Vliv lidské činnosti na vodní prostředí II.
Znečišťování vod Znečištění
Jako znečištění lze z praktického hlediska chápat každou změnu přirozených fyzikálních a chemických vlastností vody, která snižuje jejich kvalitu se zřetelem k použitelnosti. •
globální znečištění • acidifikace vodních ekosystémů
• eutrofizace vodních ekosystémů • globální oteplování • UV záření • globální znečišťující látky a radionuklidy •
lokální – bodové a liniové znečištění
• tepelné znečištění
Polutanty
• radionuklidy • pesticidy
• organické toxické odpady (např. formaldehyd, fenoly) • živiny (zejména fosfáty a dusičnany)
• oleje a olejové disperzanty • patogeny
• PCB, PAU • těžké kovy (např. Cd, Zn, Pb, Hg)
• oteplené vody • plyny (např. chlor, amoniak)
• potravinářské odpadní vody • splašky a zemědělská hnojiva
• detergenty • anionty (např. sulfidy, sulfáty, kyanidy)
• kyseliny a zásady
Suspendované látky - stavebnictví, sklárny, metalurgický průmysl 1. Zvýšení turbidity, snížení fotosyntézy, ovlivnění reaerace toku
2. Vypadávání z roztoku, změna charakteru dna 3. Poškození žaber ryb, zanášení povrchu těla a dýchacích orgánů bezobratlých Vliv
Vlivy suspendovaných látek na rybářství Suspendované látky (mg.l-1) > 400 - velmi chudé nebo neexistující rybářství
80 – 400 - nepravděpodobné dobré rybářství 25 – 80 - možná redukce výtěžku
< 25 - žádný škodlivý vliv
Organické znečištění • •
nejstarší a dosud nejrozšířenější typ znečištění lehce odbouratelné látky (nikoliv perzistentní organické polutanty) zdroje - komunální splaškové vody, zemědělství, potravinářský průmysl (např. cukrovary) papírenský a textilní průmysl
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
Eutrofizace Zvyšování úživnosti ekosystémů
INDUKOVANÁ (ANTROPOGENNÍ) EUTROFIZACE Eutrofizace
je definována jako proces zvyšování produkce organické hmoty ve vodě, ke které dochází především na základě zvýšeného přísunu živin (OECD 1982) S postupným nárůstem frekvence lokalit se zjevnou nadprodukcí (tzv. hypertrofie) přechází definice v devadesátých letech do podoby „eutrofizace“ - narušení ekologických procesů následkem přebytku živin v prostředí
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
Zdroje živin Autochtonní – rozklad organické hmoty
– vyluhování sedimentů a hornin – biogenní fixace dusíku – bakterie a cyanobakterie Alochtonní
– eroze půdy – povrchový odtok – znečištění atmosféry NOx
– odpadní vody – odtoky z ČOV bez terciálního čištění
Příčiny indukované eutrofizace • splachy anorganických hnojiv (nitráty a fosfáty) • přírodní výluhy (nitráty a fosfáty)
• přísun nitrátů, fosfátů a amoniaku z odpadů živočišné produkce (močůvka, kejda, chlévská mrva) • srážky • splachy a eroze v důsledku zemědělské výroby, těžby a stavebnictví
• přísun detergentů (fosfáty) • přísun čištěných odpadních vod (nitráty a fosfáty) • přísun nečištěných odpadních vod (nitráty a fosfáty)
Živiny způsobující eutrofizaci
Nutno hledat regresní vztah mezi koncentrací jednotlivých živin a koncentrací chlorofylu a jakožto nejsnadněji měřitelným parametrem charakterizujícím rozvoj řas. Dillon & Rigler (1974) – lineární regresní vztah mezi logaritmem koncentrace fosforu během jarní cirkulace a logaritmem průměrné letní (ve vegetačním období) koncentrace chlorofylu a Straškraba (1980) – u koncentrací fosforu vyšších než 100 μg/l je vhodnější použít místo mocninového logistický vztah, neboť biomasa řas, vyjádřená v chlorofylu a, nemůže být větší než určitá kritická hodnota, nad níž je další rozvoj řas omezen samozastíněním a nikoliv koncentrací živin
Předpoklad, že fosfor vystupuje z makrobiogenních prvků nejčastěji jako limitující prvek, byl potvrzen celou řadou studií a experimentů, u nás např. Komárková (1974) v Klíčavské a Slapské údolní nádrži zjistila zvýšený rozvoj planktonních řas pouze po přidání sloučenin fosforu
Poměr N:P (dusík:fosfor) indikuje, který nutrient je pravděpodobně limitujícím pro růst řas v jezerech N:P < 16:1 = limitace dusíkem (řasy mají méně dusíku) N:P > 16:1 = limitace fosforem (řasy mají méně fosforu) Největším zdrojem celkového dusíku v povodích byl odtok z hnojené zemědělské půdy (50- 67 %); komunální odpadní vody se podílely méně (12-30 %)
Největším zdrojem celkového fosforu v povodích byly komunální odpadní vody (75-90 %); zbývající část pocházela z eroze zemědělské půdy (5-14 %), z přirozeného odnosu v povodí (4-9 %) a z atmosférické depozice na hladinu toků a nádrží (1-2 %).
FOSFOR VE VODÁCH
1. Rozpuštěný anorganicky vázaný fosfor ve formě jednoduchých nebo komplexních orthofosforečnanů nebo polyfosforečnanů 2. Rozpuštěný organicky vázaný fosfor ve formě fosfátů hexos, fosfolipidů, ATP, ADP, nukleových kyslin apod.
Složení fytoplanktonu a jeho změny se změnou trofie: Se zvyšující se trofií dochází obecně ke zvyšování biomasy řas, mění se druhové složení fytoplanktonu, často s převahou monospeciové populace planktonních sinic Oligotrofní jezera Staurastrum, Cosmarium, Staurodesmus, Tabellaria, Cyclotella, Melosira, Dinobryon Mesotrofní jezera Staurastrum, Closterium, Cyclotella, Stephanodiscus, Asterionella, Pediastrum, Eudorina, Peridinium, Ceratium
Eutrofní jezera Melosira, Asterionella, Stephanodiscus, Scenedesmus, Eudorina, Aphanizomenon,Microcystis, Anabaena
TOXINY SINIC (CYANOTOXINY)
1. cytotoxiny – cytotoxické a cytostatické účinky 2. biotoxiny – neurotoxiny, hepatotoxiny Neurotoxiny (anatoxin, aphanotoxin)
- termolabilní, blokují sodíkový kanál membrán → křeče pohybového svalstva, dávení, dušení Hepatotoxiny (microcystin) - termostabilní, poškození struktury a funkce jater
Cyanotoxiny přítomné ve vodách: - poruchy zažívacího traktu - alergické reakce (záněty spojivek, svědí pokožka…..)
-onemocnění jater !!! CHRONICKÁ ONEMOCNĚNÍ !!!
Boj proti eutrofizaci Omezení (redukce) externího přísunu živin – modifikace technologických výrobních postupů (detergenty) – odstraňování N a P z odpadních vod – úpravy v povodí (aplikace protierozních opatření)
Kontrola interních procesů („Ekotechnologie“) – aerace hypolimnia
- destratifikace – srážení fosforu a ošetření sedimentů – odstraňování sedimentu vybagrováním – odstraňování makrovegetace a sinic – využití býložravých a algivorních ryb – použití algicidů, flokulantů a koagulantů – použití cyanofágů
– biomanipulace
! KOMBINACE OBOU STRATEGIÍ JE NEJVHODNĚJŠÍ !
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)
Acidifikace vodních ekosystémů Identifikace zdrojů
Koncentrace S ve vzduchu a kyselost srážek Většina kyselých srážek dopadá na zemský povrch v oblasti produkce, ale určitá část může být transportována větrem tisíce kilometrů ~ 17 % kyselých depozic v Norsku pochází z Anglie a 20 % depozic spadlých ve Švédsku z východní Evropy.
Ve srovnání s neznečištěnými srážkami (pH 5,6), mají mnohá průmyslová území srážky s hodnotou pH 4,0 – 4,54, lokálně toto pH může klesnout až na 3,0.
Vliv geologických podmínek
Kyselé horniny – žuly (granity, granodiority), některé metamorfity
Acidifikace a chemie vody
•
vysrážení Ca a Mg – sírany – nedostupné pro organismy
•
porušený hydrogen-karbonátový ústojný systém
•
speciace a změna rozpustnosti kovů a solí kovů, biodostupnost toxických kovů – Al, Cu, Zn aj.
Acidifikace a organismy
Acidosenzitivní organismy – vápenité vnější schránky a kostry, vnější žábra, nechráněná vývojová stádia, zpravidla permanentní organismy
Acidotolerantní organismy – dýchání celým povrchem těla, plastronové dýchání a nebo vzdušný kyslík, temporární organismy Domluvená hranice acidifikace povrchových vod pH 5,5, silná acidifikace pod pH 4,5
Fytoplankton Zpravidla dominují obrněnky (Dinoflagellata) Ovlivnění bottom-up (vysrážení fosforu hliníkem) Fytobentos Zpravidla dominují rozsivky a zelené vláknité řasy
Ovlivnění top-down (absence bezobratlých spásačů) Zoobentos Nejvíce senzitivní jsou zpravidla jepice Nejodolnější jsou zpravidla chrostíci Napříč různými taxonomickými skupinami jsou nejodolnější obvykle kouskovači (shredders) Vliv sníženého pH (H+)
Vliv top-down kontroly (absence rybích predátorů) Absence CaCO3 nutného pro tvorbu krunýřů (raci, blešivci, plži)
Vliv na ryby
Rozsah pH 6,5 – 9 - žádný vliv 6,0 – 6,4 - pravděpodobně žádný škodlivý vliv s výjimkou velmi vysokých koncentrací CO2 (>1000 mg/l) 5,0 – 5,9 - žádný specifický škodlivý vliv s výjimkou vysokých koncentrací CO2 (> 20 mg/l) nebo pokud jsou přítomné železité ionty 4,5 – 4,9 - škodlivý vliv na jikrách salmonidů a dospělců ryb, pokud jsou koncentrace Ca2+, Na+ a Cl- nízké
4,0 – 4,4 - škodlivý vliv pro dospělce různých druhů ryb, které nebyly aklimatizovány na nízké pH 3,5 – 3,9 - letální pro salmonidy, aklimatizované plotice mohou přežívat delší období 3,0 – 3,4 - většina ryb je usmrcena během několika hodin
Kyselé důlní vody
Vlivy • kyselost
• toxicita kovů • salinizace
• sedimentace vysráženého železa
Těžké kovy •
cca 40 prvků, specifická hmotnost vyšší než 5 g/m 3 - Hg, Cr, Pb, Ni, Zn, Cu
•
stopové prvky – nezbytné pro organismy
•
součást přirozeného pozadí (liší se podle místních podmínek).
•
vyšší koncentrace – toxické působení
•
zdroje - těžba a zpracování rud a uhlí, spalování fosilních paliv, průmysl, pesticidy
Těžké kovy
Specifická hmotnost > 5 g. m-3 Antropogenní činnost – metalurgie, spalování uhlí, doprava, zemědělství
Forma výskytu - rozpustné vs nerozpustné sloučeniny - oxidační stupeň
- organická vs anorganická forma Kumulace
Vazba na povrchu drobných částic → sedimenty Uvolňování → rozpuštěná forma
Schopnost většiny kovů akumulovat se do sedimentů
Toxické kovy •
Hg – bioakumulace v tukových tkáních, oragnosloučeniny – metylrtuť a etylrtuť, akutní a chronická toxicita
•
Cd – bioakumulace v tukových tkáních, chronická toxicita
•
Pb – dtto, metylolovo, etylolovo, chronická toxicita
•
As, Co, V, Ni, Cr, Zn – biokoncentrace, přímá akutní toxicita
Mimořádně toxické kovy
- blokují činnost enzymů obsahujících – SH skupiny - Hg, Pb, Cd, As, Se, Cu, V Chronickýcká onemocnění - nádorová (As, Cr, Cd, Ni)
-teratogenní (Hg, Pb) Ve směsi se toxické účinky jednotlivých kovů mohou vzájemně zesilovat (synergismus Cd + Zn, Ni + Zn, Hg + Cu), nebo zeslabovat (Se + Cd, Se + Hg).
Kadmium (Cd) Patří mezi kovy s největším potenciálem znečištění; kumuluje se především ve vodních sedimentech a suspendovaných částečkách. Během letních měsíců obsahuje povrchová voda relativně vysoké koncentrace kadmia, především rozpustného iontu CdCl +; naopak anaerobní vrstva u dna je chudá na kadmium, protože, sulfid vzniklý mikrobiální redukcí sráží kadmium na nerozpustný sulfid kademnatý.
Podzimní míchání vody způsobuje desorpci kadmia – rozpuštěné kadmium poté reaguje se suspendovaným materiálem a sedimentuje Pokud je pH > 8, je Cd přítomno ve volné iontové formě Cd 2+
Hodnoty kadmia se nezvyšují se vzrůstajícím stupněm potravního řetězce v ekosystému povrchových vod Jako bioindikátoru zatížení vod kadmiem je vhodné používat organismy zooplanktonu a bentosu spíše než ryby.
Beruška snadno akumuluje Cd z vody
Příjem Cd potravou (i v případě jeho vysoké koncentrace) se jeví jako méně účinný Vysoce účinná biokoncentrace Cd z vody indikuje, že predace na beruškách může představovat významný mechanismus pro vstup Cd do akvatických potravních řetězců
Arzén (As) Přírodním zdrojem je litosféra, kde zvětráváním arzenopyritu, popř. jiných minerálů obsahujících arzen, vznikají sekundární metabolity, nejčatěji arseničnany.
Arzenopyrit je v zemské kůře stabilní, je-li pod hladinou podzemní vody – octne-li se v zóně nenasycené vodou, dochází k jeho oxidaci a tím ke vzniku sekundárních minerálů. Arzen uvolněný do vody představuje závažný polutant Bangladéš – podzemní voda z deltových náplavů řeky Gangy (cca 78 mil. lidí); V důsledku oxidace minerálů obsahujících arzén dosahuje koncentrace arzénu v podzemní vodě hodnot až 3 700 μg/l → chronická onemocnění a úmrtí stovek až tisíců lidí
Olovo (Pb)
• nebyla prokázána biomagnifikace podél potravního řetězce • kumulace v sedimentech a tvorba methylderivátů • toxické působení zejména na vodní ptactvo – konzumace olověných
broků z myslivecké činnosti a olověných zátěží používaných rybáři • USA – 2,4 mil ptáků /rok
• Velká Británie – 8000 kachen/rok (Anas platyrhynchos) • labutě (Cygnus olor) – z 1500 mrtvých labutí v letech 1981-1984 zahynulo 60 % v důsledku otravy olovem z olůvek a zátěží
Organické sloučeniny cínu (Sn)
Antikorozní barviva a nátěry – kontakt s vodním prostředím Nejtoxičtější jsou sloučeniny obsahující tři organické skupiny (metyl-butyl)
Organické polutany
•
ropné uhlovodíky a polyaromatické uhlovodíky (PaHs)
•
polychrované bifenyly (PCBs)
•
polychrované dibenzodioxiny (PCDDs)
•
polychlorované dibenzofurany (PCDFs)
•
polybromované bifenyly (PBBs)
•
chlorované pesticidy
•
organofosforové pesticdy
•
karbamatové pesticidy
•
pyretroidy
•
fenoxy herbicidy
•
chlorfenoly a chlorkresoly
•
…….
Ropné látky a uhlovodíky uhlovodíky a jejich směsi, které jsou tekuté při teplotách + 40 oC a nižších. Patří mezi ně motorová paliva, mazací a topné oleje, benzín, nafta, petrolej, ropa a podobné látky.
Havárie, splachy nafty a olejů ze silnic, lodní doprava
nehody tankerů a úniky ropy z tankerů představují minoritní zdroj ropného znečištění vodních ekosystémů, cca 6 %. Vliv ropných látek na organismy
• přímá toxicita • fyzikální udušení
Degradace uhlovodíků a ropných látek • uhlovodíky a jejich deriváty dokáží rozkládat různé druhy mikrorganismů. -- bakterie, kvasinky a vláknité houby. Polycyklické aromatické uhlovodíky dokáží štěpit vedle baktérií i dřevokazné houby způsobující bílou hnilobu dřeva. • doposud bylo zjištěno, že cca 21 rodů baktérií, 10 rodů hub a 5 rodů kvasinek má schopnost degradovat uhlovodíky. Smíšená populace mikroorganismů může degradovat až 97 % ropy. Preference substrátů je obecně v řadě alifatické > heterocyklické > asfalteny. • rozklad uhlovodíků a jejich derivátů probíhá za aerobních i anaerobních podmínek
PBTs (Persistent, bioaccumulative, toxic) • chlorované pesticidy, polychlorované bifenyly, polychlorované dibenzodioxiny a dibenzofurany polycyklické aromatické uhlovodíky • skupina organických sloučenin, jejichž dominantními fyzikálněchemickými a environmentálně-chemickými vlastnostmi jsou: 1. odolnost vůči různým degradačním procesům, 2. malá rozpustnost ve vodě,
3. lipofilní charakter a z toho plynoucí výrazná tendence k bioakumulaci a 4. polotěkavost umožňující globální atmosférický transport
Pesticidy
• chemické, biocidní látky používané na ochranu užitkových rostlin v zemědělství a lesnictví, proti plevelům, houbám a živočišným škůdcům. • ve vodním hospodářství, slouží např. k likvidaci některých vodních rostlin, k redukci zooplanktonu v případě ohrožení ryb kyslíkovým deficitem nebo např. k antiparazitárnímu ošetření kaprovitých ryb Organochlorové insekticidy (organochlory) 1. Zásah do transportu K+, Na+, Mg2+ a funkce ATP-ázy - narušení přenosu uvedených prvků přes membránu nervových vláken a tím pravděpodobně i přenos nervových vzruchů, což nepříznivě ovlivňuje funkci nervového systému a samotného mozku. 2. Ovlivnění existence estrogenních hormonů a metabolismu Ca 2+, což vyvolává poruchy v reprodukci, snižuje plodnost a přežívání mláďat.
Bipyridilové herbicidy (např. Gramoxone S)
• silné, rychle působící kontraktní chemikálie širokého působení, které ničí buněčné membrány Polychlorované bifenyly (PCBs) • velká stálost, odolnost vůči vysokým teplotám, dobré tepelné a nízké elektrické vodivosti a malá rozpustnost ve vodě • široké uplatnění především v elektrotechnice
Polychlorované dibenzo-para-dioxiny (PCDDs) Polychlorované dibenzofurany (PCDFs) • nikdy se cíleně nevyraběly a průmyslově nevyužívaly, ale vznikaly a stále vznikají jako nežádoucí vedlejší produkty v průmyslových výrobách, zvláště chemických, hutních a zejména při spalovacích procesech. • vysoký bod tání, malá rozpustnost ve vodě, lipofilní charakter
Polycyklické aromatické uhlovodíky (PAU)
• spalování uhlí, koksárenský průmysl, ropné havárie, automobilová doprava
Povrchově aktivní látky (tenzidy) Skupina organických látek, které se již při nízké koncentraci významně hromadí (adsorbují) na fázovém rozhraní a snižují tak mezifázovou, resp. povrchovou energii. Výsledkem je vznik fázového rozhraní – pevné blanky na povrchu
Detergenty • přípravky na praní a čištění, které obsahují jeden nebo více tenzidů a další přísady, které zvyšují účinnost směsi. Přísady se dělí na: (i) aktivační přísady; (ii) pomocné přísady; (iii) plnící přísady (plnidla). Detergence
proces odstraňující z tuhého povrchu tuhé i kapalné částečky hmoty kombinovaným využitím mechanické práce a účinku tenzidu (praní a čištění).
Vlivy tenzidů na hydrosféru • pro živou přírodu jsou všechny tenzidy biologicky aktivními látkami, neboť svými povrchovými efekty ovlivňují děje na membránách buněk. • pěnění zhoršení rozputnosti kyslíku (snížení intenzity reaerace)
1. Biodegradabilita 2. Toxicita
3. Eutrofizace Měkké tenzidy – rozklad > 90 % během 14dní
Obdouratelné – rozklad 35-90 % během 14 dní Tvrdé tenzidy - < 35 % během 14 dní
Polyfosforečnany detergentů (35-40 %) Zejména kationtové tenzidy (baktericidní a bakteriostatické)
Se zvyšujícím se počtem uhlíků řetězce klesá biodegradabilita a roste toxicita. Odbourávání tenzidů probíhá snadno, jestliže jejich struktura obsahuje lineární, nerozvětvený a nesubstituovaný uhlovodíkový řetězec. U neionických tenzidů na bázi polyethylenoxidu klesá rychlost odbourávání tím více, čím je větší polymerační stupeň molekul.
Radionuklidy
Radionuklidy (radioaktivní izotopy) jsou produktem rozpadu těžkých jader, jako např. uranu či plutonia, nebo vznikají reakcí neutronů se stabilním jádry V důsledku bioakumulace vodními živočichy působí radionuklidy jako tzv. vnitřní zářiče. Při přemístění vodních živočichů kontaminovaných radionuklidy do neaktivní vody dochází k jejich dekontaminaci.
Nejvíce radioaktivních látek je v organismech primární trofické úrovně; v tekoucích vodách se snižuje specifická aktivita radioizotopů podél trofického řetězce.
RADON (Rn) v pitné vodě Nebezpečí radioaktivní kontaminace organismu inhalací či konzumací pitné vody obsahující radon je ve srovnání s kouřením zanedbatelné.
TOXICITA Bývá definována jako jedovatý účinek znečišťující látky (polutantu), který potlačuje až ničí život v ekosystémech. Akutní toxicita (velká dávka jedu krátkého trvání) Je obvykle letální, tj. jedovatý účinek toxické látky se projevuje okamžitě Chronická toxicita (nízká dávka jedu po dlouhou dobu) Může být buď letální nebo subletální, tj. účinek se projevuje až po několika měsících či rocích působení a často dochází k hromadění (kumulaci) jedovatých látek v tělech organismů. Projevy se zjišťují zpravidla až u dalších vývojových generacích (genotoxicita)
Terminální toxicita V důsledku vysoké expozice toxické látky dochází ke smrti organismu, protože počet poškozených buněk je větší než počet buněk schopných reparace Replikující toxicita Poškození (buněk) organismu se mohou projevit v zasažené populaci i po delším čase (v následující generaci)
TOXICITA VODY zejména účinek cizorodých látek, které se do recipientu dostávají především s nejrůznějšími odpadními vodami, ale existuje i přirozená toxicita, která vzniká v přírodních vodách bez lidského zásahu (jedovaté meziprodukty rozkladu organických látek – sulfan, hydroxylamin, amoniak). Toxikologie vod se zabývá hlavně akutní toxicitou
Chronická toxicita má význam pro pitné vody z hlediska stanovení prahových koncentrací a nejvyšších přípustných koncentrací látek (NPK) ve vodě. NPK je koncentrace látky a jejích metabolitů ve vodách, která při stálém působení nevyvolá negativní účinky na hydrochemický režim recipientů a na mikroorganismy, primární producenty, planktonní a bentické organismy a ryby.
Směsi jedů vykazují kombinovaný vliv 1. Přídatný (aditivní, vlivy se sčítají)
2. Látky mohou jedna s druhou interferovat (antagonismus) 3. Celkový vliv na organismus může být větší, než když působí látka samostatně (synergismus)
Subletální vlivy můžeme pozorovat na úrovni biochemické, fyziologické, behaviorální nebo úrovni životního cyklu. Včasná detekce abnormalit v tkáních organismů může poskytnout důkaz o expozici organismu působení polutantů dlouho před tím, než se objeví závažné poruchy organismu. - síhové (Coregonus sp.) z jezer kontaminovaných olovem vykazovali značnou inhibici aktivity enzymu alanin deaminázy (ALA-D) v červených krvinkách, ale navzdory postižení 88 % síhů nebylo pozorováno žádní trvalé snížení obsahu hemoglobinu nebo hodnot hematokriu
- koncentrace Cd 1 mg.l-1 podstatně snížila fotosyntézu sinice Anabaena inaequlis, při koncentraci 20 mg.l-1 byla fixace oxidu uhličitého kompletně inhibována Při nízkých hladinách polutantů je organismus udržován ve zdravém stavu homeostatickými mechanismy; se vzrůstající koncentrací se objevují různé kompenzace; při ještě vyšších koncentracích začíná být organismus stresován, objevují se fyziologické poruchy, organismus není schopen nahradit ztráty → smrt organismu
Toxické vlastnosti polutantu Toxicita polutantu musí být funkcí chemické struktury nebo konfigurace a zcela malá změna v molekule jedu může způsobit velké kolísání toxicity Existence empirických vztahů mezi chemickou strukturou a toxicitou byla potvrzena u nejrůznějších složek a stala se základem tzv. QSAR (quantitative structure-activity relationships).
QSAR mohou být použity k predikci toxicity např. u látek, které doposud nebyly syntetizovány.
Z hlediska působení toxických látek na ekosystémy je dále důležitý rozdíl mezi: a) přímou toxicitou, kdy látka působí ve své původní podobě,
b) nepřímou toxicitou, kdy toxicky nepůsobí původní látka, ale např. meziprodukty jejího rozkladu a c) kumulativní toxicitou, kdy toxická látka je v organismu postupně ukládána (kumulována) a její účinky se manifestují až po dosažení prahové koncentrace
Toxické působení nějaké látky v ekosystému můžeme sledovat i pomocí výpočtu tzv. druhového deficitu, který vyjadřuje, o kolik procent je zkoumaná lokalita chudší na druhy organismů než referenční lokalita na srovnatelném nezasaženém úseku. F = A1 - Ax / A1
kde F = druhový deficit v %, Ax = počet druhů na lokalitě x, kterou zkoumáme a A1 = počet druhů na referenční lokalitě. Výsledek 0 % znamená, že zde není vůbec žádný toxický vliv, výsledek 100 % znamená totální zničení biocenózy. Přechod mezi oběma extrémy pak udává přibližně toxické působení jedovatých látek na zkoumaných lokalitách.
Rozložitelnost a toxicita určují chování látek v prostředí. Podle těchto kritérií lze látky přicházející do vodního prostředí rozdělit do následujících skupin: a) látky rozložitelné a netoxické b) látky rozložitelné a toxické c) látky těžko rozložitelné a netoxické d) látky těžko rozložitelné a toxické
Údaje o toxicitě jednotlivých látek mohou poskytnout pouze biologické metody hodnocení, tzv. biologické testy toxicity (biotesty) BIOTEST (bioassay) Definován jako zkouška, která stanoví množství nebo koncentraci látky v prostředí pomocí reakcí živého organismu. V širším pojetí se jedná o stanovení biologického účinku nějaké látky nebo faktoru prostředí. Protože v přírodě působí faktory komplexně, volí se preferenčně metody laboratorní, které využívají jediný druh organismu, který je vystaven změnám jediného faktoru za časový interval v kontrolovaných podmínkách
Testy toxicity na vodních organismech (biotesty) se mohou provádět v podstatě na třech úrovních a) na úrovni buněk
b) na úrovni organismů c) na úrovni společenstev Rozeznáváme 3 generace biotestů na vodních organismech: 1. generace – tzv. klasické (standardní, konvenční ) biotesty 2. generace – mikrobiotesty (alternativní testy toxicity)
3. generace – biosenzory nebo biosondy
Biotesty 1. generace v ČR jsou doporučovány 3 konvenční testy, identické s evropskými ISO a OECD normami: • 48-96 h akutní test toxicity na rybách (Poecilia reticulata, Brachydanio rerio) • 24-48 h imobilizační test na perloočkách (Daphnia magna)
• 72 h růstově inhibiční test na řasách (Raphidocelis subcapitata, Scenedesmus quadricaudata)
Mikrobiotesty
• Miniaturizace testů (zkumavky, kyvety, mikrotitrační destičky), zkrácení doby kultivace • organismy se dlouhodobě uchovávají v klidových stádiích (bezobratlí), v lyofilizovaném stavu (baktérie) nebo v imobilizované formě (řasy) a před vlastním testováním se oživí Bateriové biotesty
užívají souboru různých organismů (bakterie, řasa, perloočka). Do baterie jsou individuální testy vybírány tak, aby v dané baterii byly zastoupeny různé trofické stupně (tj. úroveň primárního producenta – řasy), úroveň konzumenta (bezobratlí) a úroveň destruenta (bakteriální test)
Příklad „screeningové baterie“ Microtox – bakteriální luminescenční test Thamnotoxkit F; Rotoxkit F… - bezobratlí Algaltoxkit F – řasový test na destičkách, spektrofotometrické hodnocení
Testy na úrovni biocenóz
- toxický účinek se sleduje v přírodě samotné a nebo na modelu, který je jí blízký. - změny ve složení biocenóz nemusí být vždy vyvolány přímým toxický účinkem na určitý druh, ale mohou být výsledkem narušení potravního řetězce apod. – reprodukovatelnost testů je omezená
Biomarkery (Biologické a biochemické indikátory kontaminace) vybrané parametry, jejichž měřitelné změny jsou prvními, časnými odpověďmi na expozici cizorodými látkami. Biomarkery zpravidla indikují mechanismus toxicity, nikoliv určitou látku, ale některé biochemické parametry mohou specificky odrážet expozici některou třídou nebo skupinou kontaminantů. Biologickými modely jsou nejčastěji jaterní tkáň, či primární hepatocyty.
Biomarkery by měly intenzívně odrážet vliv znečišťujících látek, ale přitom výrazně nepodléhat fyziologickému kolísání !!!
Akumulace (hromadění látky v organismu) Bioakumulace - pouhý příjem z vody, nezávislý na trofickém stupni
- důležitý aspekt subletální toxicity - hladiny polutantů v tkáních žijících organismů jsou užívány k indikaci stupně kontaminace vodního prostředí (biomonitoring) Biomagnifikace
- zvyšování koncentrace polutantu podél trofického řetězce - typické pro organochlorové pesticidy, výjimečně u kovů (Hg) Biokoncentrační faktor (BCF)
- zpravidla určován v laboratoři; jedná se o poměr mezi koncentrací v organismu a koncentrací ve vodě, dosažený „steady state“ - všeobecně považován za validní indikátor kapacity polutantu kumulovat se v živočišných tkáních.
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).
Globální vlivy – klimatické změny
Tepelné znečičtění
Zvýšená teplota • snížení hustoty vody (↓ viskozity) • snížení nasycení vody kyslíkem
• zvýšení toxicity některých látek • zvýšení rozkladných procesů(↓ O2)
Maximální tolerovaná teplota
= teplota, která umožňuje reprodukci sledovaného druhu
Biota • kvalitativní i kvantitativní změny společenstev, vliv na rychlost vývoje, reprodukci, vymizení citlivějších druhů • urychlení larválního vývoje • zrychlení metabolismu → zrychlený žír → vyšší biomasa • pokles druhové diverzity • zvýšení abundance a biomasy dominantních taxonů
• raná stádia (po vykulení či vylíhnutí) jsou nejcitlivější • tolerované teploty → teplotní adaptace Aklimatizací lze uměle zvýšit teplotu vody, při které organismus přežívá a je schopen ……. Využití oteplené vody
1. rychlený plůdek 2. chov tropických ryb (Tilapia)
