(©) Centrum pro výzkum toxických látek v prostředí Struktura, dynamika a degradace fluviálních ekosystémů (Ekotoxikologie vodních ekosystémů 2014) Mgr. Karel Brabec, Ph.D. mm**. evropský f00?'11^ g MINISTERSTVO ŠKOLSTVÍ, OP Vzdělávání "^A^J^ď fondvCR EVROPSKÁ UNIE MLÁDEŽE A TĚLOVÝCHOVY pro konkurenceschopnost 'MNA*'" INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ Inovace tohoto předmětu je spolufinancována Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky EKOSYSTÉMOVÝ PŘÍSTUP • zahrnuje komplexní procesy a vazby mezi složkami ŽP • náročný na sběr dat ■ • většinou je složité odlišit vliv spolupůsobících faktorů • tendence sbližující ekologické a ekotoxikologické postupy (SSD, SPEAR) Centrum pro výzkum toxických látek V^ť',/ v prostředí ÚROVNĚ BIOINDIKÁTORŮ Molecular level Cells Organs Individual organisms Populations Community Ecosystems Increasing Increasing Increasing Increasing Present importance ease of level of time to staus of data obtaining uncertainty complete of data research knowledg /^fr~~S\ Centrum pro výzkum [»^11 toxických látek V^tx,/ v prostředí STRUKTURA FLUVIÁLNÍCH EKOSYSTÉMŮ • interakce s terestrickými ekosystémy • spojení povrchových a podzemních vod • transport látek v rozpuštěné formě, ve vazbě na suspendované částice a na sedimenty • transformace polutantů v závislosti na pH, redoxním potenciálu, kyslíkových podmínkách ^^^ř • prostorová distribuce polutantů v závislosti na hydraulických parametrech (retence, eroze, sedimentace, přestup voda-sediment) • biodostupnost a bioakumulace • působení toxických látek na vodní organismy interaguje s parametry říčních habitatů Centrum pro výzkum toxických látek V^ť',/ v prostředí Odtokové schéma > Surface runo^ ^surface F/o. —'— - ZONE 3 Runoff Control ZONE 2 Managed Forest ZONE 1 Undisturbed Forest Stream bottom Centrum pro výzkum f W**^ J toxických látek V^ty',/ v prostředí Naiman, Decamps & McClain, 2005, Riparia POHYB LÁTEK V PROSTŘEDÍ • povrchový odtok • průsak do podpovrchového odtoku a do podzemních vod • propojení koryta toku s říční nivou • střídání peřejí a tišin, laterální koryta, poříční tůně • gradienty prametrů prostředí v podélném profilu toku Centrum pro výzkum toxických látek Prostorové dimenze říčního ekosystému 5-10 km Stanford & Ward, 1992 Centrum pro výzkum toxických látek v prostředí /^fr~~S\ I Centrum pro výzkum toxických látek V^ť',/ v prostředí Hydromorfologie eroze (boční, hloubková) sedimentace typy koryt transporta ukládání kontaminantů Typy říčních koryt (c) Straight Channel Point Bars . Pools Á-\ S \ (a) Bedload Straight -Jl })-)) Mixed Load Straight ú w w )\ n: Meandering Meandering Braided Suspended l.oad Straight Meandering Meandering Channel Pools (ť) Laterally Inactive Channels Laterally Active Channels Napřímené/meandrující koryto Singlc-Channi-l | Rivers I Anabranching Rivers S ingle-Channel1 Rivers A nabranch iny Rivers Centrum pro výzkum toxických látek v prostředí Nanson & Knighton, 1996; Miller & Miller, 2007 ZONACE VODNÍCH TOKŮ shredders změny spádu, zastínění hladiny, původu organické hmoty, poměru produkce a respirace, teplotního režimu, charakteru substrátu Teorie říčního kontinua (Vannote et al. 1980) Centrum pro výzkum toxických látek v prostředí C 4 ů I 5- G - 7 - 9 - |0 11 12 Bělative Channel Width Říční habitaty sta Riparian vegetation f Dead zone Pool Riffle Glide /^fr~~S\ Centrum pro výzkum [»^11 toxických látek V^ty',/ v prostředí DYNAMIKA FLUVIÁLNÍCH EKOSYSTÉMŮ • průtokový režim • teplotní režim • nutrienty, zákal, kyslíkový režim Sezónní dynamika koncentrace dusičnanů (Bečva, 2000-2006) N03[mg.l-1] 4 Choryne_dLJ&ík dusičnanový Dl u honit e_d u sík d u sičnanový Vietinska_Becva_VALME7_dLJSÍk dusičnanový í i' i' i' i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i j i' i' i' i' i' i' i' i' l' i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i I i i i i i i i i i i i i i i i I Centrum pro výzkum Ir'j) toxických látek V^ty',/ v prostředí DYNAMIKA FLUVIÁLNÍCH EKOSYSTÉMŮ Sezónní dynamika koncentrace zinku (Svratka, 2001, 2003, 2012, 2013) 120 i 100 - 80 - 3. 60 C IM 40 20 - lZn_Jimramov 2001 lZn_Jimramov 2003 lZn_Jimramov 2012 l Zn Jimramov 2013 (©) Jan Feb Mar Apr May Jun Jul Aug Sep Oct Nov Dec month BECVA RIVER - hydrology N DJ FMAMJ J ASONDJ FMAMJJASO 2004 2005 1977-2003 st RIVER HABTTAIS CENTRAL CHANNEL CHANNEL MARGINS Á riffle run pool main channel side arms Fr > 0.41 Fr < 0.41 Fr < 0.18 Fr > 0.18 • modelování - predikce • stratifikace vzorkování • klasifikace habitatů relevantní pro biotu Centrum pro výzkum toxických látek V^ť',/ v prostředí Organická hmota - rozpuštěná/partikulovaná 10-3 K)"4 10"5 K)"6 10"7 10"8 10"9 K)"10 pin ľ f i1 i......|rii.....i......i......n 1 pni i i""ľ" i.......ftrr m Zooplankton Phytoplankton FA Fulvic acid CHO , ........ Humic acid Bacteria ÄA HC Viruses POM Clay-humic-metal complexes —i- 0.45um boundary Hydrophilic acids DOM 1 Size of water molecules 1 FA 108 107 106 105 104 103 102 101 U-General colloid range- Molecular weight Fatty acids CHO AA Amino acids HC Carbohydrates Hydrocarbons Figure 2. Continuum of particulate and dissolved organic matter in natural water. (Modified from Thurman, 1985, reprinted by permission of Kluwer Academic Publishers.) Rhithron - podhorské potoky LAND DRAINAGE Centrum pro výzkum toxických látek V^tx,/ v prostředí Hyneš, 1970: The Ecology of Running Waters Potamon - nížinné řeky LANI) Drainage terrestrial animals RMTHRON Centrum pro výzkum toxických látek v prostředí piscnorous fishes _;:::-;>» Plant .--■"V nutrients dissolved •4 organic mailer H drift detritus DOWN STREAM Hynes, 1970: The Ecology of Running Waters Natural faúíůfS Regional species poo I Human impacts Co určuje strukturu společenstva? Specialion, immigration from acjacenl regions, extinctions, dirnate, graůlogy Water quality, vegetation lyuft Shading, substratum _ composition,, predatora Moss, algse, detriius Irfcrglices Catcfime.nl Segment Reach Rif1 Global warming Damning, land use practice {s^g, fMsstry and agriculture) pollution Road ctmslaiciion substratum mining Fishing, local iree cutting Local species poo] (©) Centrum pro výzkum toxických látek v prostředí Fig, 2 The cstoblishrncnt of Local species composition can be likened to a filtering process where species in the regional pool arc filtered away as a result of natural and anthropogenic factors acting at d [ffcrcnt scales. BODOVÉ ZDROJE ZNEČIŠTĚNÍ • komunální zdroje, průmysl, ČOV ZEMĚDĚLSTVÍ nutrienty, organická hmota, pesticidy, eroze - jemné částice, meliorace, degradace habitatů, pobřežní vegetace, říční niva, průtokový režim Example R00: Agricultural land use and degradation. □river Pressure Siar.6 impaei Afinní i ľ.Jre InOTMH Orqflnin polkdcnr LulrurJiiLaliun WeirsJ clams Oxyjrjfi cwitentrslion MccfotiHbilH 1 divers Iv Flaw if.ijľTE Connaííivity TaKDfTOfTliC imposition and aouňfUrtoe (Biodiversity Sensitiva1 tolerant taxa A^ů StnjCtmrř/ reproductive status Biomass Centrum pro výzkum toxických látek V^ty',/ v prostředí PŘEHRAZENÉ TOKY většina středně velkých toků v ČR má narušené říční kontinuum faktor interagující s jinými stresory regulérní stresor - chybí indikace teplotního režimu indikace zonace toků a teplotního režimu má význam pro hodnocení ekologického stavu toků v kontextu klimatických změn MONTH OF SAMPLING Centrum pro výzkum toxických látek v prostředí □ > 1 °c □ > 2 °C □ > 3 °C □ >4 °C ■ >5 °C ■ > 7 °C □ > 10 °C □ > 15 °C ■ > 20 °C REGULACE TOKŮ Geomorfologické typy toků hloubková eroze v meandrovitě zakřiveném údolí s vytvářením jesepů Centrum pro výzkum toxických látek v prostředí hloubková eroze v úzké údolní nivě nebo terasovém údolí s vytvářením brodů a výmolů větvení koryta do ramen v řečišti s častým převrstvováním výsep a překládáním ramen (divočení vodního toku) TOXICKÉ LÁTKY acidifikace ^^^H těžké kovy pesticidy, POPs ropné látky tzv. prioritní látky zahrnuté v rámcové směrnici Centrum pro výzkum toxických látek v prostredí KOMBINACE STRESORŮ A JEJICH INDIKACE • analýza interakcí mezi působením stresom • experimentální testování (laboratorní, terénní) • shromážděno značné množství autekologických informací o taxonech —> testování a výběr metrik /^fr~~S\ I Centrum pro výzkum toxických látek V^ť',/ v prostředí sociální fond v ČR EVROPSKÁ UNIE ť. m • MINISTERSTVO ŠKOLSTVÍ, MLÁDEŽE A TĚLOVÝCHOVY OP Vzdělávání pro konkurenceschopnost INVESTICE DO ROZVOJE VZDELÁVANÍ > IMI Inovace tohoto předmětu je spolufinancována Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky Centrum pro výzkum toxických látek V^ť',/ v prostředí