Přetížení sladkých vod živinami Přetížení sladkých vod živinami Terestický vodný cyklus N a P Koncentrace N, P, C a O v hydrosféře jsou svázány Redfieldovou reakcí ∆N(+) / ∆P(+) = 16 ∆CO2(+) / ∆P(+) = 106 ∆CO2(+) / ∆N(+) = 6,6 ∆O2(+) / ∆P(–) = 138 ∆O2(+) / ∆N(–) = 8,6 ∆O2(+) / ∆CO2(–) = 1,3 Přetížení sladkých vod živinami Výměna P a N s atmosférou Přírodní zdroje „fixovaného“ N (NOX a NH3) v atmosféře pocházejí přímo z emisí biosférou a půdou, malá část ze vzniku NOX v blescích a hlavní část NOX znečištěním – zvláště spalováním N2 + O2 + teplo ↔ NOX NH3 páry se rozpouštějí v dešťových kapkách za vzniku NH4 + a OH– ionů NOX páry se rozpouštějí v dešťových kapkách za vzniku NO3 – a H+ ionů P se vyskytuje především v nerozpustné anorganické formě. Tok N a P deštěm do krajiny je velmi malý. N a P v povrchové vodě oceánů je velmi nízký – spotřebovány fotosyntézou, [N] = [P] ~ 0 v marinních aerosolech. N v kontinentálních deštích určen především atmosférickými plyny. P v kontinentálních deštích určen především obsahem pevných částic (prachem) – velmi nízký. Přetížení sladkých vod živinami Souhrn P a N N cyklus má významnou atmosférickou a biologickou část s významným antropogenním vychýlením. N vstupuje do řek a jezer hlavně vyluhováním půdní vlhkosti (rozklad organických látek, fixace N2 mikroorganismy). P cyklus nemá plynnou část, vstupuje do řek a jezer hlavně jako plavenina a dále jako DIP (dissolved inorganic P), někdy označovaný jako „ortho-P“ (H3PO4 a konjugované báze). Oba prvky cyklují v anorganické i organické podobě. Oba prvky cyklují jako rozpuštěné i ve vznosu (jako plaveniny). Antropogenní (znečišťující) toky u obou prvků představují zhruba 50 % celkových toků v cyklech N a P. N DIN:DON = ~30 % TDN : ~70 % TDN = 4:10 = 2:5 P DIP:DOP = ~40 % TDP : ~70 % TDP = 8:12 = 2:3 N DN:PN = 14,5:21 ~ 5:7 P DP:PP = 2:22 ~ 1:10 D – dissolved (rozpuštěný), P – particulate (v částicích), I – inorganic (anorganický), O – organic (organický) Lidská aktivita výrazně zvýšila rychlost s jakou se oba prvky pohybují v hydrosféře. Na P jsou rychle využívány autotrofními organismy, proto zůstávají doby zdržení v rezervoárech nízké. Přetížení sladkých vod živinami Vychýlení N v terestických vodních systémech Protože N cykluje mnohem rychleji než P, vytvořily si ekosystémy efektivní způsoby „podržení“ N přinášeného srážkami do krajiny (fungují efektivněji než pro P). Znečišťující N může být v ekosystémech systémech zadržován vysokou přítomností bioty, v některých případech je však systém „nasycen“ dusíkem a ekosystém jej uvolňuje. Z toho důvodu pak může uvolňování N v průběhu několika sezón rychle stoupat i při stejném znečišťujícím vstupu. Přetížení sladkých vod živinami Zemědělství N prochází rychle, obvykle se aplikuje nadbytek pro dosažení vyšších výnosů; P prochází pomaleji, obvykle nízké koncentrace (suspenze), zvýšení při odlesňování a erozi půdy Osídlení Detergenty a čističe zvyšují P v rozpuštěné podobě, koncentrace je obecně úměrná počtu obyvatel. Antropogenní „tlak“ vychyluje složení řek proti poměru v Redfieldově reakci – 2 typy řek. Přetížení sladkých vod živinami Cyklus živin v jezerech Fotosyntéza a dýchání vedou ve stratifikovaných vodách k typickému profilu živin Fotosyntéza odčerpává DIN a DIP ve svrchní vrstvě (fotosyntéza), naopak ve spodní vrstvě je jich nadbytek v důsledku dýchání. V řekách se tento profil nevyvíjí. Přetížení sladkých vod živinami Cyklus živin v jezerech Mezi N, P a O se vyvíjejí předvídatelné typické vztahy, které jsou mnohdy dány Redfieldovou reakcí fotosyntézy-dýchání. Přetížení sladkých vod živinami Cykly živin v oceánech Poměry živin vyplývající z Redfieldovy reakce platí také pro regeneraci živin v oceánech. Oceánská stratifikace je modifikována a ovlivňována hlubokými a povrchovými oceánskými proudy, které redistribuují živiny po celé planetě. Přetížení sladkých vod živinami Cykly živin v oceánech Idealizované vynesení poměru živin podle Redfieldovy reakce. Pomalost proudění – jeden cyklus vody trvá kolem 2000 let – způsobuje, že je voda na dlouhou dobu izolována od atmosféry a tak je dostatek času pro vznik typického znaku převahy dýchání nad fotosyntézou v hluboké vodě. Přetížení sladkých vod živinami Cykly živin v oceánech Stejně jako ve stratifikovaných jezerech, dochází i v oceánech k převaze fotosyntézy ve svrchní vrstvě a k převaze dýchání v hluboké vrstvě. Přetížení sladkých vod živinami Omezení výživy - nejméně zastoupená složka výživy určuje množství fotosynteticky vázaného C - P je obvykle určující v jezerech, N v marinním prostředí - ve složitých ekosystémech dostávají přednost organismy, které chybějící složky potřebují nejméně Přetížení sladkých vod živinami Eutrofizace Experimentální jezera v Kanadě s přebytkem P, který způsobuje růst modrých řas (Cyanobacteria) – zelená barva. Přetížení sladkých vod živinami DO a T profil v oligotrofních a eutrofických jezerech Slabá fotosyntéza Slabé dýchání (tlení) Silná fotosyntéza Silné dýchání (tlení) Přetížení sladkých vod živinami Obecný model eutrofizace Přetížení sladkých vod živinami Oligotrofní jezero: u dna dostatek kyslíku pro udržení Fe3+ a vylučování FePO4 (vivianit) Eutrofické jezero: u dna redukční podmínky, Fe v podobě Fe2+ a rozpouštění FePO4 (vivianit) Přetížení sladkých vod živinami Eutrofizace Pokud máme údaje o tocích fosforu a data o speciaci složek, pak můžeme určit bod (koncentraci P), při které se stane jezero eutrofické. Každý mg P spotřebovaný ve vrstvě epilimnia vyprodukuje 100 mg řas a 140 mg kyslíku. Pokud se dostane všechen tento fosfor do hypolimnia zde bude odčerpáno 140 mg kyslíku. V reálném cyklu 20 % P zpět do epilimnia 20 % P do sedimentu. Přetížení sladkých vod živinami Eutrofizace Podle „boxů modelu můžeme napsat rovnici pro spotřebu kyslíku v hypolimniu jako funkci přísunu P řekou, délkou periody stratifikace a hloubkou nádrže ∆O2 = (140mg O2 / 1 mg P) × (tstratifikace / hloubka) × (LP [mg/rok] / 365 dní)