BIOINDIKACE A BIOMONITORING

Transkript

1 Česká zemědělská univerzita v Praze Fakulta životního prostředí Doc. RNDr. Petr Anděl, CSc. BIOINDIKACE A BIOMONITORING (studijní texty) 2010

2 4. EXPOZICE

3 ZPŮSOBY TĚŽBY URANU

4 HRAD RALSKO

5 STRÁŽ POD RALSKEM hornická těžba Stráž pod Ralskem chemická těžba

6 HORNICKÁ TĚŽBA URANU HLUBINNÝ DŮL CHEMICKÁ ÚPRAVNA ODKALIŠTĚ ruda loužení kyselinou sírovou, separace uranu vyloužená ruda odpad povrch nepropustná vrstva uranonosná vrstva

7 CHEMICKÁ ÚPRAVNA odkaliště chemická úpravna

8 CHEMICKÁ TĚŽBA vyluhovací pole chemická stanice

9 CHEMICKÁ TĚŽBA URANU roztok kyseliny sírové CHEMICKÁ STANICE (separace uranu) povrch nepropustná vrstva uranonosná vrstva

10 HORNICKÁ TĚŽBA URANU HLUBINNÝ DŮL CHEMICKÁ ÚPRAVNA ODKALIŠTĚ ruda loužení kyselinou sírovou, separace uranu 99 % původní radioaktivity vyloužená ruda nepropustná vrstva uranonosná vrstva

11 Odkalistě

12 Rekultivační vrstvy biologicky oživitelná vrstva 0,2 m krycí vrstva z inertního materiálu 0,5-0,8m drenážní vrstva-kamenivo 0,2 m izolační prvek- minerální těsnění 3 x 0,2 m, nebo bentonitové rohože upravené podloží, svahy a převarované pláže odkaliště (Dokumentace EIA)

13 Využití pneumatik

14 CHEMICKÁ TĚŽBA - kontaminace roztok kyseliny sírové CHEMICKÁ STANICE (separace uranu) kontaminace okolí povrch nepropustná vrstva uranonosná vrstva

15 SEVESO

16 SEVESO Seveso malé město v severní Itálii (25 km od Milána) chemická továrna vyrábějící pesticidy TPC 2,4,5-trichlorfenol v poledne - únik plynu z chemického reaktoru směs látek (hydroxid sodný, etylenglykol, TPC 2,3,7,8-tetrachlordibenzo-p-dioxin (TCDD) do 1 kg mrak plynu zamořil území cca 18 km 2

17 SEVESO základní problém informovanost a koordinace akcí - týden trvalo, než se únik zveřejnil - další týden, než začala evakuace rozsáhlá akce - snaha zabránit další expozici - evakuace zóny A cca 740 obyvatel - zákaz konzumace místní potravin - likvidace domácích zvířat - čištění nejvíce kontaminovaných lokalit - doporučení potratů u exponovaných žen Seveso symbol pro chemické havárie Směrnice EU Seveso Directive (1982)

18 HODNOCENÍ EXPOZICE - obecné zákonitosti expozice - expozice na úrovni ekosystému - expozice na úrovni organismu

19 4.1. OBECNÉ ZÁKONITOSTI

20 4.1.1 Základní pojmy koloběhu hmoty

21 ZÁSOBNÍKY A ROZHRANÍ Složka zásobník prostředí rozhraní

22 ZÁSOBNÍK

23 ROZDĚLENÍ NA ZÁKLADNÍ SLOŽKY ZÁSOBNÍKY OVZDUŠÍ FLÓRA VODA PŮDA FAUNA

24 CHARAKTERISTIKA ZÁSOBNÍKU Základní charakteristiky: 1. objem zásobníku (V) objemové jednotky, m 3 2. hmotnost zásobníku (M) hmotnostní jednotky - v geochemii zásadně gramech - hlavní jednotkou 1 Tg (teragram) = g 3. množství toxikantu v zásobníku (m) - počet molů, hmotnost, objem, aktivita 4. koncentrace toxikantu v zásobníku = množství látky vztažené na velikost zásobníku - hmotnostní a objemové koncentrace - relativní koncentrace: %, promile, ppm (1 milióntina)

25 Charakteristika zásobníku 5. Homogenita zásobníku Předpoklad pro stanovení koncentrace: ideální stav homogenní zásobník v praxi častá heterogenita nutnost rozdělení na dílčí části

26 Stanoviště

27 SMRKOVÝ LES HORSKÝ LES VE STÁDIU KMENOVINY

28 SMRKOVÝ LES SKALNÍ VÝCHOZY POSKYTUJÍ ŘADU RŮZNÝCH BIOTOPŮ

29 SMRKOVÝ LES PRAMENIŠTĚ

30 SMRKOVÝ LES POROST BRUSNICE BORŮVKY

31 SMRKOVÝ LES POROST MECHŮ

32 SMRKOVÝ LES TROUCHNIVĚJÍCÍ PAŘEZ S POROSTEM DUTOHLÁVEK

33 SMRKOVÝ LES KMEN SMRKU POROSTLÝ EPIFYTICKÝMI LIŠEJNÍKY

34 SMRKOVÝ LES ROZKLÁDAJÍCÍ SE KMEN S DŘEVOKAZNÝMI HOUBAMI

35 Vzorkování půd

36 Vzorkování půd antropozem kambizem dystrická

37 Vzorkování půd Schematické rozložení toxikantů v půdních profilech: H A B C lesní půda podzol zemědělská půda - hnědozem

38 Vzorkování půd Při odběru půdních vzorků je třeba vždy respektovat strukturu půdního profilu! pseudoglej

39 Charakteristika zásobníku 6. Průměrná doba setrvání látky v zásobníku orientační výpočet: = množství látky v zásobníku : rychlost vstupu (předpoklad: rychlost vstupu = rychlost výstupu) příklad: - vodní nádrž o objemu 100 m 3 - průtok = 2 m 3 /s - průměrná doba zdržení vody v nádrži = 100 : 2 = 50 s

40 Doba zdržení v reálných nádržích

41 Doba zdržení v reálných nádržích koncentrace stopovací látky čas

42 Doba zdržení v reálných nádržích koncentrace stopovací látky modální průměrná maximální minimální = průnik čas

43 ROZHRANÍ

44 CHARAKTERISTIKA ROZHRANÍ Základní charakteristiky: 1. velikost plochy rozhraní 2. odpor rozhraní

45 VELIKOST PLOCHY ROZHRANÍ - ORGANISMUS A. Úroveň organismu:

46 AKTIVNÍ POVRCHY POVRCH KŮŽE ČLOVĚKA JE CCA 1,7 m 2

47 AKTIVNÍ POVRCHY VNITŘNÍ POVRCH DÝCHACÍ SOUSTAVY ČLOVĚKA JE CCA 100 m 2

48 AKTIVNÍ POVRCHY VNITŘNÍ POVRCH TRAVICÍ SOUSTAVY ČLOVĚKA JE CCA 200 m 2

49 VELIKOST PLOCHY - ORGANISMUS Úroveň organismu: vnější povrch vnitřní povrchy živočichové: trávicí soustava dýchací soustava rostliny parenchym v listech

50 VELIKOST PLOCHY ROZHRANÍ - EKOSYSTÉM B) lokální úroveň ekosystém překážkou jsou krajinné prvky - větrolamy, lesní porosty, obydlí povrch je dán především povrchem vegetace

51 POLE BEZ PLODIN Českomoravská vrchovina, okolí Košetic

52 POLE SE ZEMĚDĚLSKÝMI PLODINAMI Českomoravská vrchovina, okolí Košetic

53 LINIOVÁ SPOLEČENSTVA Českomoravská vrchovina, okolí Košetic

54 INDEX LISTOVÉ PLOCHY MNOŽSTVÍ LISTOVÍ ZÁKLADNÍ EKOLOGICKÝ PARAMETR Vyjádření: LA celková listová plocha [m 2 ] V LAI index listové plochy = LA : P LAD hustota listoví = LA : V Příklady LAI P [m 2 ] porosty kulturních rostlin 4-8 středně husté smrkové porosty 3-5 borovice lesní 20 let bez přihnojování 2,8-4,4 borovice lesní 20 let s přihnojováním 5,5-9,4

55 Srovnání koncentrací látek ve srážkách - na volné ploše - pod smrkem - pod bukem Povodí Lesní potok

56 Modelová povodí GEOMON Lesní potok (vyhodnoceno z dat ČGS)

57 Modelové povodí Lesní potok

58 Vstup látek do ekosystému analýza srážek srážky na volné ploše (bulk) podkorunové srážky (throughfall) smrk podkorunové srážky (throughfall) buk

59 Sezónní vývoj koncentrace síranů ve srážkách Sezónní vývoj koncentrace síranů ve srážkách SO4 (mg/l) bulk th-smrk th-buk 5 0 XI XII I II III IV V VI VII VIII IX X měsíce hydrologického roku

60 Sezónní vývoj koncentrace dusičnanů ve srážkách Sezónní vývoj koncentrace dusičnanů ve srážkách (povodí Lesní potok) NO3 (mg/l) bulk th-smrk th-buk 5 0 XI XII I II III IV V VI VII VIII IX X měsíce hydrologického roku

61 Sezónní průběh koncentrace draslíku ve srážkách Sezónní průběh koncetrace draslíku ve srážkách (povodí Lesní potok) K (mg/l) bulk th-smrk th-buk XI XII I II III IV V VI VII VIII IX X měsíce hydrologického roku)

62 Sezónní průběh koncentrace hořčíku ve srážkách Sezónní průběh koncentrace hořčíku ve srážkách (povodí Lesní potok) 1,8 1,6 1,4 1,2 Mg (mg/l) 1 0,8 0,6 bulk th-smrk th-buk 0,4 0,2 0 XI XII I II III IV V VI VII VIII IX X měsíce hydrologického roku

63 Sezónní průběh srážek Sezónní průběh srážek na povodí Lesní potok (průměr ) měsíční úhrn srážek (mm) bulk th-smrk th-buk 10 0 XI XII I II III IV V VI VII VIII IX X měsíce hydrologického roku

64 Sezónní průběh depozice síranů Sezónní průběh depozice síranů (povodí Lesní potok) 5 4,5 SO4 (kg/ha/rok) 4 3,5 3 2,5 2 1,5 1 bulk th-smrk th-buk 0,5 0 XI XII I II III IV V VI VII VIII IX X měsíce hydrologického roku

65 Sezónní průběh depozice síranů koncentrace (mg/l) 30 Sezónní vývoj koncentrace síranů ve srážkách 25 srážky (mm) Sezónní průběh srážek na povodí Lesní potok (průměr ) SO4 (mg/l) bulk th-smrk th-buk měsíční úhrn srážek (mm) bulk th-smrk th-buk 0 XI XII I II III IV V VI VII VIII IX X měsíce hydrologického roku Sezónní průběh depozice síranů (povodí Lesní potok) 0 XI XII I II III IV V VI VII VIII IX X měsíce hydrologického roku 5 4,5 4 3,5 SO4 (kg/ha/rok) 3 2,5 2 bulk th-smrk th-buk depozice (kg/ha/rok) 1,5 1 0,5 0 XI XII I II III IV V VI VII VIII IX X měsíce hydrologického roku

66 Lesní porosty a acidifikace půdy

67 DEPOZICE INSEKTICIDŮ

68 DEPOZICE INSEKTICIDŮ insekticidy (dimethoate, cypermethrin) X půdní brouci na ječmenném poli Závislost skutečné expozice pesticidu na hustotě vegetace vyjadřuje rovnice: P s = P a exp (k. LAI) kde je: P s množství pesticidu, které dosáhne povrch půdy (g/ha) P a množství pesticidu aplikované na pozemek (g/ha) k koeficient záchytu pesticidu (v dané případě k = - 0,479) LAI listový plošný index (m 2. m -2 ) Skutečná expozice insekticidu klesá s rostoucí hustotou vegetace

69 DEPOZICE INSEKTICIDU Hodnoty LAI se během vegetační sezóny mění mění se i podíl aplikované dávky, který se dostane až do půdy (p) období LAI p (%) léto maximum, podzim minimum, pro stanovení skutečné expozice půdní fauny pesticidům je nezbytné hodnotit vliv vegetačního krytu a jeho změny během sezóny skutečné expoziční dávky pro půdní faunu jsou mnohem nižší než dávky aplikované na pozemek (Gyldenkaerne et al.: Chemosphere, 41, 2000, )

70 VELIKOST PLOCHY ROZHRANÍ - KRAJINA C) regionální úroveň krajina překážkou jsou geomorfologické tvary skutečný povrch je větší než mapový průmět

71 VYSOKOHORSKÁ KRAJINY Rakousko, Alpy, Acherkogel 3008 m n.m.

72 ROVINA Polabí

73 CHARAKTERISTIKA ROZHRANÍ Základní charakteristiky: 1. velikost plochy 2. odpor (rezistence) rozhraní

74 Odpor rozhraní zásobník A zásobník B Propustnost (permeabilita) Db P = Da Da tok látky Db Odpor (rezistence) Da - Db R = Da

75 PŘESTUP RADIONUKLIDŮ Z PŮDY DO ROSTLIN

76 KONTAMINACE VODOTEČÍ

77 KONTAMINACE VODOTEČÍ

78 Modely pro přestup látek Přestup radionuklidů (r) z půdy do rostliny kořeny C r,i = (C r,j C r,jp ) * T r, i-j C r,i C r,j C P r,j T r, i-j zvýšení specifické aktivity v rostlině (Bq/kg) specifická aktivita radionuklidu v půdě (Bq/kg) pozaďová hodnota v půdě (Bq/kg) koncentrační faktor přestupu radionuklidu z půdy do rostliny

79 Modely pro přestup látek Přestup radionuklidů (r) z půdy do rostliny kořeny C r,i = (C r,j C r,jp ) * T r, i-j C r,i C r,j C P r,j T r, i-j zvýšení specifické aktivity v rostlině (Bq/kg) specifická aktivita radionuklidu v půdě (Bq/kg) pozaďová hodnota v půdě (Bq/kg) koncentrační faktor přestupu radionuklidu z půdy do rostliny př. půda zelenina Pb 0,01 Ra 0,005 Th 0,000 5 U 0,003 (platí pro všechny radionuklidy daného prvku)

80 Bilance látkového toku

81 Tok látky tok látky = množství látky, které přejde přes rozhraní za zvolenou časovou jednotku 1 rok je definován jako 3, s emise látek ze zdroje (g/s, kg/rok,..)

82 Bilance emisí z dopravy

83 Lokalita B2

84 Umístění lokality

85 Pohled na lokalitu

86 Emise produkce emisí v místě posuzované lokality t.rok -1.km -1 g.rok -1.km -1 oxidy dusiku 33,153 fenantren oxid uhelnatý 21,092 antracen oxid siřičitý 0,057 fluoranten tuhé částice 1,474 pyren tuhé částice PM10 37,183 benz(a)antracen 901 oxid dusčitý 1,127 chrysen Uhlovodíky 5,037 benzo(b)fluoranten butadien 0,017 benzo(k)fluoranten benzen 0,216 benzo(a)pyren 736 toluen 0,339 indeno(123cd)pyren 352 styren 0,043 dibenz(ah)antracen formaldehyd 0,222 benzo(ghi)perylen 700 xylen 0,409

87 Imise Průměrná koncentrace imisí v závislosti na vzdálenosti od komunikace 20 (µg.m -3 ) tuhé částice PM10 oxid dusičitý oxidy dusíku oxid uhelnatý (m)

88 Imise Průměrná koncentrace imisí v závislosti na vzdálenosti od komunikace 0,15 (µg.m -3 ) 0,10 0,05 benzen oxid siřičitý formaldehyd toluen xylen styren 1,3-butadien 0, (m)

89 Tok látky tok látky = množství látky, které přejde přes rozhraní za zvolenou časovou jednotku 1 rok je definován jako 3, s emise látek ze zdroje (g/s, kg/rok,..) průtok vody v říčním profilu (m 3 /s)

90 Hustota toku látky hustota toku látky = tok látky vztažený na jednotku plochy rozhraní Příklady: prašný spad (tj. přestup mezi atmosférou a pedosférou) 1 g.m -2.rok -1 = 10 kg.ha.rok -1 = 1 t.km -2.rok -1 množství dešťových srážek - běžně se udává jako výška vodního sloupce (m, mm) = m 3.m -2. rok -1

91 Bilance látkového toku vstup (input) m i zdroj (vznik) - m n propad (zánik) - m m výstup (output) m e m = m i + m n - m e - m m

92 Bilance látkového toku m = m i + m n - m e - m m m = 0 m > 0 m < 0 rovnováha kumulace riziko překročení meze tolerance vymývání riziko u ztráty živin

93 Prostorová specifikace expozice

94 Prostorová specifikace Distribuce látek v ekosystému (osud látek)

95 Prostorová specifikace Místa, kde se lokalizují určité základní děje: místo vstupu místo výstupu místo účinku místo vzniku místo zániku místo zásoby

96 Časová specifikace expozice

97 Časová specifikace Doba trvání expozice: vyjádřeno v časových jednotkách - přesné vyjádření důležité pro experimenty - při terénních studiích velmi nejistý parametr vyjádřeno semikvantitativně - krátkodobá - střednědobá - dlouhodobá - trvalá

98 Časová specifikace Frekvence opakování: a) jednorázové (bez opakování) b) s opakováním - pravidelné - nepravidelné

99 BHOPAL

100 Bhopal město v Indii průmyslová katastrofa, chemická továrna firmy UNION CARBIDE výroba pesticidu carbarylu přehřátí a exploze chemického tanku uvolnění asi 40 t metylisokyanátu (MIC) obsažen i fosgen a kyanovodík mrak zasáhl město, akutní toxicita, edem plic oficiální počet obětí asi 3800, odborné odhady až celkem zasaženo lidí, příznaky otravy

101 PASIVNÍ VZORKOVAČE

102 Centre of Excellence Dlouhodobý monitoring persistentních organických polutantů Aktivity Centra RECETOX Studie Liberecko; pasivní vzorkování Ivan Holoubek, Jana Klánová, Pavel Čupr, Petr Anděl, Milan Sáňka RECETOX, Masaryk University, Brno, CR Prezentace KÚ Libereckého kraje Praha, 18/01/2007

103 Pasivní vzorkování Časové a prostorové trendy na globální, regionální a lokální úrovni Odběrové lokality - pasivní vzorkování Vřesová (S.Ú. a.s.) Spolana - Neratovice 10 lokalit Velká Košetice pozadí (EMEP) Prostějov Přerov Hranice Frenštát p. Radh. Valašské Meziříčí $T Rožnov p. Radh. Valašské Meziříčí Brno 10 lokalit 20 lokalit ČMC Kroměřížsko Mokrá 6 lokalit Vyškov Vsetín Zlínsko 5 lokalit Uherské Hradiště $T Holešov Kroměříž Zlín Otrokovice $T Vsetín $T Lhota Bohuslavice Uh. Hradiště $T Kyjov Uherský Brod Veselí n. Mor. Hodonín

104 Passive samplers for POPs sampling mounting bracket stainless steel dome PUF disk stainless steel dome PUF disk support ring air circulation mounting bracket stainless steel mesh tube containing XAD stainless steel housing air circulation Two sampler types: Polyurethane foam (PUF) disk: 3-month deployment time XAD-type: 1-year deployment time

105 Konsorcium pasivní vzorkování

106 Koncentrace Σ PCBs ve volném ovzduší (ng/puf filtr) pasivní vzorkování (28/12/05 27/12/06)

107 Koncentrace Σ PAHs ve voln ém ovzduší (ng/puf filtr) pasivní vzorkování (28/12/05 27/12/06)

108 4.1.5 Případová studie - Geomon

109 GEOMON

110 Modelová povodí GEOMON

111 GEOMON SRÁŽKY MONITORING LÁTKOVÉHO TOKU V MALÝCH POVODÍCH VSTUP SRÁŽKOVÁ VODA EKOSYSTÉMY V POVODÍ ODTOK VÝSTUP POVRCHOVÁ VODA

112 Odběry srážky na volné ploše (bulk) podkorunové srážky (throughfall

113 GEOMON MĚŘENÍ VSTUPU SRÁŽKY NA VOLNÉ PLOŠE A PODKORUNOVÉ

114 GEOMON MĚŘENÍ VÝSTUPU MNOŽSTVÍ A KVALITA VOD VE VÝSTUPNÍM PROFILU

115 Vývoj koncentrací ve srážkách - všechna povodí

116 Vývoj ph 6 Srážky na volné ploše - ph jednotka (- ) ve srážkách na volné ploše 1 0 CER GEM JEZ LES LIZ LKV LYS MOD PLB POM SAL SPA UDL UHL lokality jednotka (- ) Podkorunové srážky - ph v podkorunových srážkách 1 0 CER GEM JEZ LES LIZ LKV LYS MOD PLB POM SAL SPA UDL UHL lokality

117 Vývoj koncentrace síranů Srážky na volné ploše - SO jednotka (mg/l ) ve srážkách na volné ploše 5 0 CER GEM JEZ LES LIZ LKV LYS MOD PLB POM SAL SPA UDL UHL lokality Podkorunové srážky - SO jednotka (mg/l ) v podkorunových srážkách 5 0 CER GEM JEZ LES LIZ LKV LYS MOD PLB POM SAL SPA UDL UHL lokality

118 Vývoj koncentrace dusičnanů Srážky na volné ploše - NO jednotky (mg/l) ve srážkách na volné ploše 2 0 CER GEM JEZ LES LIZ LKV LYS MOD PLB POM SAL SPA UDL UHL lokality Podkorunové srážky - NO jednotka (mg/l) v podkorunových srážkách 2 0 CER GEM JEZ LES LIZ LKV LYS MOD PLB POM SAL SPA UDL UHL lokality

119 Vývoj koncentrace amonných iontů Srážky na volné ploše - NH jednotka (mg/l) ) 5 4,5 4 3,5 3 2,5 2 1,5 1 0,5 0 CER GEM JEZ LES LIZ LKV LYS MOD PLB POM SAL SPA UDL UHL lokality ve srážkách na volné ploše Podkorunové srážky - NH jednotka (mg/l) 5 4,5 4 3,5 3 2,5 2 1,5 1 0,5 0 CER GEM JEZ LES LIZ LKV LYS MOD PLB POM SAL SPA UDL UHL lokality v podkorunových srážkách

120 Vývoj koncentrace fluoridů Srážky na volné ploše - F jednotka (ug/l ) 0,7 0,65 0,6 0,55 0,5 0,45 0,4 0,35 0,3 0,25 0,2 0,15 0,1 0,05 0 CER GEM JEZ LES LIZ LKV LYS MOD PLB POM SAL SPA UDL UHL lokality ve srážkách na volné ploše jednotka (ug/l ) 0,7 0,65 0,6 0,55 0,5 0,45 0,4 0,35 0,3 0,25 0,2 0,15 0,1 0,05 0 Podkorunové srážky - F CER GEM JEZ LES LIZ LKV LYS MOD PLB POM SAL SPA UDL UHL lokality v podkorunových srážkách

121 Vývoj depozice - všechna povodí

122 Vývoj depozice síry 20 LIZ SPA 18 ANE SAL kg S-SO4 /ha /rok LES LKV POM depozice na volné ploše rok 80 LIZ SPA ANE 70 SAL LES POM 60 LKV podkorunová depozice kg S-SO4 /ha /rok rok

123 Vývoj depozice síry kgs-so4/ha/rok 50,00 45,00 40,00 35,00 30,00 25,00 20,00 15,00 10,00 5, se srážkách na volné ploše 0,00 UDL UHL LKV JEZ MOD CER POM LIZ SAL LYS PLB LES GEM SPA kgs-so4/ha/rok 80,00 70,00 60,00 50,00 40,00 30,00 20,00 10, v podkorunových srážkách 0,00 JEZ UDL UHL MOD LYS SAL CER LES LKV PLB GEM SPA LIZ POM

124 Vývoj depozice dusičnanového dusíku depozice na volné ploše podkorunová depozice 10 LIZ SPA ANE LES SAL POM 12 kg N-NO3 /ha /rok LKV kg N-NO3 /ha /rok LIZ SPA ANE SAL LES POM LKV rok rok 45 UHL 60 UHL MOD kg N-NO3 /ha /rok MOD UDL CER JEZ LYS PLB kg N-NO3 /ha /rok UDL JEZ PLB CER LYS rok rok

125 Odtok dusičnanoného dusíku kg N-NO3 /ha /rok UHL UDL JEZ PLB MOD CER LYS kg N-NO3 /ha /rok LIZ ANE LES LKV SPA SAL POM rok rok

126 KONEC