ALLOCHTON ÉS AUTOCHTON SZERVESANYAGOK SZEREPE A BALATON VÍZMINŐSÉGÉNEK ALAKÍTÁSÁBAN V.-Balogh Katalin és Vörös Lajos MTA Balatoni Limnológiai Kutatóintézet, Tihany Összefoglalás. 2006-ban munkánk célja az volt, hogy meghatározzuk az allochton és autochton szervesanyagok részesedését, valamint meghatározzuk a víz alatti fényviszonyok (UV-B, UV-A és PAR) alakításában betöltött szerepüket. Ezért a szervesanyagok (TOC, POC, Pt-szín) mellett mértük a többi fényabszorbeáló paraméter, algák (klorofill-a) és lebegőanyagok koncentrációját, és in situ mértük a víz alatti ultraibolya és látható fény intenzitását a Balatonban.
Bevezetés A rendelkezésre álló adatok szerint a Balaton egyes területeinek allochton (külső) szervesanyag terhelése meghatározható, ráadásul az utóbbi években megnövekedett csapadékmennyiséggel nő. Nem tudjuk azonban, hogy a külső szervesanyag terhelés és a tóban termelődő szervesanyagok (autochton) milyen mértékben járulnak hozzá az egyes tóterületek vízminőségének formálásához. A vízminőség turisztikai szempontból a vizuális érzékelésen keresztül jelenik meg. A tiszta, átlátszó, lebegőanyagokban szegény víz az elérni kívánt célállapot, amihez azonban tudni kell, hogy a vízügyi beavatkozások által befolyásolható tényezők milyen mértékben járulhatnak hozzá. A vízbe jutó fény abszorpciójáért felelős tényezők, a látható és ultraibolya fény egyidejű víz alatti mérésével megállapítható és számszerűen kifejezhető, hogy a Balaton egyes területein mekkora szerepe van a barna színű oldott allochton szerves(humin)anyagoknak, a planktonikus algáknak és a felkeveredő üledéknek a vízminőség alakításában. Az eredmények rávilágítanak az eddigi vízminőség-szabályozási intézkedések hatásosságára, a Kis-Balaton tározórendszer, mint külső szervesanyag forrás, valamint az emberi hatásoktól független szél általi üledékfelkeveredés jelentőségére. 2006-ban munkánk célja az volt, hogy meghatározzuk az allochton és autochton szervesanyagok részesedését, valamint meghatározzuk a víz alatti fényviszonyok (UV-B, UV-A és PAR) alakításában betöltött szerepüket.
Ezért a szervesanyagok (TOC, POC, Pt-szín) mellett mértük a többi fényabszorbeáló paraméter, algák (klorofill-a) és lebegőanyagok koncentrációját, és in situ mértük a víz alatti ultraibolya és látható fény intenzitását a Balatonban. Anyag és módszer Mintavételek 2006-ban az év napsütéses periódusában, áprilistól – októberig havi gyakorisággal, összesen 7 alkalommal vettünk vízmintát a Balaton hossztengelye mentén, tóközépen 5 ponton: Keszthelyi-medence (46o44′05.8″N, 17o16′32.0″E) Szigligeti-medence (46o44′33.1″N, 17o26′18.5″E), Szemesi-medence (46o50′40.3″N, 17o44′28.8″E) Siófokimedence Tihanynál (46o55′19.0″N 17o55′53.6″E) és Balatonfűzfőnél (46o57′54,7″N 18o03′48.8″E) Fényabszorbeáló paraméterek - meghatározások A lebegőanyagok koncentrációjának gravimetriás meghatározásához a vízmintákat 0,45 µm pórusméretű cellulóz-acetát filteren szűrtük. A filteren fennmaradt lebegőanyagok mennyiségét CHYO YMC SM-200 analitikai mérleggel mértük. A fitoplankton klorofill-a-ban kifejezett koncentrációjának mérését metanolos extrakcióval Shimadzu UV-160A spektrofotométerrel végeztük (Felföldy, 1980). A szerves szén analízishez Elementar High TOC szerves szén analizátort használtunk. A szűretlen víz az összes (TOC) a 0,45 µm-es filteren szűrt víz az oldott szerves szenet (DOC) tartalmazta. A partikulált szerves szén (POC) koncentrációt az előbbiekből (TOC-DOC) számoltuk. A POC algáknak tulajdonítható részesedését a klorofill-a alapján az alábbi konverziós faktorokkal számítottuk: az algák nedves tömegének 0,5%-a klorofill, a nedves tömeg 17%-a száraztömeg, a száraz tömeg 50%-a szén. A víz oldott szervesanyagok okozta barna színét, Pt-egységben (mg -1 Pt l ) adtuk meg, melyet a Shimadzu UV-160A spektrofotométerrel 440 nm-en mért abszorbancia értékek alapján számítottunk Cuthbert & del Giorgio (1992) szerint.
Víz alatti fényintenzitás – mérések, számítások
A víz alatti fényintenzitás mélységbeli változását a vízmintavételekkel egyidőben in situ mértük PUV-2500 (Biospherical Instrument) radiométerrel. A műszer fedélzeti egységéhez víz alatti szenzor és hordozható számítógép csatlakozik. Ez a műszer a fotoszintetikusan aktív sugárzás (PAR 400-700 nm) mellett az ultraibolya (UV) hullámhossz tartomány mérésére is alkalmas a következő kitüntetett hullámhosszokon: UV-A: 395 nm, 380 nm, 340 nm; UV-B: 320 nm, 313 nm, 305 nm. (Megjegyezzük, hogy ilyen műszerrel Magyarországon egyedül intézetünk, az MTA Balatoni Limnológiai Kutatóintézet rendelkezik.) A mérőműszerhez csatlakoztatott számítógépen tárolt mérési adatokat excel formátumba konvertáltuk, és a Lambert-Beer törvény alapján kiszámítottuk a vertikális extinkciós koefficiens (Kd) értékeket: Iz = I0 * e-ηz lnIz = -Kd * Z + lnI0 Kd (z) = lnI0- lnIz ahol: Kd = vertikális extinkciós koefficiens, I0 = beeső fényintenzitás; Iz = fényintenzitás z mélységben; z = vízmélység (méter) A Kd (m-1) értékek ismeretében hullámhosszonként kiszámítottuk a fény 1%-os (ln100/Kd) lehatolási mélység (Z1%) értékeit. Statisztikai módszerek Annak megállapításához, hogy a három fényabszorbeáló paraméter (algák, színes szervesanyagok, lebegőanyagok) milyen mértékben járul hozzá a vertikális extinkciós koefficines (Kd) alakításához, azaz mekkora az egyes paramétereknek tulajdonítható, ún. parciális Kd értéke, többváltozós regressziót alkalmaztunk. A szignifikanciát ANOVA alapján adtuk meg. OriginPro 7,5 programot használtunk. Eredmények Allochton és autochton szervesanyagok részesedése Az összes szerves szén (TOC) a Balatonban szignifikáns időbeli változást sehol sem mutatott, a tó hossztengelye mentén nyugatról kelet felé haladva kis mértékben csökkent, átlagos koncentrációja a Keszthelyi-medencében (1.a. ábra) 11,7 mg l-1, a legkeletibb tóterületen (2.a. ábra) 8,8 mg l-1 volt. A TOC döntő részét (90-95%) az oldott szervesanyagok adták. A partikulált szén (POC) döntő hányada nem
alga-eredetűnek bizonyult. A nyugati tóterületen (1.B ábra) az algaeredetű POC átlagosan 26%-ot tett ki, amely a tó legkeletibb medencéjében (2.B ábra) 20%-ra csökkent. Ez utóbbi POC hányadról bizonyítható autochton eredete. 2,5
20 DOC
POC
B
A POC (mg l-1 )
5
A lga
1,5 1,0 0,5
OKT. 25
SZEP. 25
AUG. 21
JÚL. 24
JÚN. 26
ÁPR. 3
OKT. 25
SZEP. 25
AUG. 21
0,0
JÚL. 24
JÚN. 26
JÚN. 12
ÁPR. 3
0
JÚN. 12
TOC (mg l-1 )
10
N-Alga
2,0
15
. 1. ábra. Az összes szerves szén (TOC) oldott (DOC) és partikulált (POC) (A) valamint a POC Alga és NemAlga (B) frakciói koncentrációjának időbeli változása a Keszthelyimedencében 2006-ban 2,5
20 DOC
N-A lga
A
POC
POC (mg l-1 )
10
B
5
1,5 1,0 0,5
OKT. 25
SZEP. 25
AUG. 21
JÚL. 24
JÚN. 26
0,0 JÚN. 12
OKT. 25
SZEP. 25
AUG. 21
JÚL. 24
JÚN. 26
JÚN. 12
ÁPR. 3
0
ÁPR. 3
TOC (mg l-1 )
A lga
2,0
15
. 2. ábra. Az összes szerves szén (TOC) oldott (DOC) és partikulált (POC) (A) valamint a POC Alga és NemAlga (B) frakciói koncentrációjának időbeli változása a a Siófokimedencében Balatonfűzfőnél 2006-ban
A klorofill-a koncentrációval az összes szerves szén koncentráció szorosabb összefüggést (R2=0,597) mutatott, mint az oldott szerves szén koncentráció (R2=0,327). E szerint az autochton szervesanyagok a partikulált fázisban jobban „tettenérhetők”, mint az oldottban, azaz az
oldott szervesanyagok döntő részben allochton eredetűek, amit a magas tengelymetszet értékek (9 mg l-1 és 8,5 mg l-1) is bizonyítanak. Fényabszorbeáló paraméterek térbeli változása A vizsgált hét hónap mérési adatai alapján a klorofill-a koncentráció átlagérték a Keszthelyi-medencében volt a legnagyobb, 21±12,6 µg l-1. A klorofill-a koncentráció keleti irányban először mérsékelten, majd drasztikusan csökkent, és a tó legkeletibb területén, a Siófokimedencében Balatonfűzfőnél 4±1,9 µg l-1 volt. Ez az eredmény arra utal, hogy az algák tápanyag-ellátottsága a tó nyugati medencéiben jobb. A barna színkoncentráció átlagérték szintén a Keszthelyimedencében volt a legnagyobb, 22±5,7 mg Pt l-1. Keleti irányban először fokozatosan, majd drasztikusan csökkent, és a tó keleti területén, a Siófoki-medencében a színérték alatta maradt a Pt-skála alsó értékének (5 mg Pt l-1), azaz a víz a tó hossztengelye mentén megtett út során „fakul”. Korábban is kimutattuk, hogy az oldott szervesanyagok a tóban mikrobiális és fotokémia folyamatok eredményeként minőségi átalakuláson mennek át (V.-Balogh et al., 2003, Tóth et al., 2005). Egyébként a barna színű allochton oldott huminanyagok a tőzeges láptalajokon átfolyó befolyókkal (döntően a Kis-Balaton alsó tározón átfolyó Zala folyó, Lesence nádasmező kifolyói, déli berekvizes befolyók) legnagyobb mennyiségben a tó nyugati területére folynak. A lebegőanyagok koncentrációja az előző paraméterekhez hasonló térbeli változást mutatott, nyugatról (17±6,6 mg l-1) keleti (10±7,6 mg l-1) irányban csökkent. Ez viszont nem azzal magyarázható, hogy a tó nyugati területein a lebegőanyag-terhelés nagyobb (pl. a Zala folyóval szállított lebegőanyagokat a Kis-Balaton tározók visszatartják), hanem inkább azzal, hogy a sekélyebb nyugati területeken az üledék könnyebben felkeveredik, mint a mélyebb keleti tórészen. A Balaton víz alatti fényklímája A vertikális extinkciós koefficiens értékek (1. táblázat) összehasonlításakor kitűnik, hogy a hullámhossz csökkenésével a fotoszintetikusan aktív tartománytól (PAR 400-700 nm) az ultraibolya B tartomány felé haladva nő, azaz a fényelnyelés a látható tartományban kisebb, mint az UV-tartományban. Ami a vizsgálati helyeket illeti, a Kd értékek minden hullámhossz esetén csökkennek a Keszthelyi-medencétől a tó legkeletibb medencééig, de a csökkenés mértéke legkisebb a PAR és
legnagyobb az UV-B (305 nm) tartományban. Így a Kd szélső értékek a következők: legkisebb, 1,07±0,47 (m-1) a KdPAR a Siófoki-medencében Balatonfűzfőnél, legnagyobb 23,3,07±5,25 (m-1) a Kd305nm a Keszthelyimedencében. 1. táblázat. Eltérő hullámhosszú fényen mért vertikális extinkciós koefficiens átlagértékek a Balaton különböző medencéiben, 2006-ban
Medencé k Keszthelyi Szigligeti Szemesi SiófokiT SiófokiF
305 nm 23,30 ±5,25 15,20 ±1,68 12,69 ±2,06 8,30 ±1,94 6,83 ±1,29
Kd (m-1) 313 320 340 380 395 PAR nm nm nm nm nm 19,36 16,64 12,55 7,75 6,20 2,20 ±3,53 ±2,57 ±1,59 ±1,37 ±1,11 ±0,53 13,83 11,53 9,71 5,72 4,78 1,76 ±1,86 ±2,09 ±1,43 ±0,62 ±0,61 ±0,31 11,34 9,71 7,09 4,43 3,26 1,37 ±1,94 ±2,07 ±1,12 ±0,98 ±0,77 ±0,44 6,67 5,80 3,86 2,43 1,97 1,10 ±1,80 ±1,35 ±0,80 ±0,58 ±0,48 ±0,29 6,07 5,32 3,70 2,30 1,86 1,07 ±1,13 ±1,02 ±1,15 ±0,86 ±0,66 ±0,47 (T = Tihany, F = Balatonfűzfő), Átlag±SD (n = 7)
A Balaton eltérő medencéinek víz alatti fényklímájáról még szemléletesebb képet adnak az ún. 1%-os lehatolási mélység értékek (Z1%, azaz az a mélység, ahová a fény 1 %-a még lehatol). Az UV-B tartomány legkisebb hullámhosszán, 305 nm-en a fény 1%-os lehatolási mélysége a Keszthelyi-medencében (3.A ábra) 20±5 cm, míg Balatonfűzfőnél (3.B ábra) 69±12 cm. Az UV-A tartomány legkisebb hullámhosszán, 340 nm-en a fény 1%-os lehatolási mélysége a Keszthelyi-medencében (3.A ábra) 37±6 cm, míg Balatonfűzfőnél (3.B ábra) 1,33±0,34 m. Az átlagos PAR Z1% a különböző medencékben, nyugat-keleti irányban a következőképpen változott: 2,2±0,51; 2,68±0,43; 3,83±1,78; 4,46±1,31; 4,89±1,75. Ezekből az eredményekből azt a következtetést lehet levonni, hogy az UV-B tartományt tekintve jobban különböznek a Balaton egyes tóterületei, mint a PAR esetében.
Hullámhossz (nm)
Hullámhossz (nm) 313
320
340
380
395
PAR
305
0
0
1
1
1% Mélység (m)
1% Mélység (m)
305
2 3 4
320
340
380
395 PAR
2 3 4
A 5
313
B 5
. 3. ábra. Eltérő hullámhosszúságú fény 1%-os lehatolási mélysége a Keszthelyimedencében (A) és a Siófoki-medencében Balatonfűzfőnél (B) 2006-ban
Fényabszorbeáló paraméterek szerepe – parciális Kd A három fényabszorbeáló tényező (algák, színes szervesanyagok, lebegőanyagok) koncentráció értékei és a különböző hullámhosszokra (7 hullámhossz) kapott vertikális extinkciós koefficines értékek között szoros pozitív lineáris (összesen 21) összefüggést kaptunk. 2. táblázat. Többváltozós modellek (az algák, színes szervesanyagok, lebegőanyagok parciális extinkciós koefficiens értékei)
Kd305 nm = 2,8318 + 0,1083 * Kl + 0,6060 * Pt + 0,2019 * La (R2 = 0,854; P < 0,0001; n=33) Kd313 nm = 3,0069 + 0,0947 * Kl + 0,5048 * Pt + 0,1443 * La (R2 = 0,845; P < 0,0001; n=33) Kd320 nm = 2,6010 + 0,0667 * Kl + 0,4395 * Pt + 0,1290 * La (R2 = 0,849; P < 0,0001; n=33) Kd340 nm = 1,6326+ 0,0747 * Kl + 0,3497 * Pt + 0,0825 * La (R2 = 0,886; P < 0,0001; n=33) Kd380 nm = 0,7333 + 0,0244 * Kl + 0,2302 * Pt + 0,0797 * La (R2 = 0,915; P < 0,0001; n=33) Kd395 nm = 0,5606 + 0,0290 * Kl + 0,1817 * Pt + 0,0578 * La (R2 = 0,923; P < 0,0001 n=33) KdPAR(400-700nm) = 0,4694 + 0,0167 * Kl + 0,0210 * Pt + 0,0474 * La (R2 = 0,8295; P < 0,0001; n=33) Kd = vertikális extinkciós koefficiens (m-1); Kl = klofill-a (µg l-1); Pt = Pt-szín (mg Pt l-1).
Mivel ezek a tényezők nem külön-külön, hanem együttesen fejtik ki hatásukat, többváltozós regresszióval kaphatunk olyan modelleket, amelyek az egyes paramétereknek a víz alatti fényviszonyok alakításában betöltött valódi szerepét, azaz az ún. parciális Kd értékeket adják meg (2. táblázat). E modelleket felhasználva a 2006-ban mért klorofill-a, Pt-szín és lebegőanyag koncentráció értékekre kiszámíthattuk hullámhosszonként a parciális Kd értékeket, ezek összege a háttérértékkel megadta az összes Kd értékét. Az így kapott modell Kd értékeket összevetettük a mért Kd értékekkel és minden hullámhosszon igen jó egyezést kaptunk. Az összes mérésből képzett átlagértékekre az összefüggés természetesen még szorosabb (R2 = 0,993) volt. Miután megbizonyosodtunk, hogy modelljeink igen jól egyeznek a mért értékekkel, a kapott hullámhosszonkénti parciális Kd értékek alapján medencénként kiszámítottuk az egyes paraméterek átlagos %-os részesedését a víz alatti fényextinkcióból. A kapott eredmények rávilágítanak, hogy a víz alatti ultraibolya fényklímát a tó egész területén az allochton színes szervesanyagok határozták meg. Részesedésük a Keszthelyi-medencében (4.A ábra) 70%, kelet felé haladva fokozatosan csökkent, de a legkeletibb tóterületen (4.B ábra) is 50%-ban feleltek az ultraibolya fény elnyeléséért. Ezzel ellentétesen változott a lebegőanyagok szerepe az ultraibolya fény elnyelésében, míg részesedésük a Keszthelyi-medencében (4.A ábra) 20% körüli volt, részesedésük a Siófoki-medencében (4.B ábra) 40%-ra nőtt. 100 KdLa
80 60
KdPt
40 20
KdKl
0 305
A
K d Rés z es edés (% )
K d R é sz e se d é s (% )
100
313
320
340
380
Hullám hos s z (nm )
395
KdLa
80 60
KdPt
40 20
KdKl
0 305
PAR
B
313
320
340
380
395
PAR
Hullámhossz (nm)
. 4. ábra. A lebegőanyagoknak (La), színes szervesanyagoknak (Pt) és algáknak (Kl) tulajdonítható átlagos parciális extinkciós koefficiens (Kd) értékek %-os megoszlása a Keszthelyi-medencében (A) és a Siófoki-medencében (Balatonfűzfőnél) (B) 2006-ban
Az ultraibolya fényklímát legkevésbé az algák befolyásolták, részesedésük a tó nyugati medencéiben (pl. 4.B ábra) 10%, keleti medencéiben csupán 5% körüli volt. A látható (PAR) hullámhossztartományban az ultraibolya tartományhoz képest más szerep jut a fényabszorbeáló paramétereknek. A meghatározó szerepet a lebegőanyagok veszik át, parciális Kd részesedésük 50% a Keszthelyi-medencében és a Szigligeti-medencében, majd részesedésük eléri és meg is haladja a 70%-ot a Siófokimedencében. Az algák és színes szervesanyok parciális PAR Kd részesedését összehasonlítva azt kaptuk, hogy 2006-ban, a Balatonban minden vizsgált területen 1,5 – 2-szeresen haladták meg a színes allochton szervesanyagok az algák szerepét a víz alatti fényklíma alakításában. Következtetések 2006-ban, a Balatonban mérhető szerves szén döntő hányada allochton eredetű, azaz nem a tóban termelődik, hanem a vízgyűjtőről származik. 2006-ban az allochton szervesanyagok részesedése nemcsak a víz alatti UV, hanem a PAR fényklíma alakításában is meghaladta a tóban termelődött algákét. A Keszthelyi-medencében a vízminőség javítása az allochton szervesanyag-terhelés csökkentését igényli. Ennek ellentmond a Kis-Balaton alsó tározó elárasztott területének jelentős növelése, amely várhatóan az allochton szervesanyag-terhelés növekedésével jár majd.
Köszönetnyilvánítás Témavezető és a kutatás résztvevői köszönetüket fejezik ki a fenti téma kutatásának lehetőségéért az Önkormányzati és Területfejlesztési Minisztériumnak és a Magyar Tudományos Akadémiának. Irodalom Cuthbert, I. D. & P. del Giorgio (1992) Toward a standard method of measuring color in freshwater. Limnol. Oceanogr. 37: 1319-1326. Felföldy L. (1980) A biológiai vízminősítés. Vízügyi Hidrobiológia 9. VIZDOK, Budapest, 264 pp. Tóth N., Szentes G. & V.-Balogh K. (2005) Fotokémiai és bakteriális bontás hatása az oldott szervesanyagok minőségére. Hidrológiai Közlöny 85: 155-157. V.-Balogh, K., L. Vörös, N. Tóth & M. Bokros (2003) Changes of organic matter quality along the longitudinal axis of a large shallow lake (Lake Balaton). Hydrobiologia 506-509: 67-74.
