Eutrofizace Zvyšování úživnosti ekosystémů Zdroje živin • Autochtonní – rozklad organické hmoty – vyluhování sedimentů a hornin – biogenní fixace dusíku – bakterie a cyanobakterie • Allochtonní – eroze půdy – povrchový odtok – znečištění atmosféry NOx – odpadní vody – odtoky z ČOV bez terciálního čištění – Splachy hnojiv ze zemědělství TROFIZACE VOD – antropogenní příčiny nárůst UV radiace ? ? surfaktanty dioxiny pesticidy Cl-bifenyly freony radionuklidy skleníkové plyny NxOy SOx O3 polyaromatické CxHy ropné látky PO4 3- NH4 + NO3 - kovy surfaktanty ftaláty trofizace vod ! 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 NH N H NH N H O O OH HH O3S O H3C 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 Trofie (úživnost) vody 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, posléze natantní (hladinové koberce – 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 Scenedesmus 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 Zdroje fosforu 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: 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 Vliv živin na potravní řetězec nádrže 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 • osidlují rozmanité biotopy (sladké i slané vody, vlhká půda, ledovce, kůra dřevin, fykobionti v lišejnících…) • většina druhů se vyskytuje ve vodních ekosystémech • produkce biologicky aktivních látek • cca 3.5 mld let staré • vytvoření kyslíkové atmosféry Země 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 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; rozklad biomasy ) - snížení kvality vod (produkce pachů a pachutí) - hospodářský dopad (rekreace, rybářství) - produkce cyanotoxinů - nejznámější producenti: Anabaena, Aphanizomenon, Microcystis, Planktothrix, Nodularia, Cylindrospermopsis 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 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 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) • 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 Sinice & ekosystém MASOVÝ ROZVOJ SINIC 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 - Sinicový květ – problém ? USA AUSTRÁLIE Bioakumulace MICROCYSTINU Bioakumulace microcystinu-LR v rybí tkáni 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). Účinky na fotoautotrofní organismy • studium alelopatických interakcí • objasnění možné funkce některých cyanotoxinů Zelené řasy (Chlorophyta) Sinice (Cyanophyta) Skrytěnky (Cryptophyta) Rozsivky (Chromophyta) Sinice, cyanotoxiny a řasy 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 0 2 4 6 8 10 12 čas (dny) OD(680nm) 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 0 2 4 6 8 10 12 čas (dny) OD(680nm) RR LR Pseudokirchneriella subcapitata kontrola 1 µg/L 10 µg/L 100 µg/L 1000 µg/L 5000 µg/L 25000 µg/L Účinky na živočichy • planktonní korýši (Daphnia magna) • akutní toxicita, chronická a reprodukční toxicita • embrya drápatek (Xenopus laevis) • embryotoxicita, teratogenita Reprodukce Kontrola Extrakt z řas Celý vod. květ Frakce - mcystiny Permeát Extrakt Sinice, cyanotoxiny a zooplankton Sinice, cyanotoxiny a vodní obratlovci - embryotoxicita, teratogenita Kontrola Týden Vědy 2006, Brno Sinice, cyanotoxiny a vodní obratlovci MC-LR Biomasa s / bez MC • Úhyny ryb spojené především se snížením obsahu kyslíku Účinky na obratlovce • Hromadné úhyny ptáků v různých částech světa spojovány s masovými rozvoji sinic – nejednonačné 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 – Omezení užití umělých hnojiv • Snížení koncentrace živin v nádrži vlastní • Odstraňování inokula sinic ze sedimentů, odtěžení sedimentů z nádrží • Regulace rybí obsádky, Biomanipulace • Rozšiřování makrofyt (vyšší vodní rostliny) • Algicidní zásahy Zdroje fosforu a sinic (nejen) v nádržích 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 Cyanobacterial inoculum millions cells/cm3 of sediments 0 – 0,15 0,15 – 0,8 0,8 – 1,5 1,5 – 2,5 2,5 – 3,5 3,5 - 5 5 – 7,5 > 7,5 Inokulum sinic v sedimentech Brněnská Přehrada 2002 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 • Hypolimnické upouštění Ošetření sedimentů • Překrývání sedimentů – aktivní bariéry - pasivní bariéry • Odstraňování sedimentů – sací bagry (Vajgar) • Oxidace sedimentů – Riplox - provzdušňování • Aplikace bakterií Ošetření sedimentů Ošetření sedimentů Ošetření sedimentů Regulace struktury biotických vztahů • Využití mikroorganismů pro omezení masového rozvoje sinic • Viry • Bakterie • Řasy • Prvoci • Houby a houbové organismy 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 Biomanipulace s rybí obsádkou 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… Proč se tedy provádí algicidní zásahy? •Máchovo jezero •Založeno Karlem IV 1366 •Rozloha 284 ha •1928 otevřena první pláž •Denně návštěva až 30.000 lidí za účelem rekreace Aplikace přípravků sice nemůže vyřešit problém Máchova jezera, může ovšem snížit zdravotní rizika rekreantů a udržet turistický ruch 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