Vliv lidské činnosti na vodní prostředí

Ekologická perturbace – narušení 2 složky: Disturbance „pulse“ „press“ – rychlý nástup „ramp“ – postupně se zvyšující intenzita (a obvykle i šíření v prostoru Odpověď bioty na disturbance resistence resilience

Typy vlivů Nadužívání vodních zdrojů Hydromorfologické ovlivňování Fragmentace habitatů Znečišťování vod

Stresory hydromorfologická degradace: hydrologické ovlivnění degradace morfologie koryta eutrofizace organické znečištění toxické znečištění acidifikace tepelné znečištění klimatické 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 recyklovaná spotřeba: odpar, voda zabudovaná do výrobku, nebo vracená do vodního prostředí v jiném místě odpadní 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 nádržích typ 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 nádrže určitá kompenzace vlivu výše položené nádrže

Morfologické ovlivňování toků Regulace 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) vody 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, 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 látkami Těžké 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 čištění Přírodní: Akumulační – vyhnívací(anaerobní) laguny, jednorázově se napustí, vypouští se jako betamezosaprobní Asimilační – aerobní, trvalé zatěžování nanejvýš alfamezosaprobní vodou Stabilizační – 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) stupeň: mechanické předčištění (lapáky štěrku a písku, česle, lapáky tuků..) Biologické čištění Procesy založení na růstu a aktivitě organismů v přisedlé složce – biofilmu zkrápěné biologické kolony (biofiltry, rotační biodisky) Procesy založení na růstu a aktivitě organismů v suspendované polykultuře - aktivovaný kal aktivační – aerační nádrže a separační – dosazovací jednotky Další způsoby čištění OV v průmyslu flotace, extrakce, sorbce, koagulace – čiření, filtrace… 3. stupeň čištění – odstraňování živin (fosfor!)

Biodiagnostika 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).

Bioindikátor 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.

Bioindikátory - typy 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

Bioindikace a monitoring ekologického stavu povrchových vod: Principy Vlastnosti ideálního bioindikátoru: Taxonomická spolehlivost a snadná determinace Kosmopolitní rozšíření Vysoká početnost Nízká genetická a ekologická variabilita Dostatečné velikost Omezená pohyblivost, dlouhověkost Dostatek autekologických informací Vhodnost pro laboratorní studie Pro sentinelové organismy navíc Musí existovat jednoduchá, vždy platná korelace mezi obsahem polutantu v těle organismu a prostředí 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 lokalitě reálné působení více faktorů (i v jejich interakci) na biotu náklady bývají nižší zjistíme do jaké míry je společenstvo nebo organismus ovlivněn nemůžeme 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

Cesty severní koridor: Don, Volha, Ladožské jezero, Něvský záliv centrální koridor: Dněpr, Pripyat, Bug, Nemunas, Vistula, Odra jižní koridor: Dunaj, Tisa, Mohan, Rýn

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 ekosystémů Místní 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 LEGISLATIVY v oblasti VODA SMĚRNICE 2000/60/ES EVROPSKÉHO PARLAMENTU A RADY z 23. října 2000 ustavující rámec pro činnost Společenství v oblasti vodní politiky V posledních letech je proto pozornost zaměřena na hodnocení tzv. ekologického stavu prostředí. Úroveň teoretického poznání se odráží v dokumentu, který zásadním způsobem ovlivňuje přístup ke složkám vodního prostředí v Evropě – ve Směrnici 2000/60/EC Evropského parlamentu a rady 23. 10. 2000 ustavující rámec pro činnost Společenství v oblasti vodní politiky (Water Framework Directive, dále WFD). Tato směrnice je orientována na komplexní hodnocení v rámci hydrologických celků (povodí) na základě příslušnosti hodnoceného vodního útvaru (lokality) k určitému typu a ve srovnání s referenčním stavem, očekávaným pro tento útvar, včetně zařazení do jedné z pěti tříd ekologického stavu - velmi dobrého, dobrého, středního, poškozeného, zničeného. Požadavky směrnice vycházejí z vědeckých poznatků a zároveň jsou impulsem k četným novým výzkumným aktivitám, které mají za cíl doplnit mezery ve znalostech akvatických ekosystémů, jejich složkách a vzájemných vazbách těchto složek, vyvinout nebo zdokonalit metody hodnocení a následně provést interkalibraci jednotlivých metod. V zásadě lze vymezit tyto úkoly, jejichž splnění má vést k vytvoření relevantních metod hodnocení ekologického stavu povrchových vod:

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. V zásadě lze vymezit tyto úkoly, jejichž splnění má vést k vytvoření relevantních metod hodnocení ekologického stavu povrchových vod: .vytvořit typologii vodních útvarů .definovat a analyzovat stavy referenční: stanovit kriteria pro výběr referenčních lokalit, analyzovat biotické složky ve vazbě na abiotické proměnné, charakterizovat referenční stav ve vazbě na typ toku .analyzovat stavy způsobené různými typy stresorů .kriticky zhodnotit vypovídací schopnosti existujících metod a vyvinout metody nové .nové metody verifikovat, validovat a kalibrovat provést interkalibraci pro zhodnocení srovnatelnosti jednotlivých metod nebo výsledků aplikace téže metody různými pracovišti

KLASIFIKACE EKOLOGICKÉHO STAVU Normativní definice klasifikace ekologického stavu: 5 stupňů 5 velmi dobrý 4 dobrý 3 střední 2 poškozený 1 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 metrik výběr metrik je dán jejich vypovídací schopností v daných podmínkách numerické škály jednotlivých metrik mají být převedeny do bezrozměrných hodnot v obvykle ordinální škále 1 - 5 výsledné hodnocení je dáno jednou hodnotou ta je buď průměrem výsledků jednotlivých metrik nebo se rovná nejnepříznivějšímu hodnocení (the worst scenario) obvykle v ordinální škále 1 - 5 Vyvinuto a preferováno v USA původně pro hodnocení rybích společenstev: Index of Biotic Integrity - IBI Multimetrický přístup Multimetrický přístup byl zaveden a je široce používán v USA. Jedná se o kombinaci jednoduchých metrik, přičemž finální skore je obvykle dáno na ordinální škále v rozmezí 1 - 5. První index tohoto typu byl index biologické integrity IBI, vyvinutý nejdříve pro ryby (Karr 1981), později rozšířený také pro makrozoobentos (Barbour et al. 1992). Multimetriky byly také hlavním metodickým přístupem v projektu AQEM (HERING et al. 2003)

Typy sledování Survey Surveillance Monitoring časově limitovaný, intenzivní program měření a hodnocení kvality prostředí pro specifické účely (např. před stanovením designu monitoringu, účelové studie...) opakovaná „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

Monitoring vod situační monitoring – dlouhodobé změny, plánování 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

Ideální metoda pro biomonitoring 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 nástroj pro biomonitoring Very bad 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.