Vliv lidské činnosti na vodní prostředí

Ekologická perturbace – narušení

• 2 složky:

1. Disturbance„pulse“„press“ – rychlý nástup„ramp“ – postupně se zvyšující intenzita (a

obvykle i šíření v prostoru

2. Odpověď bioty na disturbance resistenceresilience

Typy vlivů

• Nadužívání vodních zdrojů

• Hydromorfologické ovlivňování

• Fragmentace habitatů

• Znečišťování vod

Stresory

hydromorfologická degradace: hydrologické ovlivněnídegradace morfologie koryta

eutrofizaceorganické znečištěnítoxické znečištěníacidifikace

tepelné znečištěníklimatické změny

obecná degradace

Změny v krajině• Změny povrchových odtokových poměrů v krajině od starověku: zemědělství, odlesňování, vysoušení mokřadů (meliorace) a výstavba rybníků, scelování pozemků:

– změna vodní jímavosti půdy– změna objemu a distribuce průtoků – eroze (voda ovlivňuje krajinu, splachy ovlivňují vodní prostředí)

• Změny přirozených průtokových režimů, změna zásob vod v krajině

– komplexní důsledky pro abiotické podmínky ve vodním prostředí (teplota, chemismus, proudění, hloubka, ztráta habitatů etc.), změny ve společenstvech

Nadužívání vodních zdrojů• Odběry vody – obecně snížení průtoků nebo objemu nádrží

potřeba: ze zdroje plus recyklovanáspotřeba: odpar, voda zabudovaná do výrobku, nebo vracená do vodního prostředí v jiném místěodpadní voda: vrací se v místě spotřeby nebo poblíž něho

Vlivy odběrů – průmysl: znečišťování, havárie– závlahy: zasolování půd, zvyšování salinity v nádržích– odběry pitné vody z podzemí – pokles hladiny spodní vody

• Snížené průtoky či objemy zesilují negativní působení dalších vlivů

Nadužívání vodních zdrojů

• zadržování vody v nádržíchtyp a míra vlivu závisí na velikosti nádrže, manipulaci (odtok z

epilimnia/hypolimnia), umístění na toku (ritrál/potamál)

– změna přirozeného průtokového režimu pod nádržemi (sezónní, denní – energetické špičkování)

– změny teploty, chemismu, proudění….změna habitatů, potravní nabídky…(např. montanizace dolních úseků toků)

– změna režimu plavenin a splavenin• plaveniny: částice unášené ve vodním sloupci• splaveniny: částice posouvané či valené po dně ukládané na určitém místě

koryta

– migrační bariéra– zánik původních biotopů a biocenóz

• vyrovnávací nádržeurčitá kompenzace vlivu výše položené nádrže

Morfologické ovlivňování tokůRegulace toků:

snížení diverzity habitatů, ztráta habitatů

zejména pod rouškou protipovodňové ochrany – „zkapacitnění“ koryta, ochrana intravilánů, zamezení eroze, změny trasy toku kvůli různé výstavbě

– napřímení – zrychlení odtoku– bagrování – splavnost, kapacita koryta - – zaklenutí (zatrubnění)– opevnění – nejhorší tvrdé opevnění dna - narušení komunikace s hyporeálem

– příčné stavby na tocích• narušení migračních koridorů – migrační bariéry (určité řešení: balvanité skluzy, rybí

přechody)• fragmentace biotopů, populací, ekosystémů

– likvidace břehových porostů (stromy působí problémy při povodních a komplikují údržbu toků x význam dřevní hmoty ve vodě!

Vliv lidské činnosti na rybníky• Vápnění – desinfekce, urychlení mineralizace

• Vysekávání porostů – zvětšení prostoru pro ryby, zbrždění zazemňování, úbytek habitatů…

• Vyhrnování dna - zvětšení prostoru, likvidace bentosu

• Hnojení a krmení – cílem je zvýšení produktivity

• Zimování a letnění rybníků – vypuštění rybníků s cílem zlepšení sktruktury substrátu dna, likvidace porostů mikro- i makrofyt, parazitů. Zimování může část hydrobiontů přežít. Letnění (výsev rostlin na zelené hnojení) – likvidace hydrobiontů.

• Organofosfáty: selektivně ovlivňují složení fauny, kumulace v biomase – nežádoucí!

• Lépe mechanické zásahy (vysekávání makrofyt, aerace, stínění…)

Znečišťování vod

• Samoznečištění• Antropogenní znečištění

• Organické znečištění• Trofizace• Acidifikace• Toxické vlivy

• Plošné• Bodové

Organické znečištění• míněno: lehce odbouratelnými organickými látkami (nikoliv perzistentní

organické polutanty)• Zdroje: komunální znečištění, zemědělství, potravinářský průmysl –

cukrovary…• Rozklad organických látek – spotřeba kyslíku, až anaerobní stavy –

saprobní (hnilobné procesy)• Saprobita

– katarobita (podzemní vody, prameny) – limnosaprobita (v povrchových vodách)

• xenosaprobita - velmi čistá voda• oligosaprobita• betamezosaprobita• alfamezosaprobita• polysaprobita voda - velmi silně znečištěná

– eusaprobita (odpadní vody)

• Indikace: BSK5 – biologická spotřeba kyslíku• Bioindikace – saprobiologické hodnocení, saprobní indexy

• Procesy samoznečištění a samočištění ve vodách

Trofie (úživnost) vodyProcesy 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, posléze natantní (hladinové

koberce – 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• Podle koncentrace N a P ve vodě• Podle růstové odezvy in vitro• Podle in situ realizované zvýšené koncentrace biomasy fototrofů• Hodnocení podle změn v druhovém složení – fytoplankton, fytobentos, makrofyta

Acidifikace

Okyselování vod

• Problém především 2. poloviny 20. století – přetrvává dodnes• Příčina: kyselé deště (oxid siřčitý a NOx ze spalování fosilních paliv

do ovzduší – dešťová voda má pH 4-4,5 namísto 5-6.• Nejdříve úbytek hydrouhličitanů, ztráta pufrační kapacity vody, pak

nárůst koncentrace hliníku – toxický vliv na hydrobionty. • Dojem čisté vody, nízká druhová bohatost. • Problém se zesiluje v oblastech s kyselým podložím (např. žula)

Indikace• pH• Alkalinita• Bioindikace (citlivé druhy mizí)

Znečištění toxickými látkamiTěžké kovy

• cca 40 prvků, specifická hmotnost vyšší než 5 g/m3: Hg, Cr, Pb, Ni, Zn, Cu

• Stopové prvky – nezbytné pro organismy• Součást přirozeného pozadí (liší podle místních podmínek).• Vyšší koncentrace – toxické působení• Zdroje: těžba a zpracování rud a uhlí, spalování fosilních paliv,

průmysl, pesticidy

Ropné látky a uhlovodíky,

PTBs – perzistentní organické polutanty PAU (naftalen, antracen), PCB…tendence k akumulaci, odolnost k degradativním procesům

Hodnocení toxicity• Testy akutní toxicity – hodiny až max. týden, vysoké dávky

• Testy subchronické toxicity – týdny, cca 10 % normální délky života testovaného organismu, střední dávky

• Testy chronické toxicity – měsíce až roky, nízké dávky

• LC50 koncentrace, při níž v testu akutní tox. uhyne 50 % pokusných organismů

• Extrémně……málo jedovaté látky

• Pokusné organismy– Druh je v přírodě snadno dosažitelný– Dá se snadno chovat v laboratorních podmínkách – Zřetelně reaguje na toxickou látku– Scenedesmus quadricauda, Elodea canadensis, Daphnia magna,

Asellus aquaticus, Cyprinus carpio……

ČIŠTĚNÍ ODPADNÍCH VOD z bodových zdrojů

Typy odpadních vod• průmyslové – různé typy• zemědělské – lehce odbouratelné organické látky, pesticidy…• komunální - lehce odbouratelné organické látky, detergenty, ale např. i hormony,

rtuť…patogeny (ze zdrav. zařízení)

Jednotná x oddílná kanalizace (zvlášť tzv. dešťová k.)

Biologické čištění odpadních vod (OV)- využití OV jako substrátu pro růst biomasy

Přírodní x umělé způsoby čištěníPřírodní: Akumulační – vyhnívací(anaerobní) laguny, jednorázově se napustí, vypouští se jako

betamezosaprobníAsimilační – aerobní, trvalé zatěžování nanejvýš alfamezosaprobní vodouStabilizační – série nádrží: anaerobní až aerobní fáze

Vegetační čistírny – dočišťování, snížení trofie

ČIŠTĚNÍ ODPADNÍCH VOD z bodových zdrojů

Přírodní x umělé způsoby čištění

Umělé:

Městské čistírny OV (ČOV)1. stupeň: mechanické předčištění (lapáky štěrku a písku, česle, lapáky tuků..)2. Biologické čištění

1. Procesy založení na růstu a aktivitě organismů v přisedlé složce – biofilmuzkrápěné biologické kolony (biofiltry, rotační biodisky)

1. Procesy založení na růstu a aktivitě organismů v suspendované polykultuře - aktivovaný kalaktivační – aerační nádrže a separační – dosazovací jednotky

Další způsoby čištění OV v průmysluflotace, extrakce, sorbce, koagulace – čiření, filtrace…

3. stupeň čištění – odstraňování živin (fosfor!)

využívá znalostí o zákonitých vazbách mezi:

• kolísáním výskytu• chováním• tělesnou kondicí• morfologickými znaky• fyziologickými pochody• populační dynamikou organismů (bioindikátorů)• velikostí a strukturou jejich společenstev a mezi:

• podmínkami prostředí, zejména podmínkami výjimečnými a kvalitativně změněnými k:

hodnocení odchylek od normálu jako nepřímých ukazatelů stavu a vývoje prostředí.

(Nováková in Dykyjová, 1989).

Biodiagnostika

Organismus nebo společenstvo, jehož životní funkce jsou korelovány s faktory prostředí tak těsně, že mohou sloužit jako jejich ukazatele se nazývá bioindikátor.

Biologická indikace vychází z principu ekologické valence (Hess, 1924)

Druhy stenovalentní jsou lepšími indikátory než euryvalentní - mají vyšší indikační váhu.

Bioindikátor

organismus (popř. jeho část či společenstvo organismů), který obsahuje kvantitativní či kvalitativní informaci o stavu prostředí nebo jeho části.

Biomonitor takový bioindikátor, který zahrnuje informaci o kvantitativních aspektech kvality prostředí.

Sentinelový organismus - kumuluje ve svém těle polutanty z prostředí. Analýza tkání sentinelových organismů umožní odhad koncentrace polutantu v prostředí.

Biomarker - xenobiotiky navozená změna v buněčných nebo biochemických složkách, procesech, strukturách nebo funkcích, která je měřitelná v biologickém systému či vzorku

Bioindikátory - typy

Bioindikace a monitoring ekologického stavu povrchových vod: Principy

Vlastnosti ideálního bioindikátoru:

1. Taxonomická spolehlivost a snadná determinace2. Kosmopolitní rozšíření3. Vysoká početnost4. Nízká genetická a ekologická variabilita5. Dostatečné velikost6. Omezená pohyblivost, dlouhověkost7. Dostatek autekologických informací8. Vhodnost pro laboratorní studie

Pro sentinelové organismy navíc1. Musí existovat jednoduchá, vždy platná korelace mezi obsahem

polutantu v těle organismu a prostředí2. Organismy musí snášet i maximální koncentrace polutantu v

prostředí a rozmnožovat se za těchto podmínek (Helawell, 1986)

Bioindikace a monitoring ekologického stavu povrchových vod: Principy

Bioindikace může probíhat na úrovni:

• subbuněčné a buněčné např. tkáňové kultury, indikace toxikologického rizika působení

xenobiotik. • jedince a populace

biochemické změny - např. aktivita cholinesterázy (Ephemerella nebo Hydropsyche při hodnocení vlivu organofosfát. insekticidů)

fyziologické změny (např. spotřeba kyslíku u Chironomus)

morfologické deformity (pakomáři)

změny v chování (zvýšená pohybová nebo driftová aktivita)

změny v životních cyklech (přežití, růst, mortalita, rozmnožování, vývoj a emergence)

kumulace polutantů (viz sentinelové organismy)

Bioindikace a monitoring ekologického stavu povrchových vod: Principy

Bioindikace může probíhat na úrovni:

populace a společenstva druhů

indexy diverzity

indexy srovnávací

biotické indexy a skore - založeny na konceptu indikátorových druhů, hodnoceny vzhledem k určitému polutantu podle míry tolerance či citlivosti jednotlivých taxonů vůči tomuto polutantu.

multivariační metody

Bioindikace a monitoring ekologického stavu povrchových vod: Principy

Bioindikační metody

odraz dlouhodobějšího stavu prostředí na sledované lokalitěreálné působení více faktorů (i v jejich interakci) na biotunáklady bývají nižší zjistíme do jaké míry je společenstvo nebo organismus ovlivněnnemůžeme přesně stanovit příčinu a např. přímo kvantifikovat

koncentraci polutantu. Optimální využití kombinovaného postupu.

V biomonitorovacích programech: bioindikační metody k vyhledávání problematických lokalit, které jsou pak zkoumány i pomocí nákladných fyzikálně-chemických analýz.

Bioindikace a monitoring ekologického stavu povrchových vod: Principy

Metody hodnocení ekologického stavu povrchových vod pro WFD

využívají především:

• společenstva druhů – druhová shromáždění (assemblages)

doplňkově:

• sentinelové organismy

Používané postupy budou uvedeny u jednotlivých složek bioty.

Nepůvodní druh (alien, non-indigenous, non-native, exotic, foreing)

• Druh, poddruh nebo nižší taxon introdukovaný mimo svůj přirozený, dřívější nebo současný areál.

Invazivní nepůvodní druh(invasive alien species)

• Nepůvodní druh, jehož introdukce anebo šíření ohrožuje biologickou diverzitu

Mlýkovský J. a Stýblo P., eds., 2006: Nepůvodní druhy fauny a flóry České republiky. Praha. ČSOP.

Cesta šíření nepůvodních druhů

• Geografická cesta, po níž se druh přesunuje mimo svůj přirozený areál

• Asie - Evropa

• S. Amerika - Evropa

• Asie - Amerika - Evropa

severní koridor: Don, Volha, Ladožské jezero, Něvský záliv

centrální koridor: Dněpr, Pripyat, Bug, Nemunas, Vistula, Odra

jižní koridor: Dunaj, Tisa, Mohan, Rýn

Cesty

Vektor

• Fyzický prostředek nebo zařízení v němž nebo na němž se druh přesouvá.

• lodní doprava (nárosty, balastní voda)• akvarijní organismy, akvakultury• kanály spojující řeky a povodí• záměrná a náhodná introdukce• rybí násada• vodní ptáci• samovolné šíření

Oteplování vodních ekosystémůMístní až globální vliv

Místní vlivy• většinou vypouštění oteplených vod z elektráren, ale i

hlubinné důlní vody, výtoky z nádrží. • Vazba na obsah kyslíku ve vodách a další fyz.-chem.

ukazatele. • Významná je distribuce vypouštění (nepřirozené

vyrovnání nebo nepřirozené kolísání teplot).

– Kvalitativní i kvantitativní změny společenstev, vliv na rychlost vývoje, reprodukci, vymizení citlivějších druhů.

Globální vlivy – klimatické změny

Změny klimatu • Předpokládané změny klimatu:

– změny (nárůst?) teploty vzduchu– změny chodu teplot – změny srážkového režimu– různé scénáře vývoje klimatu podle různých modelů

• Důsledky pro akvatické ekosystémy:– změny teploty vody (korelováno s t vzduchu)– změny hydrologického režimu a morfologie toků– změny fyzikálně-chem. a chem. vlastností vody

Změny klimatu

– změny teploty vody • vazba na průtoky, na landuse v povodí

• vliv na intenzitu f.-chem., chem., biochemických a biol. procesů

ve vodním prostředí – změny hydrologického režimu a morfologie toků

• rozkolísané průtoky – povodně, nízké průtoky, sucho• korytotvorné průtoky, plaveniny, splaveniny• vztah k jakosti vody: zhoršení/zlepšení• vytváření a zanikání habitatů

– změny fyzikálně-chem. a chem. vlastností vody• ve vazbě na předchozí body – saprobita, trofie, toxicita,

acidifikace

Změny klimatu Předpokládané odezvy (empiricky ověřeno)

– změny v druhovém složení - vymizení druhů z určité oblasti – vyhynutí, změny areálů

– změny ve funkčním složení – geologické a environmentální faktory včetně f. klimatických – působí hierarchicky na různých škálách – selekce druhů s vhodnými vlastnostmi

– podél environmentálních gradientů existují rozdíly v morfologických, behaviorálních, fyziologických vlastnostech druhů

– tedy: v regionech s různým klimatem je biota s různým taxonomickým i funkčním složením

Změna klimatu – změna bioty též z hlediska funkční struktury.

Předpoklad: funkční str. méně citlivá než druhové složení.

HODNOCENÍ EKOLOGICKÉHO STAVU VOD

Součást Rámcové směrnice o vodách – tzv. WFD

WFD (WATER FRAMEWORK DIRECTIVE)

APROXIMACE KOMUNITÁRNÍ LEGISLATIVYv oblasti VODA

SMĚRNICE 2000/60/ESEVROPSKÉHO PARLAMENTU A RADY

z 23. října 2000ustavující rámec pro činnost Společenství v

oblasti vodní politiky

Přístupy k hodnocení ekologického stavu toků - obecně:

typově specifický x lokálně specifický

(type specific x site specific)

specifický vůči stresoru x nespecifický vůči stresoru (obecně degradace)

(stressor specific x general degradation)

Požadavky Rámcové směrnice EU o vodách na metody hodnocení stavu vodních toků

• Provádět typově specifické hodnocení toků. Navrženy jsou dva systémy typologie toků (systém A, B).

• Biologické prvky pro hodnocení ekologického stavu toků:• fytoplankton, perifyton, makrofyta, makrozoobentos a ryby.

• Definici cílového ekologického stavu založit na přirozených - referenčních podmínkách (velmi dobrý ekologický stav).

• Definovat čtyři stupně ovlivnění.

• Přesně definovat, jak bude ekologický stav zjišťován.

KLASIFIKACE EKOLOGICKÉHO STAVU

Normativní definice klasifikace ekologického stavu:

5 stupňů

5 velmi dobrý4 dobrý3 střední2 poškozený1 zničený

METODY HODNOCENÍ 3 přístupy:

hodnocení prováděno pomocí:

•jednoduchých metrik* (single metric approach)

•multimetrik (multimetric approach)

•vícerozměrných analýz (multivariate approach)

*metrika - obecně ukazatel

Multimetriky Princip:

kombinace několika jednoduchých metrikvýběr metrik je dán jejich vypovídací schopností v daných podmínkách numerické škály jednotlivých metrik mají být převedenydo bezrozměrných hodnot v obvykle ordinální škále 1 - 5

výsledné hodnocení je dáno jednou hodnotou

ta je buď průměrem výsledků jednotlivých metriknebo se rovná nejnepříznivějšímu hodnocení (the worst scenario)

obvykle v ordinální škále 1 - 5

Vyvinuto a preferováno v USApůvodně pro hodnocení rybích společenstev: Index of Biotic Integrity - IBI

SurveySurveillanceMonitoring

Surveyčasově limitovaný, intenzivní program měření a hodnocení kvality prostředí pro specifické účely (např. před stanovením designu monitoringu, účelové studie...)

Surveillanceopakovaná „survey“průběžná, specifická měření, pozorování a hodnocení pro potřeby managementu životního prostředí a operativu (např. systémy rychlého varování - early warning systems)

Typy sledování

Monitoring

• dlouhodobé standardizované měření, pozorování a hodnocení životního prostředí

• s cílem definovat současný stav a trendy

• organizován na rutinní bázi s dobře definovaným souborem sledovaných proměnných a standardizovanou metodikou

• kontrolní místa a frekvence odběrů je fixní

• hodnocení výsledků je standardizováno a jejich prezentace musí být ve schválené podobě

Typy sledování

Monitorováním vod se rozumí zjištování a hodnocení stavu povrchových a podzemních vod, které zajištují správci povodí a další poverené odborné subjekty podle § 21 odst. 4 vodního zákona.

Programy monitoringu slouží pro zjištování stavu povrchových a podzemních vod podle § 21 odst.2 písm. a) vodního zákona.

Programy monitoringu podle požadavku Rámcové smernice 2000/60/ES se zpracovávají v souladu s Guidance dokumentem c. 7 „Monitoring under the Water Framework Directive“.

- situační monitoring – dlouhodobé změny, plánování

- provozní monitoring – aktuální stav, krátkodobé změny, management

- průzkumný monitoring – mimořádné situace

- monitoring kvantitativního stavu povrchových a podzemních vod

Monitoring vod

Výchozí předpoklady metoda je:• založena na ověřeném ekologickém konceptu • a priori prediktivní• schopna vyhodnotit ekologické funkce• schopna vyhodnotit obecnou degradaci i odlišit specifické typy

Implementační předpoklady• nízké náklady na terénní anebo laboratorní práce• jednoduchý odběrový protokol• nízké náklady na taxonomickou determinaci

Požadavky na výstupy• aplikovatelné napříč ecoregiony• jasná indikace obecné degradace i vlivu jednotlivých stresorů• indikace v lineárním měřítku

Ideální metoda pro biomonitoring

The ideal biomonitoring tool would be

“a freeze dried, talking fish on a stick”

Cairns J. Jr. 1988. Politics, economics, science/going bezond disciplinary boundaries to protect aquatic ecosystems. A Great Lakes Focus, pp. 1-16. New York: Wiley.

Biologickéspolečenstvo

Indexovéhodnoceníspolečenstva•Jednoduchý výpočet, ale individualita taxonůztracena ve výpočtu•Porovnánínaměřených hodnot s referenčními podmínkami•Referenčnípodmínky získány výpočtem nebo expertně

= XVícerozměrnémodelováníreferenčního složeníspolečenstev•Srovnána podobnost modelového (referenčního) a skutečného společenstva•Komplexnívytěženíinformace o biologických složkách, ale náročnéna data

Srovnánís expertněurčeným společenstvem•Srovnána podobnost expertněurčeného referenčního a skutečného společenstva

Pomocnéproměnné

Vícerozměrnápodobnost s referenčním stavem•Shrnutípodobnosti ve fyzikálněchemických parametrech a hydromorfologiioproti jejich referenčním hodnotám (určeny statisticky nebo expertně)Ref.

Biologickéspolečenstvo

Indexovéhodnoceníspolečenstva•Jednoduchý výpočet, ale individualita taxonůztracena ve výpočtu•Porovnánínaměřených hodnot s referenčními podmínkami•Referenčnípodmínky získány výpočtem nebo expertně

= XVícerozměrnémodelováníreferenčního složeníspolečenstev•Srovnána podobnost modelového (referenčního) a skutečného společenstva•Komplexnívytěženíinformace o biologických složkách, ale náročnéna data

Srovnánís expertněurčeným společenstvem•Srovnána podobnost expertněurčeného referenčního a skutečného společenstva

Pomocnéproměnné

Vícerozměrnápodobnost s referenčním stavem•Shrnutípodobnosti ve fyzikálněchemických parametrech a hydromorfologiioproti jejich referenčním hodnotám (určeny statisticky nebo expertně)Ref.

Very bad

Ideální nástroj pro biomonitoring