8. 10. 2015
Vladimír Kočí Ústav chemie ochrany prostředí VŠCHT Praha
Podklady k přednáškám z předmětu „Environmentální dopady – Posuzování životního cyklu“. 1
• Nadbytek živin – na první pohled vesnická idyla. • Nadměrný nárůst živin v prostředí má za následek nežádoucí změny v druhovém složení či výrazný nárůst biomasy aquatických i půdních ekosystémů. • Pojem eutrofizace (úživnost) zahrnuje všechny potencionální dopady zvýšení koncentrací živin, především dusíku a fosforu, v prostředí.
2
1
8. 10. 2015
Emise komunálních (a průmyslových) odpadních vod byly
jedním z prvních všeobecně zjevných environmentálních problémů. Přítomnost bakteriálně rozložitelných látek v odpadních vodách umožňovala prudký nárůst mikrobiální aktivity, jehož důsledkem bylo spotřebování rozpuštěného kyslíku s následným úhynem ryb a dalších vodních organismů. Nedostatek kyslíku ve vodách byl prvním pozorovaným projevem zvýšeného množství živin ve vodách. Vedle biologicky rozložitelných látek jsou hlavní příčinou eutrofizace především emise nutrietů - dusíku a fosforu.
3
Přirozená eutrofizace souvisí se sukcesí ekosystémů. Jedná se o nevratný proces, jehož intenzita s časem vzrůstá. Je způsobena uvolňováním dusíku a fosforu, případně silikátů, z půdy, sedimentů a odumřelých vodních organismů a v konečném důsledku vede k zazemění a zániku jezer. Antropogenní eutrofizace je způsobena produkcí komunálních odpadních vod a odpadů fekálního charakteru, intenzívní zemědělskou výrobou, některými druhy průmyslových odpadních vod a používáním polyfosforečnanů v pracích a čistících prostředcích.
4
2
8. 10. 2015
5
6
3
8. 10. 2015
7
Pojem eutrofizace zahrnuje všechny potenciální dopady
zvýšení koncentrací biodostupných látek a živin, především dusíku a fosforu, v prostředí. Z pohledu LCA jsou emise látek pro kategorii eutrofizace rozděleny na látky bezprostředně sloužící jako živiny (především obsahující biologicky dostupný fosfor, dusík) a na látky biologicky rozložitelné, přispívající přímo ke kyslíkovému deficitu. Někteří autoři tyto dvě skupiny dokonce oddělují do dvou různých kategorií dopadu. 8
4
8. 10. 2015
Eutrofizované vodní těleso zarůstá biomasou sinic a řas, čímž dochází
k narušení kyslíkového režimu s následným úhynem organismů. Přes den sice sinice a řasy asimilují a produkují kyslík, v noci však
převládá jejich dýchací aktivita, tudíž v ranních hodinách často dochází k hypoxii. K úbytku koncentrace kyslíku dochází rovněž při hromadném úhynu biomasy sinic a řas. Biomasa klesá ke dnu vodního tělesa a začne se rozkládat za přítomnosti bakterií. Baktérie se začnou rychle rozmnožovat a tudíž spotřebovávají větší množství kyslíku. Vodní vrstvy při dně jsou pak hypoxické, což ohrožuje při dně žijící (bentické) organismy. Úbytek kyslíku v důsledku bakteriální činnosti se určuje pomocí BSK (biologická spotřeba kyslíku; BOD biological oxygen demand). 9
Kromě uhlíku, kyslíku a vodíku, které rostliny získávají přímo z vody a atmosférického
oxidu uhličitého, jsou pro jejich vývoj potřebné dvě základní živiny: dusík a fosfor. Třetím nezbytným prvkem je křemík, jenž je důležitý pro rozvoj rozsivek. V průběhu eutrofizace se koncentrace živin ve vodě mění. V některých případech může být například jeden ze zmíněných prvků vázán ve vodních organismech a nedostupný pro další růst řas. Závisí-li rozvoj sinic a řas v takovémto případě na biodostupné koncentraci jednoho prvku, hovoříme o limitním faktoru. To který prvek bude limitujícím faktorem závisí na jejich vzájemném poměru. Nejčastějším limitujícím faktorem pro růst fytoplanktonu ve sladkých vodách je
koncentrace fosforu.
Pro mořské ekosystémy naopak bývá limitujícím faktorem koncentrace dusíku. Některé povrchové vody, například slepá ramena řek, jsou v jarním období limitovaná
fosforem, ale v letních měsících se limitujícím faktorem může stát dusík nebo křemík.
V pobřežních oblastech moří je růst a masový rozvoj rozsivek podporován přítomností
křemíku.
10
5
8. 10. 2015
Eutrofizací jsou poškozeny především povrchové
vody – řeky, rybníky a jezera.
Z hospodářského hlediska pak dochází ke
zhoršování kvality zdrojů pitné vody a k omezené rekreační využitelnosti vod. Zvýšený přísun živin působí nepříznivě i na půdní a mořské ekosystémy. Vzhledem k rozdílným vlastnostem určitých typů
krajiny a jejich schopností se vyrovnávat se zvýšeným přísunem živin, je třeba odlišně přistupovat minimálně k těmto třem typům recipientů: menší sladkovodních ekosystémy; velká sladkovodní tělesa a moře; půdní ekosystémy.
11
Biologicky rozložitelné látky a odpady Biologicky dostupné sloučeniny dusíku Biologicky dostupné sloučeniny fosforu
12
6
8. 10. 2015
Nadměrné obohacování vod živinami v důsledku lidské činnosti je způsobeno především: splachy, erozí a vyluhováním živin z hnojených zemědělských ploch (především dusík); vypouštěním komunálních a průmyslových odpadních vod do vodotečí (především biologicky rozložitelné látky a fosfor z detergentů). Významná může být i atmosférická depozice dusíku z masového chovu dobytka a ze spalovacích zplodin.
13
Následující lidské činnosti, byť poněkud specifické, zvyšují nebezpečí eutrofizace: rozvoj hospodářského využití vod (dokrmování ryb, rybí exkrementy); transport exotických druhů do nových oblastí (v balastní vodě velkých lodí se nechtěně přepravují i potenciálně nebezpečné sinice, řasy či rostliny do oblastí, kde pak mohou nemajíce přirozeného konkurenta neomezeně růst); stavba vodních nádrží v suchých oblastech (přehrady drénují a přivádějí vodu z rozlehlých oblastí; jelikož je zde vody málo, dochází k rychlé erozi půdy a uvolňování živin z půdy do vody jež se eutrofizuje). 14
7
8. 10. 2015
Snižování obsahu živin v komunálních odpadních vodách čištěním, podpora bezfosfátových pracích prostředků a šetrnější zemědělské postupy jsou opatření, jež mohou v Evropských podmínkách minimalizovat dopad nutrietů na rozvoj eutrofizace. Vliv teplotní stratifikace na míchání vody Vzhledem k teplotní stratifikaci a následné hustotní stratifikaci vodních těles, nedochází v určitých etapách roku k efektivnímu míchání vody v nádržích. V obdobích stagnace pak nedochází k míchání vody a tudíž k rovnoměrnému rozprostření živin a k přístupu kyslíku do nižších vrstev. Míchání je ovlivněno rovněž tvarem dna a břehů, přítomností turbulentních bystřin, přílivem a odlivem.
15
Eutrofizace postihuje především vodní a
půdní prostředí, přírodní zdroje a antropogenní krajinné útvary. Primárními důsledky eutrofizace je narušení kyslíkového a světelného režimu vodních těles, narušení ekologické rovnováhy podporováním rychle rostoucích organismů na úkor pomalu rostoucích, produkce toxinů sinic a úbytek zdrojů pitné vody.
16
8
8. 10. 2015
Vysoký obsah živin ve svých důsledcích vede k porušení
rovnováhy přirozeného prostředí vod.
V neeutrofizovaných vodách rostou na dně vodního tělesa
makrofyta, fytoplankton a plovoucí rostliny nebrání pronikání světla až ke dnu, kde rovněž žijí a množí se ryby, měkkýši, korýši a další organismy. S vyšším přísunem živin počnou mnohem rychleji růst krátkověká makrofyta, produkují více biomasy, objevují se nové druhy a jejich agresivnější růst potlačuje původní druhy rostlin. Často také dochází k masovému nárůstu fytoplanktonu. Pomalu rostoucí druhy nemohou soutěžit v rychlosti růstu s rychle rostoucími druhy, jsou však pro ekosystém stejně důležité, zvyšují míru biodiversity a poskytují útočiště dalším druhům živočichů.
17
Přísun živin způsobuje nárůst biomasy sinic, řas a vyšších rostlin. Za
denního světla produkují fotosyntetizující rostliny, řasy a sinice kyslík a naopak v noci všechny rostliny kyslík dýchají. Dýchání nadměrného množství rostlin a biomasy sinic a řas způsobuje v nočních a zejména ranních hodinách hypoxii v povrchových vodách. Kyslík je dále spotřebováván při mikrobiálních rozkladných procesech organických látek. Jestliže dojde vlivem nárůstu rostlin, řas a sinic a vlivem antropogenního přísunu organických látek k nahromadění biomasy u dna nádrží, je zde veškerý přítomný kyslík spotřebováván mikroorganismy při rozkladu (oxidaci) této organické hmoty. Některé baktérie dokáží využít i kyslík obsažený v síranovém anionu za uvolnění S2-, jež se váže ve vyšších vodních patrech s volným kyslíkem, čímž dále snižuje jeho koncentraci.
18
9
8. 10. 2015
19
Nárůst biomasy rostlin
zabraňuje pronikání slunečních paprsků do nižších pater vodního sloupce, a tudíž negativně ovlivňují fotosyntézu a růst rostlin u dna. Tím rovněž dochází ke změnám druhového zastoupení všech na světlo citlivých organismů.
20
10
8. 10. 2015
Hygienické aspekty toxinů sinic jsou velmi významné. Některé sinice
mají schopnost tvořit toxiny ohrožující zdraví lidí. Toxiny se nacházejí buď uvnitř buněk, nebo se z buněk uvolňují do vody.
Dokud je biomasa sinic mladá, je 70-90% celkového množství toxinů vázáno v buňkách. Později se do vody uvolňuje až 70% množství toxinů. Bezprostřední ohrožení člověka či hospodářských zvířat v důsledku eutrofizace může nastat při kontaktu s vyššími koncentracemi toxinů sinic v silně zarostlých nádržích. Specifické zdravotní riziko představuje voda odebíraná z eutrofizovaných vod pro úpravu na vodu pitnou. Toxiny sinic přítomné ve vodě působí i na ostatní organismy a tudíž ovlivňují druhové složení ekosystémů.
21
V současné době je identifikováno přes 50 druhů sinic produkujících toxiny. V Evropě jsou ve sladkých vodách nejčastějšími producenty toxinů sinice
rodů Microcystis, Anabaena, Aphanizomenon, Oscillatoria, Nodularia a Nostoc. Lidé mohou být vystaveni účinkům toxinů po požití kontaminované pitné vody, při přímém tělesném kontaktu s vodou nebo inhalací aerosolů. Poškození organismu lidí a zvířat toxiny se odehrává na molekulární úrovni s následným poškozením buněk, tkání i orgánů. Hepatotoxiny bývají poškozena játra, často je pozorovatelné podráždění kůže dermatotoxiny či nepřiměřená alergická reakce. Zaznamenány byly rovněž neurotoxické a imunosupresní účinky. Odhaduje se, že nejméně 75% vodních květů je spojeno s produkcí toxinů. Obtížně detekovatelná přítomnost toxinů sinic představuje vážné riziko pro pacienty léčené na dializačních jednotkách (umělá ledvina).
22
11
8. 10. 2015
Odstraňování volných toxinů sinic z vody je velmi obtížné. Při
použití algicidních přípravků hubení sinic a řas dochází k nárazovému uvolnění toxinů do vody. Nárazová aplikace algicidů má za důsledek zvýšenou akumulaci biomasy uhynulých řas a sinic u dna nádrže doprovázenou vysokou mikrobiální aktivitou rozkladu s opětovným úbytkem kyslíku u dna, na což doplácí především bentické organismy.
23
Zvýšené množství živin ve vodách způsobuje snížení jejich
kvality pro vodárenské účely. Úprava eutrofizovaných vod je ekonomicky náročnější.
24
12
8. 10. 2015
25
Zbarvený a toxický příliv, jehož původcem byl pravděpodobně velký
nárůst řas, je znám již mnoho set let. V biblické knize Exodus, 7: 20-24 se lze dočíst: „vody Nilu zrudly jako
krev a ryby v řece uhynuly. Řeka byla otrávena a Egypťané nemohli její vodu pít.“ Vodní květ byl v roce 1638 pozorován rybáři severozápadně od Islandu. Rybáři hlásili, že voda ve fjordech je krvavě zbarvena a domnívali se, že se jedná o krev bojujících velryb či o hmyz nebo rostliny. První vědecky dokumentovaná zpráva o úhynu domácích zvířat, která se
údajně otrávila pitím vody postižené vodním květem sinic, pochází z roku 1878 a popisovala situaci na jezeře Alexandria v Austrálii. 26
13
8. 10. 2015
Zhruba do 50. let 20. století nebyly z odpadních vod
odstraňovány biologicky rozložitelné látky. Používalo se pouze primární čištění. Zvýšená produkce komunálních vod si vyžádala rozvoj a aplikaci sekundárního, biologického, čištění aktivovaným kalem. Vedle biologicky rozložitelných látek jsou významnou příčinou eutrofizace emise nutrientů - biologicky dostupných forem dusíku a fosforu. V posledních desetiletích se tudíž na mnoha čistírnách odpadních vod realizuje i terciární čištění, spočívající právě v odstraňování nutrietů, v tzv. dočišťovacích nádržích. 27
Hlavním antropogenním zdrojem dusíku jsou hnojiva, a atmosférické emise
z dopravy. Koncentrace dusičnanů ve velkých evropských řekách jsou dlouhodobě konstantní a pohybují se okolo 3,5 mg.l-1. Na antropogenních emisích fosforu se podílejí především komunální odpadní vody (včetně fosforečnanů z pracích prostředků). Používání fosforečnanů v zemědělství již není tak významné. Koncentrace fosforečnanů ve velkých evropských řekách v posledních desetiletích poklesly v důsledku zlepšení čištění odpadních vod a menšího používání fosforečnanových pracích prostředků. Byl zaznamenán rovněž pokles průmyslových emisí fosforu do prostředí. V ČR se na koncentraci celkového fosforu v povrchových vodách podílí nepříznivě absence terciálního stupně čištění komunálních odpadních vod. Koncentrace celkového fosforu v povrchových vodách se pohybují od 2 do 3 mg.l-1. I když přísun fosforu z externích zdrojů velmi rychle poklesl, postačil by v současnosti k eutrofizaci fosfor uvolňovaný ze sedimentů.
28
14
8. 10. 2015
V případě některých vodních toků (Labe, Vltava, Morava, Bílina Ohře) došlo v letech 1990-2002 k poklesu koncentrací celkového fosforu. Tento pokles je možné přičítat sníženému používání průmyslových hnojiv v povodí těchto řek. Na koncentracích celkového fosforu ve vodních tocích se nepříznivě odráží skutečnost, že naprostá většina čistíren odpadních vod v České republice není vybavena III. stupněm čištění, při kterém dochází k odstraňování anorganického dusíku a fosforu z odpadních vod.
29
Proces eutrofizace moří nadále pokračuje. Limitním prvkem je zde dusík.
Protože hlavní roli v eutrofizačním procesu, jenž probíhá v letních měsících v pobřežních vodách moří a oceánů, hrají především dusičnany, není snížení emisí fosforu pro mořské ekosystémy významné. Například v jižních oblastech Baltského moře došlo od roku 1960 do 1980 ke ztrojnásobení koncentrace dusíku.
30
15
8. 10. 2015
Úmluva o dálkovém znečišťování ovzduší přecházejícím hranice států z roku
1979 Základním mezinárodním dokumentem omezujícím produkci eutrofizujících látek je Úmluva o dálkovém znečišťování ovzduší přecházejícím hranice států z roku 1979 (Convention on Long-range Transboundary Air Pollution, LRTAP). Úmluvu rozšiřují protokoly zabývající se jednotlivými skupinami emisí.
31
Göteborgský protokol omezující acidifikaci, eutrofizaci a
přízemní ozón (The 1999 GöteborgProtocol to Abate Acidification, Eutrophication and Ground-level Ozone) stanovuje stropní hodnoty pro emise síry, NOx VOC a NH3 pro rok 2010. Protokol ukládá limity pro specifické emisní zdroje jako jsou čistící prostředky a navrhuje BAT (Best Availaible Technologies) pro omezování produkce dusíku například ze zemědělství. Odhaduje se, že zavedením limitů předepsaných protokolem dojde k poklesu rozlohy eutrofizovaných oblastí ze 165 milionů hektarů na 108 milionů hektarů. 32
16
8. 10. 2015
Za potencionálně eutrofizující jsou klasifikovány látky obsahující biologicky
dostupný dusík a fosfor. Dále látky biologicky rozložitelné, které zvyšují BSK či ChSK a tudíž
podporují úbytek koncentrace kyslíku podobně jako rozklad organické biomasy narostlé v důsledku přítomnosti nutrientů.
33
Indikátorem kategorie eutrofizace je ekvivalentní množství
biodostupného fosforu nebo dusíku. Charakterizačním faktorem je zvolen eutrofizační potenciál EP. EP se vyjadřuje jako: ekvivalent PO43-, EP(P) NO3- ekvivalent, EP(N) O2 ekvivalent EP(OD).
První dva charakterizační faktory vyjadřují jaký dopad by měla emise
dané látky přepočtená na fosforečnany, eventuelně dusičnany. Charakterizační faktor vyjádřený jako O2 eqv. (BOD, COD) popisuje
spotřebu kyslíku zapříčiněnou biologickým rozkladem organické látky. 34
17
8. 10. 2015
Vedle sluneční energie potřebují primární producenti, tedy sinice, řasy a
vyšší rostliny pro svůj růst všechny prvky, jež vstupují do jejich anabolismu, tj. syntézy molekul tvořících buňky. Sumární „vzorec“ obecného složení biomasy lze vyjádřit takto: CαHβOγNνPπ , po experimentálně zjištěném vyčíslení by vzorec vypadal konkrétně takto: C106H263O110N16P. Kromě uvedených prvků se v aquatických rostlinách vyskytuje určité množství draslíku, hořčíku, vápníků, síry, železa, manganu, mědi, křemíku a bóru. Principiálně nedostatek každého z uvedených prvků se může stát limitním faktorem růstu rostlinné biomasy. Z praktického hlediska za limitní lze považovat právě množství dusíku a fosforu. Látky obsahující dusík a fosfor v biologicky dostupné formě mohou být tudíž klasifikovány jako potenciálně podporující eutrofizaci.
35
U látek obsahující biologicky dostupný fosfor, respektive dusík, lze
s použitím stechiometrie a molekulární hmotnosti hodnocené látky Mi definovat charakterizační faktory:
Za předpokladu konstantního poměru mezi dusíkem a fosforem v rostlinné biomase průměrného složení C106H263O110N16P lze seskupit (agregovat) oba potenciály do jednoho přepočtem na dusičnanový aniont, kde se z jednoho molu dusíkových atomů teoreticky předpokládá vznik 1 molu dusičnanového aniontu a jeden mol fosforu odpovídá 16 molům dusičnanového anionu.
36
18
8. 10. 2015
V praxi se v posledních letech rozšiřuje charakterizační faktor EP(PO4-)
vyjádřený jako potenciál látky podporovat nárůst biomasy ve srovnání se schopností fosforečnanového anionu podporovat nárůst biomasy. Jinak řečeno, EP popisuje schopnost emitované látky podporovat nárůst biomasy ve srovnání s referenční látkou, fosforečnanem. Jedná se tedy o ekvivalenty PO43-.
37
Látka
EP, kg(PO43--eq)/kg)
amonný iont
0,33
dusičnanový iont
0,1
fosforečnanový iont
1
kyselina fosforečná
0,97
ChSK
0,022
38
19
8. 10. 2015
Jednotkou výsledku indikátoru kategorie dopadu je
ekvivalentní množství PO4, kg(PO4-eq). Výsledek indikátoru dopadu pro kategorii eutrofizace E se
vypočítá pro i látek charakterizovaných faktory EPi a zaústěných do životního prostředí v r emisních tocích takto:
39
Normalizace se provádí pro dané území jako
ekvivalent na jednoho obyvatele. Zjistí se celková produkce emisí všech eutrofizujících látek, vyjádřeno jako PO43- eq. a vydělí se počtem obyvatel regionu.
40
20
8. 10. 2015
Endpointovým indikátorem účinku eutrofizace je například
úbytek počtu biologických druhů v dané lokalitě vyjádřený jako PDF. PDF = (počet druhů na ref. lokalitě – počet druhů stud.lok.)/počet druhů stud.lok. PDF se určuje dle cévnatých rostlin Charakterizace s e provádí jako kategorie dopadu kvalita
ekosystémů EQ EQ = PAF * A * t A plocha území t doba využívání krajiny
41
Mezinárodní dusíková iniciativa:
http://www.initrogen.org/ Úmluva o dálkovém znečišťování ovzduší přecházejícím hranice států, LRTAP: http://www.unece.org/env/lrtap/welcome.html Göteborgský protokol omezující acidifikaci, eutrofizaci a přízemní ozón: http://www.unece.org/env/lrtap/multi_h1.htm Více informací o vývoji eutrofizace lze nalézt na portálu Evropské agentury pro ochranu životního prostředí: http://themes.eea.eu.int/IMS/Overviews/csi_key_mess ages. 42
21
