Hydrosféra – kvalita vod RECETOX Přírodovědecká fakulta Masarykova univerzita Brno, Česká republika Doc. Ing. Branislav Vrana, PhD. branislav.vrana@recetox.muni.cz Problémy planety a jejich dopady A picture containing sitting, table, animal, white Description automatically generated A close up of a map Description automatically generated Planetární meze Úzký vztah s hydrosférou: •Acidifikace oceánu •Biogeochemické toky fosforu a dusíku •Zdroje sladké vody •Chemické znečištění Planetární meze (anglicky: Planetary boundaries) je koncepce, kterou formuloval Johan Rockstrom se svými spolupracovníky ze Stockholmského ústavu pro výzkum odolnosti (Stockholm Resilience Centre) v r. 2009. Základní článek v časopise Nature má titul „Bezpečný prostor pro lidské aktivity“ (A Safe Operating Space for Humanity). Tento „bezpečný prostor“ je vymezen právě planetárními mezemi. Lidská činnost přitom začala v antropocénu prudce kulminovat a některé meze již překročila. Autoři této koncepce identifikovali 9 mezí, v jejichž rámci by se měli antropogenní aktivity držet, aby se předešlo devastacím ekosystémů, omezování ekosystémových služeb a závažným ekologickým katastrofám. Pro 7 těchto mezí byly stanoveny indikátory a navrženy přípustné hranice, pro 2 z nich (atmosférický aerosol a chemická kontaminace) navržené nejsou, vzhledem k problematičnosti jejich vymezení. Autoři soudí, že tři z mezí již byly překročeny: změna klimatu, biogeochemický tok dusíku a ztráta biodiverzity. Ve všech těchto případech se lidstvo již nepohybuje v bezpečném operačním prostoru. Změna klimatu[editovat | editovat zdroj] Za hlavní příčinu globální změny klimatu byly označeny emise skleníkových plynů, koncentrace jednoho z hlavních skleníkových plynů, oxidu uhličitého se s velkou spolehlivostí měří už od 50. let 20. století. Dnes je v ovzduší o 40% více oxidu uhličitého než okolo roku 1900, asi 389 ppm (parts per million). Vychází se z podrobných měření pravidelně uváděných ve zprávách Mezivládního panelu pro změny klimatu (Intergovernmental Panel on Climate Change - IPCC). Nejvyšší hodnota byla naměřena 4.5.2013, kdy celosvětová koncentrace dosáhla 400 ppm. Oxid uhličitý je brán jako ekvivalent, k němuž se připočtou se všechny další skleníkové plyny podle jejich globálního ohřívacího potenciálu. Stanovená planetární mez je navrhována na 350 ppm. Ztráta biologické rozmanitosti[editovat | editovat zdroj] Jedná se o relativně pomalu běžící proces, nemá zlomové body. Navrhovaným indikátorem je počet druhů, které vyhynou za rok na milion druhů (navrhovaná hranice 10, realita je 100, předindustriální hodnota byla 0,1 – 1). Česká republika je na tom v oblasti biodiverzity velmi špatně. V poslední době se největší pozornost věnuje mořské biodiverzitě, ukazuje se, že značně trpí, především nadměrným rybolovem, mění se tím systém potravního řetězce a vztahy v rámci celého ekosystému, není přesně jasné, k jaké změně dojde, ale jistě to bude mít za následek výrazné ochuzení celé biodiverzity. Biogeochemické toky fosforu a dusíku[editovat | editovat zdroj] Indikátory dusíku, znamená počet, který by měl být z atmosféry odebírán za rok (v miliónech tun), navrhovaná hranice je 35 mil. tun za rok, v současnosti překročeno (je to 121 miliónu za rok). U fosforu je třeba zhodnotit kolik se ho dostává do oceánu. Acidifikace oceánu[editovat | editovat zdroj] Současné pH je 8,1, předindustriální hodnota byla 8,2. Navrhuje se, aby se hranice stanovila podle průměrné nasycenosti aragonitu (hranice by měla být stanovena na 2,75 - pokud by bylo méně než 1, aragonit by se v mořské vodě rozpouštěl, mořské korály jsou rozpouštěny už pokud je to méně než 3, v dnešní době je 2,9) Zdroje sladké vody[editovat | editovat zdroj] Neměla by být větší spotřeba než 4 000 krychlových km/rok, v současné době (2020) je 3 800 krychlových km/rok, předindustriální hodnota byla 415 krychlových km/rok. Chemická kontaminace[editovat | editovat zdroj] Chemickou kontaminací se zabývá např. REACH – (politika EU, která podchycuje výrobu chemikálií). Jsou problémy s prokazováním dopadů zapříčiněných chemickou kontaminací, jelikož se toxicita látek těžko dokazuje. Globální problém: Acidifikace oceánu A close up of a map Description automatically generated Oceány pohlcují oxid uhličitý z atmosféry, a proto stoupá jejich acidita. O kolik % vzroste koncentrace H+ při poklesu pH z 8,19 na 8,05? Odhaduje se, že průměrné pH mořské vody pokleslo od roku 1750 z 8.19 na 8.05, Acidifikace oceánu očekáva-ná změna kyselé zásadité Rozsah pH v oceánech v současnosti Globální problém: Acidifikace oceánu A close up of a logo Description automatically generated Odhaduje se, že průměrné pH mořské vody pokleslo od roku 1750 z 8.19 na 8.05, co znamená téměř 40% nárůst koncentrace H+. Acidifikace může způsobit zásadní narušení fungování mořských ekosystémů. Biogeochemické toky dusíku a fosforu Biogeochemické cykly dusíku a fosforu byly lidmi radikálně změněny v důsledku mnoha průmyslových a zemědělských procesů. A picture containing text Description automatically generated Fritz Haber (1868-1934) Eutrofizace •Obohacování vod o živiny- dusík a fosfor •Přirozená – výplach z půdy, rozklad mrtvých organismů •Nepřirozená – lidská činnost (hnojiva, čistící prostředky, průmyslové a komunální odpadní vody • A screenshot of a cell phone Description automatically generated Kde je na Zemi sladká voda? Globální problém: Zdroje sladké vody • Dvě třetiny světové populace (4 miliardy lidí) žijí v podmínkách vážného nedostatku vody alespoň 1 měsíc v roce. Voda je kritickým zdrojem pro udržení života Odhadovaná spotřeba vody porovnání spotřeby vody v roce 2010 a 2030 Přístupná voda se zajištěnou dodávkou v současnosti pochází z více než osmdesáti procent z povrchových zdrojů a z necelých dvaceti procent z podzemních. Poptávka po vodě se bude zvyšovat do té míry, že v roce 2030 bude chybět 2700 miliard krychlových metrů, tedy asi 40 procent globálních potřeb. •Environmentální problémy: Aralské moře Globální problém: Zdroje sladké vody 1989 2014 K nadměrné exploataci dochází, pokud je vodní zdroj těžen nebo extrahován rychlostí, která překračuje rychlost doplňování. Central Asia: Aral Sea Disappearance Cause For Concern Page 13 Znečištění vod chemickými látkami •sídla - tuhý a kapalný odpad •průmyslová výroba •zemědělská výroba (hnojiva, pesticidy, odpadní vody) •doprava (exhaláty, ropné produkty) 13 1986: Únik chemikálií do Rýna Photo: Délmagyarország/Karnok Csaba 2000: Únik kyanidu do Tisy 2002: Povodeň na Labi 2010: Protržení hráze odkaliště, Ajka 2012: Únik ropních látek do Dunaje 14 2019: Únik kyanidu do Bečvy Page 15 Regionální znečištění vod chemickými látkami BSK5-řeky-Evropský trend Amoniak-řeky-Evropský trend Výsledok vyhľadávania obrázkov pre dopyt COV 15 Ekosystém bezobratlí ryby řasy Biologické prvky kvality (BQEs) + podpůrné faktory Ekologický stav: holistický přístup •charakterizuje kumulativní účinek stresorů •Hydromorfologie •Eutrofizace •Teplota, pH •Invazivní druhy •Chemické látky Jaký je stav vod v Evropě dnes? Vodní rámcova směrnice 2000/60/ES 16 Autor: Ján Kautman 18 A large body of water with a mountain in the background Description automatically generated Jaký je stav vod v Evropě dnes? •Ve většině evropských řek a jezer není dosaženo dobrého ekologického stavu (Vodní rámcová směrnice 2000/60/ES) • •Chemické látky stále hrají významnou roli ve zhoršování stavu Ekologický stav povrchových vod, 2018 19 Page 20 Chemosféra 70 mil. chemických látek 14 mil komerčně dostupných > 100.000 denně používáno > 10.000 látek ve vzorcích životního prostředí 41 prioritních znečišťujících látek (chemický stav) Jaký je stav vod v Evropě dnes? Ekosystém bezobratlí ryby řasy Biologické prvky kvality (BQEs) + podpůrné faktory 20 Page 21 Chemosféra 70 mil. chemických látek 14 mil komerčně dostupných > 100.000 denně používáno > 10.000 látek ve vzorcích životního prostředí 41 prioritních znečišťujících látek (chemický stav) Jaký je stav vod v Evropě dnes? Prioritní znečišťující látky •typické jsou nepolární persistentní organické látky a těžké kovy •většinou zakáz používání •často nevysvětlují pozorované účinky o • 21 Define footer – presentation title / department 22 Příklad: PCB •POLYCHLOROVANÉ BIFENYLY •Substituční deriváty bifenylu -209 kongenerů •se stupňem chlorace •roste stabilita •klesá rozpustnost ve vodě •roste rozpustnost v tuku •persistentní organické látky •jednotlivé kongenery mají různou toxicitu • Polychlorované bifenyly • PCB: podnik Chemko Strážske r.1959-1984 • Výrobky: Delor, Hydelor a Delotherm (21 000 t) • Použitií: při výrobě transformátorů a kondenzátorů, • nátěrové hmoty, teplonosné kapaliny, aditiva plastů... 23 Bioakumulace PCB ČAS 24 Pieter Brueghel: Velké ryby žerou malé ryby Big Fish Eat Little Fish, After Pieter Bruegel the Elder (Netherlandish, Breda (?) ca. 1525–1569 Brussels), Engraving; fourth state of four Potravní řetězec ve vodním ekosystému 25 Neměly by tu být 4 teploměry? Nebo pokud se ten úplně vpravo vztahuje k té rybě, tak bych ho dala pod ni. 26 PCB a ryby - biomagnifikace Hladina PCB: Srovnání kontaminace PCB Zemplínska Šírava Pohořelice 27 Page 28 Chemosféra 70 mil. chemických látek 14 mil komerčně dostupných > 100.000 denně používáno > 10.000 látek ve vzorcích životního prostředí 41 prioritních znečišťujících látek (chemický stav) Jaký je stav vod v Evropě dnes? Nové „emergentní“ látky •rozšířeny •neregulovány •zřídka monitorovány •většinou polární •nízká účinnost odstraňování na ČOV •směsi •mohou mít vysokou biologickou aktivitu o • 28 Page 29 Léčiva 29 ØNa trhu cca 3000 účinných složek Ø137,87 mil. balení Ø5228 mil. definovaných denních dávek Ø27 miliard Kč bez DPH §trávící trakt a metabolizmus – 6 mld. Kč §nervový systém – 4.9 mld Kč §kardiovaskulární systém – 6 mld. Kč §respirační systém – 3 mld. Kč § § Spotřeba léčiv v ČR v 2017 Výsledok vyhľadávania obrázkov pre dopyt pollution by pharmaceuticals Léčiva – kde to všechno končí? 30 Boy taking pills - two Boy taking pills - two royalty free vector clipart from CoolClips.com Domácnosti užívání likvidace metabolismus kal a hnůj jako hnojivo až 90% 5% Podzemní voda Povrchová voda výluh rozklad rozklad ČOV •spotřebují se tuny léků •až 90% se vyloučí močí, stolicí, kůží… •jako původní látka nebo metabolit •Čistírny odpadních vod Page 31 Léčiva – kde to všechno končí? •omezené účinnosti odstranění na ČOV •sorpce na kal (různé vlastnosti) •biodegradace na metabolity, nebo až na CO2 •účinnost odstranění 0 –100 % •závisí od struktury látek •hledají se nové postupy odstranění Výsledok vyhľadávania obrázkov pre dopyt kanalizace Page 32 Koncentrace léčiv ve vodě na odtoku z ČOV 32 asi 100 léčiv v 14 terapeutických skupinách Výsledok vyhľadávania obrázkov pre dopyt q-exactive mass spectrometer Page 33 Emise léčiv z komunálních odpadních vod 33 Měření cca 100 léčiv v 14 terapeutických skupinách cca 153 kg/rok 11 9 8 2 1 3 3 1 1 6 trvalé zvyšování jejich spotřeby na obyvatele koncentrace v životním prostředí se budou pravděpodobně zvyšovat úměrně stárnutí a nárůstu populace Page 34 Léčiva a znečištění vod 34 Výsledok vyhľadávania obrázkov pre dopyt Brno Koncentrace v řekách závisí od účinnosti odstranění na ČOV a ředícího poměru Výsledok vyhľadávania obrázkov pre dopyt Kosice ČOV Košice: 225 000 obyvatel Emise 5.2 kg/den – 1900 kg/rok Průtok na ČOV: 0.7 m3/s Řeka Hornád: 22 m3/s Zdroj: STU Bratislava ČOV Brno: 378 000 obyvatel Emise 0.4 kg/den – 153 kg/rok Průtok na ČOV: 1.0 m3/s Řeka Svratka: 7.68 m3/s Výsledok vyhľadávania obrázkov pre dopyt Bratislava ČOV Bratislava: 500 000 obyvatel Emise ? Průtok na ČOV: 1.2 m3/s Dunaj: 2 025 m³/s Page 35 Léčiva a znečištění vod - účinky 35 Súvisiaci obrázok biologické účinky při nízkých koncentracích antibiotická rezistence účinek směsí látek endokrinní disruptory poškození ekosystému chronická expozice persistence nebo pseudo - persistence Page 36 36 •Které látky mohou být EDC? •Farmaceutika (antikoncepce, léky,…) •Antibiotika •Produkty rozkladu detergentů •Pesticidy (herbicidy, insecticidy, fungicidy...) •Změkčovače plastů •Rostlinné metabolity •Chemikálie z vaření & hoření •Kovy • •Jaké jsou následky disrupce? •Neschopnost udržet homeostázu •Narušení růstu & vývoje •Narušení odpovědi na vnější impulsy •Změny chování •Potlačená gametogeneze •Embryonální malformace •Zvýšená neoplasie nebo karcinogeneze • Endokrinní disruptory - EDC Image result for endocrine disruptor human health effects ppt Fundulus Výsledok vyhľadávania obrázkov pre dopyt pharmaceutical consumption Antropogenní i přírodní látky, které přímo nebo nepřímo ovlivňují hormonální systém a mohou působit na velmi nízkých koncentracích Page 37 Důvod intersexuality v rybách? 37 ØSamci ryb jsou ‘feminizováni’ estrogenními látkami ØMnoho látek s estrogenní aktivitou je přítomno ve výpustích ČOV a tak uvolňováno do řek ØSteroidní estrogeny, jak přírodní (např. estradiol, estrone), tak syntetické (např. ethynylestradiol- EE2) jsou pravděpodobně hlavní příčinou https://www.i-senior.cz/wp-content/uploads/P%C5%99ehrada-lipno-cklipno.jpg Page 38 Jak účinný je syntetický estrogen EE2? 38 návrh NEK =35 pg/l = 3,5x10-11 g/l = 0,000000000035 g/l 1 g = 1000 mg 1 mg = 1000 µg 1 µg = 1000 ng 1 ng = 1000 pg A person standing next to a body of water Description automatically generated 39 Děkuji za Vaši pozornost! •Nové znečišťující látky jsou rozšířeny v prostředí a zahrnují přírodní i antropogenní látky •Mají různou chemickou strukturu a působí na velmi nízkých koncentracích – obtížně chemicky stanovitelné •Mnohé mohou mít závažné důsledky pro volně žijící organismy, neboť mohou být toxické nebo narušovat reprodukci a tím i „evoluční kondici“ •Biologické testy hrají významnou roli v detekci, charakterizaci potenciálního vlivu znečišťujících látek, a hodnocení jejich odstraňování v čistírenských procesech, což je velmi aktuální problematika RECETOX Přírodovědecká fakulta Masarykova univerzita Brno, Česká republika Míša Minaříková Foppe Smedes Tanya Rusina Lenka Sedlačková Pavla Fialová Brano Vrana Jaromír Sobotka A person wearing glasses and smiling at the camera Description generated with very high confidence Jakub Urík