Vladimír Kočí Ústav chemie ochrany prostředí VŠCHT Praha. Nadbytek živin na první pohled vesnická idyla.

Transkript

1 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 vprostředí má za následek nežádoucí změny v druhovém složení či výrazný nárůst biomasy aquatickýchi půdních ekosystémů. Pojem eutrofizace(úživnost) zahrnuje všechny potencionální dopady zvýšení koncentrací živin, především dusíku a fosforu, v prostředí. 2 1

2 Emise komunálních (a průmyslových) odpadních vod byly jedním z prvních všeobecně zjevných environmentálních problémů. Přítomnost bakteriálně rozložitelných látek vodpadních 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 Přirozenáeutrofizace 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 zazeměnía zániku jezer. Antropogenníeutrofizace 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

3 5 6 3

4 7 Pojem eutrofizace zahrnuje všechny potenciální dopady zvýšení koncentrací biodostupnýchlátek a živin, především dusíku a fosforu, v prostředí. Zpohledu 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

5 Eutrofizovanévodní 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, vnoci však převládá jejich dýchací aktivita, tudíž vranních hodinách často dochází khypoxii. Kúbytku 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 vdůsledku bakteriální činnosti se určuje pomocí BSK (biologická spotřeba kyslíku; BOD biologicaloxygen demand). 9 Kromě uhlíku, kyslíku a vodíku, které rostliny získávají přímo zvody 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. Vprůběhu eutrofizace se koncentrace živin ve vodě mění. Vněkterých případech může být například jeden ze zmíněných prvků vázán ve vodních organismech a nedostupný pro další růst řas. Závisí-li rozvoj sinic a řas vtakovémto případě na biodostupnékoncentraci 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 vjarním období limitovaná fosforem, ale v letních měsících se limitujícím faktorem může stát dusík nebo křemík. Vpobřežních oblastech moří je růst a masový rozvoj rozsivek podporován přítomností křemíku. 10 5

6 Eutrofizací jsou poškozeny především povrchové vody řeky, rybníky a jezera. Zhospodářského hlediska pak dochází ke zhoršování kvality zdrojů pitné vody a komezené rekreační využitelnosti vod. Zvýšený přísun živin působí nepříznivě i na půdní a mořské ekosystémy. Vzhledem krozdílným vlastnostem určitých typů krajiny a jejich schopností se vyrovnávat se zvýšeným přísunem živin, je třeba odlišně přistupovat minimálně ktěmto 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

7 Nadměrné obohacování vod živinami vdůsledku lidské činnosti je způsobeno především: splachy, erozí a vyluhováním živin zhnojených 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 zmasového 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 vsuchých oblastech (přehrady drénují a přivádějí vodu zrozlehlých oblastí; jelikož je zde vody málo, dochází krychlé erozi půdy a uvolňování živin způdy do vody jež se eutrofizuje). 14 7

8 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 kteplotní stratifikaci a následné hustotní stratifikaci vodních těles, nedochází vurčitých etapách roku kefektivnímu míchání vody vnádržích. Vobdobích stagnace pak nedochází kmíchání vody a tudíž krovnoměrnému rozprostření živin a kpřístupu 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

9 Vysoký obsah živin ve svých důsledcích vede kporušení rovnováhy přirozeného prostředí vod. Vneeutrofizovanýchvodách 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. Svyšším 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 kmasovému nárůstu fytoplanktonu. Pomalu rostoucí druhy nemohou soutěžit vrychlosti růstu srychle rostoucími druhy, jsou však pro ekosystém stejně důležité, zvyšují míru biodiversitya poskytují útočiště dalším druhům živočichů. 17 Přísun živin způsobuje nárůst biomasy sinic, řas a vyšších rostlin. Za denního světla produkují fotosyntetizujícírostliny, 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 knahromadění biomasy u dna nádrží, je zde veškerý přítomný kyslík spotřebováván mikroorganismy při rozkladu (oxidaci) této organické hmoty. Některé baktérie dokážívyužít i kyslík obsažený vsíranovém anionu za uvolnění S 2-, jež se váže ve vyšších vodních patrech svolným kyslíkem, čímž dále snižuje jeho koncentraci. 18 9

10 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

11 Hygienické aspekty toxinů sinic jsou velmi významné. Některé sinice mají schopnost tvořit toxiny ohrožující zdraví lidí. Toxiny se nacházejí buď uvnitř buněk, nebo se zbuněk 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 vdůsledku eutrofizace může nastat při kontaktu svyššími 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. VEvropě 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. Hepatotoxinybývají 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)

12 Odstraňování volných toxinů sinic zvody 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 sopětovným úbytkem kyslíku u dna, na což doplácí především bentické organismy. 23 Zvýšené množství živin ve vodách způsobuje snížení jejich kvality pro vodárenské účely. Úprava eutrofizovanýchvod je ekonomicky náročnější

13 25 Zbarvený a toxický příliv, jehož původcem byl pravděpodobně velký nárůst řas, je znám již mnoho set let. V biblické knize Exodus, 7: se lze dočíst: vody Nilu zrudly jako krev a ryby vřece uhynuly. Řeka byla otrávena a Egypťané nemohli její vodu pít. Vodní květ byl vroce 1638pozorován 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

14 Zhruba do 50. let 20. století nebyly zodpadních 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. Vposledních 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 zdopravy. Koncentrace dusičnanů ve velkýchevropských 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 zpracích prostředků). Používání fosforečnanů v zemědělství již není tak významné. Koncentrace fosforečnanů ve velkých evropských řekách vposledních desetiletích poklesly vdůsledku zlepšení čištění odpadních vod a menšího používání fosforečnanových pracích prostředků. Byl zaznamenán rovněž pokles průmyslových emisí fosforu do prostředí. VČR se na koncentraci celkového fosforu vpovrchových vodách podílí nepříznivě absence terciálního stupně čištění komunálních odpadních vod. Koncentrace celkového fosforu vpovrchových vodách se pohybují od 2 do 3 mg.l -1. I když přísun fosforu zexterních zdrojů velmi rychle poklesl, postačil by v současnosti k eutrofizaci fosfor uvolňovaný ze sedimentů

15 V případě některých vodních toků (Labe, Vltava, Morava, Bílina Ohře) došlo v letech 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 veutrofizačním procesu, jenž probíhá vletních měsících vpobřežních vodách moří a oceánů, hrají především dusičnany, není snížení emisí fosforu pro mořské ekosystémy významné. Například vjižních oblastech Baltského moře došlo od roku 1960 do 1980 ke ztrojnásobení koncentrace dusíku

16 Úmluva o dálkovém znečišťování ovzduší přecházejícím hranice států zroku 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 Göteborgskýprotokol omezující acidifikaci, eutrofizaci a přízemní ozón (The 1999 GöteborgProtocol to Abate Acidification, EutrophicationandGround-levelOzone) stanovuje stropní hodnoty pro emise síry, NOxVOC a NH3 pro rok 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

17 Za potencionálně eutrofizujícíjsou klasifikovány látky obsahující biologicky dostupný dusík a fosfor. Dále látky biologicky rozložitelné, které zvyšují BSK či ChSKa tudíž podporují úbytek koncentrace kyslíku podobně jako rozklad organické biomasy narostlé v důsledku přítomnosti nutrientů. 33 Indikátorem kategorie eutrofizaceje ekvivalentní množství biodostupného fosforu nebo dusíku. Charakterizačním faktorem je zvolen eutrofizační potenciál EP. EPse vyjadřuje jako: ekvivalent PO 4 3-, EP(P) NO 3- ekvivalent, EP(N) O 2 ekvivalent EP(OD). První dva charakterizační faktory vyjadřují jaký dopad by měla emise dané látky přepočtená na fosforečnany, eventuelně dusičnany. Charakterizační faktor vyjádřený jako O 2 eqv. (BOD, COD) popisuje spotřebu kyslíku zapříčiněnou biologickým rozkladem organické látky

18 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: C α H β O γ N ν P π, po experimentálně zjištěném vyčíslení by vzorec vypadal konkrétně takto: C 106 H 263 O 110 N 16 P. Kromě uvedených prvků se vaquatickýchrostlinách vyskytuje určité množství draslíku, hořčíku, vápníků, síry, železa, manganu, mědi, křemíku a bóru. Principiálně nedostatek každého zuvedených prvků se může stát limitním faktorem růstu rostlinné biomasy. Zpraktického hlediska za limitní lze považovat právě množství dusíku a fosforu. Látky obsahující dusík a fosfor vbiologicky dostupné formě mohou být tudíž klasifikovány jako potenciálně podporující eutrofizaci. 35 U látek obsahující biologicky dostupný fosfor, respektive dusík, lze spoužitím stechiometrie a molekulární hmotnosti hodnocené látky Mi definovat charakterizační faktory: Za předpokladu konstantního poměru mezi dusíkem a fosforem v rostlinné biomase průměrného složení C 106 H 263 O 110 N 16 P 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

19 Vpraxi se vposledních letech rozšiřuje charakterizační faktorep(po 4- ) 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 sreferenční látkou, fosforečnanem. Jedná se tedy o ekvivalenty PO Látka EP, kg(po 3-4 -eq)/kg) amonný iont 0,33 dusičnanový iont 0,1 fosforečnanový iont 1 kyselina fosforečná 0,97 ChSK 0,

20 Jednotkou výsledku indikátoru kategorie dopadu je ekvivalentní množství PO 4, kg(po 4- eq). Výsledek indikátoru dopadupro kategorii eutrofizace E se vypočítá pro i látek charakterizovaných faktory EP i a zaústěných do životního prostředí vremisních tocích takto: 39 Normalizace se provádí pro dané území jako ekvivalent na jednoho obyvatele. Zjistí se celková produkce emisí všech eutrofizujících látek, vyjádřeno jako PO 4 3- eq. a vydělí se počtem obyvatel regionu

21 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: Úmluva o dálkovém znečišťování ovzduší přecházejícím hranice států, LRTAP: Göteborgský protokol omezující acidifikaci, eutrofizaci a přízemní ozón: Více informací o vývoji eutrofizace lze nalézt na portálu Evropské agentury pro ochranu životního prostředí: ages