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 Spotřeba vody Odběry vody Spotřeba vody v domácnosti země množství vody na člověka/ den USA 300 l Západoevropské země 150 - 200 l Česká republika 120 l země třetího světa 10 l činnost množství vody splachování WC 10 - 12 l koupání 100 - 150 l sprchování 60 - 80 l praní v pračce 15 - 30 l mytí nádobí v myčce 40 - 80 l mytí rukou 3 l mytí auta 200 l pití (za den) 1,5 l voda na vaření 5 - 7 l 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 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 Faktory ohrožující sladkovodní ekosystémy • Změny a destrukce habitatů – přehrady, kanalizování toků, těžba dřeva, nerostných surovin, využití pro zemědělství, dopravu či lidská sídla • Změny habitatů, průtoků kvůli odběrům vody či výrobě energie • Ničení/odvodňování mokřadů - v minulém století zničena polovina mokřadů na světě • Povodně a sucha • Zanášení bahnem 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…) Ovlivnění teploty vodních ekosystémů • 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 • vliv na obsah kyslíku ve vodách a další fyz.-chem. ukazatele zvýšená teplota vody způsobuje pokles hladiny kyslíku a ovlivňuje ekosystém • důležitá 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), 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 vysychání 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.spotřeba kyslíku potřebná k oxidaci všech látek - stanovení míry znečištění vody organickými a oxidovatelnými anorganickými látkami. 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 mg.l-1. BSK čisté, neznečištěné vody dosahuje ≤ 3 mg.l-1, zatímco silně znečištěná voda může dosáhnout hodnot až 103 mg.l-1 (g.m-3). - Pitné vody ~ 6 mg.l-1 - Splaškové vody ~ stovky mg.l-1 - Splaškové vody ~ stovky mg.l-1 - Odpadní vody z potravinářského průmyslu ~ tisíce mg.l-1 CHSK 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 • Systém třídění stavu znečištění vod podle zastoupení saprobních organismů • 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 – ciliatový stupeň (nálevníci) – Metasaprobita – flagelatový stupeň (bičíkovci) – 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 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 (např. vliv 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