Eutrofizace
Zvyšování úživnosti ekosystémů
Eutrofizace
- proces zvyšování produkce organické hmoty ve
vodě zejména vlivem zvýšeného přísunu živin
- obohacování vod o živiny – DUSÍK a FOSFOR
- od 50. let 20. století
Zdroje živin
• Autochtonní
– rozklad organické hmoty, mrtvých organismů
– vyluhování sedimentů a hornin, výplach z půdy
– biogenní fixace dusíku – bakterie a cyanobakterie
• Allochtonní
– eroze půdy – povrchový odtok
– znečištění atmosféry NOx
– odpadní vody – odtoky z ČOV bez terciálního čištění,
prací a čistící prostředky, průmyslové odpadní vody,
zvýšená produkce komunálních odpadních vod
– splachy hnojiv ze zemědělství
Trofie (úživnost) vody
= úživnost = schopnost vodního prostředí dodávat organismům živiny, aby mohly růst,
rozmnožovat se a produkovat další organickou hmotu.
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 (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 Desmodesmus 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
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 (před zásahy): 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
Důsledky zvýšené trofie
• Vodní květ - rychlejší vývoj řas a sinic
– Posmrtně uvolňují toxiny
• Snížená samočisticí schopnost vod
• Problémy s úpravou vody
• Zmenšená možnost využívání vody
k zásobování a rekreaci
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 - bakterie
• jednobuněčné či vláknité organismy
• modrozeleně zbarvené (blue-green algae)
• velikost 1-10 μm
• přes 2000 druhů
• osidlují rozmanité biotopy (sladké i slané vody, vlhká
půda, ledovce, kůra dřevin, fykobionti v lišejnících…)
• většina druhů se vyskytuje ve vodních
ekosystémech – v sladkých i slaných vodách
• produkce biologicky aktivních látek
• cca 3.5 mld let staré
• vytvoření kyslíkové atmosféry Země
Přemnožení
→ vodní květ
STAVBA TĚLA
 Vegetativní buňky
 Akinety –schopné přežít nepříznivé podmínky
 klidové rezistentní stadium
 větší buňky s tlustou stěnou, často v řetízcích
 rezistence vůči vysychání a fyzikálnímu porušení
 vegetativní buňky se přeměňují v akinety na konci exponenciální fáze
 akinety klíčí a vyrůstají z nich vegetativní buňky, v řetízcích
 Heterocyty – bezbarvé, váží vzdušný dusík
 za nedostatku využitelného dusíku se v řetízku tvoří heterocyty –
zhruba každá sedmá buňka
jednobuněčná X
- propojení slizovými pouzdry
⇒ kolonie
mnohobuněčná (vláknitá)
- nevětvená nebo větvená
- propojené buňky
- specializované buňky
- specializované buňky
! 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 N H N H NH
N H
O
O
O H
HH
O 3S O
H 3C
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
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
Eutrofizovány téměř všechny evropské řeky – Seina, Dunaj, Labe
Jezera – Balaton, africká jezera - Viktoriino jezero – úhyny ryb a ptáků
Moře a oceány – Finský záliv v Baltském moři, kanál La Manche
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) - bakteriální rozklad biomasy sinic - náhlé
vyčerpání kyslíku z vody
- změna chemismu vody v průběhu jejich
růstu (zejm. změny pH)
- snížení kvality vod (produkce pachů a
pachutí)
- hospodářský dopad (rekreace, rybářství)
- vliv na akvatické bakterie, zooplankton, ryby a
obojživelníky; vlivy na chování zvířat
- ovlivnění vodních rostlin – redukce prostupnosti
světla pro fotosyntézu
Metabolismus sinic
• Primární metabolismus
– Fotosyntéza - produkce O2
• Sekundární metabolismus
– vitamíny, peptidy, hormony, enzymy, polysacharidy,
antibiotika, CYANOTOXINY
Produkce cyanotoxinů
- Producenti: Kokální i vláknité sinice
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
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)
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
• 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).
Vliv na člověka
– z pitné vody, z rekreační expozice
• Alergie – vyrážky
• Zánět spojivek
• Bronchitida
• Střevní a žaludeční potíže
• Bolesti hlavy
• Jaterní problémy
Otravy dobytka a domácích zvířat (psi) pijících znečištěnou
vodu
Zvířata – více dokumentovaných otrav - nádrže nebo řeky
kontaminované sinicemi pro zvířata často jediným
dostupným zdrojem vody a jsou pak nucena konzumovat jí
nesrovnatelně větší množství, než je náhodné požití lidmi
při rekreaci
Účinky na fotoautotrofní organismy
• studium alelopatických interakcí
• objasnění možné funkce některých cyanotoxinů
Zelené řasy (Chlorophyta)
Sinice (Cyanophyta)
Skrytěnky
(Cryptophyta)
Rozsivky (Chromophyta)
- vliv na vodní rostliny, které jsou schopny přijímat microcystiny; některé
studie ukázaly účinky microcystinů na aktivitu rostlinných detoxikačních
enzymů (Pflugmacher et al. 1998; Pflugmacher et al. 1999)
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 – nejednoznačné 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 (prací prášky ČR 2006, EU 2013)
– Omezení užití umělých hnojiv
• Snížení koncentrace živin v nádrži
• 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
Látky vážící fosfor aplikovány přímo do vodní nádrže. Fosfor deaktivují a
snižují tak jeho dostupnost pro primární producenty.
- řada komerčně využívaných látek ke srážení fosforu z vodního sloupce.
- založeny na reakcích fosforu s hliníkem, železem, kalcitem (uhličitan
vápenatý), hašeným vápnem (hydroxid vápenatý) nebo jílovými
částicemi (bentonity, zeolity, modifikované jíly, kaolíny apod.)
• Hypolimnické odpouštění
• - snížení obsahu živin v nádrži odpouštěním na živiny bohaté
hypolimnické vody, i zlepšení kyslíkových poměrů u dna
Ošetření sedimentů
• Překrývání sedimentů
– aktivní bariéry - materiály které mohou aktivně
adsorbovat fosfor (jíly, vápence)
- pasivní bariéry - inertní materiály, geotextílie,
izolační fólie, surový popel, rozdrcené cihly...
• Odstraňování sedimentů – sací bagry
• Oxidace sedimentů – provzdušňování
• Aplikace bakterií
Ošetření sedimentů
Provzdušňovací a okysličovací techniky
teplotní stratifikace – kvůli rozkladu organické hmoty
a minimální cirkulaci vody nade dnem mohou vznikat
anoxické (bezkyslíkaté) podmínky - uvolnění živin ze
sedimentů
- Provzdušňovací jednotky, aerátory, aerační věže
Ošetření sedimentů
- odstranění svrchní vrstvy sedimentů - nejvíc fosforu
- redukce vnitřní zásoby živin v nádrži
- odkryta vrstva s větší kapacitou pro další vázání
fosforu.
- odstraněna značná část inokula (dočasně inaktivního
stádia) sinic, které je v sedimentu trvale přítomno.
Regulace struktury biotických vztahů
• Využití mikroorganismů pro omezení masového rozvoje
sinic
• Viry
• Bakterie
• Řasy
• Prvoci
• Houby a houbové organismy
Biotechnologie sedimentů:
• Mikroorganismy rozkládají organické látky v
sedimentech a zvyšují nitrifikaci
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
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