Eutrofizace Sekundární znečištění vod - eutrofizace Proces obohacování vod o rostlinné živiny (N, P, C) - stojaté nebo pomalu tekoucí vody. Při nadbytku živin - bouřlivý rozvoj sinic, jejich rychlé odumírání, rozklad bakteriemi, na rozklad se spotřebovává kyslík - vznik anaerobních podmínek. Ty neumožňují život vyšších forem života, voda je kalná, zapáchá, obsahuje toxické produkty anaerobního rozkladu (H2S, NH3). Přírodní - redukce objemu vody, zvětšování sedimentovaných nerozpuštěných podílů na dně (zásoby živin) - v rovnováze s rozpuštěnými anorganickými látkami. Umělá (indukovaná, civilizační, kulturní) - povrchové toky a nádrže se obohacují anorganickými živinami v důsledku splachů dusíkatých a fosforečných hnojiv z polí, používání syntetických detergentů, atmosférického spadu, zvětšování množství splaškových OV ze zemědělských závodů. 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 • Autochtónni - rozklad organické hmoty, mrtvých organismů - vyluhování sedimentů a hornin, výplach z půdy - biogenní fixace dusíku - bakterie a cyanobakterie • Allochtonní - eroze půdy - povrchový odtok - zneč ištění atmosféry NOx - odpadni vody - odtoky z COV bez terciálního čištění, prací a čistící prostředky, průmyslové odpadní vody, zvýšená produkce komunálních odpadních vod - splachy hnojiv ze zemědělství Fosfor jako limitující prvek Element Symbol Supply in water (%) Den Oxygen 0 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 Demand by plants (%) Zákon minima: limitujícím prvkem pro růst rostlin je ten prvek, který je v prostředí v minimu Stupně trof ie Trof ický stav Koncentrace celkového fosforu ve vodě O/g/L) Oligotrophic < 10 pg/L Mesotrophic 10-30 pg/L Eutrophic 30-100 jug/L Hypertrophic > 100 jug/L Pro masový rozvoj sinic postačuje koncentrace fosforu cca 20-25 uq/L Brněnská přehrada (před zásahy): 200-300 jjg/L Plumlov: 40-50 ug/L Máchovo jezero - 20-30 ug/L Zvýšená trof ie - Vodní květ - rychlejší vývoj řas a sinic MASOVÉ ROZVOJE SINIC SINICE (=CYANOBAKTERIE) • fotosyntetizujici prokaryota - bakterie • jednobuněčné či vláknité organismy • modrozeleně zbarvené (blue-green algae) • velikost 1-10 um • 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 m Id let staré • vytvoření kyslíkové atmosféry Země Přemnožení vodní květ nárůst koncentrace ! LIDSKÉ AKTIVITY ! Upper Saranac River, USA Bedetti Lake, Argentina A1 "í! Neuse River, USA Baltské moře, Evropa Nové Mlýny, Česko JÉĚĚ Žluté moře, Čína Lake Mokoan, Austrálie Jihoafrická republika Eutrofizovány téměř všechny evropské řeky - Seina, Dunaj, Labe Jezera - Balaton, africká jezera - Viktóriino jezero - úhyny ryb a ptáků Moře a oceány - Finský záliv v Baltském moři, kanál La Manche Podmínky masového rozvoje Sluneční záření K*tepl á v 'oda (teple letní dny Stojatá nebo pomal voda Živiny (fosfor) SINICE produkují stovky sekundárních metabolitu -rozmanité struktury - některé s biologickou aktivitou, BIOTOXINY HN^ NH / O ANATOXIN-A(S) Cyanotoxiny - Specifické účinky • Neurotoxiny - narušení nervového systému / - Anatoxin-a(s) - Saxitoxin • Hepatotoxiny - poškození jater - Microcystiny - Nodulariny - Cylindrospermopsin • Ďermatotoxiny - poškození kuže - Lyngbyatoxin - Aplysiatoxin • Promotory nádoru - podporují nádorové bujení - Microcystiny, lyngbyatoxin, aplysiatoxin Lipopolysacharidy (součást buněčných stěn všech sinic) - narušení gastrointestinálního traktu, kožní iritant CH, CH, O__ H2N SAXITOXINY OH MICROCYSTIN COOH CH3 O !, il CH3 NH CH3 NH CH3 Ó ČOOH O HN^ NH2 7 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) TOXIN STRUCTURE STRUCTURE VARIATION LD50* (Mg-kg-1) TOXICITY Microcystin cyclic heptapeptide >60 50-1200 hepatotoxicity, tumor promotion induction of oxidative stress Nodularin cyclic pentapeptide 7 50-2000 hepatotoxicity, tumor promotion Anatoxin alkaloide 2 200-250 neurotoxicity Anatoxin-a(S) methylphospho-ester N-hydroxy-guanine 1 20 neurotoxicity Saxitoxin carbamat alkaloid 19 10 neurotoxicity Cylindrospermopsin guanidin alkaloid 2 200** cytotoxicity, target organs: liver and kidney Aplysiatoxin 2 dermatotoxicity, tumor promotion Lyngbyatoxin modified cyclic dipeptide 1 dermatotoxicity, tumor promotion Lipopolysaccharide irritate effect WHO (ČR) 1 ug/\ MC-LR v pitné vodě při 100 000 buněk/ml - zákaz koupání Toxické VKS 80% nadržia rybníků v ČR 20000 10000 1000 100 .......t....... III. SIGNALIZACE 3.5. 15.5. 30.5. 12.6. 26.6. 10.7. 24.7. 7.8. 20.8. 3.9. 18.9. II. SIGNALIZACE I. SIGNALIZACE 1. VAROVÁNÍ -o- Hráz -o— Přístaviště Sokolské datum koupaliště WHO (ČR) 1 ug/\ MC-LR v pitné vodě Koncentrace lnicrocystinu (ug/L) na vodárenských midi žích ČR mf 2004 2005 2006 2007 2008 Celkem 2004-8 N 52 46 68 111 89 366 Průměr 0.46 0 93 0 60 0.64 0.27 0.55 Minimum 0 00 0.00 0 00 0 00 0 00 0.00 Maximum 9.18 17.27 6.76 10.59 5.05 17.27 10000 1000 100 .......t /A' 7/- .IZACE ZACE ÉACE 3.5. 15.5. 30.5. 12.6. 26.6. 10.7. 24.7. 7.8. 20.8. 3.9. 18.9. 1. VAROVÁNÍ -o- Hráz -o— Přístaviště Sokolské koupaliště datum Cyanotoxiny - zdravotní a ekologická rizika ? 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 Vliv na člověka - z pitné vody, z rekreační expozice • Alergie - vyrážky • Zánět spoj i vek • Bronchitída • Střevní a žaludeční potíže • Bolesti hlavy • Jaterní problémy Případy otrav opojené 5 cyauoTosiny v pitně vodě 1931 USA: masivní vodní květy Microcysfis v řekách Ohio a Potouiac způsobily onemocnení 5000 — 8000 lidi (převážné ga^troenteritidami) v řade mést zásobovaných vodou z těchto rek 1960 1965 Zimbabwe: Harare: v části niěsta zásobované vodou z nádrže s vodním květem j\ficrocystis každoročně v době kolapsu vodního kvetu docházelo k rozvoji gastroenteritid u detí. Deti ze čtvrti s jiným zdrojem vody nebyly ovlivněny a nebyly identifikovány zadně infekční faktory. 1975 Pensylvánie. USA: akutní gastroenteritidy n 62% z 8000 lidi. konzumace vody z nádrže se sinicí Schizotrix 1975 USA: endotoídcký sok 23 dialyzních pacientů ve Washingtonu související s rozvojem sinic ve vodárenské nádrži 1979 Austrálie: po algicidním zásahu proti vodnímu květu Cx-lindrospermopsís raciborskii ve vodárenské nádrži na Palm Island onemocnělo pres 140 obyvatel (převážné detí) těžkými hepatoenteritidami. které si vyžádaly hospitalizaci. Symptomy byly malátnost. nechutenství, zvracení, bolesti hlavy zvětšení jater, zácpy následované knravými průjmy, dehydratace. Rjozbory moce prokázaly poškozeni ledvin a rozbory' krve zvýšené hladiny jaterních enzymů indikující poškození jater. 1994 Švédsko. 3 vesnice poblíž Malnio: po dobu několika hodin došlo k náhodnému mí cháni vodárensky neupravené řični vody s pitnou vodou. V řece v té době rostla hustě sinice Plcmktothrix agardhii produkuj ici inicrocystiny. 121 obyvatel (z celkových 304) onemocnělo (nevolnosti, bolesti břicha, svalů, hlavy, zvraceni, průjmy, horečky). Ovlivněna byla také domácí zvířata (psi a kočky). Prípady t poj en é ^ rekreační expozici 1959 Kanada. Saskatchewan: navzdory úhynům dobvtka a varováním před rekreačním využitím plavali lidé v jezeře zamořeném sinicemi. 13 osob onemocnělo [bolesti hlavy, nevolnost, bolesti svalů, bolestivé průjmy). V exkrementech jednoho z pacientů, který náhodně požil asi 300ml vody, byly identifikovány sinice Microcystis a Anabačna crrcinalis. 19S0 1981 Pensylvánie a Nevada, USA: u více než 100 osob podrážděni očí. kůže. bolest uší, symptomy „senné rýmy", akutní gastroenteritidy aj. po plavání a vodním lyžování v jezeře s Aphamzommon zAnabciena 1989 Anglie: po plavání a jízdě na kanoích vévodě se silném vodním květem ^inic rodu Microcy&ris trpělo 10 z 20 branců zvracením, průjmy, bolestmi břicha, ototv rtů, bolestmi v krku. U dvou z nich se rozvinul silný zápal plic (zřejmé způsobený aspirací 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 Eutrofizace Účinky na fotoautotrofní organismy • studium alelopatických interakcí • objasnění možné funkce některých cyanotoxinů Zelené řasy (Chlorophyta) _ Rozsivky (Chromophyta) S krytě nky (Cryptophyta) Sinice (Cyanophyta) vliv na vodní rostliny, které jsou schopny přijímat microcystiny; některé studie ukázaly účinky microcystinů na aktivitu rostlinných detoxikačních enzymů (Pf lugmacher et al. 1998; Pf lugmacher et al. 1999) Účinky na živočichy planktonní korýši (Ďaphnia magna) akutní toxicita, chronická a reprodukční toxicita • embrya drápatek (Xenopus laevis) • embryotoxicita, teratogenita Účinky na obratlovce • Úhyny ryb spojené především se snížením obsahu kyslíku • Hromadné úhyny ptáku v různých částech světa spojovány s masovými rozvoji sinic - nejednoznačné důkazy • Většinou souhrn více faktorů - paraziti, UV, sinice, patogeny - oslabení populací Potlačování eutrof izace Metody omezení masového rozvoje sinic Snížení koncentrace živin v povodí nad nádrží • Odsiranéríi zdrojů z povodí v Bodové zdroje - CO V, odpadní vody, liská sídla, zemědělské objekty, rybníky - Výstavba COV s terciálním stupněm čištění - zákaz používání fosfátových prášků a mycích prostředků (prací prášky ČR 2006, EU 2013) - Decentralizované čištění odpadních vod Plošné zdroje - eroze půdy, znečištění ovzduší, podloží - Omezení užití umělých hnojiv - Technická protierozní opatření, terasy a meze, ochranné travní pásy, stabilizace půdy, vrstevnicové hospodaření - Zajištění úniků živin z farem - Protipovodňová opatření v citlivých oblastech Zdroje fosforu v nádrži Biomasa - rasy, 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 Snižování koncentrace fosforu v nádrži Aplikace železa/hliníku Aplikace vápna • Využiti jílu 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 sedimentu - odstranění svrchní vrstvy sedimentu (sací bagry) - nejvíc fosforu - odkryta vrstva s větší kapacitou pro další vázání fosforu. - odstraněna značná část inokula (dočasně inaktivního stádia) sinic, které je v sedimentu trvale přítomno. - Překrývání sedimentu - aktivní bariéry - materiály které mohou aktivně adsorbovat fosfor (jíly, vápence) - pasivní bariéry - inertní materiály, geotextílie, izolační fólie, surový popel, rozdrcené cihly... Pro vzduš novací a okysličovací techniky - teplotní stratifikace - kvůli rozkladu organické hmoty a minimální cirkulaci vody nade dnem mohou vznikat anoxické (bezkyslíkaté) podmínky - uvolnění živin ze sedimentů -Provzdušnovací jednotky, aerátory, aerační věže Regulace struktury biotických vztahu Využití rybí obsódky • Regulace rybí obsádky, Biomanipulace • Přímá predace planktof ágních ryb -ichtyoeutrof izace (Tilapie?) • Redukce bentof ágních ryb (kapr, cejn) • Podpora dravých ryb (okoun, štika, candát,...) podpora růstu vyšších rostlin Využití makrovegetace •Rozšiřování makrofyt (vyšší vodní rostliny) - 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 přípravku (Algiciclní zásahy) Zásahy (pomocí algicidních přípravků) proti autotrof ním organismům v eutrofnich vodách je finančně náročný a nevede k dlouhodobým efektům pokud nejsou odstraněny živiny v povodí nad nádrží! Ale... • 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) 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 Jak na toxické sinice ? Neexistuje univerzální návod - kombinace metod - „specifický problém" podle nádrže