (nebo
faktorem, který je brzdí) – ropné, toxické látky, vysoká teplota, radioaktivita)
Saprobní systém
Saprobní
stupně
Saprobní index –
vyjadřuje stupeň
znečištění biochemicky
odbouratelnými
organickými látkami
Přirozená saprobita
Acidifikace
Okyselování vod
• Problém především 2. poloviny 20. století – přetrvává dodnes
• Příčina: kyselé deště (oxid siřičitý a NOx ze spalování fosilních paliv
do ovzduší – dešťová voda má pH 4-4,5 namísto 5-6).
• Nejdříve úbytek hydrouhličitanů, ztráta pufrační kapacity vody, pak
nárůst koncentrace hliníku – toxický vliv na hydrobionty.
• Dojem čisté vody, nízká druhová bohatost.
• Problém se zesiluje v oblastech s kyselým podložím (např. žula)
Indikace
• pH
• Alkalinita
• Bioindikace (citlivé druhy mizí)
Organické znečištění je kontinuálně eliminováno aktivitou
mikroorganismů – procesy, které napodobujeme v ČOV.
Samočištění vod
Toto samočištění vyžaduje dostatečné koncentrace kyslíku a
zahrnuje rozklad komplexních organických molekul na jednoduché
anorganické sloučeniny.
Nařeďování, sedimentace a sluneční záření….
Přisedlé mikroorganismy v toku (biofilmy) hrají důležitější roli v
samočištění než volně suspendované organismy ve vodním sloupci.
Znečištění toxickými látkami
Těžké kovy
• cca 40 prvků, specifická hmotnost vyšší než 5 g/m3: Hg, Cr, Pb, Ni,
Zn, Cu
• Stopové prvky – nezbytné pro organismy
• Součást přirozeného pozadí (liší podle místních podmínek).
• Vyšší koncentrace – toxické působení
• Zdroje: těžba a zpracování rud a uhlí, spalování fosilních paliv,
průmysl, pesticidy
Ropné látky a uhlovodíky
PTBs – perzistentní organické polutanty
PCB…tendence k akumulaci, odolnost k degradativním procesům
PBTs (Persistent, bioaccumulative, toxic)
skupina organických sloučenin, jejichž dominantními fyzikálněchemickými
a environmentálně-chemickými vlastnostmi jsou:
1. odolnost vůči různým degradačním procesům,
2. malá rozpustnost ve vodě,
3. lipofilní charakter a z toho plynoucí výrazná tendence
k bioakumulaci a
4. polotěkavost umožňující globální atmosférický transport
chlorované pesticidy polychlorované bifenyly
polychlorované dibenzodioxiny
a dibenzofurany
polycyklické aromatické uhlovodíky
Příklady chlorovaných pesticidů a jejich BCF
v závislosti na rozpustnosti ve vodě
Závislost biooncentrace
polutantu na jeho
lipofilitě
Akumulace (hromadění látky v organismu)
Bioakumulace
Pouhý příjem z vody, nezávislý na trofickém stupni
Důležitý aspekt subletální toxicity
Hladiny polutantů v tkáních žijících organismů jsou užívány k indikaci
stupně kontaminace vodního prostředí (biomonitoring)
Biomagnifikace
Zvyšování koncentrace polutantu podél trofického řetězce
Typické pro organochlorové pesticidy
Biokoncentrační faktor (BCF)
Zpravidla určován v laboratoři; jedná se o poměr mezi koncentrací v
organismu a koncentrací ve vodě při dosažené rovnováze
Všeobecně považován za validní indikátor kapacity polutantu
kumulovat se v živočišných tkáních.
Podmínkou biomagnifikace je, aby polutant byl perzistentní a lipofilní
Polutanty – rozpuštěné nebo v suspenzi, př. adsorbované na
částice. Všechny formy mohou být transportovány vodou na velké
vzdálenosti.
Látky adsorbované na částice sedimentují nebo plavou u hladiny
(podle hustoty). Vzdálenost, na kterou jsou unášené proudící
vodou závisí na fyzikálních vlastnostech polutantu, rychlosti
proudící vody a charakteru koryta.
Transport polutantů vodou
Po vstupu látky do organismu
1. Spuštění obraných mechanismů s cílem detoxifikace polutantu, ale
v některých případech dochází k jejich bioaktivaci
2. Snížení dostupnosti polutantu navázáním na jiné molekuly k jeho
vyloučení nebo uložení.
3. Spuštění mechanismů k opravě poškození způsobeného polutantem
4. Pokud obrané mechanismy nedostačují – poškození organismu:
Odpověď organismů na akvatické polutanty
Narušení přenosu energie Genotoxicita
Karcinogenita Neurotoxicita
Reprodukční neúspěšnost
Endokrinní disrupce
Mortalita
Účinky na úrovni jedince a populace
biochemické změny - např. aktivita cholinesterázy (Ephemerella nebo
Hydropsyche při hodnocení vlivu organofosfát. insekticidů)
fyziologické změny (např. spotřeba kyslíku u Chironomus)
morfologické deformity (pakomáři)
změny v chování (zvýšená pohybová nebo driftová aktivita)
změny v životních cyklech (přežití, růst, mortalita, rozmnožování, vývoj a
emergence)
kumulace polutantů (viz sentinelové organismy)
organické znečištění ovlvivňuje organismy snížením obsahu dostupného
kyslíku (dušení, ….)
zvýšená turbidita vody redukuje dostupné světlo pro fotosyntetizující
organismy.
neschopnost
homeostáza
normální funkce udržovaná
bez významnějších ztrát
smrt
fyziologické poškození
normální nastavení kompenzace zhroucení porucha
narušenáfunkcezdravíonemocněnísmrt
Při nízkých hladinách polutantů je
organismus udržován ve zdravém stavu
homeostatickými mechanismy; se
vzrůstající koncentrací se objevují různé
kompenzace; při ještě vyšších
koncentracích začíná být organismus
stresován, objevují se fyziologické
poruchy, organismus není schopen
nahradit ztráty
→ poškození až smrt organismu
Hodnocení toxicity
• Testy akutní toxicity – hodiny až max. týden, vysoké dávky
• Testy subchronické toxicity – týdny, cca 10 % normální délky života
testovaného organismu, střední dávky
• Testy chronické toxicity – měsíce až roky, nízké dávky
• LC50 koncentrace, při níž v testu akutní tox. uhyne 50 % pokusných
organismů
• Pokusné organismy
– Druh je v přírodě snadno dosažitelný
– Dá se snadno chovat v laboratorních podmínkách
– Zřetelně reaguje na toxickou látku
– Zastoupení různých trofických/funkčních úrovní – producenti,
konzumenti, destruenti