(©) Centrum pro výzkum toxických látek v prostředí Struktura, dynamika a degradace fluviálních ekosystémů (Ekotoxikologie vodních ekosystémů 2017) Mgr. Karel Brabec, Ph.D. VJH evropský ^S^^fc I f00'^'"^ ^i^^ i M|NISTERSTVO ŠKO m^^m M fondvCR EVROPSKÁ UNIE mládeže a tělovýci c/5 . 1T Är, ^^^^^^^^ MINISTERSTVO ŠKOLSTVÍ, OP Vzdělávání fondvCR EVROPSKÁ UNIE mládeže a tělovýchovy pro konkurenceschopnost <4na*v" 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 i 1 toxických látek V^ť'/ v prostředí EKOTOXIKOLOGIE - EKOLOGIE vliv chemických látek na mezidruhové interakce a potravní sítě účinky kombinace stresorů; interakce mezi kontaminanty a faktory prostředí účinky chemické kontaminace na ekosystémové procesy (např. primární produkce, rozklad organické hmoty Centrum pro výzkum toxických látek v prostředí Chemicals Endocrine disruptors Pharmaceuticals Food web Predators t Herbivores Detritivores <..... í Producers Decomposers <--'' ■ Environment <5> ^ EKOTOXIKOLOGIE - EKOLOGIE • integrace ekologických principů do uspořádání ekotoxikologického výzkumu je důležité pro hodnocení a predikování účinků kontaminantů na biologická společenstva a ekosystémy • aplikovaná ekologie a bioindikační hodnocení by mohlo využít koncepty a přístupy vyvíjené v ekotoxikologii Centrum pro výzkum toxických látek v prostředí VODNÍ EKOSYSTÉMY • Struktura (morfologie koryta, typ substrátu, pobřežní vegetace, břehové struktury) • procesy (eroze, sedimentace, transport, cykly živin a organické hmoty) STRUKTURA VODNÍCH EKOSYSTÉMŮ • hydromorfologie • prostorové škály • matrice (voda, sediment, biofilm, biota) Centrum pro výzkum toxických látek 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 • 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 prostředí Hydromorfologie eroze (boční, hloubková) sedimentace typy koryt transport a ukládání kontaminantů Typy říčních koryt (c) Straight Channel Point Bars Pools. ta) Bcdload Straight -1 »~» Meandering Braided Mixed Load Straight >» )»T Meandering "m Suspended Ltiad Straight Meandering Meandering Channel Pools Riffle <ť> Laterally Inactive Channels Straight-Island Form I Laterally Active Channels Meandering Napřímené/meandrující koryto Sinijlc-Cliannť] j Anabranehing (©) Rivers Rivers Single-Channel1 Rivers Anabranching Rivers Centrum pro výzkum toxických látek v prostředí Nanson & Knighton, 1996; Miller & Miller, 2007 Geomorfologické typy toků Prostorové dimenze říčního ekosystému 5-10 km Stanford & Ward, 1992 Centrum pro výzkum toxických látek v prostředí Natural factata Regional species pool Hum^n i-ipacts Co určuje strukturu společenstva? Specialion, immigration from adjacent reg (Orts, extinctions. Climate, geology Global wanning acid rain Catcfiment Water quality, vegetation Lyuft Segmenl Damming, land use practice (e.g. forestry and agriculture) pollution Shading, substratum composition, predators Reach Road cooslrudJon substratum mining Moss, algae, detritus. Interstices Rirt ■?: pool Ffenlng. local tree cutting Local species poo] Fig, 2 The establishment of local species composition can be likened to a filtering process where species in the regional pool /^rs\ I Centrum pro výzkum ä ^ altered a way as a result or natural and anthropo gen ic factors (CTj) toxickýchlátek acting at different scales. v prostředí lei the water column. Wjiler -column Benihie /.one Hyporheic /one 4 { -4 Aquatic organisms live in all nj /ones from the phrcatic /one La Active channel is usually flooded at Icafii onĽĽ each year- Phrciitic-/one L Wetted channel contains water vear-round. >'' Rools of trees g row í rig i n ■/ {J tnc " pari an /one often draw T water from groundwater. (©) Centrum pro výzkum toxických látek v prostředí ŘÍČNÍ HABITATY Riparian vegetation mj Detritus . Kl Hyporheos Woody debris Dead zone Pool Riffle Glide (©) Centrum pro výzkum toxických látek v prostředí KONTAMINACE PRVKŮ EKOSYSTÉMU SEDIMENTS BIOLOGICAL COMPONENTS ■ + CLS + ps*<í ' / > * / t>* 8«° '11 í tJ: - o T--XtS ' components A CLC + CLS ■ M/C N*/S O PS £ŕ group centroid /VVCLR V" ,- V V /■......v V., ■■>cv - * / \ ■ OH/R i * ft R '* * * / + y J mvb 1 /+ , \ ■+■ / \ y components O CLB V CLR + M/B — MU/R ■ R ■Ír group centroid Function I Function I » Centrum pro výzkum toxických látek v prostředí Phafaris (Cu surface biofi|m sediments CD O W ÉMECH • transport • distribuce • transformace látek ^ • biologické procesy (rozklad organické hmoty, primární produkce, potravní vztahy) Centrum pro výzkum toxických látek v prostředí POHYB LÁTEK V PROSTŘEDÍ - odtok • povrchový odtok • průsak do podpovrchového odtoku a do podzemních vod • propojení koryta toku s říční nivou • střídání peřejí a tišin, laterální koryta, poříční tůně ZONACE VODNÍCH TOKŮ 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 >k T. 2 - 3 - ~ 4 o ■s & o ,B Í 5 - 6 - 7 - a - 9 - 10 11 12 collectorí iol lectors microbes -^fhríŤ -p- predator* Relative CJiannsl Width Organická hmota - rozpuštěná/partikulovaná 10'3 10"4 10"5 KT6 10"7 10* 10* 10'10 m pil) I t M pli I III I [BII MM pHIII U I flit I II I |PH M II pil III I Zooplankton Phytopiankton POM Bacteria Viruses Clay-humic-metal complexes .____i______________ Hydrophilic acids 0.45um boundary DOM i J Size of water molecules J. FA 108 107 106 105 104 103 102 101 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.) DYNAMIKA FLUVIÁLNÍCH EKOSYSTÉMŮ • průtokový režim • teplotní režim • nutrienty, zákal, kyslíkový režim Sezónní dynamika koncentrace dusičnanů (Bečva, 2000-2006) N03[mg.l-1] Centrum pro výzkum toxických látek v prostředí 1977-2003 1 u A RIVER HABITATS CENTRAL CHANNEL CHANNEL MARGINS riffle run pool main channel side arms Fr>0.41 Fr<0.41 Fr<0.18 Fr> 0.18 CH POOL M POOL S POOL modelování - predikce stratifikace vzorkování klasifikace habitatů relevantní pro biotu (©) Centrum pro výzkum toxických látek v prostředí Froude number I 0 IB «.<1 Změny kontaminace v prostoru a čase DYNAMIKA FLUVIALNICH EKOSYSTÉMŮ Sezónní dynamika koncentrace zinku (Svratka, 2001, 2003, 2012, 2013) (©) 120 i 100 - 80 - OJO C M 60 - 40 - 20 -■■ 0 Zn_Jimramov 2001 Zn_Jimramov 2003 Zn_Jimramov 2012 Zn Jimramov 2013 Jan Feb Mar Apr May Jun Jul Aug Sep Oct Nov Dec month Rhithron - podhorské potoky LAND DRAINAGE I Centrum pro výzkum íw"\|) toxických látek Hyneš, 1970: The Ecology of Running Waters v prostředí Potamon - nížinné řeky LAND DRAINACJl terrestrial animals plant nutrients dissolved organic matter vegetable debris RJUTHRON plant nutrients detritus and drift LIGHT ,lr---*>> plant nutrients dissolved n> organic matter * drift detritus DOWN STREAM /^ť^Vv Centrum pro výzkum f i^f_*" J 1 toxických látek V^fc^'X v prostředí Hyneš, 1970: The Ecology of Running Waters • prostorové působení: x a) bodové (sídla, průmysl) b) plošné (zemědělství, lesní hospodářství) • typ degradace: a) eutrofizace + rozložitelná organická hmota b) chemický stres (acidifikace, pesticidy, kovy, residua léčiv) c) hydromorfologická degradace vodních ekosystémů (změny průtokového a teplotního režimu, úpravy koryt - regulace) (©>' Centrum pro výzkum toxických látek v prostředí INTERAKCE MEZI VODOU A SEDIMENTEM Contaminated Rivers k ÚMir-ii phqlogkal -One hŕm ; -.1 Approach to Site AswMmŕnt and Rerrwdiarion Q Springer Dry Deposition Groundwater \ (©) Centrum pro výzki toxických látek v prostředí BODOVÉ ZDROJE ZNEČIŠTĚNÍ DPSIR RÁMEC • Drivers (economic sectors, human activities) • Pressures (emissions, waste, degradation) • States (physical, chemical and biological) • Impacts (on ecosystems, human health and functions) • Responses (prioritisation, target setting, indicators) Extension of pressure-state-response model developed by OECD. Figure 1. The DPSIR assessment framework Centrum pro výzkum toxických látek v prostředí Based on EEA 1998: Guidelines for Data Collection and Processing - EU State of the Environment Report. Annex 3. "National Institute of Public Health, and Environment, Bilthoven. Netherlands DEGRADACE VODNÍCH TOKŮ 0 Pathogens (Bacteria) Siltation Habitat Alterations Oxygen-Depleting Substances Nutrients Thermal Modifications Metals Flow Alterations 0 Percent of Impaired River Miles 10 20 30 40 50 n- —I- 93,431 84,503 T 58,807 55,398 52,870 44,962 41,400 25,355 _J_ _l_ X 5 10 15 20 Percent of Assessed River Miles 60 Figure 1.4. Leading causes of degradation of impaired rivers. Data based on the 2000 National Water Quality Inventory. Note that leading causes include both physical and chemical factors. Percentages do not sum to 100% because more than one pollutant or source of stress may impair any given river reach (Modified from USEPA 2000) Centrum pro výzkum toxických látek v prostředí ZEMĚDĚLSTVÍ nutrienty, organická hmota, pesticidy, eroze - jemné částice, meliorace, degradace habitatů, pobřežní vegetace, říční niva, průtokový režim Example ROO: Agncullural land use and degradation. □river Pressure state Impact Afi'ir.i i I .jr.? OrgflninpíiIlLilHn EulrdfHiicaliun conceritrelion WrcfoliabilHl FIq* negidne CQnntKfJvity r.ií ::."l;-iiľ camposiliůn and abundance Swsiliľn.' tolerant taxa A^e Structure růprůduclivti Statue EHoman (©) Centrum pro výzkum toxických látek v prostředí DPSIR (Drivers-Pressures-States-Impacts-Responses) 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 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 TOXICKÉ LÁTKY acidifikace těžké kovy pesticidy, POPs ropné látky tzv. prioritní látky zahrnuté v rámcové směrnici Centrum pro výzkum toxických látek v prostředí KOMBINACE STRESORŮ A JEJICH INDIKACE • analýza interakcí mezi působením stresorů • experimentální testování (laboratorní, terénní) • shromážděno značné množství autekologických informací o taxonech —> testování a výběr metrik Centrum pro výzkum toxických látek v prostředí evropský SOCialni ■■■ MINISTERSTVO ŠKOLSTVÍ, OP Vzdělávání TOnd V UR EVROPSKÁ UNIE MLÁDEŽE A TĚLOVÝCHOVY pro konkurenceschopnost INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNI Inovace tohoto předmětu je spolufinancována Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky Centrum pro výzkum toxických látek v prostředí