Wykład 1

Ekosystemy wód słodkich: rzeki, jeziora, zbiorniki zaporowe

• życie biologiczne w tych zbiornikach wodnych i rzekach oraz procesy chemiczne

ekosystemy wodne - ilość wody w nich jest niewielka. Mimo to te ekosystemy są bardzo ważne z punktu widzenia gospodarki człowieka i przyrody.

Gospodarka człowieka - ta woda jest wykorzystywana do celów komunalnych, przemysłowych, nawodnień, rekreacji i produkcji rybnej.

Do gospodarki człowieka potrzebna jest woda mniej lub bardziej czysta. Czysta, tzn. że ta woda:

1. posiada niską lub umiarkowaną zawartość soli mineralnych

2. nie ma w niej (brak) lub są niskie poziomy substancji toksycznych - są to najczęściej pestycydy, kwasy mineralne, metale ciężkie, substancje organiczne.

Woda jest niezbędnym składnikiem potrzebnym dla organizmów lądowych i organizmów żyjących w wodzie. Woda jest podstawą życia. Każdy organizm zawiera w swym składzie wodę. Ilość wody w organizmach żywych waha się w szerokim zakresie. Najczęściej występuje w przeciętnej ilości 70 - 80%. Wiele organizmów wodnych, zwłaszcza tych, które żyją w wodach, tej wody zawiera dużo więcej, np.:

• meduza - 97%

• soczyste owoce - 90 i więcej %

Są też pewne organy, które tej wody zawierają bardzo mało, np.:

• nasiona - 10 - 15%

Woda czysta chemicznie w postaci H₂O, nie występuje w przyrodzie. Można ją tylko uzyskać na drodze destylacji.

Woda występująca w przyrodzie zawiera zawsze jakieś domieszki lub substancje zanieczyszczające.

Cechy wody

1. przezroczysta, bez smaku i zapachu

2. dobry rozpuszczalnik wielu substancji

3. wysoka temperatura topnienia (0°C) i wrzenia

4. dobre przewodnictwo cieplne i wysokie ciepło parowania - ta cecha wody zabezpiecza organizm przed przegrzaniem i umożliwia sprawną regulację temperatury. Odparowany pot zabiera z organizmu ciepło.

5. wysokie napięcie powierzchniowe - ta cecha jest szczególnie ważna dlatego, że jest nieodzowna w funkcjonowaniu błon cytoplazmatycznych. W komórce występują błony cytoplazmatyczne, które dzielą ją na kompartmenty, grodzie. W tych poszczególnych przedziałach zachodzą przeciwstawne reakcje: w jednych utleniania, w drugich redukcji. Te przestrzenie mogą komunikować się ze sobą - tu wilka rola wody i napięcia powierzchniowego.

6. duża lepkość - ważna cecha z punktu widzenia hydrobiologii. Umożliwia życie organizmów na powierzchni i pod powierzchnią wody. Organizmom nie posiadającym organów ruchu, przystosowań do ruchu lepkość umożliwia przebywanie w toni wodnej względnie długo.

7. duża pojemność cieplna - ważna dla organizmów, bo zapobiega nagłym skokom temperatury.

8. wysokie ciepło właściwe - woda wolno się nagrzewa i wolno ochładza. Ma to duże znaczenie dla organizmów, bo przez to wahania temperatury wewnątrz organizmu nie zachodzą tak gwałtownie.

9. ma charakter dipolu

Występuje w postaci agregatów (przy temperaturze 60º ma 65 agregatów) dzięki temu powoduje dobre przewodnictwo prądu, umożliwia przewodzenie impulsów nerwowych i innych zjawisk elektrycznych.

10. Dysocjuje na jony H⁺ i OH^- - znaczenie przy fotosyntezie.

Biologiczna rola wody

1. uczestniczy w większości reakcji metabolicznych. Większość reakcji metabolicznych odbywa się w wodzie i często przy udziale wody.

2. jest to powszechny rozpuszczalnik związków ustrojowych

3. jest uzupełnieniem pokarmu dla każdego organizmu

4. jest środkiem transportu wewnątrz ustrojowego, tzn. np.:

1. za pomocą wody transportowane są produkty przemiany materii do nerek i wydalane potem z moczem

2. transport substancji odżywczych, hormonów, witamin

5. uczestniczy w regulacji temperatury, ciśnienia osmotycznego i pH

Woda utrzymuje turgor i kształt komórek. Woda, poprzez to, że warunkuje jędrność komórki, umożliwia, nadaje komórkom właściwy dla nich kształt. Gdy rośliny mają dostatecznie dużo wody mają właściwy kształt. Gdy za mało - turgor zanika, rośliny więdną.

6. stanowi płynne środowisko niezbędne do usuwania końcowych produktów przemiany materii

7. stanowi środowisko dla życia organizmów wodnych

Dwa najważniejsze procesy metaboliczne odbywają się przy pomocy wody:

1. Proces oddychania zewnętrznego

Oddychanie zewnętrzne - wymiana gazów pomiędzy organizmem a otoczeniem.

Oddychanie wewnątrzkomórkowe - oddychanie we wnętrzu komórki polegające na utlenieniu związków organicznych (tj. glukozy).

Proces oddychania zewnętrznego odbywa się na powierzchni płuc i cienkiej błonki wodnej. Obecność wody jest niezbędna do tego procesu.

2. Proces wymiany produktów z przewodu pokarmowego

Życie powstało w wodzie i organizmy lądowe wyniosły ten mechanizm na ląd wraz z przystosowaniami do życia na ladzie.

Utrata 50% wody dla organizmów jest śmiertelna.

Ilość wody niezbędna człowiekowi do życia: ~2 - 3 litrów dziennie.

Na wyprodukowanie 1 kilograma suchej masy rośliny potrzebują 300 - 900 litrów wody z tym, że najczęściej mówi się o 500 - 600 litrach wody.

Rozmieszczenie wody na kuli ziemskiej

2/3 powierzchni globu zajmuje woda. W większości jest to woda oceaniczna. Woda oceaniczna (morska) ma skład bardziej stabilny, stały niż wody śródlądowe i wody słodkie.

Wody morskie, oceaniczne -mają skład stosunkowo stabilny i ulegają małym zmianom.

Charakterystyczne dla tych wód są nieco inne kationy i aniony niż w wodach słodkich.

Wśród kationów dominują: sód i magnez. Wśród anionów: chlorki i siarczany.

Zasolenie mórz i oceanów waha się w szerokich granicach.

Zasolenie - ilość soli rozpuszczonej w wodzie.

Zasolenie dla oceanów waha się 32 - 38 ‰. Gdyby odparować 1 litr wody morskiej czy oceanicznej, musiałaby zostać pozostałość mineralna ważąca 32 - 38 gramy.

Morza wewnętrzne - które są pod dużym wpływem lądu - ich zasolenie jest mniejsze, np.:

• Morze Czarne - 18 ‰

• Bałtyk - 9 ‰

• Morze Czerwone - 43 ‰

Przeciętny skład wody morskiej:

• chlorek sodu NaCl 27,2 g/l

• chlorek magnezu MgCl₂ 3,8 g/l

• siarczan magnezu MgSO₄ 1,7 g/l

• siarczan wapnia CaSO₄ 1,2 g/l

• siarczan potasu K₂SO4 0,9 g/l

• węglan wapnia CaCO₃ 0,1 g/l

Wody słodkie - takie, w których zawartość soli mineralnych nie przekracza 0,5 ‰.

Wody słonawe - takie, które mają ilość soli mineralnych od 0,5 do kilku ‰.

Wody słone - takie, które mają ilość soli mineralnych powyżej kilku ‰.

Wody słodkie

Ilość soli mineralnych rozpuszczona w wodach słodkich jest różna w zależności od tego, skąd ta woda pochodzi i w jakim podłożu występuje. Najwięcej soli rozpuszczonych w wodzie zawierają wody górskie. Podłoże, w którym te wody występują, cechuje się niewielką rozpuszczalnością. Te wody zawierają do 50 gramów soli rozpuszczonej w litrze.

Na terenach niżowych ilość soli rozpuszczonych w litrze: 400 - 600 mg/l.

Wody słodkie charakteryzują się tym, że ich skład chemiczny jest bardziej zróżnicowany i mniej stabilny niż w wodach morskich czy oceanicznych.

Makropierwiastki występujące w wodach - mamy równowagę anionów i kationów.

Kationy: Ca, Mg, Na, K.

W wodach słodkich przeciętna ilość tych kationów jest ... . (przy założeniu, że jest ich 100%).

Przeciętny skład chemiczny wody słodkiej:

• wapń Ca 64%

• magnez Mg 17%

• sód Na 16%

• potas K 3%

Czasem dolicza się do tego jeszcze NH₄.

Aniony:

Dominują trzy aniony:

• węglany i kwaśne węglany HCO₃^- 73%

• anion siarczanowy SO₄^2- 16%

• chlorki Cl^- 10%

Czasem dolicza się do tego składu jeszcze azotany.

Pyt. Uporządkuj ilościowo występujące w wodach słodkich kationy (podano procenty).

Warunki życia w tych wodach dla organizmów są różne, wynikające z tych, także z powodu wpływu lądu.

Różnice pomiędzy wodami morskimi a słodkimi. Czym odróżniają się wody słodkie od słonych w zależności od warunków w nich panujących.

Cecha	Morza	Wody słodkie
Powierzchnia	2/3 globu i 95% powierzchni wód	5% powierzchni wód
Wiek	równy wiekowi skorupy ziemskiej	w większości młode - III i IV rząd, ale także era mezozoiczna
Stałość środowiska	obszar stały, jednolity; wahania poziomu nikłe w stosunku do masy	„wyspowe” obszar zmienny, wahania poziomu duże, zanikanie (zbiorników)
Stałość życia	warunki życia stałe, wyrównywane w przestrzeni przez prądy	warunki życia zmienne, zależne od otoczenia, duża różnorodność i zmienność indywidualna
Świat zwierzęcy	typy (szkarłupnie, osłonice) i gromady (głowonogi, ostrogony, kikutnice) wyłącznie dla mórz	brak własnych typów, a wiele gatunków wtórnie przystosowanych do wódy
Plankton/ bentos	więcej planktonu niż bentosu	więcej bentosu (zwłaszcza w rzekach) lub zrównoważony z planktonem
Wpływ lądu	mały (zaś wpływ oceanów na lad znaczny)	Ogromny (zaś wpływ wód na lad - stosunkowo mały i lokalny)
Główne sole	NaCl, MgCl2, MgSO4	Ca(HCO)2
Wartość osmotyczna wody	wysoka	niska

Plankton - organizmy zawieszone w toni wodne, nie mogące się poruszać.

Bentos - organizmy żyjące w dnie.

Woda na kuli ziemskiej rozmieszczona jest następująco (wg Wetzel, 1983, zmienione)

woda	objętość 10^3 km^3	%	czas odnowy lata - dni	objętość czas odnowy w latach km^3 · 10^3/rok wskaźnik produkcji wody
Oceany	1.370.000	97,61	3,100 lat	442,0
Pola lodowe i lodowce	29,000	2,08	16,000 lat	1,8
Wody podziemne	4,000	0,29	300 lat	13,0
Jeziora słodkie	125	0,009	1 - 100 lat	2,5
Jeziora słone	104	0,008	10 - 1000 lat
Rzeki	1,2	0,00009	12 - 20 dni (0,045 roku)	30,0
Woda glebowa i podglebowa	67	0,005	280 dni (0,8 roku)	80,0
Para wodna w atmosferze	11,0	0,00009	9 dni (0,025 roku)	560,0

Produkcja wody - stosunek objętości wody do czasu odnowy.

Hydrobiologia i terminy pokrewne

Hydrobiologia - nauka o życiu w wodzie (życia, bo bios; w wodzie, bo hydro); nauka, która dotyczy wód słodkich i morskich.

Limnologia - wywodzi się od greckiego słowa limne - woda stojąca (inaczej jezioro, staw, czasem bagnisko).

W tym ujęciu:

Potamologia - nauka o wodach płynących.

Limnologia ma szersze i węższe znaczenie.

Oceanologia - zajmuje się wodami morskimi.

Hydrologia

Hydrochemia - zajmuje się stroną chemiczną wszystkich wód.

Bilans wodny Polski

W skład bilansu wchodzą przychody i rozchody.

Przychodem - w bilansie wodnym jest opad z atmosfery. Jest to podstawowa ilość wody, która dostaje się na jakiś obszar. Drugim źródłem przychodu są rzeki, cieki wodne, które spływają do naszego kraju spoza granic kraju, np. Bug.

Rozchody:

Na ten element składają się:

• odpływ rzekami z kraju

• retencja - to, co jest zatrzymane

• straty - parowanie, przesiąkanie

Forma uproszczona bilansu wodnego:

Przychody:

• opad atmosferyczny: 600 mm (97,3%)

• dopływ rzekami spoza granic: 17 mm (2,7%)

Łącznie: 617 mm przychodu wody na obszar Polski.

Rozchód:

• odpływ rzekami: 188 mm (30,6%)

• parowanie: 429 (69,4%)

Łącznie: 617 mm.

188mm przeliczmy na powierzchnię stanowi to średnio 58,6km³

58,6km³: 36,6 m =1600 m³

Odpływa rzekami:

- lata suche 32km³

- lata mokre 90m³

Odpływ gwarantowany o 95% prawdopodobieństwa -22km³

Przepływ nienaruszalny -15km³

Dyspozycyjny -7 km³

Na jednego mieszkańca przypada:

1600m³ : 365 dni = 33 m³/dobę -świat

11 m³/dobę -Europa

3,5 m³/dobę - Polska

Wykład 2

Metody zwiększenia ilości wody:

Odpływ rzekami:

1. budowa zbiorników zaporowych

2. spowolnienie odpływu

Na tempo spływu wód z obszaru lądu do rzeki a następnie do mórz ma wpływ wiele czynników, w tym:

1. spadek terenu - im większy, tym większy odpływ;

2. miąższość gleby - gleba, która posiada niewielką miąższość - woda szybko odpływa. Gleba ta nie ma dużej zdolności retencji.

3. charakter gleby (czy zawiera substancje organiczne, jakie zawiera substancje w składzie mechanicznym).

Substancja organiczna spowalnia proces odpływu wody z gleby.

Skład mechaniczny: im więcej substancji ilastych (do pewnej granicy - potem gleby stają się zlewne, zbite, woda odpływa po powierzchni), tym większe spowolnienie odpływu przez substancje gruboziarniste. Gleby piaszczyste - woda szybko odpływa.

4. struktura gleby (czy jest to struktura ziarnista, czy gleba jest zlewna, zbita - mamy różny współczynnik odpływu z tej gleby)

5. profil glebowy

6. Szata roślinna - dużo od niej zależy. Od tego, czym gleba jest pokryta, zależy współczynnik odpływu wody z gleby.

Spływ powierzchniowy przy różnym użytkowaniu gleby (Słupnik - za Wróbel).

	Łąka	Żyto	Ziemniaki	Las
Średni spadek stoku w % Maksymalny dobowy opad w mm Maksymalna dobowa wielkość spływu w % Maksymalne natężenie spływu 1/min/ha	19 48,4 50,5 565	20	20	32 70,3 0 1

Odpływ z jednostki powierzchni, tzn. średni odpływ wody z 1 km² w ciągu sekundy zróżnicowany jest w zależności od miejsca usytuowania danego obszaru. Największe dopływy występujące w górach sięgają wielkości ponad 15 l/s · km². Najniższe odpływy są w pasie koło Bydgoszczy: ~ 2 l/s · km². Cały obszar pomiędzy terenem górskim a drugim terenem charakteryzuje się wielkością odpływu: 10 - 15 l/s · km².

Ile tej wody w rzekach w tym bilansie mamy.

Odpływ rzekami 188 mm, tj. 58,6 km³. Jest to wartość przeciętna z wielolecia. Są lata suche i mokre. Zróżnicowanie jest ogromne. Skrajne wartości różnią się 2,5 - krotnie. Są lata, gdzie ten odpływ wynosi 90 km³, a są i takie, w których 32 km³. Dla gospodarki potrzebna jest gwarantowana pewność, jaki odpływ będzie miał miejsce.

Odpływ gwarantowany według 95% pewności wynosi 22 km³. Rzece trzeba zagwarantować minimum wody, która musi w niej pozostać - potrzebna dla zachowania życia biologicznego. To minimum wynosi 15 km³. Jest to odpływ nienaruszalny, który musi zostać w rzece. Stąd:

22 - 15 = 7 km³. Tyle wody mamy do dyspozycji z 95% prawdopodobieństwem.

Zasoby dyspozycyjne w Polsce to 7 km³.

Rozkład ilości wody z powierzchni Polski na zlewni Odry i Wisły przedstawia się następująco:

• Odrą odpływa 30% wody do morza

• Wisłą odpływa 56% wody do morza

• pozostałe 12% odpływa rzekami Przymorza

Zużycie wody w Polsce

Głównym konsumentem wody jest energetyka. Zużywa ona najwięcej wody z tym, że nie zanieczyszcza. Zwraca stosunkowo czystą wodę. Energetyka wodę częściowo zanieczyszcza ciepłem.

Rolnictwo - ilość wody na potrzeby rolnictwa stale wzrasta (problem globalny).

Obszary objęte deficytem wody w Polsce:

1. Obszary o spodziewanych deficytach dla gospodarki komunalnej i przemysłu (centra przemysłowe: katowickie, krakowskie, wrocławskie)

2. Obszary o spodziewanych deficytach dla rolnictwa (około 50% kraju: centralna część Polski - Wielkopolska, wschodnia ściana)

3. Odcinki głównych rzek zagrożonych występowaniem niedoborów przepływów nienaruszalnych (szczególnie część zachodnia i wschodnia Polski)

4. Zbiorniki retencyjne

Przepływy nienaruszalne - przepływy gwarantujące życie biologiczne w rzece.

W Polsce występuje charakterystyczne zjawisko obniżania poziomu wód gruntowych.

Przyczyny:

1. deficyty wody spowodowane działalnością kopalń, szczególnie węgla brunatnego i kamiennego; leje depresyjne sięgają setek km² Bełchatów 500 km²;

2. zaniechanie tzw. małej retencji.

Mała retencja - są to różnego rodzaju podpiętrzenia na małych rzekach, stawy rybne, innego rodzaju sadzawki. Podpiętrzenia na małych rzekach służyły głównie młynom. Obecnie częściowo się to odradza.

Likwidacja małej retencji powoduje, że woda szybciej spływa do rzeki. W związku z tym w rzeczce nurt jest szybszy. Jeżeli prąd jest szybszy, następuje pogłębianie koryta. Skutkiem pogłębiania koryta jest obniżanie zwierciadła wód gruntowych.

3. likwidacja niektórych bagien i nieużytków poprzez niepotrzebne osuszenia. Miało to na celu zmianę kierunku użytkowania bagien na użytki rolne. Taki sposób postępowania jest bardzo mało opłacalny ekologicznie. Zmiana bagna na użytkowanie rolne - taki użytek przez kilka lat daje opłacalne plony a potem, wskutek utleniania w nim materii organicznej, często staje się nieużytkiem. Skutkiem osuszania bagien jest też skutek ekologiczny. Osuszanie bagien powoduje:

• obniżenie poziomu wód gruntowych

• obniżenie wilgotności powietrza

• stworzenie innych warunków dla istniejącej biocenozy

Nieodzowne jest właściwe gospodarowanie polegające na zwiększeniu retencji wody.

Ilość wody zatrzymywana przez glebę zależy od:

• składu mechanicznego i chemicznego gleb

• skład mechaniczny: na ten skład mamy stosunkowo niewielki wpływ. Im gleba zawiera więcej części grubych wchodzących w skład gleb piaszczystych, tym woda łatwiej przesiąka przez glebę.

• skład chemiczny: możemy mieć częściowy wpływ; chodzi głównie o zawartość substancji organicznej, czyli zwiększenie ilości substancji organicznej.

• ilości tej materii organicznej, a w niej próchnicy Materia organiczna zwiększa w sposób wyraźny retencję gleby. Stosowanie różnych oborników, nawozów zielonych jest jedną z przyczyn prowadzących do zwiększenia retencji wody.

• lesistości Duże znaczenie dla zwiększenia retencji wody mają lasy. Im większa lesistość kraju, tym zatrzymywanej wody będzie więcej.

• ilości pasów zakrzewień i zadrzewień miedzy użytkami rolnymi

Wpływają one w bardzo istotny sposób na poprawienie retencji wody i to w okresie nawalnych deszczy i roztopów, bo hamują tempo spływu wód. Pasy leśne - z badań wynika, że tereny z pasami leśnymi na wiosnę są w stanie wchłonąć o 20 - 30 mm więcej wody niż tereny bezleśne. Jest to ilość, która w skali kraju dałaby kilka km³.

Pojemność polskich zbiorników zaporowych - w chwili obecnej wynosi ona niecałe 3 km³ (2,7 km³). Ta wartość w skali odpływu rocznego daje ~ 5% tego odpływu (bardzo niewiele).

Dla porównania - % zatrzymywanej wody w zbiornikach zaporowych innych krajów:

Bułgaria 15%

Rosyjska część byłego ZSRR 12%

Największe spływy z lądu mają miejsce w terenach górskich i podgórskich. Tam też są największe opady - stąd te spływy największe. Na tych terenach należy przede wszystkim zatrzymywać wody.

Działania powodujące wzrost retencji wody:

1. zwiększenie zalesienia na tych terenach - obecnie lesistość w Polsce wynosi 28,1%. Zamierzeniem jest osiągnięcie 30%. Nadzieja, że ta retencja wody opadowej będzie większa.

2. zwiększenie ilości trwałych użytków zielonych - trwałe użytki zielone: łąki i pastwiska.

3. zabiegi antyerozyjne

4. ochrona bagien i torfowisk - często bagna i torfowiska były niepotrzebnie osuszane.

5. zwiększenie małej retencji na strumieniach i rzeczkach - obecnie częściowo przywracane są do łask młyny wodne, małe elektrownie.

Są to działania konieczne, bo w Polsce jest wyjątkowo mało wody, która przypada na 1 mieszkańca.

Ilość wody, która przypada na osobę w m³ na dobę na świecie:

• Świat: 33 m³/ mieszkaniec · doba

• Europa: 11 m³/ mieszkaniec · doba

• Polska: 4,5 m³/ mieszkaniec · doba

• Egipt: 3,5 m³/ mieszkaniec · doba

• Austria: 20 m³/ mieszkaniec · doba

• Węgry: 11 m³/ mieszkaniec · doba

Zużycie wody w Polsce w skali globalnej wynosiło ponad 1000 litrów na dobę (1040 l/d) - gdyby wziąć pod uwagę potrzeby własne i całą gospodarkę, to taką ilość zużywano by w przeliczeniu na jednego Polaka.

W Niemczech: 650 l/d · mieszkaniec

Gdyby wziąć pod uwagę dochód narodowy brutto: w RFN 3,5 x mniejsza ilość zużywanej wody.

W Polsce były niskie ceny wody i wodochłonna gospodarka.

Przyczyna: brak wodomierzy i urealnienia cen wody.

Zużycie wody w przeciętnym mieszkaniu - ilość zużywanej wody zależy od stopnia jego wyposażenia w różnego rodzaju urządzenia sanitarne:

• bez niczego - zużycie wody w ciągu doby: 30 - 50 litrów;

• dom, mieszkanie posiada wodociąg, kanalizację - zużycie wody wzrasta do 90 - 150 l/d;

• wysoki standard mieszkania - 285 l/d.

Wysoko wodochłonny przemysł, np. na wyprodukowanie 1 tony papieru potrzeba 1500 m³ wody.

Zużywanie wody to jeden problem. Żeby wydobywać wodę potrzebna jest energia.

Skutki:

• zanieczyszczenie atmosfery

• zasiarczony węgiel, z którego ta energia jest uzyskiwana.

PODSUMOWANIE:

Wody w Polsce w przeliczeniu na jednego mieszkańca jest wyjątkowo mało 4,5m³na osobę/dobę.

W Polsce wyjątkowo dużo wody było marnotrawionej. Obecnie sytuacja się poprawiła ze względu na powszechne stosowanie wodomierzy i urealnienie cen wody. To marnotrawstwo wody wynikało z:

• wodochłonności przemysłu

• marnotrawienia jej przez pojedynczych obywateli kraju (brak urealnienia cen wody, wodomierzy)

5% odpływu w Polsce jest wychwytywane, kumulowane w zbiornikach zaporowych.

Woda z Polski odpływa zbyt szybko - bezproduktywnie - wskutek:

• zbyt malej lesistości

• osuszania bagien i nieużytków

• likwidacji małej retencji, stawów, młynów,

• niewłaściwych melioracji

Melioracja polegała na odwadnianiu (osuszaniu) terenu. Ta niewłaściwa melioracja powinna ulec świadomej poprawie. Właściwa melioracja powinna polegać na przemiennym odwadnianiu i nawadnianiu.

• niewłaściwej i niepotrzebnej regulacji rzek

Polega to na prostowaniu i skracaniu koryt (powoduje szybszy przepływ i erozję dna, dno pogłębia się a co za tym idzie obniża się zwierciadło i następuje osuszanie terenu, a także ich betonowaniu. Takie postępowanie przyspiesza odpływ wody.

Postępowanie prowadzące do zwiększenia retencji wody w Polsce powinno polegać na:

1. zwiększeniu powierzchni zajętej przez lasy, trwałe użytki zielone, szczególnie w terenach górskich i podgórskich;

2. odbudowie małej retencji

• zaprzestanie niepotrzebnych osuszeń

• restauracja (odnowa) bagien - ale tylko tam, gdzie jest to jeszcze możliwe

• racjonalizacja melioracji - przemienne odwadnianie i nawadnianie zamiast wyłącznego osuszania

3. podwyższeniu zdolności gleby do retencji wody

• właściwa agrotechnika polegająca na spulchnianiu i przeciwdziałaniu ubijaniu gleby oraz zwiększaniu substancji organicznej przez stosowanie nawozów organicznych, tj. obornik, nawozy zielone (to biomasa zielona zostaje przeorana): przedplony i poplony

4. przeciwdziałaniu erozji

Erozji można przeciwdziałać przez specjalne zabiegi antyerozyjne, m. in.:

• orka w poprzek stoku (częściowo zmniejsza szybkość odpływu wody ze stoku)

• właściwe ukształtowanie krajobrazu, które polega m. in. na urozmaicaniu terenu pasami trwałych użytków zielonych, lasów, żywopłotów i miedz.

CHEMIA WODY

Skład chemiczny wód powierzchniowych

Woda jest dobrym rozpuszczalnikiem. W związku z tym zawiera prawie wszystkie substancje występujące w skorupie ziemskiej. Zawiera więc również substancje, które są wytwarzane przez człowieka.

Skład chemiczny wody zależy od:

1. stopnia powszechności tych substancji

2. rozpuszczalności (tych substancji może być dużo, ale jeśli nie będą rozpuszczalne, będzie ich w wodzie mniej)

3. różnorodnych procesów fizykochemicznych: absorpcja, utlenianie, redukcja

Stężenia, w jakich substancje występują w morzach.

Te stężenia, w zależności od tego, jaka to jest substancja, wahają się w bardzo szerokich granicach. Niektóre substancje występują w wielkościach mierzonych ng/l. Są substancje określane mg/l (może ich być nawet kilkaset czy 1000 mg - 1 gram).

Podstawowe składniki wody:

Kationy: Ca, Mg, Na, K

Aniony: węglany, siarczany, chlorki, krzemionka

Ilość podstawowych kationów i anionów w wodzie zależy przede wszystkim od składu chemicznego skał, przez które sączą się te wody oraz od gleb zlewni (chodzi o skład w warunkach naturalnych). Poprzez działanie człowieka ten skład może zostać diametralnie zmieniony.

Substancje w wodach mogą podlegać różnym podziałom. Substancje występujące w wodach można podzielić:

1. według pochodzenia:

• substancje pochodzenia naturalnego

• substancje wprowadzone do wód wskutek działalności człowieka - te substancje zwykle noszą nazwę zanieczyszczeń. Są one zanieczyszczeniami lub substancjami zanieczyszczającymi.

Chcąc mówić o naturalnej zawartości substancji w wodach trudno znaleźć tło, ponieważ wszystkie wody na globie są już w jakimś stopniu zanieczyszczone.

2. podział:

• substancje organiczne

• substancje mineralne

Ten podział często, szczególnie w odniesieniu do wód, jest podziałem nieścisłym. Wynika to stąd, że te substancje w wodach ulegają przemianom. Raz są substancją ograniczą, raz mineralną.

Czas obrotu fosforu - czas przejścia z fazy mineralnej do organizmu zwierzęcego (zooplankton) i z powrotem do środowiska jest mierzony w częściach doby.

3. podział uzależniony od stężeń, w jakich te substancje występują w wodach:

• Składniki podstawowe - substancje, które stanowią skład podstawowy, a więc występują w wodzie w wysokich stężeniach. Te substancje podstawowe występują w stężeniach mierzonych od kilkunastu do kilkuset mg/l.

• Makroskładniki - występują w wodach w stężeniach wahających się od kilkuset μg/l do kilkunastu mg/l.

• Mikroskładniki (substancje śladowe) - występują w stężeniach, które zawierają się w wartościach poniżej kilkuset μg/l.

Substancje zanieczyszczające wody - mogą one występować w różnych postaciach w wodzie. Mogą występować w postaci:

• Rozpuszczonej

• koloidalnej

• w zawiesinie

Kryterium przydziału poszczególnych substancji do formy rozpuszczonej, koloidalnej lub zawiesiny zależy od średnicy cząstki.

• Substancje rozpuszczone - te, których φ < 1 nm;

• Substancje koloidalne - te, których φ = 1 nm - 500 nm (do 0,5 μm);

• Zawiesiny - cząstki o φ > 500 nm;

Wydzielenie tych substancji w analizie chemicznej

Polega to na tym, że wodę przesącza się przez sączek, którego pory mają φ = 0,5 μm. Gdy wodę przesączymy przez ten sączek, to w przesączu otrzymamy substancje, które zaliczane są do substancji rozpuszczonych i koloidalnych. Przesącz poddajemy analizie. To, co określimy, to są to substancje biologicznie przyswajalne. Te substancje mogą być biologicznie przyswajane przez rośliny.

Niektóre substancje mają tendencje do występowania w różnych formach. Mianowicie mogą występować zarówno w roztworze (w formie rozpuszczonej), jak i w zawiesinie. Są niektóre pierwiastki, które w większych ilościach występują w roztworze niż w zawiesinie i na odwrót, np.:

• Na i K - z reguły występują w roztworze (w formie rozpuszczonej)

• Cu - jest metalem, który ma tendencje do adsorpcji na zawiesinie; występuje w zawiesinie

W metalach występują też ligandy. Wody, w których występują ligandy mają tendencję do tworzenia kompleksów. Część metali, część niektórych jonów może tworzyć związki kompleksowe.

Budowa kompleksu

Związek kompleksowy składa się z jonu centralnego, wokół którego są inne cząsteczki - ligandy. Całość tworzy związek kompleksowy.

Jonem, który tworzy związek kompleksowy z ligandami jest żelazo:

Typ wiązania koordynacyjnego.

Takie związki kompleksowe szczególnie tworzy miedź.

Kompleks ma szczególne znaczenie w przypadku toksyczności metali. Z reguły bardziej toksyczne są wolne jony metali niż związki kompleksowe.

Na skład chemiczny wód jakiś wpływ wywierają gazy zawarte w powietrzu. Skład i ilość gazów rozpuszczonych w wodzie jest z reguły proporcjonalna do ilości gazów zawartych w powietrzu, np. ilość:

1. azotu N₂ (cząsteczkowego, atmosferycznego)

• w wodzie: 50 - 60 %_v

• w powietrzu: 78 %_v

2. tlenu O₂

• w wodzie: 6 - 30 %_v

• w powietrzu: 21 %_v

3. dwutlenku węgla CO₂

• w wodzie: 44 %_v (tak duża ilość wynika z procesów metabolicznych)

• w powietrzu: 0,03 %_v

4. metan CH₄

• w wodzie: do 12% (w jeziorach saprofitycznych) najczęściej od 0-3%

Skład chemiczny powietrza i wody - istnieją pewne relacje.

Na skład chemiczny wód powierzchniowych mogą wpływać również opady atmosferyczne. Skład opadów atmosferycznych (przeciętny)

Skład opadów atmosferycznych jest częściowo zbliżony do składu wód powierzchniowych. Zasadnicza różnica polega na tym, że w wodach suma substancji w niej obecnych wynosi kilka do kilkanaście mg/l.

KATIONY:

• Ca 0,6 - 3,3 mg/l

Te wahania zależą od tego, jak często padał deszcz, jak przemyta była atmosfera.

• Mg 0,2 - 1,2 mg/l

• Na 0,6 - ponad 9 mg/l

Ta maksymalna wartość pochodzi z pasa przymorskiego. Oddziaływanie morza na skład chemiczny wód opadów atmosferycznych sięga do 150 km. Parowanie wody pociąga za sobą działanie wiatru i powoduje (wymywanie) wyciąganie z wody kropelek tej wody i soli w niej rozpuszczonej.

• K 0,1 - 0,6 mg/l

• NH₄⁺ 0,4 mg/l

W wodach opadowych jest stosunkowo dużo jonu amonowego NH₄⁺.

ANIONY:

• węglany 3 - 7 mg/l

• siarczany do 2 mg/l

• chlorki 0,2 - 17 mg/l

17 mg/l - w rejonie pasa przymorskiego

• azotany ponad 2,2mg/l

W wodach opadowych występuje dużo azotanów - nawet ponad 2 mg/l z tym, że porównując azot w postaci azotanowej

Te relacje są różne w różnych częściach kraju. Zależy od:

1. rejonu kraju

2. sezonu wegetacyjnego i pory roku

W rejonach górskich jest więcej N - NO₃; na niżu - N - NH₄. Wynika to z działalności rolniczej.

Obecność tych różnych substancji w wodach powoduje różne oddziaływanie na organizmy zamieszkujące te wody. Wynika to stąd, że jedne substancje są konieczne dla rozwoju i życia organizmów, inne są obojętne dla organizmów.

Wpływ substancji potrzebnych dla organizmów na ich rozwój:

• substancje potrzebne,

• substancje nieistotne.

Wpływ substancji potrzebnych na organizmy i ich rozwój

Jeżeli jest zbyt mała ilość, to te organizmy się źle rozwijają. W miarę wzrostu stężenia rozwój staje się coraz lepszy. Zbyt duże stężenie - wpływ toksyczny. Gdy stężenie jest tak duże - wpływ śmiertelny.

Inne substancje występujące w wodach mogą być nieistotne dla organizmu.

Wpływ substancji nieistotnych:

Im większe stężenie tych substancji nieistotnych, to początkowo nie działa na organizmy, potem wpływa toksycznie - organizmy coraz gorzej się rozwijają. Gdy stężenia sa bardzo duże - rozwój nie zachodzi, bo ich wpływ jest śmiertelny!

Pierwiastki, które występują w wodach, można podzielić w zależności od toksyczności i powszechności występowania.

Podział pierwiastków uwzględniający toksyczność i powszechność:

• pierwiastki nieszkodliwe: Na, K, Ca, N, C, P Fe, S, Cl, Br, F, Li, Al., krzemionka;

Glin przy pH = 4,8 i Niższym jest toksyczny; przechodzi w formę jonową, która jest toksyczna;

• pierwiastki toksyczne, mało rozpuszczalne i rzadko występujące: Ti, Ga, Hf (hafn), Zr (cyrkon), W (wolfram), Nb (niob), Ta (tantal), Re (ren), La (lantan), Os (osm), Rh (rod), Ir (iryd), Ru (ruten), Ba (bar);

• pierwiastki toksyczne, często występujące w wodzie (ich rozpuszczalność jest wysoka): Be, Co, Ni, Cu, Zn, Sn, As, Se, Ag, Cd, Hg, Tl (tal), Pb, Sb (antymon);

Twardość wody - zawartość w wodzie kationów dwuwartościowych. Głównie chodzi o wapń i magnez. Pierwotnie twardość określano w inny sposób. Pierwotnie twardość wody oznaczała właściwość wody polegającą na zużywaniu mydła bez powstawania piany.

Twardość wody - pojęcie nieprecyzyjne. Jest wiele jednostek. Powszechnie dąży się do innego określenia twardości. Zastępuje się to pojęcie określeniem ilości magnezu i wapnia w wodzie.

Operuje się trzema pojęciami twardości:

• Twardość ogólna - całkowita zawartość jonów dwuwartościowych w wodzie: Ca, Mg, Mn, Fe, Ba. Wapń i magnez występują w takiej przewadze w stosunku do pozostałych, że praktycznie twardość ogólna oznacza ilość jonów wapnia i magnezu w wodzie.

• Twardość węglanowa - zawartość węglanów CO₃^-2 i wodorowęglanów HCO₃^-1 wapnia i magnezu oraz innych jonów dwuwartościowych. Suma jonów dwuwartościowych tworzących węglany.

• Twardość niewęglanowa - obliczana jest mechanicznie. Jest to różnica między twardością ogólną a twardością węglanową. W twardości niewęglanowej określana jest zawartość jonów dwuwartościowych odpowiadająca takim anionom, jak: chlorki, siarczany i azotany.

W wodzie morskiej występuje przewaga MgCl₂, MgSO₄, MgCO₃.

Twardość węglanowa często nosi nazwę twardości przemijającej. Wynika ona z tego, że ta twardość zanika podczas gotowania, ponieważ w czasie tego procesu wytrącają się jony wapnia i magnezu i tworzy się kamień kotłowy.

Jednostki twardości

Jest ich wiele. System nie został jeszcze ujednolicony.

Jednostki twardości wyrażane są w:

• mval/l

• stopniach niemieckich

• stopniach francuskich

• stopniach brytyjskich

• stopniach amerykańskich

• CaCO₃

Czasem twardość wyraża się zawartością węglanu wapnia CaCO₃ w litrze.

W Polsce twardość wyraża się albo w mval/l lub w stopniach niemieckich.

1 stopień niemiecki = 0,375 mval/litr

1 stopień niemiecki = 10 mg CaO w litrze

Skala twardości

Mamy 6 skal twardości:

1. woda bardzo miękka

2. woda miękka

3. woda mało twarda

4. woda średnio twarda

5. woda twarda

6. woda bardzo twarda

Twardość wód naturalnych: 1 - 20 mval/l.

Z reguły wody źródlane mają niska twardość. W miarę spadku i biegu rzeki twardość wody spada. Wody atmosferyczne cechują się niska twardością, znacznie mniejszą od 1 mval/l.

Twarda woda jest niepożądana przy użytkowaniu w gospodarstwie domowym i w przemyśle, ponieważ:

• wzrasta zużycie mydła, proszków do prania i detergentów, gdyż wytrącają się nierozpuszczalne sole wapnia i magnezu; wzrost zużycia detergentów zawierających fosfor powoduje, że więcej dostaje się go do środowiska;

• przy myciu może powodować podrażnienia skóry u osób bardziej wrażliwych;

• przy praniu jony wapnia i magnezu mogą osadzać się na włóknach materiału, pogarszając ich jakość użytkową;

• pogarszają się właściwości odżywcze mięsa gotowanego w zbyt twardej wodzie;

• wzrasta korozja m. in. w wymiennikach ciepła (kaloryfery), pralkach; dzieje się to wskutek hydrolizy soli magnezu i wzrostu stężenia jonów wodorowych:

Mg²⁺ + 2H₂O → Mg(OH)₂ + 2H⁺

• powstaje kamień kotłowy, który utrudnia wymianę ciepła. W kotłach parowych kamień osadza się z czasem nierównomiernie, w związku z tym różna jest wytrzymałość tego kotła na ciśnienie

Zbyt niska twardość wody również może być niepożądana. Wody zbyt miękkie (< 2 mval/dm³ Ca²⁺, Mg²⁺) są szkodliwe dla człowieka, ponieważ mogą powodować choroby serca 60-500mg CaCO₃.

Zalecana twardość wody do picia ≤ 10 mval/dm³.

Wykład 3

Makroskład wody

Kationy Ca²⁺

Wapń jest pierwiastkiem powszechnie występującym w skałach i glebie. Jest 5 pierwiastkiem w kolejności występowania w skorupie ziemskiej. Stanowi on 3,4% skorupy ziemskiej.

Nie występuje w stanie pierwiastkowym, ale w minerałach:

• anortyt (glinokrzemian wapnia)

• kalcyt (CaCO₃)

• dolomit (CaCO₃ ∙ MgCO₃) = [CaMg(CO₃)₂]

• gips (CaSO₄ ∙ 2H₂O)

• fluoroapatyt (Ca₅(PO₄)₃F)

• hydroksyapatyt (Ca₅(PO₄)₃OH)

• fluoryt (CaF₂)

Źródła wapnia do wód:

• wymywanie ze skał i gleb

• ścieki komunalne i przemysłowe (choć zastosowanie wapnia w przemyśle jest niewielkie)

Występowanie w wodzie:

W wodzie występuje w dużych stężeniach. Najwięcej jest go w wodach nie dotkniętych działalnością człowieka naturalnych (64%).

Postacie wapnia:

• Ca²⁺ - jon wapniowy, najczęściej w tej postaci występuje w wodzie

• w postaci kompleksów - w niewielkich ilościach, zależy to od stopnia zmineralizowania wód. Im wyższe zmineralizowanie tym więcej kompleksów.

W wodach słabo zmineralizowanych stężenie tych kompleksów wynosi 5 - 10% całkowitej zawartości wapnia. W wodach silnie zmnineralizowanych - do 40%.

Rozpuszczalność wapnia zależy od formy, w jakiej występuje. Górna zawartość wapnia w wodzie jest ograniczona rozpuszczalnością CaCO₃ i CaSO₄.

Stężenie wapnia w wodzie ma znaczenie dla równowagi węglanowej. Wapń występuje w postaci:

• CaCO₃ (węglan wapnia)

• Ca(HCO₃)₂ (kwaśny węglan wapnia)

Wodorowęglan jest buforem, który zapobiega gwałtownym zmianom pH wody. Ca(HCO₃)₂ jest źródłem dwutlenku węgla dla roślin wodnych, głównie fitoplanktonu bo,

Ca(HCO₃)₂ → CaCO₃ + CO₂↑ + H₂O

Strącanie CaCO₃.

W trakcie intensywnej fotosyntezy ta reakcja zachodzi bardzo intensywnie. Tworzy się ogromna ilość CaCO₃. Węglan wapnia ma ograniczoną rozpuszczalność w wodzie, wynoszącą ~13 mg/dm³. Gdy w wodzie jest więcej niż 13 mg/dm³ CaCO₃, to jego nadmiar osadza się.

W okresie intensywnej fotosyntezy na dnie jeziora można zauważyć osadzający się biały nalot. Proces ten to biologiczne odwapnienie.

CaCO₃ → Ca²⁺ + CO₃^2-

H₂O → H⁺ + OH^-

W okresie intensywnej fotosyntezy z jonów H⁺ i CO₃^2- powstaje HCO₃^-, który jest zużywany do produkcji CO₂. Z kolei aniony OH^- grupa, która zostaje niewykorzystana i przy nasłonecznieniu powodują, że woda może mieć odczyn pH 12. Tworzenie się węglanów powoduje wytrącenie się węglanów wapnia w postaci białego nalotu na stawach. Kwaśne węglany wapnia są dobrze rozpuszczalne w wodzie. CO₂ jest wykrywalny w wodzie do pH 8,3 powyżej już nie.

Węglany i kwaśne węglany są regulatorem odczynu wody:

HCO₃^- + H⁺ → H₂CO₃ → H₂O + CO₂

Znaczenie wapnia:

• regulator odczynu wody

• dostarczyciel CO₂ dla fitoplanktonu

• biologiczne odwapnienie (wzrost pH wody)

Różne stopnie zbuforowania wód, ze względu na zawartość wapnia:

• słabo zbuforowanie - odczyn waha się do 5, np. od 6 do 11; wapnia jest tu: 0 - 10 mg/dm³

• średnio zbuforowanie - skala wahań odczynu wody do 3,5; wapnia jest tu: 10 - 20 mg/dm³

• silnie zbuforowanie - wahanie odczynu do 2,5, np. 5 do 7,5; wapnia jest tu: > 26 mg/dm³;

Wapń przyczynia się do twardości wody ma to znaczenie w przemyśle.

Ilość wapnia w wodzie do picia nie określono. Dzienne zapotrzebowanie człowieka - 1 g Ca.

Mg²⁺

Magnez jest 8 pierwiastkiem w kolejności występowania w skorupie ziemskiej. Stanowi on 1,9% skorupy ziemskiej. W wodach około 17%. Występuje w minerałach:

• dolomit (CaCO₃ ∙ MgCO₃)

• magnezyt (MgCO₃)

Jest składnikiem chlorofilu.

Ilość magnezu w wodach zależy od stopnia wymywania go ze skał i gleb.

Źródła magnezu do wód:

• wymywanie ze skał i gleb

• niewielki udział ścieków we wzroście magnezu w wodach; jedynie w ściekach z produkcji sody mogą występować duże ilości magnezu

Występowanie w wodzie:

• Mg²⁺

• Kompleksy

W wodach słabo zmineralizowanych zawartość kompleksów może wynosić do 10%, a w wodach silnie zmineralizowanych do 40% całkowitej zawartości magnezu.

Zawartość magnezu w wodach powierzchniowych śródlądowych jest zwykle mniejsza niż wapnia. Stosunek wapnia do magnezu wynosi 4 : 1, rzadko 2 : 1.

Znaczenie magnezu:

• przyczynia się do twardości wody

• duże stężenie magnezu utrudnia korzystanie z wody do celów przemysłowych i domowych (zwiększa korozyjność), np. do prania

• braki magnezu w diecie - wzrost zachorowalności na choroby nowotworowe,

• Przy większych stężeniach (> 250 mg/dm³) woda ma gorzki smak. Przy stężeniu > 100 mg/dm³ woda ma właściwości przeczyszczające. MgSO₄ jest stosowany jako tzw. sól gorzka leczy choroby gastryczne.

Jednym ze źródeł magnezu w diecie jest woda naturalna.

Na⁺

Sód stanowi 2,6% skorupy ziemskiej, w odzie jest w ilości 16%. W stanie wolnym nie występuje, ale występuje w postaci minerałów:

• halit (NaCl)

• albit (glinokrzemian sodu)

Występuje też w postaci saletry NaNO₃ i soli.

Znaczenie sodu i wystepowanie w wodzie:

• stosowany w gospodarstwie domowym jako sól kuchenna

• z wielu gałęzi przemysłu (papierniczy, szklarski (szkło sodowe), chemiczny, spożywczy, medycyna (sól fizjologiczna); sole sodowe są używane przy produkcji barwników, wełny szklanej, środków piorących.

• NaCl jest stosowany do usuwania śniegu i lodu z dróg w okresie zimowym (w czasie sezonu można użyć ≤ 25 g/m² NaCl)

• wymywany z gleb i skał

• w procesie uzdatniania wody używa się różnych substancji, które zawierają sód w takich wodach ilość sodu może wzrastać 100 razy

W zależności od technologii wzrost zawartości sodu w wodzie pitnej w stosunku do wody

„surowej” może sięgać 100 - 1000%.

• stosuje się do uzdatniania: NaOH, Na₂CO₃, NaHCO₃ oraz NaHClO₃.

• źródłem sodu w odzie są też substancje stosowane do jej fluorowania: NaF i Na₂SiF₆.

• ścieki kopalniane (wody dołowe często zawierają ogromne ilości NaCl, do kilkuset mg Na/dm³)

• ścieki miejskie - zawierają ~20 mg Na/dm³, spowodowane jest to przez mocz i detergenty. Dziennie do wód Odry i Wisły odprowadzano > 5 tysięcy ton sodu wodami dołowymi (1993 r.); w roku 1999 - 3 tysiące ton

• wody opadowe w paśmie przybrzeżnym (do 150 km od morza)

Występowanie w wodzie:

• Na⁺

• kompleksy - rzadko

Sód bardzo dobrze rozpuszcza się w roztworze wodnym i bardzo długo w rozpuszczonym stanie może występować nie wytrącając się do osadu.

Znaczenie sodu:

• w małych stężeniach nie jest szkodliwy

• jest pierwiastkiem niezbędnym dla organizmów żywych - dobowe zużycie sodu przez człowieka wynosi: 4 - 24 g, ale wystarcza dawka 3 g. mimo to zużywa się go więcej

• sód jest toksyczny w bardzo dużych dawkach, szczególnie wrażliwe na niego są dzieci.

Dietetycy zalecają, aby w wodzie do picia było go ≤ 100 mg/dm³ do 200 mg/dm³ .

Wypicie 2 litrów wody daje dawkę 0,3 g sodu.

• sód z krzemionką może przyczyniać się do powstawania kamienia kotłowego. Wiąże się z krzemionką i w tej postaci strąca się i osadza. Ma to znaczenie w kotłach wysokoprężnych.

K⁺

Potas jest 7 pierwiastkiem w kolejności występowania w skorupie ziemskiej. Jest go tu 2,4%.

Nie występuje w przyrodzie w stanie wolnym, ale jako chlorki, bromki, siarczany, azotany, glinokrzemiany. Sole potasu powszechnie występują w wodach ~3%.

Minerały zawierające potas:

• sylwin (KCl)

• kainit (KCl ∙ MgSO₄ ∙ 3H₂O) - był stosowany jako nawóz potasowy. Zawierał 14 - 18% potasu. Był tani. Zalecany do stosowania na łąki, na śnieg albo wczesną wiosną, ponieważ zawierał dużo chloru. Roztopy wiosenne powodowały wymywanie chloru, a potas był absorbowany w kompleksie glebowym. Obecnie stosowane nawozy zawierają 50 - 60% potasu.

• karnalit (KCl ∙ MgCl₂ ∙ 6H₂O)

• glazuryt

Zastosowanie potasu:

• w rolnictwie on nie powoduje eutrofizacji używany jest jako sole potasowe,

• przy produkcji środków wybuchowych(saletra potasowa)

• przy produkcji zapałek,

• w lecznictwie.

Źródła potasu do wód:

• sole potasowe stosowane są do nawożenia gleb

• ścieki miejskie i przemysłowe (głównie dołowe wody kopalniane)

• wody opadowe

Występowanie w wodzie:

• K⁺

Związki potasowe bardzo dobrze rozpuszczają się w wodzie i rzadko się wytrącają.

• radioaktywny izotop potasu K⁴⁰, istotny składnik naturalnej radioaktywności wód

Znaczenie potasu:

Stosunek sodu do potasu wynosi 3 : 1.

Ilość potasu w wodach:

• Polska: kilka mg/dm³

• w wodach zanieczyszczonych ściekami: kilkanaście mg/dm³

Aniony

Cl^-

Chlor wolny w przyrodzie nie występuje. Występuje głównie w postaci chlorków.

Zawartość chlorków w skalach jest mała ze względu na ich dużą rozpuszczalność w wodzie.

W skałach wulkanicznych występuje jako:

• sodalit (glinokrzemian chlorkowo-sodowy)

Największe ilości chlorków występują w złożach powstałych po odparowaniu mórz.

Minerały:

• halit (NaCl)

• sylwin (KCl)

• karnalit (KCl ∙ MgCl₂ ∙ 6H₂O)

• wischolit (MgCl₂ ∙ 6H₂O)

NaCl jest stosowany do produkcji:

• chloru (Cl₂), chlorynu (na bazie kwasu chlorawego HClO₂), podchlorynu (na bazie kwasu podchlorawego HClO),

• do zwalczania śliskości poślizgowej

Do uzdatniania wody.

Źródła chloru do wód:

• NaCl, CaCl₂, MgCl₂ - używane do usuwania śniegu i lodu z dróg

• z oceanów - wędrują do atmosfery i wraz z deszczem wracają na powierzchnię ziemi

• wymywanie skał i gleb

• ścieki przemysłowe i komunalne, wody kopalniane

Występuje w wodzie jako jon Cl^- nie tworzy kompleksów. Wolny chlor jest trujący. W wodach naturalnych jest na 3 miejscu występowania. Ich stężenia są mniejsze od siarczanów, czy węglanów ale w wodach są w ilości śladowych do 100 kilkudziesiąd mg/l

Chlor Cl₂ nie występuje w wodach powierzchniowych, ale może się tu dostać ze ściekami, które poddano dezynfekcji chlorem.

Cl₂ w wodach powierzchniowych szybko zanika, ponieważ utlenia się do atmosfery.

Chlorki są powszechne w wodach powierzchniowych.

• wody zanieczyszczone wodami kopalnianymi - Cl^- > 1000 mg/dm³

• wody opadowe - pas przybrzeżny: do 17 mg, w innych miejscach 3 - 4 razy mniej

Znaczenie chloru:

Chlorki powszechnie występują w roślinach i zwierzętach. Są niezbędne dla funkcjonowania organizmu człowieka. Dziennie człowiek potrzebuje 9 g chlorków.

W wodzie do picia powinno ich być mniej niż 50 mg/dm³. Większe stężenie jest niepożądane dla osób chorych na serce. Poza tym chlorki nadają wodzie słaby słony smak.

W stężeniu > 250 mg/dm³ chlorki są szkodliwe dla roślin wodnych i powodują korozję.

SO₄^2-

Siarczany są anionem powszechnie występującym w przyrodzie. W skorupie ziemskiej siarczany występują jako:

• gips (CaSO₄ ∙ 2H₂O)

• anhydryt (CaSO₄)

• piryt (FeS₂)

Źródła siarczanów do wód:

• pokłady pirytu FeS₂ - bo anion S^2- w środowisku wodnym w warunkach tlenowych szybko utlenia się do SO₄^2-

• wymywanie ze skał i gleb

• opady atmosferyczne (do 170 kg S/ha/rok)

• biochemiczne utlenianie innych form siarki

Bakterie siarkowe utleniają inne formy siarki do siarczanów, aby pozyskać energię.

• Kwaśne wody kopalniane

• Transport (benzyna)

• Węgiel kamienny i brunatny zawiera ok. 5%

• Z ścieków:

• w ściekach miejskich: 200 mg/l;

• w ściekach przemysłowych: do 6000 mg/l (głównie przemysł produkujący nawozy; używa się tu H₂SO₄)

Stężenie siarczanów w wodach: kilka do kilkanaście tysięcy mg/dm³.

Występowanie w wodzie:

• SO₄^2-

• Kompleksy z wapniem, magnezem, sodem, żelazem Fe²⁺ i Fe³⁺, manganem

Znaczenie siarczanów:

Siarczany w stężeniach przeciętnie występujących w wodach nie mają znaczenia sanitarnego. Wysokie stężenia - właściwości przeczyszczające.

Toksyczność siarczanów zależy od rodzaju kationów:

SO₄^2- + X⁺ → sól

np. Na₂SO₄ jest toksyczny przy stężeniu 12 g/dm³; ZnSO₄ - 0,3 g/dm³.

12000 mg/l - na ryby źle działa (siarczan sodu)

300 mg/l - siarczan sodu na cynk.

Metale ciężkie

Zasady ogólnego występowania metali ciężkich w wodach powierzchniowych

Są to wszystkie metale które maja ciężar właściwy więcej niż 4,5 g/cm3. tylko niektóre z nich są toksyczne:

- kadm, - ołów,

-rtęć, -miedź,

-ołów, - nikiel,

- arsen.

Większość metali ciężkich jest niezbędna do życia ( wchodzą w skład enzymów), ale po przekroczeniu wartości stają się toksyczne np: miedź. Wchodzi ona w skład enzymów biorących udział w fotosyntezie w ilości od kilku do kilkunastu mg/l, wyższe stężenia SA stosowane do zwalczania zakwitów glonów. Większość metali tych kumuluje się w osadach dennych. Ich toksyczność zależy od pH wody. W wodach o odczynie alkalicznym są nieaktywne ale w miarę spadku pH ich toksyczność wzrasta. W Polsce ten problem zanieczyszczenia metalami ciężkimi jest wyolbrzymiony.

Wykład 4

Cd, Hg, Pb - na te metale człowiek jest najbardziej wrażliwy,

Cu, Zn, Ni - na te metale rośliny są najbardziej wrażliwe.

x - silna wrażliwość

xx - średnia wrażliwość

	człowiek	zwierzęta	rośliny
Pb Hg Cd	xxx xxx xxx	xx xx xx	x x x
Cu Zn Ni	x x x	xx xx xx	xxx xxx xxx

xxx - słaba wrażliwość

Owce narażone są na miedź - wyjątek!

Ilość metali ciężkich zależy od rodzaju wód. Do wód dostają się ze źródeł naturalnych (wybuchy wulkanów, pożary lasów, wietrzenie skał, minerałów, rozkład minerałów) i antropogenicznych.

Ze źródeł antropogenicznych najbardziej narażone na zanieczyszczenie są:

• wody powierzchniowe lądowe

• wody morskie - strefa przybrzeżna mórz

• wody glebowe zalegające w warstwie ornej

W pewnym stopniu narażone na zanieczyszczenie metalami ciężkimi są wody gruntowe najpłytszego poziomu.

Metalami ciężkimi mogą być zanieczyszczane wody atmosferyczne.

Wody podziemne w przeważającej większości są chronione przed dopływem metali ciężkich.

Oceany, ze względu na ich ogromną objętość, uważane są, że daleko im do znaczącego zanieczyszczenia metalami ciężkimi.

Antropogeniczne źródła zanieczyszczenia metalami ciężkimi

Główne źródła:

• ścieki przemysłowe oraz komunalne

• ługowanie, wymywanie metali ciężkich z różnego rodzaju wysypisk, składowisk odpadów

• pyły atmosferyczne zawieszone w atmosferze - w ich składzie zawarte są metale ciężkie

• spływy z pól (metale te dostają się tam z nawozów oraz środków ochrony roślin; stosowano: środki arsenowe, cynkowe, rtęciowe, miedziowe)

Zrzuty ścieków przemysłowych i komunalnych

W aspekcie rozpatrywania zanieczyszczenia metalami ciężkimi te zrzuty mają wpływ raczej lokalny. Tzn. że w bezpośrednim sąsiedztwie ich spływu następuje wzrost zanieczyszczenia metalami ciężkimi, a następnie te metale ciężkie wytrącają się z wody w wyniku procesów fizycznych, chemicznych, biologicznych i przedostają się do osadów oraz są akumulowane w biocenozach: roślinności i zwierzętach, bytujących na tym terenie.

Wzrost zakwaszenia gleby powoduje wzrost wymywania niektórych pierwiastków z tej gleby.

Na zakwaszonej glebie wzrost wodoru wymywanego jest ~ 4 krotny, glinu - 7 krotny, siarczanów - 2,5 krotny. Podstawowe kationy: wapń i magnez - 2 krotny.

Zakwaszenie ma wpływ na rozpuszczalność metali ciężkich. Z reguły większość tych metali w warunkach zakwaszenia łatwo przechodzi do roztworu wodnego z osadów jeziornych, rzecznych czy też z gleb.

Procesy:

• Zawartość metali ciężkich od źródła - miejsca ich wprowadzania do rzeki, jeziora, to większość tych metali szybko ulega przemianie z formy rozpuszczalnej w wodzie na formę, która jest trudno rozpuszczalna. Ten proces może przebiegać na drodze chemicznej, np. żelazo na trzecim stopniu utlenienia jest łatwo rozpuszczalna, natomiast na drugim stopniu utlenienia jest trudno rozpuszczalna i łatwo strąca się. Większość metali ciężkich w tej postaci jest łatwo rozpuszczalna i łatwiej przechodzi do osadów.

• Kolejną przyczyną wytrącania się metali ciężkich jest sorpcja przez osady denne. W osadach jest wielokrotnie metali ciężkich niż poniżej zrzutu ścieków. O ile w zbiornikach zaporowych ta sorpcja i wytrącanie tych metali do osadów jest względnie stałe, to w rzece na skutek nagłych wezbrań te osady są zmącane i mogą być te metale przywracane z powrotem do obiegu.

Skład osadów dennych w rzece, jeziorze pod względem zawartości metali różni się w zależności od tego, czy dany akwen wodny położony jest w rejonie uprzemysłowionym czy rolniczym:

• Tereny uprzemysłowione - zbiorniki wodne, rzeki położone w tych terenach różnią się składem. W takich osadach więcej jest następujących metali. Po składzie osadów dennych można zorientować się, czy dany region jest pod wpływem metali ciężkich i odróżnić od rejonów rolniczych. Ponad 90% ogólnej zawartości metali ciężkich stanowią: Cd, Cu, Hg, Pb, Zn.

• Tereny rolnicze - odróżniają się od tamtych taką cechą, że głównie zawierają metale mające zastosowanie w rolnictwie - pochodzące ze środków ochrony roślin, czy towarzyszące nawozom: Hg - nawozy rtęciowe, grzybobójcze - do walki z chorobami grzybowymi (fuzariozy); kiełkujące nasionka były atakowane przez choroby grzybowe; te kiełki od razu po wyjściu zamierały; Cu, As, Zn - cynkotoks, cynkomiedzian.

Opad zanieczyszczeń -gdzie są związki siarki tam w wodach powierzchniowych i gruntowych jest więcej metali ciężkich (jest większa kwasowość gleb to większa mobilność związków do gleb).

Metale ciężkie mogą na te wody opadać bezpośrednio, albo dostawać się z przyległego rejonu na drodze spływu powierzchniowego czy filtracji.

Na drodze bezpośredniego opadu - nie stanowi jeszcze poważnego zagrożenia, dlatego że jeszcze objętość wód w stosunku do tego opadu jest wystarczająca do rozcieńczenia tych metali ciężkich.

W tych rejonach, gdzie zlokalizowany jest przemysł, równocześnie obserwuje się zwiększony opad substancji kwasotwórczych: tlenków siarki przemienionych na kwas siarkowy - w postaci kwaśnych deszczów; tlenków azotu utlenianych do kwasu azotowego. To zakwaszenie powoduje uruchomienie metali ciężkich ze zlewni.

Glin przy pH = 4,8 i poniżej tej wartości staje się toksyczny - jest to forma zjonizowana.

Miedź Cu

Charakteryzuje się tym, że występuje w przyrodzie w dość znacznym stopniu jest rozproszona. Charakteryzuje się tym, że występuje w stanie wolnym, ale również w postaci tlenku miedziawego: kupryt Cu₂O. inne związki:

• siarczek miedziawy z żelazawym CuS ⋅ FeS - chalkopiryt

• wodorotlenki i węglany miedzi

• wodorotlenek miedzi z węglanem miedzi - malachit

Występuje w postaci chlorków i arsenków.

Zastosowanie:

• miedź jest dość rozpuszczalny i ma duże zastosowanie w gospodarce człowieka, jako środek grzybobójczy

• używa się jej do produkcji stopów:

• mosiądzu - stop cynku i miedzi

• brązu - stop cyny i miedzi

• ma zastosowanie w przemyśle chemicznym jako katalizator. Ma duże znaczenie w przemyśle elektrotechnicznym - używa się jej do produkcji przewodów elektrycznych (charakteryzuje się dobrym przewodnictwem elektrycznym),

• do transformatorów, generatorów. Jest używana jako materiał do produkcji wymienników ciepła, np. chłodnic, kaloryferów

• w budownictwie - na dachy kościołów, rynny

• ma zastosowanie jako tzw. algicyd - środek służący do zwalczania zakwitów glonów (alg) w postaci siarczanu miedzi.

Źródła miedzi

• Miedź może występować w wodach kopalnianych, gdzie pozyskuje się miedź. Wody odpompowywane z miejsc wydobycia surowca mogą zawierać miedź. Zanieczyszczenie wód największe występuje w tych miejscach, gdzie zlokalizowane są kopalnie i huty miedzi.

• hutnictwo - zwłaszcza stopy, podstawowe źródło dostawania się miedzi do środowiska wodnego

• ścieki komunalne - bo mogą zawierać lokalnie bardzo duże stężenia miedzi; nieraz mogą wynosić nawet 3000 mg/l. Miedź charakteryzuje się tym, że w wodzie występuje w postaci rozpuszczonej i kompleksów. Miedź stosunkowo łatwo przechodzi do kompleksów z tym, że te kompleksy najczęściej tworzy ze związkami humusowymi. Tam, gdzie one występują, nawet 90% miedzi może być związane w kompleksach. Ilość miedzi zależy od zawartości magnezu w wodach.

• związki kompleksowe łatwiej wytrącają się ze środowiska wodnego;

• związki kompleksowe z reguły zmniejszają toksyczność danego metalu

W wodzie słodkiej te kompleksy są łatwiej tworzone niż w wodzie morskiej. To wynika stąd, że w wodzie morskiej jest dużo magnezu. On powoduje hamowanie powstawania związków kompleksowych miedzi.

Ilość miedzi w wodach naturalnych

Miedź w wodach naturalnych rzadko jest obecna, chyba że były tam jakieś minerały zawierające miedź. Miedź występująca w wodach, gdy ją w tych wodach wykryjemy, to należy się domyślać, że jest pochodzenia antropogenicznego, tzn. ze najczęściej pochodzi ze ścieków.

Ilość miedzi w rzekach Polski waha się w granicach do 150 μg/l. Zanieczyszczenia lokalne pochodzące z hut metali kolorowych, głównie miedzi a także pochodzące z kopalni wydobycia miedzi, mogą powodować, że lokalnie mogą zawierać 2 mg/l.

Miedź szybko wytrąca się do osadów z tej racji, że tworzy kompleksy.

Znaczenie miedzi

Miedź jest w niewielkich ilościach mikroelementem i jest niezbędnym składnikiem do wzrostu roślin. Większe dawki są toksyczne. Te wyższe stężenia, które powodują toksyczne oddziaływanie na rośliny, są istotne od 100 μg/l. inaczej mówiąc stężenie powyżej 100 μg/l powodują zahamowanie wzrostu roślin występujących w wodach.

Na miedź wrażliwe są bardzo ryby. Tylko na rtęć są ryby bardziej wrażliwe niż na miedź.

Toksyczność miedzi i wpływ na ryby i inne organizmy wodne zależy od pH i twardości wody. W wyższych wartościach pH (w wartościach alkalicznych) oraz w wodzie miękkiej toksyczność miedzi jest większa.

Zastosowanie CuSO₄ do walki z zakwitami glonów. Przed podjęciem decyzji o zastosowaniu tego algicydu badano wodę, w której występuje ten zakwit na zawartość związków miedzi i magnezu. Badano twardość i odczyn wody. Specjalna tabela, na podstawie tych dwóch wskaźników i danych z tabeli określono stężenie algicydu.

Miedź:

• jest stosunkowo mało toksyczna dla człowieka, zależy od wieku

• jest również potrzebna organizmowi człowieka, dlatego że jej główna rola wiąże się z procesami oksydacyjno - redukcyjnymi. Miedź jest składnikiem oksydazy cytochromowej.

• Jest składnikiem krwi ludzkiej. Tam miedź występuje w surowicy krwi i reguluje metabolizm i transport żelaza. Przez to, że reguluje metabolizm żelaza, działa stymulująco na tworzenie hemoglobiny. Żelazo jest jej składnikiem.

Człowiek swoje zapotrzebowanie na miedź pokrywa zwykłą dietą. Zbyt duże dawki miedzi mogą powodować objawy chorobowe. Najwrażliwsze na miedź są niemowlęta. Istnieje groźba zapadalności dzieci, gdyby spożyły zbyt duże dawki, na chorobę - methemoglobinemię. Brak informacji na temat teratogenności miedzi.

Cynk Zn

W przyrodzie występuje głównie jako galman - uwodniony krzemian cynku. Również w postaci:

• węglanu cynku - smitsonit

• siarczku cynku - ZnS - sfaleryt

• tlenku cynku - ZnO - cyncyt

Cynk ma dość szerokie zastosowanie w gospodarce człowieka. Stosowany do produkcji:

• stopów z miedzią: mosiądzu

• środków ochrony roślin

• środków konserwujących drewno

• szerokie zastosowanie w budownictwie: do pokrywania części metalowych celem zmniejszenia ich korozyjności warstwą cynku; blacha cynkowa

• jest używany w przemyśle chemicznym jako katalizator

Źródła cynku

- spalania węgla brunatnego i kamiennego cynk jest emitowany do atmosfery a stąd dostaje się do innych elementów środowiska.

W wodzie do picia spotyka się cynk, który może pochodzić z rur ocynkowanych. W wodach naturalnych jest go stosunkowo mało, normalne stężenie to 15 μg/l, dla I klasy czystości wynosi 0,3 μg/l. W wodach do picia dopuszczalne wartości wynosiły do niedawna 5 mg, teraz 2 mg dla I klasy czystości to 0,1mg/l. Znaczące ilości cynku mogą występować lokalnie - w miejscu uchodzenia ścieków z przemysłu hutniczego do wód powierzchniowych. Wykryto nawet 300 mg/l a w deszczu 4 mg/l.

W wodach czystych osady rzeczne czy jeziorne nie zawierają więcej cynku niż 50 mg Zn/kg. Wyrażane jest to suchą masą - na kg suchej masy osadu.

W rejonach, gdzie jest hutnictwo metali kolorowych, szczególnie cynku, ta ilość cynku w osadzie wzrasta co najmniej dwudziestokrotnie i wynosi około 1000 mg/kg.

Cynk występuje w wodzie w postaci jonowej i kompleksów.

Źródłem cynku mogą też być wody opadowe.

Występowanie cynku w zależności od usytuowania miejsca: im rejon jest pod większym wpływem przemysłu metali kolorowych, tym ilość cynku w takich wodach jest większa.

Cynk też przechodzi łatwo do osadów, dlatego ze tworzy związki nierozpuszczalne kompleksy. Skład i ilość cynku w osadach odzwierciedla stan zanieczyszczenia regionu, w którym te badania osadu były robione.

Pasternak stwierdził, że koło pewnej huty cynku było aż 20 kg/kg osadu.

Osady są odzwierciedleniem trwałego procesu mającego miejsce w danej okolicy.

Cynk osadza się w osadach dzięki temu, że się strąca, ale także dzięki sorpcji na powierzchni osadów.

Cynk ulega biologicznej sorpcji. Drobnoustroje (mikroorganizmy) maja zdolność wytrącania cynku z wody. Np. wykonano badania, w których stwierdzono, ze nawet do 80% cynku obecnego w wodzie po pięciu latach badań zostało na drodze biologicznej wytrącone do osadu.

Źródłem tego metalu w wodzie są:

• huty cynku - ścieki z hut cynku

• zakłady chemiczne

• zakłady innych metali kolorowych: hutnictwo

Cynk i jego ilość w osadach

Można ta ilość w osadach odnosić do tzw. tła, czyli porównać, ile cynku w osadach w warunkach naturalnych - daje tzw. wskaźnik nagromadzenia - wartość, którą uzyskujemy dzieląc zawartość jakiegoś metalu czy pierwiastka w badanym elemencie przez wartość odniesienia. W naszym przypadku - dzieląc ilość cynku w osadach przez ilość naturalną.

Ten wskaźnik nagromadzenia cynku w rzekach w okręgach przemysłowych wynosi 10. Jest to stosunkowo wysoka wartość mówiąca o tym, że stosunkowo łatwo przechodzi do osadów i że zanieczyszczenie w tym miejscu - lokalnie - jest znaczne.

Cynk i działanie na organizmy

Cynk jest potrzebny organizmom dla ich wzrostu, ponieważ wchodzi w skład enzymów. Znanych jest około 20 enzymów, które zawierają cynk, np. dehydrogenazy czy fosfatazy.

Cynk bierze udział w biosyntezie kwasów nukleinowych czy polipeptydów.

Wrażliwość zwierząt na cynk:

Najbardziej wrażliwe są przeżuwacze - np. krowa, koza, jeleń, mają czterokomorowe żołądki: żwacz - największy żołądek (u krowy ma pojemność nawet 60 l), czepiec, księgi, trawieniec. Pokarm lekkostrawny od razu kierowany jest do trawieńca.

Mogą one ulec nawet zatruciu cynkiem i to przy stężeniu ~1000 ppm/kg, czyli 1000 mg/kg.

Objawy zatrucia cynkiem:

• niedokrwistość

• ogólne osłabienie

Nadmiar cynku w organizmie - uważa się, że cynk jest jedną z przyczyn zmian nowotworowych. Nie zostało udowodnione działanie rakotwórcze cynku.

Zdarza się również zatrucie ludzi po spożyciu cynku. Z reguły zdarza się to przez przypadek i niewiedzę. Cynk może dostać się w nadmiernej ilości do organizmu człowieka przez spożycie owoców, które były opryskiwane środkami ochronnymi zawierającymi cynk. Inna przyczyna może być spożywanie produktów spożywczych przechowywanych w naczyniach ocynkowanych. Wszystkie metalowe puszki, w których przechowuje się żywność, po otwarciu żywność powinna być wyjęta a puszki wyrzucone, np. śledzie, piwo. Ponieważ następuje szybkie utlenianie i przechodzenie metali ciężkich do żywności.

Zwierzęta też mogą ulec zatruciu cynkiem. Najczęściej ulegają takiemu zatruciu zwierzęta, które spożyły środki przeciw szczurom.

Zapotrzebowanie człowieka na cynk

Cynk jest niezbędny dla organizmu człowieka. Zapotrzebowanie wynosi:

• ~2 - 3 mg/dzień - dorośli

• < 1 mg/dzień - dzieci

Znaczenie w wodach

Cynk, gdy występuje w stężeniu > 5 mg/l, nadaje wodzie gorzki smak. Potem jest metaliczny posmak wody. Czuje się go bardzo mocno.

Cynk powoduje zmętnienie wody. Występuje ono, kiedy woda ma odczyn zasadowy.

Kadm Cd

Metal, który nie występuje w przyrodzie w stanie rodzimym (pierwiastkowym), a w postaci siarczków i węglanów kadmu. Kadm ma charakterystyczną cechę, że zawsze towarzyszy rudom cynku i ołowiu.

Zastosowanie kadmu

• używa się go do powlekania powierzchni metalicznych. Służy w przemyśle samochodowym wykorzystywana jest tam technologia pokrywania elementów kadmem.

• w przemyśle elektronicznym,

• do produkcji farb, tworzyw sztucznych,

• fungicydów, jest używany do produkcji baterii.

Źródła kadmu do środowiska i wody

1. ścieki oraz pyły z kopalni i hut kadmu

2. spalanie olejów i opon samochodowych

3. z wodami dołowymi z kopalni rud metali kolorowych cynku i ołowiu

Polska - okolice miasteczka śląskiego, huty Szopienice - te rejony są w Polsce bardzo mocno zanieczyszczone kadmem.

Gdy kadm dostanie się do powierzchniowej warstwy gleby- próchnicznej, może tam istnieć 250 lat, ponieważ jest stosunkowo mało labilny. Jest wiązany przez próchnicę glebową i to powoduje ten długi okres przebywania w miejscu, do którego się dostał.

Kadm stosunkowo łatwo przechodzi do osadów dennych, dlatego że tworzy węglany i te węglany są mało rozpuszczalne w wodzie. W postaci węglanów jest wyłączany ze środowiska wodnego i przechodzi do osadów.

Kadm jest bardzo łatwo sorbowany przez minerały ilaste i również jest wytrącany z wody wskutek sorbowania go przez wodorotlenki.

Jego współczynnik magazynowania w osadach jest najwyższy w porównaniu z innymi metalami. Wynosi on około 50.

Np. rzeka Łaba - w osadach zbadana ilość kadmu wynosiła ~40 ppm, natomiast w wodzie, która znajduje się nad osadami 0,9 (~1) ppb.

Kadm dodatkowo łatwo wychodzi z obiegu przez to, że wyjątkowo łatwo jest akumulowany w organizmach żyjących w wodzie, a szczególnie w roślinności wodnej. Ten kadm związany w tych organizmach wodnych oraz w osadach, dzięki jego rozpuszczalności, dosyć łatwo przechodzi do kolejnych ogniw łańcucha pokarmowego. Kadm w wodach powierzchniowych wyjątkowo rzadko występuje w ilościach znaczących, jedynie tam, gdzie dopływają ścieki, jego ilość może gwałtownie wzrastać.

Wody naturalne - z reguły w takich wodach ilości kadmu są niewykrywalne albo w ułamkach μg. Wody zanieczyszczone mogą zawierać setki μg/l.

Woda do picia - kadm może znajdować się w wodzie do picia ( wtórnie się tam przedostaje już po oczyszczeniu)

Źródłem kadmu po oczyszczeniu są rury galwanizowane. Mogą one zwielokrotniać ilość nawet do 100 razy kadmu w wodzie oczyszczonej w stacjach uzdatniania. Kadm - jedyny pierwiastek wśród grupy pierwiastków silnie toksyczny dla człowieka. Jego toksyczność jest o tyle niebezpieczna, że stopniowo kumuluje się w organizmie.

Kadm może powodować:

• choroby nerek

• choroby sercowo - naczyniowe

• być przyczyna nadciśnienia

• zaburzenia metabolizmu wapnia - choroba itaj - itaj po raz pierwszy została wykryta i opisana w Japonii. Zarejestrowano tam wiele objawów zatruć kadmem. Wynikały one ze spożycia mięsa ryb i wody. Zatrucie kadmem nosi nazwę kadmozy (choroba itaj - itaj). W latach 1940 - 1960 do rzeki były wpuszczane ścieki, które zawierały kadm. Ta woda była używana do nawadniania pól ryżowych. Kadm łatwo przechodzi do innych elementów biocenoz. Łatwo przedostawał się do ryżu. Ryż ten zawierał kadm.Kiedy kadm dostanie się do organizmu człowieka, może w nim przebywać bardzo długo. Okres półtrwania wynosi 10 - 30 lat. stąd mięso ryb nie powinno zawierać więcej niż 0,5 mg Cd /kg ryby. Kadmoza (oj boli boli) - następuje skrzywienie, deformacja, kruchość, łamliwość kości. Te zmiany chorobowe powodują bardzo silny ból (stąd nazwa: boli boli). Ta łamliwość kości może być bardzo duża. Po zbadaniu i prześwietleniu pacjenta stwierdzono na zdjęciu 72 złamania. Każdy ruch powodował kolejne pękanie żeber.

• Kadm jest potencjalnym teratogenem a także stymuluje rozwój chorób nowotworowych - jest mutagenny, u mężczyzn powoduje choroby gruczołu krokowego (prostaty).Sam kadm dla ryb jest toksyczny w stężeniu > 3mg. Kadm obecny w wodach powoduje zahamowanie procesu samooczyszczania wód przy bardzo niskim stężeniu wynoszącym 100 μg/l. Ryby czułe są na kadm w stężeniu 3-20mg/l.

Główne źródła dostawania się kadmu do organizmu człowieka:

• żywność (mięso ryb)

• papierosy - paląc wprowadzamy do organizmu kadm,. Tytoń odznacza się wyjątkowymi właściwościami gromadzenia kadmu obecnego w glebie. Stąd w dymku papierosowym tego kadmu jest więcej.

• Kadm jest używany jako jeden z komponentów służących do produkcji barwników. Są one używane do farbowania mas plastycznych, ceramiki, fajansu. Obecnie zabroniono jego stosowania w farbach ze względu na toksyczne właściwości.

• opony samochodowe - szczególnie naganne jest palenie opon

Rtęć Hg

Charakteryzuje się tym, że jest metalem ciekłym w temperaturze pokojowej (18 - 20ºC). W temperaturze pokojowej łatwo odparowuje i przechodzi w stan lotny i może wysycać powietrze parami rtęci. W warunkach normalnych powietrza rtęć może wysycać powietrze parami rtęci do 13,2 μg Hg/m³. Tam, gdzie występuje rtęć może nastąpić nawet 100% wysycenie powietrza. Pary rtęci są jednoatomowe i nie ulegają potem utlenieniu. Są silnie trujące. Przebywanie w powietrzu, w którym występują pary rtęci, jest szkodliwe dla zdrowia.

Rtęć w przyrodzie może występować w postaci samorodnej (pierwiastkowej) albo w postaci siarczku rtęci HgS - cynober. Rtęć ma duże zastosowanie w gospodarce człowieka, dlatego że jest stosowana w przemyśle:

• elektrotechnicznym

• fotograficznym

• chemicznym - używana jest do analiz: metoda oznaczania chlorków oparta o rtęć

• farmaceutycznym

• do aparatury pomiarowej - termometry, lampy kwarcowe oparte na rtęci

• ma zastosowanie do produkcji niektórych farb, barwników

• jest katalizatorem w niektórych reakcjach w przemyśle chemicznym

• miała szerokie zastosowanie w rolnictwie - była używana do produkcji zapraw rtęciowych (rtęć z pól łatwo przechodzi do wód)

Źródła rtęci do środowiska

• źródło antropogeniczne: główne - spalanie naturalnych materiałów energetycznych, tj. węgiel, ropa, które zawierają w swym składzie m. in. Rtęć

• pozyskiwany jest w postaci metalicznej, ponieważ łatwo odparowuje.

• wybuchy wulkanów,

• przemysł chemiczny (produkcja PCV)

• przemysł farbiarski,

• rolnictwo

Rtęci średnio w węglu występuje ~0,24 mg/kg C. ma to ogromne znaczenie na zanieczyszczenie środowiska wokół elektrowni, elektrociepłowni. W tym miejscu stwierdza się podwyższone zawartości rtęci w stosunku do otoczenia, np.

Występowanie w wodzie:

• Hg²⁺ (jony rtęciowe)

• Hg₂ ²⁺ (jony rtęciawe)

• Hg⁰ (rtęć elementarna)

• Hg w związkach organicznych - fenylortęć, lub toksyczna metylortęć.

Forma występowania zależy od potencjału oksydo - redukcyjnego środowiska, stanu zanieczyszczenia środowiska i odczynu wody oraz zawartości tlenu.

Rtęć jest 100% przyswajalna przez organizm człowieka i kumuluje się. Metylortęć powstaje w osadach dennych przez działalność bakteryjną i ona przechodzi do obiegu hydrobiologicznego. W tkankach ryb może jej być 3 razy więcej niż wodzie w której występuje.

Wykład 5

Ilość rtęci występuje najwięcej w zawiesinie ok. 1mg/kg osadu. Im osady maja mniejszą tym większa kumulacja jej.

Chlorek rtęci o kilku μg/l jest już trujący szczególnie dla ryb, 0,5mg/kg masy dopuszczalna ilość w wodzie do picia to 1 μg/l.

Rtęć powoduje:

• zaburzenia enzymatyczne

• powstają zmiany w wiązaniach DNA

• porażenie układu nerwowego

• zaburzenia widzenia, słuchu i mowy,

• porażenie ruchowe kończyn,

• odkłada się w wątrobie i nerkach powodując ich niszczenie,

• powoduje zaburzenia psychiczne.

Ołów Pb

Występuje powszechnie w skorupie ziemskiej w postaci

- galenit siarczek ołowiu PbS z niego otrzymuje się ołów wykorzystywany w przemyśle.

Źródła do wód:

• źródła naturalne:

• procesy wietrzenia skał i minerału)

• wybuchy wulkanów

• Źródła antropogeniczne:

• ścieki

• Huty szkła

• Wytwarzanie kineskopów i sprzętu RTV

• Wytwarzanie farb (żółcień neapolitańska i biel ołowiana)

• Emisja z palenisk domowych i elektrociepłowni

• Motoryzacja - bezołowiowa zawiera 0,01mg/l

Źródła ołowiu w wodzie:

• Ścieki

• Odpady komunalne

• Rury ołowiane

• Pojemniki malowane farbami z ołowiem

Rozpuszczaniu ołowiu sprzyja dwutlenek węgla, tworzy on kwas węglowy i łatwo reaguje z ołowiem. Rozpuszczaniu ołowiu sprzyja miękka woda.

Wody atmosferyczne zawierają go 1000 μg/l, średnia ilość ołowiu w wodach to 1-10μg/l.

Ołów w wodzie występuje w zawiesinie i ulega szybkiemu wytrąceniu w warunkach podwyższonego pH (np.: powyżej 6 pH nie ulega rozpuszczeniu).

Działanie ołowiu:

• W wodzie powoduje zakłócenie procesów samooczyszczania,

• W mięsie ryb jest kumulowany

• Zakłóca procesy syntezy hemoglobiny u człowieka co prowadzi do zahamowania pracy niektórych enzymów,

• U szczurów jego brak powoduje zahamowanie przyswajania żelaza

• Prowadzi do niedorozwoju umysłowego (odszczepia się ATP)

• Na ołów najbardziej wrażliwe są dzieci

• Uszkadza nerki i system nerwowy powodując encefalopatię - spowolnienie przewodzenia impulsów nerwowych.

Zatrucia ołowiem powodowane są przez:

- układ oddechowy

- układ pokarmowy

Dopuszczalne stężenie ołowiu w wodzie do picia to 25μg/l do 2006r i 10μg/l w 2013r.

Zastosowanie w przemyśle:

- w akumulatorach,

- w kablach

- do produkcji pigmentów,

- środków antykorozyjnych,

- kitu

- insektycydów

Źródłem metali ciężkich są wody opadowe

Zawartość metali ciężkich w gruntach rolnych:

Np.: Zn - 50-100 mg/kg gleby

Pb - 30-70 mg/kg gleby

Cd - 0,5-1,0 mg/kg gleby

Na kierunek emisji metali ciężkich maja nie tylko usytuowanie ale i kierunek wiatru.

Mangan Mn

Występuje w skorupie ziemskiej w postaci tlenków w różnym stopniu utlenienia

- braunit

- hausmanit

- pyfuzoit

Mangan często występuje z żelazem. Stosowany do produkcji stopów, baterii, nawozów sztucznych, utleniaczy.

Źródła to :

- skały

- kopalnie

- huty gdzie mangan jest przerabiany

W wodach występuje na trzecim stopniu utlenienia, zależne jest to od warunków oksydacyjnych jakie panują w wodach. Jest dobrze rozpuszczalny zwłaszcza przy małych ilościach tlenu. Ilość jego zleży od obecności mikroorganizmów, które uruchamiają mangan w wodzie. Występuje w wodach stojących zwłaszcza przy stratyfikacji termicznej.

W strefie przydennej ma występuje w postaci dwuwartościowej(wykres)





Pochodzi z wymywanego podłoża w warunkach tlenowych jest go 0,1mg/l

Rola manganu:

• Niezbędny w fotosyntezie

• Wpływa na smak wody

• Powoduje brunatne plamy na bieliźnie

• Bakterie manganowe powodują okładanie go w rurach w postaci sadzu

• Jest w dużych dawkach toksyczny dla ludzi

• Dopuszczalna ilość to 0,05mg/l

Wykład 6

Żelazo Fe

W wodach występuje w postaci dwu- i trójwartościowej; rzadziej - sześciowartościowej. Forma II lub III - wartościowa zależy od potencjału oksydo - redukcyjnego i pH. W środowisku beztlenowym (redukcyjnym) występuje żelazo na +2 stopniu utlenienia, natomiast w środowisku zawierającym tlen żelazo jest trójwartościowe.

Żelazo dwuwartościowe ma bardzo istotne znaczenie dla eutrofizacji. Fosfor jako składnik najbardziej eutrofizujący wody powierzchniowe bardzo łatwo reaguje z żelazem dwu- i trójwartościowym tworząc związki. Forma:

• dwuwartościowa żelaza z fosforem tworzy fosforan żelazawy Fe₃(PO₄)₂(w warunkach bez tlenowych)

• trójwartościowa żelaza - fosforan żelazowy FePO₄(w warunkach tlenowych)

Fosforan żelazawy jest bardzo łatwo rozpuszczalny. Fosfor, który odkłada się do osadów dennych, w warunkach beztlenowych oksydo - redukcyjnych (np. wtedy, kiedy woda osadowa zalegająca nad osadami zawiera mało tlenu lub nie zawiera go wcale), fosforan żelazowy - ten związek jest mało rozpuszczalny. Stąd m. in. natlenianie wód powoduje, że dostaje się do tych warstw przydennych tlen. W warunkach tlenowych fosforan żelazawy ulega utlenieniu na fosforan żelazowy, mało rozpuszczalny. Fosfor z powrotem strącany jest do osadów. Ten fosfor w postaci fosforanu żelazawego napędza eutrofizację. Powstaje tzw. błędne koło eutrofizacji.

Jest to metal dość powszechnie występujący w skorupie ziemskiej, dlatego że stanowi 5% jej składu. Występuje tez w postaci tlenków, tj.:

• hematyt

• magnetyt

Występuje w postaci:

• węglanu żelaza - syderyt

• siarczku żelaza - piryt

Żelaza w wodach występuje niewiele, w wodzie do picia ok. 0,02mg/l. Większe stężenie w wodzie zmienia smak na gorzko - słodki, wyczuwalny jest on przy 0,1mg/l. Stężenie powyżej 0,1mg/l jest toksyczne dla ryb. Jest on również niebezpieczny dla mikroorganizmów. Wchodzi w skład enzymów i hemu.





Źródła żelaza w wodach:

1. wymywanie z gleb - gleby glejowe,

2. wody dołowe kopalniane,

3. ścieki z zakładów metalowych.

HYDROBIOLOGIA

Podział wód powierzchniowych

Z reguły wody powierzchniowe dzielą się na trzy grupy:

1. wody płynące (lotyczne)są to rożnego rodzaju cieki w których występują:

• siedliska pionowe (na Baraniej górze źródła Czarnej i białej Wisełki):

• siedliska torencjalne - wodospady

• siedliska hygropetryczne - wilgotne skały, po których sączy się woda

• siedliska poziome

• źródła

• rzeki

• potoki

• rzeki bystre

• potoki i rzeki o wolnym prądzie

• ujścia rzek do wód stojących, często słonych - estuaria

2. wody przejściowe - wykazują cechy wód płynących i stojących, są to z reguły sztuczne wody:

• zbiorniki zaporowe

• rowy melioracyjne

• studnie

• kanały

3. wody stojące (lenityczne) mają wpływ na retencję tworzą:

• siedliska okresowe:

• kałuże

• błota

• zagłębienia liści

• dziuple

• siedliska półstałe przez znaczną część roku występują a następnie wysychają są to:

• starorzecza (dawne odnogi rzeki)

• stawy rybne

• baseny

• sadzawki

• siedliska stałe

• jeziora

• zalewy

• małe zbiorniki naturalne i poeksploatacyjne, np. po wyrobie piasku, gliny, torfu, żwiru, węgla kamiennym

• zbiorniki wód podziemnych

Główne zespoły organizmów występujących w tych wodach:

Zespoły organizmów możemy, ze względu na warunki powietrzno - lądowe, podzielić na:

• aerobionty

• hydrobionty

Różnica miedzy tymi dwoma grupami polega na tym, że hydrobionty nie mogą żyć na ladzie, a aerobionty - w wodzie. Aerobionty oddychają płucami, a hydrobionty - poprzez skrzela tlenem rozpuszczonym w wodzie.

Organizmy, które występują w wodach można podzielić na następujące grupy:

• plankton

• bentos

1. Plankton wywodzi się od planctos - błąkający się, jest to zespół drobnych organizmów zamieszkujących toń wodną i swobodnie unoszący się w niej, nie mogą przeciw stawiać się ruchom wody .

Przystosowanie planktonu do trybu życia:

1. ciężar zbliżony do ciężaru wody 1,05g/cm³,

2. magazynowanie tłuszczu, może go być w komórce nawet do 40%.

3. wakuole gazowe, im są one większe tym ciężar właściwy mniejszy, taką zdolność mają sinice. Obserwując zbiornik często przez dłuższy czas nie widać sinic, jedynie pojedyncze sinice. Po pewnym czasie nagle obserwuje się cały kożuch glonów. Pęcherzyki gazowe powodują, że na pewnym etapie swojej dojrzałości te pęcherzyki powodują wynoszenie sinic na powierzchnię wody i stąd ten kożuch,

4. pęcherz pławny u ryb,

5. otaczanie się śluzem, jest to żel, który powstaje wskutek gromadzenia wody przez hydrofilne sacharydy.

6. wymiana jonów z cięższych na lżejsze zmiana, na jony sodu i potasu bo są lżejsze,

7. drobne rozmiary mała bryła ma korzystniejszy stosunek powierzchni do objętości i spadek w toni wodnej jest mniejszy,

8. powiększenie powierzchni, z reguły polega to na łączeniu się pojedynczych komórek w kolonie, np. Asterionella formosa





U glonów: wyrostki, wypustki, kolce.

Podział planktonu:

1) ze względu na jakość:

• fitoplankton (plankton roślinny) - są to te organizmy planktonowe, które są autotrofami. Są to organizmy samożywne. Są producentami pierwotnej materii organicznej;

• zooplankton (plankton zwierzęcy) - są to konsumenci wyprodukowanej materii organicznej przez fitoplankton;

• bakterioplankton - są to reducenci rozkładający martwą materie organiczną.

2) ) ze względu na wielkość:

• femtoplankton - 0,02 μm - 0,2 μm

• pikoplankton - 0,2 μm - 2 μm (głównie bakterie)

• nanoplankton - 2 μm - 20 μm (grzyby, pierwotniaki, najdrobniejsze glony)

• mikroplankton - 20 μm - 200 μm(większe glony i zooplankton)

• mezoplankton - 0,2mm - 20mm(kolonie grzybów i większy zooplankton)

• makroplankton - 2cm - 20cm np. meduzy i skorupiaki

• megaplankton -20 - 200cm (duże organizmy morskie)

najlepiej poznanym jest mikroplankton i mezoplankton, zwany sieciowym. Przecedzanie siatką o średnicy oczek 50 μm.

Słodkowodne organizmy planktonowe najczęściej nie przekraczają wielkości 1,5 cm (najczęciej 1 cm - Chaoborus).

Wyróżniamy zasiedlanie środowisk:

• limnoplankton - plankton jezior i dużych zbiorników zaporowych

• potamoplankton - plankton rzek

• heloplankton - plankton stawów i niewielkich zbiorków

• hipolimnoplankton - wód słonawych

Ze względu na miejsce, w którym dany plankton występuje, wyróżnia się:

• plankton pelagialny - plankton, który został zebrany w centralnej części jeziora

• plankton litoralny - plankton, który został zebrany w strefie litoralu

• plankton przydenny

Podział ze względu na odżywianie się:

- autotroficzny - samożywny wykorzystuje fotosyntezę,

- chemosyntezujący,

- heterotroficzny - wykorzystują związki organiczne wytworzone przez autotrofy, można je podzielić na:

a. filtratory,

b. sedymentatory,

c. skrobacze,

d. drapieżniki.

- miksotrofy - mogą się odżywiać autotroficznie i heterotroficznie, w zależności od tego czy jest światło, czy dostęp substancji organicznych mogą się różnie odżywiać.

Fitoplankton są to organizmy roślinne:

• organizmy prokariotyczne - sinice mają chloroplasty i to łączy je z glonami.

• organizmy eukariotyczne:

• jednokomórkowe - wiciowce:

• eugleniny

• złotowiciowce

• kryptofity

• bruzdnice

• wielokomórkowe - glony:

• zielenice

• brunatnice

• krasnorosty

Ilość fitoplanktonu w jeziorze 150-200 gatunków glonów.

Znaczenie fitoplanktonu w przyrodzie:

Jest to najważniejsza grupa organizmów w ekosystemie, produkują materię organiczną w odach stojących i płynących, spotykamy spektrum ilościowe, świeża masa to 0 -10mg; zakwity wody > 15mg/l. w czasie zakwitu biomasa może sięgać 100mg/l. Nadmierny rozwój glonów powoduje zakwity wody. Nazwa bierze się stąd, że woda, która ma mało fitoplanktonu to kolor bezbarwny, pod wpływem dużej ilości glonów więcej niż 15mg/l przyjmuje kolor tego glonu w zakwicie. Może mieć zabarwienie brązowe, zielone, niebieskawe, brunatne. Zakwity mogą być toksyczne.

Znaczenie glonów w przyrodzie:

1. produkują materię organiczną; są ważnym ogniwem producentów w łańcuchu pokarmowym. W wyniku fotosyntezy wzbogacają zbiorniki wodne w tlen;

2. odgrywają ogromną rolę w zasiedlaniu biotopów - są jednymi z pionierów świata roślinnego;

3. po obumarciu stanowią surowiec na próchnicę - wzbogacają glebę w materię organiczną;

4. wydobywane z morza służą jako nawóz do nawożenia gleb; współżyją z grzybami ....;

5. uczestniczą w procesach skałotwórczych (głównie okrzemki - mają specjalne pancerzyki, z których wytworzyła się ziemia okrzemkowa; z niej minerał diatomit - był używany do produkcji dynamitu); zielenice i krasnorosty zawierają węglany i one uczestniczą w powstawaniu skał wapiennych;

6. udział w krążeniu węgla i tlenu

Nadmierny ich rozrost powoduje:

1. zaburzenia równowagi ekosystemu,

2. pogorszenie jakości wody, może dojść do produkcji toksyn przez sinice, niektóre glony mają zdolność wytwarzania toksyn - niektóre sinice, bruzdnice.

Toksyny glonów

Toksyczne związki wytwarzane przez glony:

• alkaloidy, np. anatoksyna A, afanotoksyna

• peptydy - anatoksyna C, mikrocystyna

• fenole - oscylotoksyna

Nazwy toksyn wywodzą się od nazw glonów: Microcystis aeruginosa, Aphanizomenon.

Toksyny glonowe mają dwojakiego rodzaju działanie:

• neurotoksyczne - działają na układ nerwowy; śmierć organizmu może następować szybko;

• hepatotoksyczne - działają na wątrobę; proces dużo dłuższy; śmierć może następować w ciągu paru godzin

Glony toksyczne są szczególnie niebezpieczne kiedy występują w zbiornikach zaporowych, z których woda czerpana jest do celów komunalnych (pitnych).

W Polsce zjawiska toksyczne występują. Jednak, jak dotąd, przeprowadzono bardzo mało badań. W Szwecji przebadano 188 próbek z różnych jezior. 53% tych próbek to były próbki, w których występowały glony mające właściwości produkcji toksyn.

3. pogorszenie warunków tlenowych w wolnych warstwach jezior,

4. pogorszenie warunków świetlnych,

5. masowe występowanie alloplanktonu, powoduje zanik makrolitów i niszczenie obrony przed degradacją,

6. zapychanie filtrów,

7. glony wydzielają substancje - alleopatyczne hamujące rozwój i innych organizmów,

8. obniżenie walorów estetycznych zbiornika, glony obumierając wydzielają metabolity, powoduje to nieprzyjemny zapach kiszonych ogórków, zgnitej kapusty i fekalny. Zdarza się że w jednej zatoce mogą zakwitać glony produkujące toksyny i glony, które tej zdolności nie mają.

Znaczenie glonów w gospodarce i w życiu człowieka:

1. są pokarmem dla ryb w gospodarce rybnej - glonożerne gatunki ichtiofauny;

2. uczestniczą w oczyszczaniu wód. Są glony peryfitonowe - porastają podłoża: skały, kamienie, roślinność, dno. One bardzo aktywnie uczestniczą w oczyszczaniu wody;

3. dostarczają tlen do środowiska w procesie fotosyntezy

6CO₂ + 6H₂O + energia słoneczna → C₆H₁₂O₆

4. mają znaczenie w rolnictwie, bo zwiększają aerację gleby oraz przyczyniają się do mineralizacji gleby; potem wzbogacają ją w próchnicę; mogą być paszą dla zwierząt;

5. stanowią pokarm człowieka - mogą być uzupełnieniem białka dla człowieka - chlorella;

6. są źródłem jodu, boru, miedzi, witamin, soli mineralnych; morszczyn jest gatunkiem, który zawiera te metale; poza tym dużo witamin; podwyższona ilość soli potasowych i sodowych;

7. duże zastosowanie w medycynie - mogą służyć do produkcji następujących środków; z morszczynu można wytwarzać zioła zawierające jod; z krasnorostów - agar (używany w mikrobiologii jako pożywka dla różnego rodzaju biokultur mikrobiologicznych; mogą mieć zastosowanie do produkcji: antybiotyków, witamin z grupy B, substancji bakteriobójczych;

8. mogą być wskaźnikiem stopnia zanieczyszczenia wody; skala okrzemkowa - na podstawie składu okrzemek, jakość składu można sądzić o stopniu zanieczyszczenia wód, zakwaszeniu; w zależności od składu jakościowego wód można powiedzieć, czy jest to woda czysta czy zanieczyszczona;

Zooplankton

Największe znaczenie ma ten o rozmiarze > 50 µm. Odgrywa szczególnie wielką rolę w wodach dlatego, że jest uczestnikiem przepływu energii i krążenia materii. Jest konsumentem materii organicznej wytwarzanej przez fitoplankton. W skład zooplanktonu wliczane są różne grupy systematyczne:

• pierwotniaki - przede wszystkim orzęski Ciliata. Znaczenie pierwotniaków:

Mają bardzo małe rozmiary. Są to organizmy jednokomórkowe. Wielkość komórki kilka μm - kilkaset μm. Ze względów ekologicznych jest to bardzo ważny składnik planktonu. Często pod względem liczebności dominuje w tej grupie.

Rola:

- duża tam, gdzie występuje obfita flora bakteryjna dlatego, że pokarmem pierwotniaków są przede wszystkim bakterie; poza tym pierwotniaki żywią się rozpuszczona materia organiczną oraz detrytusem (martwa materia organiczna częściowo rozłożona)

- przyśpieszanie krążenia materii w ekosystemie

Wśród pierwotniaków występują również formy drapieżne - żywią się innymi mniejszymi pierwotniakami oraz niektórymi małymi żywymi glonami.

Pierwotniaki mają znaczenie jako grupa organizmów wskaźnikowych Pierwotniaki i wrotki to sedymentatory. Pierwotniaki maja na swoim ciele rzęski, którymi naganiają pokarm;.

• organizmy tkankowe - dwa typy:

- obleńce (robaki obłe) - wrotki (rotaforia) są to najmniejsze organizmy tkankowe, maja aparat wrotny obok aparatu gębowego za jego pomocą odwirowują materię zawartą w wodzie. Wielkość ich to 100-250 μm. Mogą się żywić fitoplanktonem. W Polsce występuje 460 gatunków, w jeziorach 25-30 gatunków. Są dwa gatunki drapieżne.

- stawonogi - skorupiaki (małżoraczki):

• widłonogi, rozmiar od 2 do 3 mm. Nazwa - jak patrzymy na odnóża, przypominają kształt widlasty. Przeważają gatunki drapieżne Ocznik. W Polsce jest ich 467gatunków, w jeziorach 5-10 gatunków w rzekach niewiele.

• wioślarki - (dafnie, rozwielitki). Ich rozmiar to 300- 400μm. Nazwa wywodzi się stąd że na odnóżach posiadają coś co przypomina wiosło. Służą do filtracji wody, zatrzymywania fitoplanktonu i przekazywania go do otworu gębowego. Żywią się fitoplanktonem. Gdy występuje ich dużo mogą trzymać pod kontrolą ilość glonów. Mogą nie dopuszczać do nadmiernego rozwoju planktonu, nie dopuszczać do zakwitu wody. Teoria biomanipulacji - robić wszystko, by wioślarek było w zbiorniku jak najwięcej. W Polsce jest 150gatunków, w jeziorach występuje przeciętnie ok. 30 - 40 gatunków.

Jeziora oligotroficzne - zooplanktonu jest <1mg/l, kilkaset osobników na litr.

Żyzne jeziora eutroficzne do 9mg/l, osobników w litrze około2500-3500

Znaczenie:

1. wioślarki kontrolują rozwój fitoplanktonu,

2. stanowi pokarm dla narybku i stanowi również pokarm dla dorosłych np.: Sielawy, Stynki, Uklei. Młode osobniki ryb wszystkich gatunków żywią się fitoplanktonem. Czystość wody wiąże się z występowaniem procentowym fitoplanktonu. Jedną z metod utrzymania czystości wody jest utrzymanie dużej liczby zooplanktonu. Aby jego było dużo w wodzie trzeba ograniczyć narybek przez wpuszczanie większych ryb i drapieżników. Jest to tak zwana bomba ekologiczno - fosforowe

Wykład 7.

Bakterioplankton

Bakterie występujące w wodach:

• bakterie heterotroficzne (cudzożywne), które wykorzystują martwą materie organiczną to podstawowa grupa tworząca bakterioplankton, w wodach 75-90%.

• bakterie fotosyntezujące używają jako źródła energii światło - bakterie zielone i purpurowe i chemosyntetyzujące to bakterie, które wykorzystują energię chemiczną w procesie produkcji materii organicznej są to bakterie: azotowe, nitryfikacyjne, denitryfikacyjne, siarkowe, żelaziste. W warunkach redukcyjnych (braku tlenu) mogą występować bakterie metanowe - utleniają metan.

Funkcja:

1. rozkład związków wielkocząsteczkowych na proste,

2. biorą udział w obiegu pierwiastków,

3. stanowi pokarm dla drobnych frakcji zooplanktonu.

Seston - zawiesina z toni wodnej o średnicy 0,45µm składa się z:

• nieożywiony - z martwej materii (Abioseston = trypton - martwe cząstki organiczne wraz z zawiesiną drobnych cząstek mineralnych Trypton może być pochodzenia:

• autochtonicznego - ten wytworzony w samym zbiorniku, jeziorze;

• allochtonicznego - ten, który spłynął do danego zbiornika wodnego z otoczenia (zlewni) wraz z rzeką, wodą czy przez wiatr zosta naniesiony do zbiornika).

• ożywiony - z żywych organizmów (Bioseston - żywe organizmy planktonowe (inaczej plankton).

Żywią się zooplanktonem:

- filtratory,

- sedymentatory

Ilość bakterii w wodzie zależy od:

• ilości dostępnego pokarmu w wodzie

• chemizmu dopływających wód

Ilość bakterii a chemizm

Gdy będą dopływały do zbiornika wodnego wody zasobne w Mn, Fe, to w tych wodach będzie występowało dużo bakterii manganowych czy żelazistych.

Ilość bakterii zależy też od dopływu materii organicznej. Gdy dopływają ścieki, to w takich wodach będzie dużo bakterii saprofitycznych rozkładających materie organiczną.

Nekton - Są to organizmy aktywnie pływające.

Różnice między nektonem a planktonem:

• są większe (od Kiku centymetrów do kilku metrów),

• mogą czynnie pływać,

• mają sprawny i czynny aparat ruchowy

W wodach śródlądowych: ryby, płazy, gady, ptaki, drobne ssaki

W morzach: kalmary, mątwy, ośmiornice (głowonogi); skorupiaki, ssaki

Ryby w Polsce łącznie z minogami jest około 80 gatunków.

Skład gatunkowy i ilościowy ryb jest zależy od:

- pokarmu

- rozrodu (tarła).

Pod względem wymagań tarliskowych wyróżniamy ryby:

• fitofilne- to ryby które odbywają tarło wśród roślinności przy brzegu np.: szczupak

• litofilne- na podłożu twardym żwirowym,

• psammofilne- lubiące piasek np. kiełbie.

Ryby mogą wędrować w górę i w dół rzeki i z morza lub do morza.

• Ryby potamodromiczne to ryby które wędrują z dołu rzeki w górę do miejsc tarliskowych np. cedra.

• Ryby anadromiczne to ryby wędrujące z góry w dół rzeki np. jesiotr.

• Ryby katadromiczne żyją w rzekach a na tarło płyną do morza.

Pod względem pokarmowym wyróżniamy ryby:

1. wód otwartych-(pelagiczne) są to ryby które preferują pokarm

- ryby planktonożerne (zooplanktonożerne) to sielawa, ukleja i stynka,

- ryby drapieżne to: sandacz, troć jeziorna, troć wędrowna i boleń.

2. Głębinowe - to sieja, leszcz, brzana

3. Przybrzeżnodenne- to bentosowe: karp, drapieżne: węgorz, okoń, jazgarz

4. Przybrzeżne

- roślinożerne: jaź, płoć, wzdręga, lin, karaś, kleń,

- drapieżne: szczupak i miętus

W okresie narybkowym prawie wszystkie gatunki ryb są planktonożerne. Ryby wykazują dużą plastyczność pokarmową czyli preferują to co najłatwiej jest dostępne.

Funkcje ryb:

Zależą od pobierającego pokarmu:

• Ryby bentosożerne- wpływają na liczebność fauny dennej, np. karp i leszcz. Leszcze w warunkach naturalnych mogą pożreć do 10% gatunków ochotkowatych

• Ryby zooplanktonożerne- zjadają małe formy ryb oraz ryby zjadające fitoplankton, wyłowienie jednej tony ryb powoduje usunięcie ok. 7 kg fosforu.

Zagrożenia:

Sadzona produkcja ryb: w klatkach prętowych następuje intensywne dokarmianie i intensywne oddawanie fekalia. Na 1 kg przyrostu ryby trzeba kilku kg paszy powodują saprofityzację wody przeładowanie odchodami i dochodzi do deficytu tlenu. Ryby hodowlane są również dokarmiane ale woda z tych stawów powrotem wpuszczana jest do rzek. Ryby powodują ichtioeutryfizację rycie w dnie i powodują przyśpieszenie eutrofizacji również wędkarze wrzucający zachętę dla ryb przyczyniają się do eutrofizacji wód.

Bentos

Są to organizmy, które zamieszkuą strefę denną wód powierzchniowych. Te organizmy mogą żyć zarówno na roślinach, podłożu martwym. Może to być:

• bentos roślinny (fitobentos)

• bentos zwierzęcy (zoobentos)

• bakteriobentos (bakterie)

W popularnym znaczeniu, mówiąc o bentosie czy organizmach bentosowych ma się na myśli organizmy zwierzęce. Występują w tej grupie organizmy o różnych rozmiarach:

• od 0,1mm - mikrobentos -

• od 0,1 do 0,7 mm - mejobentos

• > 2 mm - makrobentos - widać gołym okiem

Według typu środowiska w którym występują:

- reobentos - występuje w rzekach,

- potamobentos,

- limnobentos - w jeziorach,

- heleobentos - w stawach

Według zasiedlonej strefy:

- bentos w strefie litoralnej

- bentos w strefie sublitoralnej

- bentos w strefie profundalnej

W bentosie wyróżnia się dwie grupy organizmów:

1. organizmy bentosowe hololimniczne - takie, które całe swoje życie spędzają w wodzie, np. ślimak

2. organizmy bentosowe merolimniczne - takie, które część swojego życia spędzają poza środowiskiem wodnym, np. larwy muchówek

Zoobentos odgrywa mniejszą role w krążeniu materii. Duża rola - źródło pokarmu dla ryb.

Fitobentos - zaliczają się tu glony bentosowe i makrolity ich rolą jest zapobieganie rozmywaniu zdeponowanych osadów (resuspensji) np.: glony nitkowate.

Makrolity to rośliny naczyniowe, chronią strefę przybrzeżną rzek i jezior. W jeziorach oligotroficznych strefa tej roślinności jest wąska, a w eutroficznych jest szeroki i areał odkrytej wody jest mniejszy.

Grupy makrolitów porastające brzeg jezior:

• amfifity - to roślina ziemno - wodna żyjąca na granicy lądu i wody

• helofity - ich pędy rosną ponad powierzchnią wody: trzcina, pałka i tatarak

• nimfeidy - rosną dalej od brzegu, i tam gzie dno jest muliste, to roślinność pływająca: grzybieńce, grążel, rdest ziemnowodny,

• elodeidy - są to rośliny najdalej rosnące od brzegu i zanurzone tworząc łąki podwodne: moczarka kanadyjska, rogatek, wywłócznik.

Rola makrolitów:

- produkują materię organiczną,

- pokarmem dla ryb(lin, karaś, wzdręga)

- kumulują biogenny (w ilości z 1hektara zgromadzą ponad 226kg N, P, K.

- są wykorzystywane w trzcinowych oczyszczalniach ścieków,

- są siedliskiem dla peryfitonu.

Peryfiton i makrolity stanowi wewnętrzną obronę zbiorników wodnych:

• zapobiegają powstawaniu fitoplanktonu,

• mają własności allelpatyczne,

• ograniczają falowanie a przez to nie dopuszczają do erozji dna i suspensji

• są siedliskiem dla innych organizmów( gnieżdżą się tam ptaki, chronią się tam ryby, a szczupak się tam rozmnaża),

• rola siedliskotwórcza po przez swój system korzeniowy modelują dno zbiornika,

• są producentami tlenu.

Zoobentos - to fauna denna. W ich skład wchodzą przedstawiciele wszystkich gromad bezkręgowców:

- ochotkowate (to muchówki w wodach żyją tylko larwy i poczwarki, przypominają komary),

- skąposzczety,

- mięczaki.

Wykład 8.

Ochotkowate występują w wodach stojących i płynących. Muchówki mogą posłużyć do trofii jezior na podstawie składu gatunkowego określić stan troficzny danego jeziora.

Podstawowym gatunkiem dla jezior oligotroficznych jest Tanytarsus( wystepuje się tam gdzie jest dużo tlenui mało pokarmu), dla mezotroficznych -larwy Sercjentia i Stictochuronomus , dla jezior eutroficznych - Churonomus bathoptilus(mało tlenu a dużo pokarmu)

Oligohaeta - skąposzczety cały cykl rozwojowy przechodzą w wodzie, dużo ich występuje gdzie dno jest muliste. W Polsce jest 100 gatunków, na świecie 700gatunków w Europie środkowej 160gatunków.pod względem zasiedlenia to około 100-200 tysięcy na 1m².

Rureczniki - Tubifex są charakterystyczne dla wód silnie zanieczyszczonych w dużych ilościach. Zasiedlają mulaste dno, zbierają pokarm przetwarzają go i oczyszczają z zanieczyszczeń.

Małże - są filtratorami przepuszczają przez swój organizm wodę a tym samym oczyszczają. Ślimaki to skrobacze, zeskrobują faunę i peryfiton znajdujący się na kamieniach, występują w strefie przybrzeżnej. W głębszych rejonach możemy spotkać ślimaki groszówkowate. Są dość często spotykane, ale nie we wszystkich jeziorach, jeżeli już są to stanowią tam dużą biomasę.

W Polsce występuje 28 gatunków - w morzach, ślimaków wodnych 45 gatunków, a w jeziorach tylko 2-3 gatunków małż.

Liczebność w Polsce np.: włocławski 52tys. Osobników/m² (1,4kg) Brajsena = Racicznica

W zalewie szczecińskim do 100 tys. Osobników/m². ta masa jest w stanie oczyścić 10 razy w roku z zawiesiny z wody.

W zbiorniku goczałkowickim na początku 1m² było około 60 sztuk groszówki, teraz 2-3 sztuk na 1m².

Funkcje makrobentosu:

- zoobentos jest konsumentami materii organicznej na dnie,

- jest wtórnym elementem pokarmu ryb,

- zmniejsza ilość zawiesiny w wodzie,

- postacie dorosłe muchówek jest elementem, który wynosi składniki poza ekosystemem wodnym,

- mogą przemieszać część osadu,

- mogą być pomocne w typologii jezior,

- w wodach płynących jest duże zróżnicowane zoobentosu i mogą być pomocne w typologii rzek płynących.

Bakteriobentos - to bakterie heterotroficzne, rozkładają materie organiczną. Występujące formy:

- bakterie tlenowe - w płytkich strefach, czystych i ubogich w materie organiczną,

- bakterie beztlenowe - w jeziorach ubogich w tleni na dnie zachodzi fermentacja, gnicie, następuje uwalnianie siarkowodoru i amoniaku.

Ich ilość jest od 6 do 24 milionów na gram suchej masy osadu. Funkcja:

- rozkład materii organicznej (przycinają się do obiegu pierwiastków biogennych w wodzie),

- jest głównym konsumentem

- kolonizują cząstki materii organicznej,

- przyczyniają się do powstawania siarkowodoru i metanu,

- uczestniczą w formowaniu i humifikacji osadów dennych.

Peryfiton - jest to zespół drobnych organizmów roślinnych i zwierzęcych, które są mniej lub bardziej związane z substratem zanurzonym w wodzie. Tym substratem mogą być: głazy, kamienie, rośliny, konstrukcje betonowe, metalowe, makrofity.

Peryfiton znajdujący się na makrolitach to - epifiton. Są jeszcze glony epifityczne, czyli glony peryfityczne występujące na epifitach.

Grupy glonów:

a) osiadłe: okrzemki, nitkowate zielenice, sinice,

b) bakterie

c) glony,

Może ich być około 20milionów/ cm² do 200 milionów.

Osad czynny składa się z: pierwotniaków, nicieni, larw ochotkowatych, skąposzczetów, ślimaków, wypławków, pijawek i larw ważek.

Fotoautotrofy pobierają sole biogenne, a heterotrofy filtrują z wody zawiesinę- to jest wewnętrzna oczyszczalnia z makrolitów mamy gatunki ziemno wodne, wodne i powierzchniowe wynurzone na roślinach mogą występować organizmy jest to fauna naroślinna.

Biostruktury- to sztuczne podłoża maja prostą konstrukcję- rozpościera się sieci na których zadamawiają się organizmy, mogą być one wykonane z worków z juty, płatów styropianu i kawałków folii. Instaluje się je na:

- zbiornikach zaporowych- przy wlocie do zbiornika,

- na estuariach, w zatokach

- tam gdzie zanikły makrolity

- tam gdzie mechaniczne oczyszczanie wody jest nie możliwe.

Pleuston i neuston.

Pleuston wywodzi się od greckiego słowa pleuston tzn. żeglarz, a neuston od słowa neustos tzn. mogący pływać.

Pleuston to grupa większych organizmów widocznych gołym okiem, które wykorzystują przypowierzchniową błonkę wody występują w większych rzekach i wodach stojących, grupy organizmów wchodzących w ich skład to:

• rośliny(rośliny zarodnikowe- paproć wodna, rośliny kwiatowe- gatunki rzęsy, nadmiar rzęsy może ograniczyć dostęp światła do zbiornika, powoduje to brak tlenu i powstawanie H₂S),

• organizmy zwierzęce( pluskwiaki, nartniki, ślimaki, chrząszcze- krętaki).Rola: wykorzystują inne organizmy jako pożywienie i ograniczają tlen.

Neuston zgrupowanie drobnych mikroskopijnych organizmów związanych z błonką powierzchniową są to: bakterie, grzyby, drobne glony i pierwotniaki. Wykorzystują materię organiczną oraz rozkładaja związki ropopochodne, wśród neustonów możemy wyróżnić:

• epineuston (nabłonkowy),

• hyponeuston (pod błonką),

Organizmy hololimniczne- to organizmy, które całe życie spędzają w środowisku wodnym (mięczaki, gąbki, ryby),

Organizmy merolimniczne - to organizmy, które część życia spędzają poza wodą to owady ptaki i ssaki.

Organizmy żyjące w wodzie charakteryzują się tym, że:

• Organizmy stenotopowe - dla swojego rozwoju wymagają stałych warunków życia; mogą żyć w pewnym wąskim, ograniczonym zakresie warunków.

• Organizmy eurytopowe - przystosowane są do zmienności warunków życia; mogą występować w szerokim zakresie ich występowania.

Jeśli wymagają stałości dokładnie jednego czynnika a dobrze organizmy znoszą szeroki zakres innych warunków.

Organizmy stenotermiczne - wymagają wąskiego zakresu temperatury do swojego rozwoju. Stała temperatura, mały zakres jej wahania.

Organizmy stenooksybiotyczne - organizmy, które wymagają stosunkowo stałego zakresu, niewielkiego wahania stężenia tlenu.

Organizmy stenohalinowe - wymagają stosunkowo stałego, ściśle określonego stężenia soli mineralnych rozpuszczonych w wodzie.

Organizmy stenofagiczne - organizmy przystosowane do jednego, ściśle określonego rodzaju pokarmu.

Organizmy eurytermiczne - występują w szerokim zakresie wahań temperatury.

Organizmy euryhalinowe - znoszą szeroki zakres stężeń substancji mineralnych.

Toksyczne glony mają zdolność do tworzenia toksyn są to sinice i bruzdnice, dawka letalna to 50μg/kg osobnika

Toksyczne związki wytwarzane przez glony:

• alkaloidy, np. anatoksyna A, afanotoksyna

• peptydy - anatoksyna C, mikrocystyna

• fenole - oscylotoksyna

Nazwy toksyn wywodzą się od nazw glonów: Microcystis aeruginosa, Aphanizomenon.

Toksyny glonowe mają dwojakiego rodzaju działanie:

• neurotoksyczne - działają na układ nerwowy; śmierć organizmu może następować szybko;

• hepatotoksyczne - działają na wątrobę; proces dużo dłuższy; śmierć może następować w ciągu paru godzin

W Polsce zjawiska toksyczne występują. Jednak, jak dotąd, przeprowadzono bardzo mało badań.

Jeziora

Według oficjalnej definicji jeziora są to zbiorniki wodne ze strefą głębinową. W praktyce tej definicji nie przestrzega się. Jako jeziora traktuje się wszystkie trwale istniejące, co najmniej 1000 - letnie, niezbyt małe zbiorniki wodne.

• Wielkość jezior: waha się od poniżej 1 hektara do setek tysięcy km².

• Głębokość: < 1 m - > 1500 m

Największe jeziora świata:

1. Jezioro Kaspijskie

powierzchnia: 423 000 km²

głębokość: 989 m

2. Jezioro Górne

powierzchnia: 83 000 km²

głębokość: 207 m

Najgłębsze jeziora świata:

1. Bajkał

głębokość: 1741 m

powierzchnia: 31 000 km²

2. Tanganika

głębokość: 1435 m

powierzchnia: 31 000 km²

Polska

Największe jeziora:

1. Śniardwy

powierzchnia: 113 km²

2. Mamry

powierzchnia: 102 km²

Najgłębsze jeziora:

1. Hańcza

głębokość: 108 m

2. Drawsko

głębokość: 80 m

3. Wielki Staw

głębokość: 79 m

Polskie jeziora są 1000 razy mniejsze niż jeziora świata.

W Polsce jezior o powierzchni > 1 ha jest 10 000.

Jeziora, licząc w skali geologicznej, są tworami mniej lub bardziej krótkotrwałymi. Jeziora ulegają stopniowemu wypłycaniu - stopniowemu nanoszeniu do niego materiału, wypłycaniu i zanikaniu.

Zanikanie jezior w skali pokolenia jest niedostrzegalne. W skali geologicznej jeziora zanikają.

Materiał, który jest przyczyną wypełniania jeziora, pochodzi ze źródeł wewnętrznych lub zewnętrznych.

I. Zasypywanie wynika z tego, że do jeziora dostaje się materiał allochtoniczny (z zewnątrz, spoza jeziora). Dostaje się poprzez nanoszenie go przez wodę z bezpośredniej zlewni jeziora lub, gdy do jeziora dopływa rzeka, do jeziora dopływa substancja mineralna, zawiesina organiczna.

Inna przyczyna nanoszenia substancji allochtonicznej oprócz wody jest wiatr - głównie liście, pyłki, drobne gałązki.

Ten materiał allochtoniczny opada na dno powodując stopniowe wypłycanie jeziora.

II.

Materiał autochtoniczny - ten materiał organiczny, który został wyprodukowany w jeziorze; szczątki organizmów roślinnych, zwierzęcych, które w tym jeziorze żyły, produkty ich metabolizmu: fekalia. To wszystko osadza się na dnie i powoduje wypłycanie jeziora.

Wykład 9.

W jeziorze wyróżniamy strefy:

litoral - zasięg jest do strefy sięgania makrolitów, głębokość sięga tu do kilku metrów, jest to strefa główna dla jezior żyznych. Mała ilość fitoplanktonu powoduje że światło dochodzi głęboko. Charakteryzuje się zmiennym środowiskiem jeziornym. Tu występują największe dobowe wahania temperatur, i tlenu(w jeziorach żyznych mogą być deficyty tlenu). Może występować brak roślinności zwłaszcza tam gdzie jezioro ma litoral skalisty lub kamienisty - jeziora oligotroficzne. Roślinność może porastać cały litoral dzieje się tak w płytkich jeziorach gdzie jest postępujący proces lądowacenia. Wąski pas roślinności wynika z intensywnych ruchów wody utrudnia to zakorzenienie, powoduje zmętnienie wody i utrudnia przenikanie promieni świetlnych, wyróżniamy podstrefy w litoralu wyróżnia się trzy podstrefy (idąc od brzegu jeziora w głąb):

1. supralitoral - pas, który jest spryskiwany wodą przy jej falowaniu;

2. eulitoral - strefa w zakresie wahań poziomu wody (źródła wody); w ciągu roku zwierciadło wody w jeziorach ulega pewnym zmianom, około 0,5m;

3. infralitoral - pas litoralu, który jest stale pod wodą; z reguły posiada on największa powierzchnię wśród pozostałych stref jeziornych.

Rośliny porastające litoral:

1. roślinność ziemnowodna,

2. pas roślinności wynurzonej (roślinność twarda - helofity) - najbliżej brzegu; charakterystyczne gatunki: trzcina, pałka wodna, tatarak, sit jeziorny, jeżogłówka;

3. strefa roślinności pływającej (nifeidy)- występuje wtedy, gdy jezioro ma dno łagodnie opadające; charakterystyczne gatunki: grążele, grzybienie, rdest ziemnowodny;

4. pas roślinności zanurzonej (łąki podwodne - eloidy) - charakterystyczne gatunki: moczarka kanadyjska, rdestnice, rogatek, wywłócznik, ramienice;

Fauna występująca w litoralu:

Jest bardzo bogata jakościowo i z reguły ilościowo. Występuje wiele grup charakterystycznych dla wód stojących. Występują tam zespoły organizmów tj.: organizmy bentosowe (fitobentosowe i zoobentosowe) plankton, fauna naroślinna, fauna aktywnie pływająca: chrząszcze, pluskwiaki, pijawki; nekton (organizmy aktywnie pływające, np. ryby), pleuston (pływające rośliny, np. rzęsa), neuston, plankton litoralny.

sublitoral, leży bezpośrednio poniżej litoralu, często w miejscu, gdzie zaczyna się gwałtowny spadek dna, światło tu nie dochodzi,

• znajduje się tu dużo szczątków zwierzęcych

• na jego dnie występują resztki organizmów roślinnych i zwierzęcych, które zsunęły się z litoralu

• roślinność nie występuje

• uboższa jakościowo fauna - głównie skąposzczety, ochotkowate, chruściki, niewiele gatunków mięczaków, mało pijawek i ważek, jetki.

profundal, (strefa głębinowa)

• cała strefa dna poniżej sublitoralu i bezpośrednio przyległa do niej woda

• nie ma własnych producentów materii organicznej, nie dociera światło, materia pochodzenia allochtonicznego

• występuje bakterio- i zoobentos - zwierzęta te odżywiają się materia organiczną, która dopływa z innych stref zbiornika

• strefa bardzo monotonna - brak światła, niskie temperatury:

• jeziora ≤ 30 m → temperatura 10 - 12ºC latem

• > 30 m → temperatura 4ºC

Dno jednolite strukturalnie, niekiedy strzępki grzybów lub rureczniki.

• duże różnice warunków tlenowych prowadza do występowania różnic w innych czynnikach chemicznych, np. CH₄, H₂S, NH₃,Fe²⁺, Mn.

W jeziorach żyznych w profundalu może dochodzić do znacznego ubytku tlenu, a nawet całkowitego zaniku.

pelagial - strefa otwartej wody, objętościowo przewyższa pozostałe strefy jeziora, jest jednolita strukturalnie to znaczy złożona jest z wody o rozpuszczonych i zawieszonych substancjach mineralnych i organicznych. Substancje zawieszone to seston i zawiesina organiczna, to strefa mało zróżnicowana poziomo, ale zróżnicowana pionowo bo występują warstwy: epilimnion, metalimnion, hipolimnion. Jest zmienna w czasie cyklu dobowego i rocznego. Wynika to ze zmiany natężenia światła i temperatury. Występują tu znaczne wahania temperatury i jest dużo zimniejsza od pozostałych stref (głównie w jeziorach głębokich).

Pochodzenie jezior (9 grup):

1. tektoniczne - powstały w wyniku pęknięć skorupy ziemskiej, opadania lub wynoszenia dużych płyt lądu, są to jeziora najstarsze, liczone w setkach tysięcy lat, np.: Bajkał, Kaspijskie.

2. wulkaniczne - powstałe w wyniku działań wulkanicznych, powstały albo w wygasłym kraterze albo wyciekająca lawa zastawiła wyjście z doliny,

3. zaporowe naturalne - powstały w wyniku osuwania zbocza góry do doliny gdzie płynie rzeka,

4. polodowcowe - są w strefie europejskiej, to takie jeziora, które pozostawił wycofujący się lodowiec, rzeźbił podłoże i pozostawił moreny, woda wypływająca z lodowca zasilała:

• jeziora moreny dennej - zostały utworzone w klepiskach wyrzeźbionych przez lodowiec,

• jeziora moreny czołowej -lodowiec pozostawił materiał który zatkał dolinę,

• jeziora rynnowe - powstały w bruzdach, które zostały wydrążone przez wody topniejącego lodowca,

• jeziora cyrkowe - ich kształt przypomina areny cyrkowe, powstały w wysokich partiach gór, lodowiec raz ustępował raz wracał, rzeźbiąc skałę(w wyniku ciągłego topnienia i zamarzania),

1. podziemne - powstały w skałach osadowych lub przeobrażonych czyli takich, które łatwo ulegały wymywaniu z gipsu i wapienia. Wyniku tego zostały utworzone w wymytych pustakach,

2. eoliczne - powstały na glebach, które zostały wydmuchanie przez wiatr,

3. brzegowe - (przy morskie) w wyniku aktywności prądów, fale niszczą linię brzegową. Jeziora te mają wodę słoną, część z nich jest częściowo połączona z morzem,

4. rzeczne - powstały ze staro rzeczy, które zostały odcięte od głównego koryta,

5. organogeniczne - powstały w zagłębieniach utworzonych w glebach organicznych naturalnie - gdy powstało zapadlisko lub sztucznie - gdy wydobyciu torfu. Do tych jezior doprowadzana jest zawiesina organiczna i mineralna, powoli narastają osady, czasami tylko ułamek milimetra lub kilka milimetrów, zachodzą tu procesy utleniania, wymywania i redukcji.

Jeziora najstarsze mają osady o grubości setek metrów (tektoniczne), polodowcowe od kilku do 30m. na podstawie osadów możemy odczytać historię jeziora - to paleolimnologia. najlepszym materiałem jest płytek, bo jest nierozkładalny - palinologia.

Warstwy w jeziorze układają się jak słoje u drzew. Dzięki temu możemy datować takie zjawiska jak: pożary, wybuchy wulkanów. Osady mogą być wapienne, krzemowe, organiczne lub mieszane.

Typy osadów:

- Gytia - to osad mulisty o kolorze ciemnoszarym, przeważa materiał mineralny. Materiał organiczny ulega rozkładowi w wyniku dostępu tlenu i nie ma możliwości tworzenia H₂S.

- Sapropel - zgniły muł, podobnie wyglądają do gytii, jednak tu materiał organiczny ulega rozkładowi w warunkach beztlenowych i cuchnie siarko wodorem. Charakterystyczny dla jezior o dużej trofii.

- Dy - mają konsystencję podobną do torfu, zawierają dużą ilość materii organicznej. Stanowią je trudno rozkładalne związki humusowe, raczej śmierdzą torfem.

Podział jezior ze względu na trofię:

- harmoniczne wszystkie czynniki środowiska są zrównoważone:

• oligotroficzne (mało związków azotu i fosforu),

• eutroficzne(więcej związków azotu i fosforu),

• politroficzne(dużo związków azotu i fosforu),

pośrednie typy to:

• ultraoligotroficzne - najbardziej ubogie w związki pokarmowe,

• mezotroficzne - między oligotroficznymi a eutroficznymi

- nieharmoniczne przewaga jednego czynnika:

• polihumusowe - zawierają dużo substancji humusowych w wodzie i osadach dennych, występują w otoczeniu lasów szpilkowych, woda jest żółtobrązowa, kwaśna ulegają lodowaceniu od dna do lądu,

• saprotroficzne - są przeciążone substancjami organicznymi jest ich tak dużo że ekosystem nie może sobie poradzić, głównie na skutek odprowadzonych ścieków, tworzą się deficyty tlenowe,

• alkalitroficzne- mają wodę o odczynie alkalicznym, są silnie obciążone związkami wapnia,

• acidotroficzne - maja dużo substancji zakwaszającej, kwasy mineralne i organiczne z terenów wulkanicznych, i wydobycia węgla brunatnego zawierają FeS₂ i tworzą w konsekwencji H₂SO₄.

• siderotroficzne - zawierają dużo żelaza, burzy on gospodarkę fosforanową,

• słone - zawierają dużo chlorków na terenach pustynnych i półpustynnych podciąg wody jest większy niż ilość opadów a to powoduję unoszenie się do góry wraz z wodą soli mineralnych, tworzy się zjawisko zatężenia soli.

Wykłady 10.

Procesy cyrkulacji wody




Temperatura ºC	Gęstość wody kg/m^3
0	999,87
3,98	1000,00
5	999,999
10	999,73
15	999,13
20	998,23

W temperaturze 4ºC woda jest najcięższa i wówczas zalega nad dnem. Ta właściwość umożliwia przeżycie organizmom wodnym okres zimy. Stratyfikacja jest odwrócona.

W okresie zimy temperatura w zbiorniku wodnym kształtuje się w profilu pionowym jeziora następująco:





Wiosną, po stopieniu lodów następuje stopniowe ogrzewanie tych warstw wody. Ogrzewając się stopniowo zaczyna mieć coraz większą gęstość. Dlatego jest nieco cięższa. Opada nieco niżej. Prowadzi to do tego, że w okresie wiosny następuje wyrównanie temperatur i w całym zbiorniku wodnym mamy taką sama temperaturę. Taki układ temperatur to homotermia wiosenna. Taki układ temperatur stwarza pewne możliwości mieszania wody. Wody powierzchniowe o temperaturze 4ºC opadają na dół jako najcięższe, zaś nieco lżejsze wody przydenne wypływają na powierzchnię. To krążenie powoduje wymieszanie wody w całym jeziorze. Dzięki temu tlen dostarczany jest do warstw przydennych. Wyrównanie właściwości chemicznych wody (H₂S, związki żelazawe, NH₃, zalegające nad dnem zostają wymieszane w całym zbiorniku). W miarę ogrzewania się warstw powierzchniowych (z postępem wiosny) stają się one lżejsze. Coraz cieńsza warstwa powierzchniowa staje się coraz cieplejsza.





Lato Powstaje pionowe zróżnicowanie temperatur, stratyfikacja prosta (letnia). Ogrzanie wody powoduje zmianę gęstości. W lecie w zbiorniku można wyróżnić trzy warstwy wody. Wiatr miesza tylko warstwę powierzchniową - epilimnion, która dzięki mieszaniu ma jednakową temperaturę. Hypolimnion pozostaje pod silnym wpływem osadów. Procesy destrukcji, pochłaniania fosforu w osadach powodują, że ta warstwa ma często inny skład niż pozostałe warstwy w zbiorniku.







W jeziorze są trzy warstwy:

- epilimnion - warstwa powierzchniowa, ciepłej wody, zmiany temperatury są powolne, zachodzi tu produkcja fotosyntezy i produkcja tlenu, warstwa zalega nad metalimnionem,

- mezolimnion - zwana warstwą skoku termicznego tu zachodzi szybka zmiana temperatury a co za tym idzie gwałtowny wzrost gęstości wody powoduje to że każda cząsteczka zaczyna wolniej opadać. Jest dużo czasu aby cząsteczka organiczna była rozłożona, w tej warstwie zachodzą intensywne procesy rozkładu a co za tym idzie duże zużycie tlenu,

- hipolimnion spadek powolny rozkład materii i duże zużycie tlenu, warstwa pozbawiona producentów, gdy jest tam brak O to uwalnia się amoniak i H₂S, z żelaza Fe³⁺ powstaje Fe²⁺ co powoduje tworzenie fosforanów.




Jesień Ochłodzenie wody, ciepłe górne warstwy zaczynają się ochładzać. Ochładzanie powoduje zmianę gęstości wody. Coraz cięższa woda opada w dół. Pod koniec jesieni mamy wyrównaną temperaturę w całym słupie wody 4° C. homotermia jesienna wywołana cyrkulacją jesienną.

Dwa razy do roku wody są dogłębnie mieszane to jest ważne z punktu widzenia jakości wody.

Jeśli wzrost temperatury wiosna zachodzi bardzo gwałtownie, w krótkim czasie epilimnion nagrzewa się do względnie wysokich temperatur staje się lekka i ma małą gęstość i stwarza problem w mieszaniu przez wiatr. Konsekwencją tego jest bradymiksja - krótkie mieszanie. Jego konsekwencją jest zimny hypolimnion, a więc i duża różnica temperatur między epilimnionem i hypolimnionem, ostry skok termiczny (cienka warstwa metalimnionu), a także słabe natlenienie osadów dennych. W ciągu krótkiej cyrkulacji osady nie zdążyły się dobrze natlenić, wykazują więc „głód tlenowy” i szybko pochłaniają tlen z wód hypolimnionu powodując szybsze i silniejsze jego odtlenienie.

Gdy ocieplenie wiosna następuje powoli, cały słup wody zostaje dobrze wymieszany, dochodzi do tachymiksji - długotrwałe mieszanie.

Bradymiksja:

• płytki epilimnion

• ostry metalimnion

• zimny hypolimnion, gruby

• osady wykazują „głód tlenowy”

Tachymiksja:

• glęboki

• cienki, łagodny, gruby

• ciepły, mały

• osady dobrze natlenione





Typy miktyczne jezior:

W skali światowej oraz dla wszystkich rejonów geograficznych i różnego położenia nad poziomem morza można wyróżnić wiele typów miksji jezior:

1. Jeziora amiktyczne - nigdy nie mieszane, stale skute lodem; występują wysoko w górach lub w strefach okołobiegunowych; układ temperatur - stratyfikacja odwrócona

2. Jeziora miktyczne - mieszane

1. Jeziora meromiktyczne - często mieszane

• mieszaniu ulegają tylko powierzchniowe warstwy wody; część nie ulega mieszaniu to monimolimnion, zależy to od:

• batymetria i ukształtowanie terenu i zbiornika

• różnice gęstości wody (dostawanie się wód wgłębnych o większym ciężarze, np. wody zasolone)

• położenie jeziora w krajobrazie, np. w dolinie górskiej, wśród lasu, zabudowy; wiatr nie może tu dotrzeć

2. Jeziora holomiktyczne - okresowo całkowicie mieszane do dna.

Podtypy:

1. oligomiktyczne - rzadko mieszane i nieregularnie, np. jeden raz na kilka lat w okresach oziębień

• jeziora górskie niezbyt wysokich tropików, o temperaturze wody zawsze > 4ºC

• cyrkulacja zachodzi w okresach nienormalnie niskiej temperatury

2. zimne monomiktyczne - mieszane jeden raz w roku

• temperatura w nich nigdy nie przekracza 4ºC

• cyrkulacja zachodzi latem przy ~4ºC

• strefa polarna, wysokie góry, skute lodem

3. ciepłe monomiktyczne - mieszanie jeden raz na rok zimą

• temperatura w nich nie spada poniżej 0ºC

• rejony górskich i podgórskich tropików; u nas - w rejonie przymorskim; w ciepłe zimy zachodzi monomiksja - długie mieszanie, od jesieni do wiosny

4. dimiktyczne - mieszane dwa razy na rok ,jesienią i wiosną

• strefa umiarkowana, na pewnych wysokościach n.p.m. strefy tropikalnej i subtropikalnej

• tu należy większość naszych jezior

5. polimiktyczne - mieszane wiele razy na rok

• temperatura >4ºC

• górskie rejony tropikalne

• w strefie umiarkowanej - płytkie jeziora

Zlodzenie jezior

W Polsce trwa od XI do IV, ale może być krótsze lub w ogóle nie występować.

Często nie występuje w dużych jeziorach w pobliżu morza płytkie zamarzają do dna. Grubość zamarzania w naszej strefie klimatycznej nie przekracza kilkudziesięciu centymetrów. W wysokich górach i strefach polarnych może dochodzić do paru metrów.

Przemarzanie jezior:

• duże, głębokie - nie przemarzają do dna, stratyfikacja odwrócona umożliwia przeżycie organizmów w temperaturze 4ºC

• male - do dna

Morfometria

• wskaźnik Ohlego - stosunek powierzchni zlewni do powierzchni zbiornika

• wskaźnik Schindlera - stosunek powierzchni zlewni wraz z jeziorem do objętości wody w jeziorze

Te wskaźniki informują o intensywności wpływu lądu i zlewni na zbiornik - wpływ jest tym większy, im wyższe są wartości wskaźników.

• wskaźnik Ohlego - informuje jaka jest proporcja między powierzchnią zlewni a powierzchnia jeziora

• wskaźnik Schindlera - informuje w jakim stopniu zlewnia wpływa na objętość wody

Wskaźnik Ohlego - od jednego do kilku tysięcy:

• 1 - jeziora w kraterach wulkanów, oddziaływanie zlewni na jezioro jest niewielkie

• kilka tysięcy - zbiornik posiada zlewnie pośrednią

Wody płynące

Wody płynące odróżniają się od wód stojących tym, że w wodach płynących transport materii jest poziomy: od źródła w kierunku ujścia.

W rzekach transport materii jest spiralny, materia osadza się na jakiś czas. Rzeka może się starzeć, jej koryto pogłębia się.

W zbiornikach wód stojących (jeziorach, zbiornikach zaporowych, mało przepływnych) transport materii jest od góry do dołu: od powierzchni do osadów.

Różnice między dwoma ekosystemami:

1. w jeziorach materia krąży a w rzekach ma ruch spiralny,

2. w rzekach następuje stałe odnawianie środowiska,

3. w wodzie stojącej zjawisko wynoszenia materii poza ekosystem. Odbywa się poprzez wyloty form dorosłych, np. chruścików, ochotkowatych. One spędzają resztę życia na lądzie. Ptaki, gdy wynoszą ryby. Produkty przemiany materii u ptaków pozostają poza ekosystemem.

Źródła i typy środowisk (kren)

Wyróżniamy trzy rodzaje źródeł:

• reokreny

• limnokreny

• helokreny

Różnice:

Reokren jest to punkt początkowy potoku. Zróżnicowanie formy jest duże. Woda może z tego miejsca albo:

• wykapywać

• sączyć się strużką

• wypływać o bardzo dużej objętości - wywierzysko (woda bije dużym źródłem)

Wydajność może wynosić od kilku cm/s do tysięcy litrów/s.

Limnokrenem jest zbiornik, czy zbiorniczek wodny o różnym czasie przebywania w nim wody. Z tego zbiorniczka dopiero zaczyna wypływać woda. Jest to punkt początkowy strumyka czy rzeki.

Ten zbiornik wodny może być wielkości miednicy lub wielohektarowy zbiorniczek najczęściej głębokości kilku metrów.

Czas przebywania wody w limnokrenie może wynosić kilka minut lub szereg dni.

Im krótszy czas retencji wody (okres przebywania wody w tym zbiorniczku wodnym) tym limnokren byłby bardziej zbliżony do reokrenu.

Helokreny są to różnej wielkości obszary podmokłe. Z nich wysącza się woda. Ta wysączająca się woda może okresowo lub trwale tworzyć zbiorniczek wodny.

Cechy źródeł:

• mają dość stałą temperaturę wody

Stałość temperatury wody wynika stąd, że woda wypływa ze środka ziemi - środowiska, gdzie panuje względnie trwała temperatura, nie ulega większym wahaniom.

Limnokren - stałość temperatury waha się w pewnych granicach. Zależy to od czasu retencji wody w tym zbiorniczku wodnym. Im dłuższy czas przebywania wody w tym zbiorniczku, tym większy zakres wahań temperatury wody. Jest ona zbliżona do wahań temperatury otoczenia i otaczającego lądu.

• chemizm takiej wody źródlanej jest stały. Wynika on z tego, ze woda jest czysta w sensie zawartości substancji organicznej. Nie jest zanieczyszczona substancja organiczną. Woda wypływająca ze źródła wcześniej zostaje przefiltrowana przez warstwy ziemi, która zalega nad tym źródłem.

• woda ta może zawierać substancje specyficzne; wynikają z infiltracji wody przez określone warstwy geologiczne gleby (podłoża), np. duże ilości soli mineralnych, węglany tam, gdzie występują zjawiska krasowe.

• organizmy zasiedlające źródła. Z reguły są to organizmy stenotopowe. Wynika to ze stałości chemizmu i temperatury (stenotermiczne).

Potoki i strumienie

Potoki i strumienie są to stosunkowo niewielkie cieki wodne. Szerokość strumyczków może być mierzona w centymetrach. Może też wynosić kilka metrów. Głębokość: od kilku cm do paru metrów. Prąd i jego szybkość może być zróżnicowana. Szybkość prądu może wynosić od kilku cm do paru m/s. Podłoże jest różne. Strumienie wysokogórskie - podłoże stanowią w górnej partii lite skały; niżej są głazy, kamienie, kamienie przemieszane ze żwirem, żwir, piasek, muł. Charakter podłoża decyduje o organizmach - o jakości i ilości organizmów zasiedlających strumienie. Szybkość prądu zależy od nachylenia terenu. Zróżnicowanie duże. W Tatrach są potoki, np. Waksmundzki - nachylenie wynosi 184‰ (na długości 1 km spadek rzeki wynosi 184 cm). Rzeka nizinna - spadek 0,43‰.

Potoki górskie - charakteryzują się szybkim prądem, jest tam specyficzny skład gatunkowy:

• widelnice

• chruściki

• jętki

• niektóre ślimaki

Te organizmy mają specyficzne przystosowania: opływowy, spłaszczony kształt, organy czepne: pazurki i przyssawki. Występują w nich duże wahania prądu . oprócz fauny denne j żyją również: peryfiton i bentos, brak planktonu.

Potoki często poddawane są regulacji przez: tworzenie progów i regulacja dna.

Progi są korzystne dla retencji wody, niekorzystne dla występowania bioróżnorodności.

Prostowanie dna jest niekorzystne bo przyśpiesza odpływ i powoduje ujednolicenie gatunkowe.

Rzeki

Rzeki są ciekami większymi od potoków. Szerokość rzeki: parę metrów - kilka kilometrów. Długość: parę kilometrów - kilka tysięcy kilometrów. Głębokość: parę decymetrów kilkadziesiąt metrów. Prawie te same warunki mają wpływ na zasiedlające je gatunki, formy organizmów. Od szybkości prądu rzeki zależy:

• charakter podłożą: żwirowate, piaszczyste, z mułem

• kształt koryta

• rozwój roślinności wyższej

• rozwój fitoplanktonu, zooplanktonu, bentosu, ryb

Na warunki życia organizmów w rzece wpływa też chemizm rzeki, tj.:

• pH

• stężenie różnych substancji, szczególnie ilość sestonu

• warunki świetlne

• temperatura

Prędkość przepływu w małych, nizinnych rzekach może wynosić kilkanaście cm/s. Natomiast w dużych rzekach prędkość przepływu zróżnicowana jest od poziomu zwierciadła wody. Przy niskich przepływach prędkość prądu w rzece z reguły wynosi kilka dm/s. Gdy poziom wody jest wysoki szybkość prądu wynosi 1m/s; czasami może przekraczać nawet 2m/s.

W rzece wyróżnia się:

• bieg górny - charakteryzuje się tym, że jest tam szybki prąd wody, natomiast podłoże jest twarde, często skaliste albo kamieniste, potem gruby żwir. W górnym biegu rzeki przeważa erozja nad sedymentacją - więcej materiału jest wynoszone niż osadzane; Jest tu:silna turbulencja wody - ma wpływ na ilość i jakość organizmów, dobre warunki tlenowe, nie występuje plankton; głównym zespołem organizmów jest peryfiton (porasta twarde podłoża), występuje bentos,

• bieg środkowy

• charakteryzuje się mniejsza szybkością przepływu wody (ruch wody jest wolniejszy, słabsza turbulencja

• występuje zrównoważenie erozji z akumulacją

• podłoże: najczęściej materiał piaszczysty

• występuje plankton - jego przedstawiciele to głównie drobne formy

• w zooplanktonie - przede wszystkim pierwotniaki i wrotki

• występują pozostałe zespoły: peryfiton, bentos

• bieg dolny

• ruch wody jest znacznie powolniejszy

• turbulencja znacznie mniejsza

• przewaga akumulacji nad erozją

• plankton jest bogaty; występuje skorupiasty zooplankton (skorupiaki zooplanktonowe)

• dno muliste, często piaszczysto - muliste

Wykład 11

Czas przebywania wody w rzece:

• rzeki okresowe - takie, które płyną po ulewnych deszczach a potem zanikają. Są one charakterystyczne dla terenów pustynnych, półpustynnych; w Polsce - w górach;

• rzeki, które w pewnym momencie kończą bieg - wynika to stąd, że woda wysycha;

• rzeki ginące po drodze - dalszy transport wody odbywa się pod ziemią;

• rzeki, które znikają - szum wody sugeruje, że jest np. Sucha Woda w Tatrach - woda toczy się pod kamieniami.

Charakterystyczną cechą rzek jest zmienność warunków środowiska w czasie.

Zróżnicowanie organizmów w rzece:

• Bentos

Najbogatsze i najbardziej zróżnicowane organizmy bentosowe występują w

Potokach górskich. Występują tu:

• Jętki, widelnice, niektóre ślimaki, muchówki: larwy Chironomidae, chruściki

Rzekach wolno płynących, ale silnie zarośniętych. W tych rzekach prąd jest wolny. Zespoły organizmów przypominają swym składem organizmy jezior, przede wszystkim strefy przybrzeżnej. Występują tu: Chironomidae, Tubificidae rureczniki, skaposzczety, ponadto: ważki, jętki, chruściki, pijawki, ślimaki, chrząszcze.

Rzeki bardzo zanieczyszczone ściekami zawierającymi materię organiczną. W takiej rzece zespoły występujące są bardzo monotonne. Spotyka się najwyżej jeden - dwa gatunki, z rodzaju Tubificidae. Rzeki zanieczyszczone materią organiczną charakteryzują się ogromna biomasą bentosu - może dochodzić do 10 kg/m². W rzekach czystych - w gramach.

• Plankton

W górnym biegu rzeki praktycznie nie występuje. Wynika to stąd, że jest tam szybki prąd z powodu turbulencji wody. Ruchy wirowe wody i często tarcie wody o dno powodują, że ten czynny kontakt organizmów z dnem powoduje, że te organizmy planktonowe się tam nie rozwijają. Im większa masa wody, większa głębokość, tym ten kontakt cząstek wody, sestonu, organizmów planktonowych żyjących w tej wodzie jest rzadszy.

W miarę posuwania się w dół rzeki ilość organizmów planktonowych wzrasta.

Plankton występuje w środkowym i dolnym biegu rzeki. Gdyby porównać plankton rzek z planktonem jezior, to jest mniej obfity ilościowo (biomasa) i jakościowo (gatunkowo).

Plankton rzeczny - potamoplankton.

• Fitoplankton

W rzece występują drobne okrzemki, drobne zielenice. Turbulencja wody w rzece sprzyja rozwojowi tych organizmów. Ze względu na to, że są takie drobne, w wodach stojących szybko by opadły na dół. W rzece ruch wody wirowy powoduje, że te drobne organizmy się utrzymują.

Okrzemki - rozwijają się w rzece dlatego, że tam z reguły jest niższa temperatura a okrzemki wśród wszystkich organizmów planktonowych rozwijają się w tych niższych temperaturach.

Rozwój glonów

W zimie pod lodem, na wiosnę najpierw pojawiają się okrzemki.

• Zooplankton

Występują drobne organizmy: wrotki i widłonogi (skorupiaki). Wioślarki w rzekach występują sporadycznie.

Zooplankton jest ubogi w rzekach ilościowo i jakościowo. Obfity może występować wtedy, gdy rzeka płynie bardzo wolno - w przyujściowym odcinku rzeki.

Dominacja wrotków wynika stąd, że są to organizmy drobniejsze. Turbulencja sprzyja ich utrzymywaniu.

Wrotki mają krótki cykl rozwoju, tzn. że od momentu jaja do formy dorosłej potrzeba im bardzo mało czasu. Zdążą się w rzece rozwinąć zanim zmienią się tam warunki.

• Peryfiton

Organizmy związane z dnem. Peryfiton może rozwijać się na całej długości rzeki z tym, że rozwija się niejednakowo. Ilość peryfitonu zależy od:

• podłoża

• dopływu światła

Organizmy peryfitonowe lepiej rozwijają się w górnym biegu rzeki - więcej materiałów zanurzonych w rzece, więcej kamieni, woda płytsza → wiecej światła dochodzi i te organizmy lepiej się tam rozwijają.

Prawidłowość:

W górnym biegu rzeki organizmów peryfitonowych jest znacznie więcej niż w dolnym. W górnym biegu rzeki peryfiton dominuje nad pozostałymi organizmami.

• Makrofity

Makrofity - roślinność wyższa zakorzeniona. Rozwijają się one głównie:

• w rzekach wolno płynących, najlepiej o małych wskazaniach zwierciadła wody

• podłoże musi sprzyjać zakorzenianiu się tych roślin - muliste

powinny występować w rzekach bo kumulują związki biogenne. Powodują zwolnienie przepływu wody. Powoduje to większą sedymentację zawiesiny, stabilizują osady i nie ulegają one resupnesji. Rozwijają się od wiosny do jesieni, gdy giną uwalniają składniki do otoczenia , ale jest już po sezonie wegetatywnym. Może dochodzić do tak obfitego rozrostu że powoduje podnoszenie poziomu wody i podtopienia i utrudnia żeglugę





Udział fitoplanktonu z biegiem rzeki rośnie. Im dalej od źródła, tym fitoplanktonu jest więcej.

Najwięcej makrofitów jest w środkowym odcinku rzeki. Wcześniej i dalej jest ich mniej, ponieważ woda jest głębsza, światło nie dochodzi; może być to woda bogatsza w zawiesinę, mniej przejrzysta dla promieni słonecznych. Bliżej ujścia makrofity mogą występować tylko przy brzegach.

Peryfiton - jego ilość maleje od źródła do ujścia.

• Ryby

Z biegiem rzeki zmieniają się gatunki ryb (zespoły ryb). W rzece, wzdłuż jej biegu wyróżnia się krainy. Charakteryzują się one różnymi warunkami chemicznymi, fizycznymi (różna temperaturą, składem chemicznym wody).

Krainy:

1. kraina pstrąga - występuje w górnym biegu rzeki. Charakterystyczne cechy rzeki:

• szybki prąd wody

• dno kamieniste lub żwirowate

• woda chłodna, dobrze natleniona

• ilość tlenu: co najmniej 7 - 10 mg O₂/litr

• charakterystyczne gatunki: pstrąg, głowacz, strzebla, łosoś, troć ( 2 ostatnie na tarło)

2. kraina lipienia - warunki zbliżone, nieco gorsze:

• ilość tlenu: 7 - 10 mg O₂/litr

• charakterystyczne gatunki: lipień, świnka, ukleja, kleń, miętus

3. kraina brzany - zespoły mają średnie zapotrzebowanie na tlen:

• ilość tlenu: 5 - 8 mg O₂/litr

• charakterystyczne gatunki: brzana, jelec, płoć, okoń, jazgarz, sandacz, szczupak

4. kraina leszcza:

• ilość tlenu: 4 - 7 mg O₂/litr

• charakterystyczne gatunki: karp, karaś, jaź, sum, lin, siekierka

Budowa zbiorników wodnych spowodowała, że te zespoły ryb nie są już tak charakterystyczne dla poszczególnych biegów rzeki. Zapory spowodowały, że niektóre ryby nie mogą przesuwać się w górę rzeki, mimo że buduje się specjalne przepławki - miejsca, gdzie ryby mogą przechodzić na tarło. Zabudowa hydrotechniczna spowodowała te zaburzenia. Mamy do czynienia z dużym zanieczyszczeniem nawet całego biegu rzeki. To postępujące zanieczyszczenie spowodowało eliminacje pewnych gatunków ryb. Najczęściej teraz dominuje leszcz, krąp i płoć.

Zbiorniki zaporowe

Z reguły sztuczne, powstałe w celu retencji wody, przez podpiętrzenie cieku, występuje tu zróżnicowanie głębokości od 1m do kilkuset m.

Formy podpiętrzenia:

1. najprostsze, powodujące najmniejsze zmiany, są stopnie wodne i progi wodne przegradzające koryto cieku;

• głębokość - kilka metrów

• czas retencji - kilka godzin

• kiedyś stosowane do poboru wody dla młynów, stawów

• współcześnie - dla żeglugi (górna Odra, górna Wisła koło Krakowa)

Czas retencji - stosunek objętości zbiornika do przepływu wody.

2. zbiorniki zaporowe tworzy się do celów energetycznych (Żar, Solina), żeglugowych, przeciwpowodziowych, rekreacyjnych, poboru wody - do celów komunalnych, przemysłowych (Łacko), nawodnień

Liczba zbiorników zaporowych w Polsce ~140, w tym dużych (o powierzchni >10 km² i objętości >100 mln m³) >20.

Największa powierzchnia - Włocławek - 75 km², 408 mln m³

Największa objętość - Solina - 505 mln m³, 22 km²

Goczałkowice - 168 mln m³, 32 km²

Tresna - 107 mln m³, 11 km²

Łączna powierzchnia zbiorników zaporowych w Polsce wynosi ~3 km², co stanowi 5% średniego odpływu z terenu kraju.

Retencja naszych zbiorników ~60 m³/osobę. Retencja wody to też: stawy, lasy, bagna, torfowiska. Największe zbiorniki zaporowe świata mają ponad 100 km³ (10 mld m³), są więc kilkaset razy większe od naszych największych zbiorników.

Podział zbiorników ze względu na konfigurację terenu:

• Górskie - są najgłębsze, powierzchniowo małe, w dolinach górskich, zapory krótkie i wysokie występują tu duże wahania zwierciadła wody.

• Podgórskie - pośrednie

• Nizinne - bardziej rozległe, płytkie, wyższa temperatura wody, światło często sięga dna, szybko zachodzi ich eutrofizacja.





Woda rzeczna wpływająca do zbiorników traci szybkość, materiał jest wleczony. Wskutek tego zawiesiny ulegają osadzeniu. Im drobniejsze i lżejsze cząstki, tym dalej mogą dopłynąć wzdłuż zbiornika. A więc w górnej części zbiornika osady będą bardziej gruboziarniste i głównie allochtoniczne, w dolnej - drobnoziarkniste i w większym stopniu autochtoniczne.

Rozwój planktonu w zbiornikach zaporowych

Zależy od:

• żyzności wody - P, N

• czasu retencji

Dla rozwoju fitoplanktonu wystarczy kilka dni (do 7), dla zooplanktonu około 2 tygodni.

Plankton rozwija się szybko po utworzeniu zbiornika z „inoculum” wniesionego przez rzekę lub ze stawów. Im woda będzie częściej wymieniana tym będą niekorzystne warunki dla jego rozwoju.

Bentos

Wkrótce po zalaniu zbiornika jest ubogi jakościowo.

• gatunki merolimniczne - przywędrowują z innych rejonów

• gatunki hololimniczne - cale życie spędzają w wodzie; mogą się dostawać ze stawów i z rzeką, przez ptaki

Rozwój trofii w zbiornikach zaporowych

1. tuż po zalaniu - destrukcja zespołów lądowych

2. wstępna eutrofizacja - te organizmy, które uległy destrukcji, zasiliły wodę w składniki pokarmowe. Nie ma osadów. Gleba pierwotna oddaje wodzie składniki pokarmowe, następuje wzbogacenie wody w substancje biogenne i eutrofizacja wstępna. Nieustanny dopływ wody rzeką wnosi zawiesinę mineralną i organiczną. Stopniowo powstają osady. Te osady odcinają gleby pierwotne i ukształtowują się osady właściwe dla zbiorników zaporowych.

3. „oligotrofizacja” - następuje poprawa jakości wody. Ustal wpływ dna pierwotnego. Zbiornik żyje swoim życiem. Jakość jego wody zależy od jakości wód dopływającej rzeki.

4. Stały dopływ materii organicznej zwiększa żyzność. Jakość wody pogarsza się z biegiem lat. wtórna eutrofizacja, zakwity glonów.

Okresy rozwoju zbiornika zaporowego

1. Destrukcja zespołów rzecznych i pojawienie się zespołów pionierskich trwa parę miesięcy gdy zalewany jest zbiornik i roślinność miękka.

2. Wstępna eutrofizacja - masowo zaczynają rozwijać się glony planktonowe, następuje wypłukiwanie zalanej materii, ten okres zależy od ilości materiału przyniesionego do rzeki oraz od dna niziny.

3. Oligotrofizacja - zaburzenie wody w skład pokarmowy , wynika to z tego że z dna składniki już w tak dużej ilości już nie docierają . to okres czystej wody.

4. Wtórna eutrofizacja - na nowo wzrasta żyzności wody, rozwój fitoplanktonu i eutrofizacja, wynika to z nieustannego dopływu substancji biogennych.

Okres czystej wody (etap 3) trwa różnie. Zależy to od rodzaju rzeki.

1. do zbiornika dopływa słabo zanieczyszczona rzeka - okres czystej wody trwa długo





2. do zbiornika dopływa średnio zanieczyszczona rzeka





3. do zbiornika dopływa silnie zanieczyszczona rzeka





Zbiorniki zaporowe należy budować na czystych rzekach, należy odpowiednio przygotować misę i usunąć roślinność oraz warstwie próchniczną.

Wykład 12

Organizmy rozwijające się w zbiorniku zaporowym.

Organizmy merolimniczne - szybko zasiedlające środowisko wodne. Rololimniczne swój skład jakościowy kształtują przez wiele lat.

Ryby w zbiornikach zaporowych na podstawie składu panującego w rzece na bazie innych zbiorników wodnych, które weszły w skład zbiornika właściwego. Proces kształtowania ihtofauny może trwać wiele lat. W zbiornikach formuje się skład ichtofałny charakterystyczny dla wód stojących. Zrzut wód ze zbiornika zaporowego może być , przez zaporę lub upusty i kształtuje to jakość wody.

Woda ze zbiornika zaporowego może być odprowadzana do rzeki przez:

• górny zrzut wody - przez koronę zapory

• dolny zrzut wody - w pobliżu dna zbiornika

Rodzaj zrzutu ma znaczenie dla jakości wody w zbiorniku i rzeki poniżej zapory.

Odpływ dolny:

• burzy stratyfikacje termiczną uformowaną w zbiorniku. Stratyfikacja termiczna w zbiorniku zaporowym nie jest tak wyraźna, jak w jeziorze. Wynika to z dopływu rzecznego i zrzutów wody.

• burzy stratyfikacje tlenową

• ze zbiornika wypuszczane są do rzeki wody przydenne 9bardziej zasobne w metabolity, bardziej odtlenione, zawierające czasem H₂S, CH₄,zwiększoną ilość żelaza)

Rzeka poniżej zapory to zupełnie inna rzeka niż była w tym samym miejscu przez jego utworzeniem. Inne są przepływy (wahania dobowe i roczne) - wynika to z przeznaczenia zbiornika. Inna jest temperatura - zmienna, jeśli odpływ ze zbiornika jest okresowo przemiennie górny i dolny. Przy odpływie dolnym temperatura w rzece poniżej zbiornika jest zimniejsza. Występuje przesunięcie maksymalnej temperatury o 2 - 3 tygodnie.

Rzeka ta ma też zmieniony chemizm. Wpływa on na biologię i organizmy żyjące poniżej zapory.

Woda ta zawiera więcej sestonu organicznego, zwłaszcza przy średnim przepływie.

W warunkach wysokiego dopływu wody do zbiornika ta dopływająca woda ma bardzo zmieniony skład w stosunku do wody zbiornika.

• dużo zawiesin (ciężka), przesuwa się po dnie zbiornika i w prawie niezmienionym składzie przechodzi przez zbiornik do rzeki poniżej zbiornika.

Gdy zbiornik wykorzystywany jest do celów energetycznych turbiny elektrowni zabijają organizmy żyjące w zbiorniku. One w postaci martwej dostają się do rzeki. Tu są bazą pokarmową dla organizmów żyjących poniżej zapory.

Zbiornik po powstaniu całkowicie zmienia skład ilościowy, biologiczny i wpływa na warunki bytowania organizmów w wodzie poniżej zapory.

Niekiedy zbiorniki buduje się w większej liczbie na tej samej rzece - jeden za drugim, tworząc kaskady. Cel - zwiększenie żeglowności rzeki.

Buduje się też pary zbiorników (dwa zbiorniki koło siebie): pierwszy właściwy, drugi - mały, poniżej lub powyżej.

1. zbiornik wstępny






Z małego zbiornika woda stopniowo spływa. Ma na celu wyrównanie przepływu na rzece. Redukuje negatywne działania zrzutu wody. Do zbiornika wyrównawczego z rzucana jest duża objętość wody wtedy gwałtownie podnosi się poziom wody tylko specyficzne organizmy utrzymują się przy życiu - organizmy eurytopowi. Wahania wody powodują że woda nagrzewa się, gdy jej poziom jest niski w zbiorniku wyrównawczym. W ciągu doby istotnie zmienią się warunki termiczne. Wahania poziomu wody wytrzymają tylko nieliczne gatunki. Bentos będzie zasiedlał tylko tę część która jest stale pod wodą, a plankton pochodził o zbiornika głównego.

Np. zbiornik rzeszowski zbudowany na Wisloku. Zlewnia ma gleby bardzo łatwo erodowane. Ten zbiornik nie miał zbiornika wstępnego.

Funkcje przedzbiornkika:

1. wpływające wody rzeczne do zbiornika , przedzbiornika 3-10 dni. W celu zatrzymania wody następuje znaczne osiadanie zawiesin, w związku z tym zbiornik główny dłużej się wypłyca. Zbiornik rzeszowski na rzece Wisła jego czas życia określono na 35-40 lat. Miał być wypełniony w 80% zawiesiną ze zlewni, ale już po 22 latach był prawie wypełniony zawiesiną.

2. chroni zbiornik właściwy przed gwałtowną eutrofizacją, dopływający fosfor do zbiornika jest wnoszony w postaci mineralnej lub cząstkowej. Forma cząstkowa i mineralna osiadają się w zbiorniku wstępnym i następuje ich redukcja.czs zatrzymania wody powinien wynosić minimum 4 dni. To czas aby mógł rozwiną się fitoplankton, który pobiera fosfor zubożając zbiornik główny. Wynosi to od 20-60%. Do zbiornika tego wpływa woda uboższa troficznie.

2. zbiornik wyrównawczy

• budowany przy hydroelektrowniach. Pracują one z przerwami, co jakiś czas spuszczana jest duża masa wody. Gdyby cala ta masa wody wpadła do rzeki poniżej zbiornika porwałaby wszystko, co jest poniżej zapory.

Cel:

• uchwycenie tej wody i stopniowe jej odprowadzanie do rzeki. Stopniowy zrzut gwarantuje zachowanie życia biologicznego w rzece.

W zbiorniku wyrównawczym występują duże wahania zwierciadła wody. W krótkim czasie dostaje się tu duża ilość wody, która potem jest stopniowo odprowadzana do rzeki.

• rytmiczny cykl spuszczania wody

• wahania poziomu wody

Powodują specyficzna termikę w tym zbiorniku. Tu woda stopniowo w ciągu dnia się ogrzewa, po czym następuje gwałtowny zrzut dużej porcji zimnej wody ze zbiornika właściwego.

W cyklu dobowym występują tu duże wahania temperatury. Występują tu gatunki eurytermiczne.

Czas przebywania wody w zbiorniku wyrównawczym jest krótki. Są to zbiorniki niewielkie.

Występują tu nieliczne gatunki planktonowe, które mają krótki cykl rozwojowy, mniejszy niż czas retencji. Plankton pochodzi ze zbiornika, ale zubożony o organizmy, które zginęły na turbinach.

Bentos ma lepsze warunki rozwoju niż plankton, chociaż ograniczony jest termiką zbiornika.

Np.

Zbiornik Rożnowski - zbiornik Czchów

Solina - Myczkowce

zbiornik właściwy zbiornik wyrównawczy

Różnice między zbiornikiem zaporowym a jeziorem

Wyjątki:

• jeziora przepływowe (długie, wąskie) - te cechy nie są do nich adekwatne

• zbiorniki zaporowe o znikomych wahaniach poziomu wody, np.

Tabela

Cecha	Zbiornik zaporowy	Jezioro
Stosunek powierzchni zlewni do zbiornika	duży (często >100)	mniejszy (< 100)
Przybór wody	kilka razy rocznie, znaczny	zwykle jeden raz rocznie (roztopy), niewielki <0,5 m
Odpływ wody ze zbiornika	denny	powierzchniowy
Wahania poziomu wody	znaczne, kilka - kilkadziesiąt m/rok, powodują odsłanianie płycizn i ich osuszanie.	niewielkie, do około 0,5m
Odsłanianie dna	kilkadziesiąt procent powierzchni dna	małe
Przekrój podłużny misy	trójkątny	półeliptyczny
Abrazja, niszczenie brzegów	znaczne (fale), linia brzegowa może być przesunięta nawet o 20metrów, aż do uzyskania równowagi, przyczynia się też do wypłycania	znikome
Litoral	słabo wykształcony lub jego brak (wynika to z wahań lustra wody); nie pełni takiej funkcji ochronnej przed dopływem zanieczyszczeń, jak w jeziorze	dobrze wykształcony
Stratyfikacja termiczna latem	nieostra, zmienna	wyraźna, stabilna
Pochodzenie osadów	głównie allochtoniczne	głównie autochtoniczne
Wiek	młode (< 100 lat)	(≥ 10 tysięcy lat), u nas - ostatnie zlodowacenie 10 - 12 tysięcy lat temu)
Czas retencji wody	krótki (h, tygodnie, miesiące)	długi (lata, tysiące lat)
Możliwość wymywania ze zbiorników wodnych biocenoz i osadów	duża	bardzo mała, prawie żadna

W zbiornikach zaporowych istnieje możliwość przepłukiwania takiego zbiornika i częściowe pozbycie się wniesionych osadów. Ma to na celu przedłużyć jego życie.

Zbiorniki ostabilnym poziomie wody to zbiorniki rekreacyjne.

Wykorzystywane do celów rekreacyjnych.

• zbiorniki rozlane bardzo szeroko

„Stratyfikacja” termiczna w zbiornikach zaporowych

Wpływ na chemizm i mieszanie wody w zbiorniku wody dostarczanej rzeką:

• zimą i wiosną - w rzece woda jest cieplejsza

• latem i jesienią - w rzece woda jest chłodniejsza

dopływ rzeki do zbiornika zaporowego. Woda dopływająca rzeką, w zbiorniku będzie się przesuwać w tej warstwie, która ma tę samą gęstość.

• Wiosna - dopływająca cieplejsza woda jest lżejsza, przesuwa się po powierzchni zbiornika. W wyniku homotermii wiosennej będzie wymieszana.






• Lato - latem w rzece woda jest chłodniejsza, w zbiorniku bedzię przemieszczać się na pewnej głębokości.





• Jesień - woda będzie przesuwać się po dnie, ale stopniowo, wskutek homotermii będzie mieszana.





• Zima - woda będzie przesuwać się po powierzchni.





Czynniki środowiskowe mające znaczenie dla funkcjonowania organizmów w tych wodach:

- temperatura wód - w wodach polskich temperatura wody wynosi 0-30°C sporadycznie może mieć 40⁰C zdarza się to w zbiornikach wodnych które służą elektrowni cieplnej. Temperatura zależy od: strefy klimatycznej, wysokości nad poziom morza, temperatury powietrza(wiąże się to z porą roku), ciepła pobranego z gruntu, stosunku powierzchni zbiornika do głębokości, szybkości przepływu i od ciepła parowania. Temperatura ma znaczenie dla organizmów występujących w tych wodach, wpływa na przebieg procesów chemicznych. Procesy metaboliczne są procesami uzależnionymi od temperatury. Organizmy dzielimy na: stenotermiczne- żyjące w wąskim zakresie temperatur, eurytermiczne- żyjące w szerokim zakresie temperatur. Temperatura 25⁰ C działa letalnie na pstrąga a 30⁰C na szczupaka i złotą rybkę, szybkość zmiany temperatury np. gwałtowne podwyższenie temperatury o 10⁰C powoduje uszkodzenie lub śmierć organizmów. Stała temperatura występuje przy źródłowych odcinkach potoku, ma mało czasu by się ogrzać. W wodach podziemnych temperatura zmienia się niewiele ponieważ jest chroniona warstwą skorupy ziemskiej, również jest stała w hipolimnionie. Im mniejszy zbiornik lub rzeka tym bardziej są podatne na zmiany temperatur.

Życie jest możliwe w temp. Od -200⁰C do 100⁰C w tych granicach występują tylko formy przetrwalnikowe. Dla wielu organizmów krytyczna temperatura to 50⁰C powoduje ona zmiany w cytoplazmie. Wyższa temperatura powoduje: większą toksyczność metali i pestycydów, zwiększ wrażliwość organizmów na działanie toksyczne, zwiększa szybkość procesów biochemicznych, wzrost o 10⁰C zwiększenie tych procesów 2 lub 3 razy. Wzrasta biochemiczne zapotrzebowanie na tlen, przyśpieszona zostaje nitryfikacja, odbiornik ścieków w wyższych temperaturach może przyjąć ich mniej ponieważ proces rozkładu jest duży a jest mała ilość tlenu. Nadmierne ilości ciepła doprowadzane do wód są zanieczyszczeniem pogarszają jakość wody.

• Wody oligotroficzne - charakteryzują się dominacją gatunków łososiowatych:

• sieja

• sielawa

• pstrąg potokowy (może występować, gdy woda jest dobrze natleniona i o niezbyt wysokiej temperaturze)

W miarę wzrostu eutrofizacji warunki troficzne stają się nieodpowiednie dla gatunków łososiowatych i one ustępują. Pojawiają się nowe gatunki.

• Wody mezotroficzne:

• szczupakowate - szczupak

• okoniowate - sandacz, okoń

Towarzyszą im:

• karpiowate - lin, płoć, leszcz

W miarę wzrostu eutrofizacji te gatunki stopniowo ustępują. W pierwszej kolejności ryby drapieżne:

• szczupak

• sandacz

• okoń

Potem:

• lin

• płoć

• leszcz

• Wody hypertroficzne - mało gatunków, liczna biomasa

• karaś

• słonecznica

Sukcesja zespołów ryb oraz zmiany wielkości produkcji rybackiej w miarę postępu eutrofizacji wód zbiornika.

1. W oligotrofii występują ryby o dużej biomasie (duże ryby). W eutrofii - liczne, małe rybki.

2. Wraz ze wzrostem eutrofizacji pojawiają się ryby o małych rozmiarach. Ryby te stanowią „chwast rybi”. Ustępują gatunki cenne - drapieżne.

3. W oligotrofii - dużo gatunków, w eutrofii - mniej gatunków ryb.

Woda ze zbiornika zaporowego może być odprowadzana do rzeki przez:

• górny zrzut wody - przez koronę zapory

• dolny zrzut wody - w pobliżu dna zbiornika

Rodzaj zrzutu ma znaczenie dla jakości wody w zbiorniku i rzeki poniżej zapory.

Odpływ dolny:

• burzy stratyfikacje termiczną uformowaną w zbiorniku. Stratyfikacja termiczna w zbiorniku zaporowym nie jest tak wyraźna, jak w jeziorze. Wynika to z dopływu rzecznego i zrzutów wody.

• burzy stratyfikacje tlenową

• ze zbiornika wypuszczane są do rzeki wody przydenne 9bardziej zasobne w metabolity, bardziej odtlenione, zawierające czasem H₂S, CH₄,zwiększoną ilość żelaza)

Rzeka poniżej zapory to zupełnie inna rzeka niż była w tym samym miejscu przez jego utworzeniem. Inne są przepływy (wahania dobowe i roczne) - wynika to z przeznaczenia zbiornika. Inna jest temperatura - zmienna, jeśli odpływ ze zbiornika jest okresowo przemiennie górny i dolny. Przy odpływie dolnym temperatura w rzece poniżej zbiornika jest zimniejsza. Występuje przesunięcie maksymalnej temperatury o 2 - 3 tygodnie.

Rzeka ta ma też zmieniony chemizm. Wpływa on na biologię i organizmy żyjące poniżej zapory.

Woda ta zawiera więcej sestonu organicznego, zwłaszcza przy średnim przepływie.

W warunkach wysokiego dopływu wody do zbiornika ta dopływająca woda ma bardzo zmieniony skład w stosunku do wody zbiornika.

• dużo zawiesin (ciężka), przesuwa się po dnie zbiornika i w prawie niezmienionym składzie przechodzi przez zbiornik do rzeki poniżej zbiornika.

Gdy zbiornik wykorzystywany jest do celów energetycznych turbiny elektrowni zabijają organizmy żyjące w zbiorniku. One w postaci martwej dostają się do rzeki. Tu sa bazą pokarmową dla organizmów żyjących poniżej zapory.

Zbiornik po powstaniu całkowicie zmienia skład ilościowy, biologiczny i wpływa na warunki bytowania organizmów w wodzie poniżej zapory.

Niekiedy zbiorniki buduje się w większej liczbie na tej samej rzece - jeden za drugim, tworząc kaskady. Cel - zwiększenie żeglowności rzeki.

Buduje się też pary zbiorników (dwa zbiorniki koło siebie): pierwszy właściwy, drugi - mały, poniżej lub powyżej.

3. zbiornik wstępny

Cel:

• przedłużenie życia zbiornika właściwego

Ze zlewni zbiornika zaporowego do rzeki dostaje się materiał erodowany („rumowisko rzeczne”). W czasie wezbrań jest to niesione przez rzekę i zbiornik właściwy zostałby „zasypany” przez materiał niesiony przez rzekę. Zbiornik wstępny zatrzymuje to „rumowisko”.

Np. zbiornik rzeszowski zbudowany na Wisloku. Zlewnia ma gleby bardzo łatwo erodowane. Ten zbiornik nie miał zbiornika wstępnego. Ulega on gwałtownemu zasypywaniu. Po:

• 9 latach zostało zasypane 30% zbiornika

• 12 latach - 42%

• 14 latach - 66%

Zbiornik ten czyści się nieustannie. Tempo jego zasypywania jest szybsze niż tempo usuwania tej zawiesiny ze zbiornika.

Zbiornik wstępny na końcu ulegnie zasypaniu, ale spełni swoją ochronna funkcję.

• chroni zbiornik właściwy przed gwałtowną eutrofizacją

Część niesionego fitoplanktonu przez rzekę i część fitoplanktonu powstałego w zbiorniku wstępnym osadza się w tym zbiorniku.

A więc substancje biogenne nie są wnoszone do zbiornika właściwego. Zbiornik wstępny jest „pułapką” dla nutrientów.

• głownie w Niemczech (byłe NRD)

Wykorzystuje się znajomość temperatury, przepływ wody rzecznej, zawartość fosforu, tempo rozwoju fitoplanktonu, aby ze wzorów obliczyć objętość zbiornika wstępnego i % usuwania składników biogennch (głównie fosforu).

Stopień redukcji fosforu w zbiorniku wstępnym: 20 - 60%.

4. zbiornik wyrównawczy

• budowany przy hydroelektrowniach. Pracują one z przerwami, co jakiś czas spuszczana jest duża masa wody. Gdyby cala ta masa wody wpadła do rzeki poniżej zbiornika porwałaby wszystko, co jest poniżej zapory.

Cel:

• uchwycenie tej wody i stopniowe jej odprowadzanie do rzeki. Stopniowy zrzut gwarantuje zachowanie życia biologicznego w rzece.

W zbiorniku wyrównawczym występują duże wahania zwierciadła wody. W krótkim czasie dostaje się tu duża ilość wody, która potem jest stopniowo odprowadzana do rzeki.

• rytmiczny cykl spuszczania wody

• wahania poziomu wody

Powodują specyficzna termikę w tym zbiorniku. Tu woda stopniowo w ciągu dnia się ogrzewa, po czym następuje gwałtowny zrzut dużej porcji zimnej wody ze zbiornika właściwego.

W cyklu dobowym występują tu duże wahania temperatury. Występują tu gatunki eurytermiczne.

Czas przebywania wody w zbiorniku wyrównawczym jest krótki. Są to zbiorniki niewielkie.

Występują tu nieliczne gatunki planktonowe, które mają krótki cykl rozwojowy, mniejszy niż czas retencji. Plankton pochodzi ze zbiornika, ale zubożony o organizmy, które zginęły na turbinach.

Bentos ma lepsze warunki rozwoju niż plankton, chociaż ograniczony jest termiką zbiornika.

Np.

Zbiornik Rożnowski - zbiornik Czchów

Solina - Myczkowce

zbiornik właściwy zbiornik wyrównawczy

Różnice między zbiornikiem zaporowym a jeziorem

Wyjątki:

• jeziora przepływowe (długie, wąskie) - te cechy nie są do nich adekwatne

• zbiorniki zaporowe o znikomych wahaniach poziomu wody, np.

Wykorzystywane do celów rekreacyjnych.

• zbiorniki rozlane bardzo szeroko

„Stratyfikacja” termiczna w zbiornikach zaporowych

Wpływ na chemizm i mieszanie wody w zbiorniku wody dostarczanej rzeką:

• zimą i wiosną - w rzece woda jest cieplejsza

• latem i jesienią - w rzece woda jest chłodniejsza

Woda dopływająca rzeką, w zbiorniku będzie się przesuwać w tej warstwie, która ma tę samą gęstość.

Zbiorniki astatyczne

• zbiorniki, które mają małą powierzchnię, np. zagłębienia liści, dziuple powstałe poprzez próchnienie pni, niewielkie kałuże, małe zbiorniki wodne

• trwale (istnieją wiele tygodni) lub krótkotrwałe, efemeryczne

• cechuje je niestałość warunków i częsta ich zmiana; te zbiornik nie mają ukształtowanej stratyfikacji termicznej, bo są małe; nagrzewane do dna; mogą występować różnice temperatur miedzy powierzchnią (26°C) a dnem (20°C)

• taki układ temperatur powoduje, że te zbiorniki są monomiktyczne w ciągu doby (jeden raz na dobę mieszane), polimiktyczne w ciągu roku (wielokrotnie mieszane w ciągu roku)

• czynniki fizyczne i chemiczne. Niestałość wynika z niewielkich rozmiarów (duży wpływ otaczającego lądu), nanoszenie substancji z powietrzem i wpływ zacienienia

• okresowo mogą wysychać

• ubogi skład gatunkowy - głównie gatunki szybko przechodzące w formy przetrwalne; liścionogi, fauna merolimniczna

Czynniki wpływające na życie biologiczne w wodach

1. temperatura

2. światło

3. tlen

4. dwutlenek węgla

5. substancje biogenne

• Temperatura

W klimacie umiarkowanym temperatura wody ) - 30°C. rzadko 40C, np. zbiorniki wody podgrzanej.

Wysokość temperatury wody zależy od:

• strefy klimatycznej

• wysokości nad poziomem morza

• temperatury powietrza - pora roku, ciepło parujące z gruntu

• stosunku powierzchni zbiornika do głębokości

• przepływu wody

• ciepła oddawanego (promieniowanie, parowanie)

Temperatura ma wpływ na:

• biocenozy wodne

• przebieg procesów chemicznych w wodzie

Każdy organizm ma swoisty optymalny zakres temperatury. Sztuczne jej zwiększenie może być szkodliwe. Wyróżnia się:

• organizmy stenotermiczne

• organizmy eurytrmiczne:

• zimnolubne 5 - 16 °C

• ciepłolubne 13 - 27 °C

Temperatury letalne:

• pstrąg: 25°C

• szczupak: 30°C

• złota rybka: 30°C

Również szybkie podwyższenie temperatury często prowadzi do śmierci organizmu, nawet gdy nie zostanie osiągnięta temperatura letalna.

Najbardziej stałe temperatury występują w:

• źródłach, np. w Tatrach: spadek wysokości o 100 m - zmiana temperatury wody 0,5°C

• przyźródłowych odcinkach potoku

• wodach podziemnych (12°C)

• wodach hypolimnionu głębokich jezior (4°C)

Im mniejszy zbiornik (mniejsza objętość wody), tym większy wpływ czynników zewnętrznych i tym większa zmienność temperatury.

Zakres temperatur życia organizmów: - 200°C (przetrwalniki) ÷ + 100°C

Górny limit temperatury: + 50ºC (zmiany w protoplascie; denaturacja białka)

Heterotroficzne bakterie: > 90ºC

Organizmy fotosyntetyzujące:

• Procaryota: do 75ºC, ale pH musi być wysokie (do 55ºC przy niskim pH)

• Eucaryota: do 55 - 60ºC, nieliczne; większość do 40ºC

Co powoduje wysoka temperatura?

• zwiększenie toksyczności metali i pestycydów

• wrażliwość organizmów na działanie toksykantów

• wzrost szybkości procesów chemicznych i biochemicznych zachodzących w wodach (wzrost temperatury o 10ºC powoduje zwiększenie szybkości tych procesów 2 - 3 razy)

• zmniejszenie zdolności rozpuszczania tlenu w wodzie

• zwiększenie procesów biochemicznego zapotrzebowania na tlen

• przyspieszenie procesów nitryfikacji

• odbiornik może przyjąć mniej ścieków organicznych, bo w większej temperaturze proces rozkładu materii organicznej jest wyższy od produkcji tlenu w procesie fotosyntezy. Szybko ubywa tlenu

Nadmierne ładunki ciepła doprowadzane o wód należy traktować jako zanieczyszczenie, bo:

• pogarszanie jakości wody

• szkodliwy wpływ na biocenozy

Temperatury dopuszczalne:

I klasa - 22ºC

II, III klasa - 26ºC

Wykład 14

Fosforany i azotany. Są to podstawowe substancje odżywcze (nutrienty, biogeny) dla roślin. Wprowadzone do wód ze ściekami (ścieki bytowo-gospodarcze, z przemysłu rolno-spożywczego, wypłukiwane z pól nawozy) powodują ich użyźnienie, czyli eutrofizację.

Eutrofizacja

Eutrofizacja jest to wzrost trofii, czyli żyzności wód, głównie stężeń związków fosforu i azotu, dopływających do wód w postaci mineralnej, bądź też jako materia organiczna, która ulegając rozkładowi, dostarcza przyswajalnych dla roślin, mineralnych form tych pierwiastków. Eutrofizacja jest, etymologicznie rzecz biorąc, terminem mylącym. Przedrostek „eu” znaczy bowiem „dobry”, „prawdziwy”, podczas gdy przeważnie mamy do czynienia właśnie z „niedobrą”, nadmierną trofią.

Większość jezior w chwili powstania (zwłaszcza jezior polodowcowych) była oligotroficzna. Eutrofizacja jezior jest procesem naturalnym. Stale dopływają do nich substancje z zewnątrz - ze zlewni i atmosfery. Normalnie jest to jednak proces bardzo powolny. Został on przyśpieszony dziesiątki i setki razy w wyniku gospodarki ludzkiej - zrzutu ścieków przemysłowych i komunalnych, wycinki lasów, intensyfikacji rolnictwa, w tym nawożenia mineralnego. Dotyczy to zarówno zbiorników jak i cieków. Proces ten szczególnie nasilił się w ostatnim półwieczu.

Użyźnianie czyli eutrofizacja wód powoduje początkowo umiarkowany wzrost produkcji biologicznej, w tym pożądanej produkcji ryb. Po przekroczeniu pewnej granicy - wywołuje szereg niekorzystnych efektów jak:

• Nadmierny rozwój glonów („zakwity glonów” lub „zakwity wody”) zmniejszających przeźroczystość wody, pogarszających jej właściwości organoleptyczne. Zwykle wzrasta też udział sinic - grupy której wiele gatunków utrzymuje się blisko powierzchni, tworząc kożuchy. Często wiatry spychają te kożuchy do jednego brzegu, wtłaczają do zatok, gdzie powstają ogromne zagęszczenia, masowa śmiertelność tych glonów a także fauny, nagromadzenie szkodliwych produktów rozpadu. Często sinice przyżyciowo i w efekcie rozkładu wydzielają substancje toksyczne. Intensywne zakwity występują nie tylko w zbiornikach wodnych, ale i rzekach. W tych ostatnich są powodowane przez okrzemki i zielenice, mniej uciążliwe niż sinice, które przeważnie „kwitną” w wodach stojących.

• W strefie litoralu (przybrzeżnej) - pogorszenie warunków świetlnych w efekcie nadmiernego rozwoju fitoplanktonu powoduje ustępowanie roślinności zanurzonej

• Masowo rozwijają się w litoralu glony nitkowate, tworzące maty - kożuchy na dnie i roślinności zanurzonej, a także na młodych pędach roślinności wynurzonej, przyśpieszając zanik pierwszej, a następnie częściowo także drugiej. Kożuchy glonów nitkowatych zupełnie uniemożliwiają rekreacyjne użytkowanie strefy przybrzeżnej.

• Zanik tlenu w strefach głębinowych powoduje wyginięcie większości gatunków zwierząt, w tym w pierwszej kolejności gatunków reliktowych; przy dalszym wzroście trofii w hypolimnionie (w warstwach przydennych) w coraz większym stężeniu występuje siarkowodór.

• W sytuacjach skrajnych zupełne wyczerpanie tlenu i występowanie siarkowodoru zachodzi także w warstwach powierzchniowych (zwłaszcza w okresach bezwietrznych i przy wysokiej temperaturze); Siarkowodór może się ulatniać i zatruwać atmosferę w okolicy. Zimą, zwłaszcza przy pokryciu lodu śniegiem (i w konsekwencji braku fotosyntezy i produkcji tlenu) występują przyduchy zimowe (brak tlenu) - śmiertelność organizmów, zwłaszcza ryb, e efekcie braku tlenu.

• Wyżej omówione zmiany w litoralu, a także deficyty tlenowe, powodują znaczne pogorszenie warunków tarła i rozrodu ryb, a w konsekwencji zasadnicze zmiany składu i stosunków dominacji w zespołach ryb. Ustępują ryby łososiowate, ustępuje szczupak, zaczynają dominować ryby karpiowate, głównie mało cenne.

• Deficyty tlenowe w strefach głębinowych oraz zanik roślinności litoralnej potęguje „eutrofizację”

W skrajnych (a niestety nie rzadkich) przypadkach dochodzi do tak silnego zanieczyszczenia zbiornika substancją organiczną (saprotrofizacji), że nie może się ona efektywnie rozkładać; woda ulega zatruciu produktami niepełnego rozkładu tej substancji.

Umiarkowany dopływ substancji użyźniających jest przez zbiornik „neutralizowany” - nie powoduje wyraźnego wzrostu trofii; pewna ilość substancji dopływających spoza zbiornika odkłada się bowiem trwale w osadach dennych.

W oparciu o obszerne materiały empiryczne z wieloletnich badań nad eutrofizacją wód w skali światowej, w przybliżeniu potrafimy określić jaki ładunek substancji eutrofizujących jest jeszcze dla zbiornika dopuszczalny - zbiornik potrafi go „zneutralizować”, a jaki - niebezpieczny, prowadzący do przyśpieszonej eutrofizacji. W zbiornikach przepływowych ładunki dopuszczalny i niebezpieczny mogą być odpowiednio większe, ponieważ część ich jest wynoszona z odpływem.

Dopuszczalne i niebezpieczne (powodujące przyśpieszoną eutrofizację) ładunki azotu i fosforu (g m^-2 rok^-1):

głębokość średnia	Ładunki
		dopuszczalne		niebezpieczne
m	N	P	N	P
5	1.0	0,07	2.0	0.13
10	1.5	0.10	3.0	0.20
50	4.0	0.25	8.0	0.50

Rozróżniamy ładunki ze źródeł punktowych i obszarowych donoszonych z lądu do wód. Pierwsze dopływają rurami, kanałami, potokami, zwykle z określonych źródeł - fabryk, zakładów przemysłowych, osiedli (kanalizacja), ferm itd. Tu należy zaliczyć hodowlę sadzową ryb oraz zrzuty ze stawów rybnych.

Drugie - ładunki obszarowe, dopływające z całej powierzchni zlewni, po powierzchni ziemi i pod ziemia, na całej linii brzegowej, a także niewielkimi, często okresowymi ciekami zbierającymi wody z obszaru zlewni bezpośredniej. Do nie-punktowych należy także zanieczyszczanie wód przez ptactwo wodne oraz produkowane przez rekreację. Niekiedy wyróżnia się też ładunki „liniowe” - pochodzące z linii kolejowych biegnących wzdłuż wód powierzchniowych.

Im większy stosunek powierzchni zlewni do powierzchni i masy wód zbiornika, przy tym samym charakterze zlewni (udziale lasów i rolnictwa, konfiguracji terenu, typie gleby itd.), tym potencjalnie jest on zagrożony ze źródeł obszarowych. Zwykle im mniejszy zbiornik tym większe obciążenie (na jednostkę powierzchni) substancjami ze zlewni.

Rzeczywiste ładunki bywają często wielokrotnie wyższe od progowych, „niebezpiecznych” - mogą dochodzić do kilkunastu i więcej gramów fosforu i prawie 200 g N rocznie na m² powierzchni zbiornika. Przekracza to setki razy poziom dopuszczalny.

Ładunek obszarowy substancji do wód powierzchniowych zależy od ilości wody dopływającej oraz od stężeń substancji w tej wodzie. Stężenia te różnią się tysiące razy. Stężenia P_całk. - składnika najważniejszego dla eutrofizacji - w różnych źródłach można przedstawić obrazowo: jeśli przyjąć za punkt odniesienia wody względnie czyste, to przeciętne stężenia w spływach z rolnictwa i spływach powierzchniowych z miast są około 100 razy wyższe, w ściekach komunalnych - do 10.000, w niektórych przemysłowych - do 100.000, a w gnojowicy - do 1.000.000 razy wyższe.

Jeśli występują zrzuty punktowe - zwykle one dominują w obciążeniu zbiornika azotem i fosforem. Mechaniczne i biologiczne oczyszczanie ścieków poprawia sytuację częściowo. Zasadnicza poprawę może przynieść dodatkowe usuwanie fosforu (III st.), powszechnie stosowane w krajach rozwiniętych (o ile nagromadzenie nutrientów w ekosystemie nie jest zbyt duże; przy bardzo dużym niezbędna jest rekultywacja).

Lepsza rozpuszczalność w wodzie azotu mineralnego niż fosforu powoduje, że w ogólnym ładunku azotu do wód często dominuje azot ze źródeł obszarowych, zaś w ogólnym ładunku fosforu - fosfor - ze źródeł punktowych. Przykładowo ocenia się, że 1/3 ogólnego ładunku azotu i 2/3 ogólnego ładunku fosforu do Wisły pochodzi ze ścieków. Zasilanie punktowe przeważnie dopływa do wód dość równomiernie w ciągu roku, bądź nasila się w rejonach rekreacyjnych w okresie sezonu turystycznego. Zanieczyszczenia obszarowe nasilają się głównie w kresach silniejszych opadów i spływów wód oraz braku lub słabego rozwoju szaty roślinnej.

Ze źródeł punktowych jedynie ścieki kampanijne np. cukrownicze, gorzelniane - maja charakter sezonowy; dopływają one zwykle jesienią i zimą, gdy zdolność samooczyszczania wód jest zmniejszona na skutek niższej temperatury.

Zrzuty wód ze stawów karpiowych przy odłowie ryb i spuszczaniu stawów wnoszą znaczny ładunek fosforu, azotu i substancji organicznej do rzek. Stawy karpiowe z natury rzeczy mają wody silnie przeżyźnione w efekcie intensyfikacji hodowli. Stawy pstrągowe i sadzowe hodowle pstrąga również wnoszą lokalnie ogromne ładunki substancji - w związku z dużym zagęszczeniem ryb i ich intensywnym żywieniem. Stawy pstrągowe są z reguły lokowane na ciekach, na przepływie, toteż wnoszą ładunek zanieczyszczeń przez cały czas - w odróżnieniu od stawów karpiowych, które ten ładunek kumulują, a do cieków przekazują w okresie spuszczania stawów.

Dopływ substancji ze zlewni (punktowy i obszarowy) powoduje natychmiastową zmianę stężenia tych substancji w wodzie cieku. Stężenie zaraz spada po ustaniu dopływu. Zmiany stężeń w zbiorniku są mniejsze, ponieważ dopływające substancje ulegają rozcieńczeniu w dużej masie wód (oczywiście w pobliżu dopływu zmiany są duże); natomiast substancje te ulegają kumulacji i stopniowemu trwałemu (w odróżnieniu od cieków) włączeniu do krążenia.

Przy obecnym zanieczyszczeniu powietrza sam dopływ mineralnych substancji pokarmowych z atmosfery może powodować przyspieszenie eutrofizacji. Stężenie fosforu całkowitego w opadach (łącznie opad mokry i suchy) mogą dochodzić do kilkuset µg P całk. dm^-3, aczkolwiek najczęściej nie przekraczają kilkudziesięciu do 100 µg dm^-3 (podczas gdy zakwity glonów zachodzą już przy ok. 15 µg dm^-3, a przy 50-100 µg dm^-3 fosfor przestaje być limitujący). Stężenia azotu całkowitego dochodzą do 6 mg/l. Dane te dotyczą terenów względnie czystych; na obszarach silnie uprzemysłowionych wartości mogą być parokrotnie wyższe. Wartości te wzrosły też parokrotnie na przestrzeni ostatnich dziesiątków lat. W przeliczeniu na jednostkę powierzchni zbiornika ładunki fosforu mogą przekraczać 2 kg/ha/rok, zaś azotu 20 kg/ha/rok, odpowiednio 0,2 g m^-2 rok^-1 i 2 g m^-2 rok^-1; są to ładunki przekraczające około 2-krotnie progowe wartości niebezpieczne dla czystości wód.

Dla zbiorników o niewielkiej i nie-rolniczej zlewni, ładunki z atmosfery mogą zdecydowanie dominować, osiągając nawet 80-90% całkowitego obciążenia zbiornika.

Stężenia i ładunki mineralnych substancji pokarmowych ze źródeł punktowych

W odpadach „produkowanych” przez człowieka (wydaliny, fekalia, produkty odpadowe codziennej działalności w tym środki do prania, mycia itd.) zawarte jest około 2,5 do prawie 10,0 g/osoba/doba fosforu (0,9-3,6 kg/osoba/rok). W tych odpadach zawarte jest od 5,0 do kilkunastu kg/osoba/rok azotu. W pokarmie pobieramy około 0,55 kg P rocznie (1,5 g osoba^-1 doba^-1) i prawie tyle samo jest wydalane. Reszta to fosfor ze środków do prania i mycia (do 1,7 g osoba^-1 doba^-1) oraz odpadów.

Stężenia w surowych ściekach komunalnych wynoszą mg dm^-3: BZT₅ - około 200, P - najczęściej 4,0 - 12,0 (zakres - 0,8 - 66,0), N-25-50, (13-100).

Te niższe wartości z reguły odnoszą się do starszych danych i krajów mniej rozwiniętych, ze względu na mniejszą konsumpcję żywności, niższe zużycie środków chemicznych oraz mniejsze domieszki ścieków przemysłowych.

Duże ilości związków biogennych produkują zwierzęta. W intensywnej hodowli ryb - 100 ton ryb tworzy tyle zanieczyszczeń co 30-50 tysięcy ludzi. Z wyliczeń wynika, że jednostka biomasy ryb produkuje (w efekcie intensywnego karmienia) znacznie więcej fosforu i azotu niż jednostka biomasy ludzi.

Eksport obszarowy azotu i fosforu ze zlewni do wód powierzchniowych

Wartości eksportu obszarowego substancji do wód powierzchniowych są zróżnicowane, najniższe dla lasów, najwyższe dla intensywnego rolnictwa oraz spływu wód powierzchniowych z miast.

Straty N_całk. i P_całk. (kg ha^-1 rok^-1) ze zlewni do wód powierzchniowych w strefie umiarkowanej

Charakter zlewni N P wart. wzgl.

Lasy <10,0 0,04-0.2 1

Łąki i pastwiska <10,0 0,05-0,17 1

Uprawy rolne 2,6-26,7 0,06-2,9 do 30

Czarny ugór 33,0-185,0 0,56-2,9

Spływy z miast 4,1-9,3 1,0-5,3 do 50

Wykład 15

Ochrona wód

Sposób ochrony wód przed zanieczyszczeniem punktowym jest jeden - niedopuszczanie do zrzutu ścieków. Najlepsze byłoby stosowanie obiegów zamkniętych wody - takie oczyszczanie wytworzonych ścieków, aby mogły być ponownie użyte w procesie produkcji, bez potrzeby poboru nowej wody (w praktyce - niewielki pobór w celu uzupełnienia strat). Ze względu na wysokie koszty, a zwykle także trudności technologiczne z tak wysokim stopniem oczyszczenia, obiegi zamknięte są rzadko stosowane. Jeśli ten sposób jest niemożliwy, ścieki przed zrzutem do wód powierzchniowych (jako odbiorników ścieków) powinny być oczyszczone do tego stopnia, aby nie powodować zanieczyszczenia tych wód. Dla ścieków typu „troficznego” - komunalnych, przemysłu spożywczego itp., nie ma tu żadnych problemów technologicznych, a jedynie finansowe i organizacyjne. Dotyczy to zresztą większości innych ścieków, w tym toksycznych. Kłopoty finansowe są tak znaczne, że np. w Polsce oczyszczanych mechanicznie i biologicznie jest jedynie około 1/3 ścieków.

Rzeki lepiej sobie radzą z oczyszczaniem ścieków (samooczyszczaniem) jeśli dopływają one w nienadmiernej i nie nadmiernie toksyczne.

W zbiornikach nieoczyszczone substancje ulegają trwałej kumulacji; do pewnego momentu mogą być one odkładane w osadach dennych, tak że niewiele ich pozostaje w obiegu. W określonych okolicznościach (np. deficyty tlenowe sprzyjające uwolnieniu PO_4, mieszanie i resuspensja osadów, wysoka obfitość i aktywność organizmów), zwłaszcza przy nagromadzeniu dużych ilości tych substancji, znaczna ich część może ponownie włączać do obiegu w ekosystemie. Są to tzw. ładunki wtórne - uruchamiane z zasobów zakumulowanych w danym ekosystemie wodnym, choć pierwotnie pochodzące ze zlewni.

Zasada niewpuszczania ścieków niedostatecznie oczyszczonych do zbiorników wodnych powinna być przestrzegana szczególnie rygorystycznie. Można dopuścić jedynie zrzut ścieków oczyszczonych w bardzo wysokim stopniu, w tym - po usunięciu fosforu oraz substancji toksycznych i po uprzednim obliczeniu obciążeń dopuszczalnych dla danego zbiornika.

W wielu krajach po okresie drastycznego wzrostu ładunków ścieków po ostatniej wojnie, już od lat 60-tych zaczęto ten ładunek intensywnie zmniejszać, stosując także usuwanie fosforu. Oprócz oczyszczania ścieków - istotne także było zastąpienie środków do prania, zmywania itp., produkowanych na bazie fosforu, innymi.

Niekiedy stosuje się oczyszczanie całych silnie zanieczyszczonych cieków - potoków i niewielkich rzek przed ich ujściem. Woda cieków może być oczyszczana przez wytrącanie sestonu i fosforu (patrz dalej - oczyszczanie ścieków), bądź przez „przesączanie się wód” cieku przez rozległy teren z obfitą roślinnością, co powoduje zatrzymanie znacznej części sestonu i także mineralnych substancji pokarmowych. Pierwszy sposób zastosowano na rzece Wahnbach zasilającej zbiornik zaporowy w Niemczech (Uzyskano usunięcie prawie 100 % sestonu i prawie 90% fosforu całkowitego). Drugi sposób zastosowano - m.in. na głównym dopływie jeziora Balaton - rzece Zaala. W przypadku zbiorników zaporowych - funkcję ochrony zbiornika głównego przed nadmiernym zanieczyszczeniem mogą pełnić zbiorniki wstępne zatrzymujące część sestonu i mineralnych substancji pokarmowych.

W intensywnej hodowli ryb należałoby stosować zamknięte obiegi wody (tzn. do hodowli używać zużytą wodę odpływającą z basenów hodowlanych, po odpowiednim oczyszczeniu) lub też, przy obiegu otwartym, spuszczać do „odbiornika” taką właśnie wodę gruntownie oczyszczoną.

W zbiornikach nienadmiernie zanieczyszczonych poprawa czystości wody w wyniku przerwania zrzutu ścieków jest z reguły szybka i znaczna. Możliwy jest nawet powrót do stanu sprzed zanieczyszczenia. W zbiornikach przeżyźnionych poprawa czystości wody w efekcie zmniejszenia ładunków zachodzi wolniej, gdyż stężenia fosforu ulegają wprawdzie zmniejszeniu, jednakże przez dłuższy czas pozostają jeszcze wysokie, wystarczające aby powodować zakwity glonów. Opóźnienie poprawy czystości wody jest powodowane przez ładunki wewnętrzne z osadów dennych. Niekiedy zmniejszenie ładunków zewnętrznych fosforu może - przez zmniejszenie produkcji substancji organicznej i w efekcie deficytów tlenowych - zmniejszyć ładunek wewnętrzny, a więc także ładunek całkowity. Np. w jeziorze Erie zmniejszono dopływ fosforu z zewnątrz o 80%, co spowodowało poprawę warunków tlenowych (uwalnianie P w warunkach beztlenowych z osadów wynosiło 1914 ton, po rekultywacji w warunkach tlenowych 437 ton. Nastąpiło 4 krotne zmniejszenie ładunku wewnętrznego.

W zbiornikach bardzo silnie przeżyźnionych, o ogromnych zasobach wewnętrznych, poprawa po przerwaniu dopływu ścieków może nie nastąpić przez wiele lat, nawet nigdy. W takich wypadkach dla poprawy stanu czystości niezbędna jest rekultywacja.

Łatwiej poprawie czystości ulegają zbiorniki przepływowe niż nieprzepływowe, bowiem w pierwszych część ładunków wewnętrznych jest eksportowana poza dany ekosystem.

Jedynym sposobem ochrony przed zanieczyszczeniem atmosferycznym jest ich oczyszczanie w miejscu powstawania - czyli niedopuszczanie do zanieczyszczenia atmosfery.

Ochrona przed zanieczyszczeniami obszarowymi jest trudniejsza organizacyjnie niż przed ładunkami punktowymi. Najważniejszym źródłem zanieczyszczeń obszarowych jest rolnictwo.

Jest wiele prostych sposobów, które mogłyby znacznie zmniejszyć straty substancji nawozowych (fosforu, azotu i innych) z pól uprawnych i zarazem zmniejszyć ładunek tych substancji do wód. Z reguły te sposoby spowalniają zarazem spływ wody i zmniejszają ilość zawartych w niej substancji toksycznych!

Ogólna zasada to unikanie „zagrożeń” lub minimalizować ich niekorzystne aspekty:

• Przy tendencji do zwiększania obszarów tej samej uprawy - zachowywać lub wprowadzać nowe, gdzie to jest tylko możliwe pasy i fragmenty trwałej szaty roślinnej (zadrzewień, zakrzewień, łąk, zbiorników wodnych) przeciwdziałających erozji wietrznej i wodnej, a także poprawiających mikroklimat i wzbogacających florę i faunę.

• Zawsze i wszędzie, ale szczególnie przy wielkich obszarach monokultur istotne jest stosowanie przed-, śród- i poplonów, aby nie pozostawiać gołej gleby, podatnej na erozję.

• Nawożenie mineralne należy stosować wielokrotnie, w mniejszych dawkach oraz wtedy, gdy zapotrzebowanie roślin na substancje nawozowe jest największe. Wszystko to zapewnia lepsze wykorzystywanie nawozów przez uprawy, a więc większą opłacalność nawożenia, a zarazem - mniejszy dopływ substancji nawozowych do wód, mniejsze szkody i straty wynikające z zanieczyszczenia wód. Niestety te logiczne i proste zalecenia napotykają trudności i kłopoty organizacyjne i agrotechniczne, wobec czego rzadko są stosowane.

• Należy dążyć do wyższej zawartości substancji organicznej w glebie. Zwiększa to pojemność wodną gleby i retencję wody w glebie, a tym samym zmniejsza odpływ wody i substancji w niej rozpuszczonych. Można to osiągnąć przez nawożenie organiczne (obornik, nawozy zielone), przez wykorzystywanie glebowe wszelkiej substancji organicznej - bezpośrednio lub po kompostowaniu - słomy, liści okopowych, resztek pożniwnych, odpadów drzewnych. Nie wolno wypalać odpadów organicznych, nieużytków - ze względów wyżej omówionych, a także dla ochrony fauny.

• Osuszanie bagien i nieużytków winno być zaprzestane, a tam gdzie to jest możliwe należałoby przywrócić stan sprzed osuszenia. Bardziej rozwinięte kraje raczej zmniejszają obszary uprawne, z powodu nadprodukcji rolniczej, przy jej ogromnej intensywności na mniejszej powierzchni. Jest to oczywiście dylemat czy lepiej bardziej niszczyć glebę na mniejszym obszarze, czy niszczyć ją mniej - ale na większych przestrzeniach. Najlepiej byłoby nie niszczyć jej wcale, prowadząc rolnictwo ekologiczne, maksymalnie naturalne, bez nawozów mineralnych i ciężkich maszyn. Niestety jest to na dużą skalę mało realne ze względu na większą pracochłonność i nieco niższą opłacalność. Gdyby jednak zastosować pełen rachunek zysków i strat z uwzględnieniem zdrowotności produktów, ich trwałości, odporności upraw na szkodniki, mniejszych kosztów nawozów i środków ochrony roślin, rolnictwo ekologiczne mogłoby okazać się opłacalne, w szerokim sensie - z uwzględnieniem aspektów zdrowia i ochrony przyrody.

• Zróżnicowanie krajobrazu, w tym utrzymywanie fragmentów trwałej pokrywy roślinnej, jest szczególnie istotne w terenie podatnym na erozję, w tym terenie pagórkowatym. Trwała szata roślinna musi być utrzymywana na stromych zboczach, brzegach i ścianach wąwozów. Należy tam unikać upraw okopowych, a przy wszelkich uprawach stosować orkę w poprzek a nie wzdłuż stoku. Należy dążyć do utrzymania, choćby wąskich (np. miedze, krzewy) pasów trwałej roślinności w poprzek stoku.

• Nawadnianie, które jest coraz bardziej potrzebne (deficyt wody limituje produkcję rolną), powinno być wykonywane wg tych samych zasad co nawożenie mineralne: często, ale małymi dawkami, by cała woda była wykorzystywana przez rośliny i aby nie odpływała.

• Wielkie fermy zwierząt hodowlanych, z których część (hodowla krów, świń) wytwarza gnojowicę, są wielkim nieporozumieniem; gdyby uwzględnić aspekty zdrowotne i ochrony środowiska - byłyby z pewnością nieekonomiczne. Ich ekonomika jest ratowana m.in. przez wylewanie nadmiernych ilości gnojowicy na tereny w pobliżu ferm. Ten sposób pozbywania się gnojowicy niszczy glebę, nierzadko spływa ona bezpośrednio do wód powierzchniowych, przesiąka do wód podziemnych. Najlepszym rozwiązaniem jest zaprzestanie hodowli wielkofermowej. Pewnym rozwiązaniem mogłoby być także wytwarzanie biogazu i nawozów wtórnych z gnojowicy

• Należy dążyć do zaprzestania ugniatania gleby przez ciężki sprzęt. Oprócz niezwykle destruktywnych efektów dla struktury gleby, zmniejsza to także właściwości retencyjne gleby, wsiąkliwość wody i stymuluje spływy powierzchniowe, a więc większą erozję i wymywanie substancji.

• Osobną, ważną sprawą jest gospodarowanie opadami. Ich składowiska niemalże nie są z reguły należycie zabezpieczone; dochodzi do spływów i przesiąków wód wysoce zanieczyszczonych, nierzadko wysoce toksycznych. Zanieczyszczają one niekiedy bezpośrednio wody powierzchniowe, a prawie zawsze wody gruntowe (a nawet głębinowe), które często dostają się do wód powierzchniowych, a także użytkowane są jako wody konsumpcyjne.

Powszechnie praktykuje się wyrzucanie śmieci i wylewanie nieczystości do zagłębień terenu - łożysk strumieni i rzek, wąwozów, zbiorników śródpolnych itd. Nierzadko są to odpady wysoce toksyczne - np. resztki środków ochrony roślin i innych chemikaliów, opakowania po nich itp. Substancje te zanieczyszczają także (podobnie jak przesiąki i odcieki z dużych składowisk) wody powierzchniowe i gruntowe, dostają się także do produktów roślinnych - środków żywnościowych. Odpady wrzucane do koryt cieków są przez wysokie wody przenoszone w dół, w tym kumulowane w zbiornikach zaporowych, które (podobnie jak cieki) są nieraz źródłem wody pitnej. Pozornie błaha sprawa - wyrzucanie śmieci - stanowi jedno z istotnych zagrożeń czystości wód i zdrowia społeczeństwa.

Niezależnie od prawidłowego zagospodarowania zlewni i krajobrazu, ważne jest utrzymanie pasów roślinności trwałej - drzewiastej, krzaczastej, trawiastej wzdłuż brzegów wód powierzchniowych (rzek i zbiorników). Roślinność, ściółka i gleba tych pasów zatrzymują i przechwytują w znacznej mierze zarówno produkty erozji niesione przez wody powierzchniowe, jak i mineralne substancje pokarmowe, a także substancje toksyczne rozpuszczone w wodach powierzchniowych i podpowierzchniowych. Trudno ściśle określić jaka powinna być szerokość tych pasów; niewątpliwie im szersze tym lepiej, a także im bogatsza roślinność, tym więcej systemów korzeniowych. Już pasy kilku-metrowej szerokości odgrywają istotną rolę w zatrzymywaniu ładunków substancji ze zlewni do wód powierzchniowych.

Niezmiernie istotna jest też akcja szkoleniowa, uświadamiająca np. jakie znaczenie ma właściwa agrotechnika, pozostawianie pasów roślinności trwałej przy brzegach wód itd.

Niezbędne jest także racjonalne ekologicznie urządzanie krajobrazu - odpowiedni udział i rozmieszczenie lasów, trwałych użytków zielonych, pasów roślinności przy wodach).

Rekultywacja techniczna

Rekultywacja jest środkiem ostatecznym, niezwykle kosztownym i kłopotliwym a przy tym nie zawsze w pełni skutecznym, nierzadko w ogóle nie daje efektów. Należy chronić wody i nie dopuścić do stanu wymagającego rekultywacji.

Wobec nieprzestrzegania zasad ochrony wód rekultywacja jest jednak coraz częściej potrzebna. Zanim przystąpi się do rekultywacji trzeba sobie bezwzględnie zdać sprawę, gdzie głównie skumulowane są elementy (N, P, toksyny), których ilość należy zmniejszyć, aby uzyskać poprawę stanu zbiornika oraz jaki jest bilans tych substancji.

Możliwe sposoby rekultywacji to: wymiana wody w zbiorniku, usuwanie wód hypolimnionu, usuwanie osadów dennych, natlenienie osadów dennych, napowietrzanie wód zbiornika z jednoczesnym burzeniem stratyfikacji, wytrącanie fosforu z toni wodnej, izolacja osadów dennych od wody naddennej, zwalczanie zakwitów, propagowanie rozwoju organizmów sprzyjających poprawie czystości wód, wapnowanie wód zakwaszonych, odłów sestonu (zawiesiny), odłów ryb, wykaszanie i usuwanie roślinności:

• Wymiana wody - jest możliwa w małych zbiornikach odpływowych, w sytuacji gdy się dysponuje dużą ilością czystej wody oraz - gdy woda zbiornika została doraźnie zanieczyszczona i wystarczy ją wymienić aby sytuację poprawić. Wariantem tego jest usunięcie wody i samorzutne napełnienie się zbiornika wodami gruntowymi. Z reguły jednak zanieczyszczone, w tym przeżyźnione zbiorniki skumulowały zanieczyszczenia w osadach dennych i wymiana wody jest nieskuteczna.

• Usuwanie wód hypolimnionu - przeprowadził po raz pierwszy w świecie tuż po ostatniej wojnie Olszewski na jeziorze Kortowskim w Olsztynie. Zabieg ten jest możliwy tylko w zbiornikach przepływowych. Polega na odprowadzeniu rurą (na zasadzie syfonu) silnie przeżyźnionych wód hypolimnionu (głębinowych), zamiast samorzutnego odpływu wód powierzchniowych. Jest to zabieg o wiele łatwiejszy i tańszy niż usuwanie osadów dennych. Oczywistą wadą tej metody jest zanieczyszczanie (wysokim stężeniem fosforu i azotu, zwykle też siarkowodorem i ew. innymi substancjami skumulowanymi w wodach głębinowych) cieku wypływającego z jeziora. Toteż metodę tę można stosować tylko w szczególnych sytuacjach, gdy takie zanieczyszczenie jest do przyjęcia.

W miarę usuwania wód głębinowych, pozostających w równowadze chemicznej z osadami dennymi, te ostatnie również ubożeją i coraz mniej zagrażają zanieczyszczeniem wtórnym zbiornika. Względna łatwość i względnie niskie koszty zabiegu, w tym - samoczynne działanie odpływu bez nakładów energetycznych, skłaniają do jego zalecenia tam, gdzie jest to możliwe.

Przyjmując, że usuniemy warstwę hypolimnionu o miąższości 8 m i stężeniu 1 mg P dm^-3 czyli 1 g m^-3 zmniejszymy zawartość fosforu o 8 g m^-2.

W zbiornikach zaporowych wody hypolimnionu są odprowadzane przez dolne upusty, co w pewnym stopniu zmniejsza ich żyzność.

• Usuwanie osadów dennych jest najbardziej efektywne, ponieważ większość zanieczyszczeń jest skumulowana w osadach, ale jest bardzo kosztowne i skomplikowane. Wymaga m.in. składowisk osadów oraz wytrącania fosforu z wód odsączonych z osadu, powracających do zbiornika. Usuwając 10 cm warstwę osadów dennych zawierających 0,4 % P w s.m. usuniemy 22 g P m^-2, a więc z bardzo cienkiej warstwy osadów (zaledwie 0,1 m) usuniemy prawie 3 razy więcej fosforu niż z 8 m warstwy hypolimnionu. Trzeba jednak pamiętać, że usuwanie wody hypolimnionu jest nieporównywalnie prostsze i łatwiejsze niż usuwanie osadów dennych oraz dalsze postępowanie z nimi. Przy tym usuwanie wody może trwać szereg lat i stopniowo powodować obniżanie zawartości fosforu w osadach dennych (zaś usuwanie osadów jest zwykle jednorazowe).

• Natlenienie osadów dennych; stosowano m.in. wodę utlenioną i ciekły tlen, co okazało się nieefektywne ze względu na szybkie ulatnianie się tlenu. Utlenianie roztworem azotanu jako utleniacza dawało niekiedy pozytywne wyniki. Zabiegi te są możliwe jednak tylko na niewielkich i płytkich zbiornikach.

• Napowietrzanie wód z jednoczesnym zaburzeniem uwarstwienia termicznego polega na doprowadzeniu powietrza do wód głębinowych; drobne pęcherzyki powietrza częściowo się rozpuszczają w wodzie, częściowo jednak ulatniają się jednak do atmosfery powodując przemieszanie całej masy wód. Powoduje to natlenienie wody i odpowiednią poprawę warunków życia oraz wytrącanie fosforu (z żelazem) do osadów dennych, a więc obniżenie poziomu trofii. Napowietrzanie takie wiąże się jednak z podwyższeniem temperatury wód głębinowych i odpowiednim zwiększeniem intensywności procesów chemicznych i biologicznych, czego rezultatem są wzmożone procesy mineralizacji i zasilania wewnętrznego. Rezultat - stan trofii - jest trudny do przewidzenia. Napowietrzanie wymaga dostarczania energii do pracy sprężarek; prowadzone są próby wykorzystania w tym celu energii wiatru a nawet słońca.

• Napowietrzanie wód z zachowaniem uwarstwienia termicznego polega na napowietrzaniu lub natlenianiu odtlenionych wód głębinowych w izolowanym pojemniku (bez zmiany temperatury) i zwrocie natlenionej wody do warstw głębinowych (rys. 21-5, str. 299 Kajak). Łączy wszystkie zalety metody poprzedniej z pominięciem jej wad, tzn. wzmożonego uruchamiania zasobów wewnętrznych. Jest szeroko (w różnych modyfikacjach stosowana) stosowana w świecie z dobrym powodzeniem. Stosowana również w Polsce z miernym skutkiem lub bez efektów. Przyczyną niepowodzeń u nas wynika z trudności techniczno-organizacyjnych i niedoróbek, braku właściwych sprężarek, dozoru, konserwacji. Z możliwych modyfikacji można wymienić resuspensję i dobre natlenienie kilku cm powierzchniowej warstwy osadów dennych w okresie zimowym, co powoduje dłuższy okres natlenienia osadów w sezonie wegetacyjnym i dobre utrzymywanie w nich fosforu.

• Wytrącanie fosforu z toni wodnej do osadów dennych za pomocą tych samych związków (żelaza i glinu), które są stosowane do wytrącania fosforanów w oczyszczalniach ścieków. Zabieg jest możliwy na niewielkich zbiornikach; nie gwarantuje trwałego usunięcia fosforu z toni wodnej, zwłaszcza w zbiornikach, gdzie osady na całej lub znacznej powierzchni mogą ulegać resuspensji przy falowaniu.

• Pokrywanie dna warstwą substancji izolujących osady denne od wody naddennej (np. bentonitem lub innymi minerałami ilastymi) i w ten sposób przeciwdziałać wymianie chemicznej osady - woda. Drugi aspekt tej metody to chemiczne wiązanie przez te substancje fosforu znajdującego się w dnie. Pojawiają się też propozycje stosowania w tych celach pyłów z elektrociepłowni. Budzą one jednak zastrzeżenia ze względu na zawartość metali ciężkich w pyłach. Metoda ta jest możliwa w małych zbiornikach lub izolowanych zatokach, gdzie ruch wód jest na tyle słaby, że nie spowoduje przemieszania osadów z wprowadzonymi substancjami i zniszczenia efektu izolacji. Pozytywne efekty trwają zwykle nie dłużej niż parę lat.

• Stosowanie algicydów i inne zabiegi to niszczenie (spowodowanie też sedymentacji) zakwitów glonów. Zabieg stosowany nierzadko doraźnie, zwłaszcza w zbiornikach do poboru wody dla potrzeb komunalnych. Skuteczny krótkotrwale; na miejsce usuniętego zakwitu rozwijają się zwykle inne glony, często doprowadzające do ponownego zakwitu. Zabieg ten jest wysoce niewskazany, gdyż wprowadza wysokie dawki substancji toksycznych.

• Tworzenie dużej powierzchni podłoża dla organizmów poroślowych celem wzmożonego rozkładu substancji organicznej, a w niej także azotu i fosforu, czyli zmniejszenie żyzności powierzchniowych wód. Osiąga się to przez umieszczenie w wodzie systemu „ram” tworzących duże powierzchnie, a zarazem powodujących odpowiednio ukierunkowane ruchy wody. Technika ta może być stosowana w ciekach, strefie przybrzeżnej a także w strefie otwartej wody zbiorników wodnych. Metoda ta znajduje się ciągle na etapie prób. Jednak istotne efekty można osiągnąć jedynie dla gazowych produktów rozkładu - uchodzących z ekosystemu do atmosfery (CO₂, lotne formy azotu). Ta ilość może być przy dużym obciążeniu substancjami zanieczyszczającymi niewielką częścią sumy zanieczyszczeń. Dla substancji nieusuwalnych dla atmosfery (pozostających w ekosystemie jak np. fosfor, metale ciężkie) ich ilość zakumulowana w biomasie a także sedymentowana może być jednak nieznaczna w odniesieniu do ładunku; przy tym wycofanie z obiegu (kumulacja) jest okresowe. W ciekach skumulowane substancje zostaną przeniesione ku dołowi przez wysoką wodę, w zbiornikach - włączą się w znacznej mierze ponownie do krążenia w efekcie destrukcji peryfitonu oraz w postaci ładunków wewnętrznych z osadów dennych.

• Odłów sestonu jest w niektórych krajach prowadzony specjalnie przystosowanymi jednostkami pływającymi. Może być efektywny raczej nie w sensie obniżenia trofii, a w sensie usunięcia mas glonów zakwitowych naniesionych przez wiatry ku brzegowi nawietrznemu, do zatok portów itd. Proste wyliczenia wskazują, że ilość fosforu możliwa do usunięcia tą metodą jest niewspółmiernie niska w stosunku do jego ładunków zewnętrznych i wewnętrznych. Co więcej - o ile jest technicznie możliwe usunięcie kożuch glonów ze względnie niewielkiej zatoki, to zupełnie nierealne jest usunięcie zakwitu glonów z powierzchni ogromnego zbiornika. Ta metoda jest również nierealna jako sposób walki z eutrofizacją.

• Odłów ryb oraz wykaszanie i usuwanie roślinności - łatwiejsze i tańsze, a nawet efektywniejsze dla zmniejszenia zasobów fosforu w zbiorniku niż wyłów sestonu powoduje jednak również usuwanie niewspółmiernie niższych ilości fosforu niż jego ładunki wnoszone do zbiornika. Odłów 1 tony ryb to wynoszenie zaledwie 7 kg fosforu. Rocznie z 1 ha łowi się 20-30 kg ha^-1. Nie można więc liczyć, że odłów ryb spowoduje istotne obniżenie stężenia fosforu. Usuwanie roślin jest oczywiście tym efektywniejsze im zajmują one większy procent powierzchni zbiornika oraz im w większym zagęszczeniu one występują. Usuwanie związków biogennych wraz z roślinami może być znaczne (większe nawet niż przy wyłowie ryb), przewyższające obciążenia niebezpieczne dla zbiornika. Są to jednak wartości z reguły znacznie niższe niż obciążenie rzeczywiste zbiornika a także nieporównywalnie niższe niż ilości azotu i fosforu skumulowane w osadach dennych. Kilkakrotne wycięcie roślin powoduje osłabienie wzrostu i rozwoju roślin, tendencję do ich zaniku, a więc zmniejszenie roli ochronnej litoralu dla zbiornika. Jest to szczególnie groźne przy zastosowaniu amura białego do walki z zakwitami. Rozdrabnia on rośliny przyśpieszając rozkład i włączanie do obiegu zawartych w nich substancji, w tym P i N.

• Wapnowanie wód zakwaszonych kwaśnymi deszczami celem obniżenia kwasowości. Jest szeroko stosowane w rejonach objętych zakwaszeniem (Skandynawia, Kanada). W Polsce stosuje się dolomitowanie strumieni w Górach Świętokrzyskich, w Czarnej Wisełce, uzyskując sukces w okresie wegetacyjnym.

Biomanipulacja.

Do biomanipulacji w ekosystemach wodnych można by zaliczyć różne zabiegi - np. zarybianie, odłów ryb, usuwanie roślinności. Jest to bowiem wszystko „manipulowanie” organizmami żywymi. Każdy z tych zabiegów powoduje określone zmiany w ekosystemie. Typowym zabiegiem biomanipulacyjnym jest np. introdukcja amura białego w celu zniszczenia roślinności wodnej.

Ostatnio pod pojęciem biomanipulacji rozumie się najczęściej zmiany w stosunkach ilościowych i obfitości ryb celem ich oddziaływania na zoo- i fitoplankton. Metoda ta bazuje na dobrze udokumentowanej wiedzy, że duże gatunki wioślarek (z rodzaju Daphnia) potrafią w określonych warunkach utrzymać biomasę niepożądanego fitoplanktonu na niskim poziomie, nie dopuścić do jego zakwitu mimo wysokiej trofii. Sytuację taką żartobliwie nazywa się „bombą fosforową” - bowiem wysokie stężenie fosforu może doprowadzić do nagłego wybuchu - zakwitu fitoplanktonu, jeśli zawiodą choćby na krótko mechanizmy biomanipulacyjne.

Utrzymywanie niskiej liczebności fitoplanktonu przez duże wioślarki i związana z tym większa przeźroczystość wody może wywoływać zjawiska wtórne - silny rozwój roślinności podwodnej, „utrwalającej” osady denne, a więc ograniczającej ich resuspensję, kumulującej i wycofującej z obiegu znaczne ilości fosforu i azotu. Obniża to poziom trofii wody i zmniejsza groźbę zakwitów.

Duże gatunki wioślarek są w obrębie zooplanktonu najbardziej preferowane - w pierwszej kolejności wyżerane przez ryby wielu gatunków o małych rozmiarach (w tym „chwast rybi”) przez większość ich życia oraz przez stadia młodociane wszystkich gatunków ryb. Chcąc mieć wysoką (wystarczającą do ograniczenia liczebności glonów) biomasę dużych wioślarek, trzeba zmniejszyć liczebność ryb je wyżerających. Można te ryby wyławiać (co na ogół jest praktycznie niewykonalne) bądź wytruwać; to ostatnie niszczy także inne składniki biocenozy i nie powinno być stosowane. Niekiedy, w zbiornikach bardzo żyznych zachodzi „samozatrucie” - przez zupełne wyczerpanie tlenu, zwykle także pojaw siarkowodoru, w czasie „przyduchy” zimowej. Jedyną metodą godną polecenia (najbardziej naturalną) dla zmniejszenia liczebności ryb planktonożernych jest propagowanie ryb drapieżnych (dążenie do zwiększenia ich obsady) - szczupaka, sandacza, okonia.

Można to uzyskać zakazując lub ograniczając ich odłów oraz zarybiając zbiornik tymi gatunkami. Oba zabiegi są w praktyce bardzo trudne, gdyż ryby drapieżne są bardziej niż niedrapieżne atrakcyjne dla rybaków, wędkarzy a także kłusowników. Poza tym można utrzymać odpowiednią liczebność i stosunki ilościowe ryb w małych zbiornikach, jest to jednak niewykonalne w zbiornikach dużych. Co więcej, ryby powinny być odpowiedniej wielkości, aby wyżerały najgroźniejsze dla dużych wioślarek (ryby małe: ukleja, jazgarz itd., oraz podobnej i nieco większej wielkości stadia innych ryb: leszcza, płoci, okonia itd.). Większe ryby „niedrapieżne” są dla wioślarek mniej groźne, preferują bowiem większe kąski pokarmu, głównie formy bentosowe i związane z roślinnością (aczkolwiek przy niedostatku tego pokarmu lub też większej obfitości dużych wioślarek, a więc łatwości ich pozyskiwania małym wysiłkiem, mogą się też nimi odżywiać). Trudności zastosowania biomanipulacji w naturze są potęgowane przez behawior i zdolności przystosowawcze ryb „niebezpiecznych” dla wioślarek; ryby te potrafią unikać drapieżców (wykorzystywać kryjówki, wychodzić na żer ze stref przybrzeżnych do strefy otwartej wody). Tak więc biomanipulacja - metoda względnie prosta i tania jest w praktyce trudna do zastosowania.

Oprócz kłopotów utrzymania odpowiedniej liczebności ryb (niskiej - żywiących się planktonem a wysokiej - ryb rybożernych o pożądanej wielkości) wchodzą także inne trudności trwałego utrzymania odpowiedniej liczebności wioślarek; jakiś przypadkowy czynnik (np. nagłe oziębienie) może spowodować spadek ich liczebności, co wywoła natychmiastowe wymknięcie się glonów spod kontroli i doprowadzi do ich zakwitu. Z chwilą zaistnienia zakwitu duże wioślarki nie są w stanie się odrodzić, bowiem duża liczebność glonów podczas zakwitu uniemożliwia im prawidłowe odżywianie i rozwój. Wioślarki mogą kontrolować liczebność glonów (przeciwdziałać rozwojowi zakwitu) dopóki te znajdują się na odpowiednio niskim poziomie. Są to więc zależności bardzo kruche, łatwo mogące ulec zakłóceniu.












56




Fe⁺²

CN

CN

CN

Akceptor, jon centralny

CN

Donor, jon ligandowy

Intensywność rozwoju organizmów

Stężenie, koncentracja

Zbyt małe

optymalne

Stężenie śmiertelne

dopuszczalne

toksyczne

Intensywność rozwoju organizmów

Stężenie, koncentracja

Stężenie śmiertelne

głębokość

dno

powierzchnia

O₂

30mg/l

Stężenie Mn⁺²

O₂

głębokość

Fe

Koncentracja Fe

O₂

Ma małe szanse na utrzymanie się w toni wodnej

Mają większą powierzchnię i dłużej utrzymają się w toni

0°C

4°C

2°C

4°C

4°C

4ႰC

20-22ႰC

Głębokość

0m

Epilimnion < 1° C/m

Metalimnion > 1° C/m

Hipolimnion < 1° C/m

30m

20-22ႰC

4ႰC

10°C

18ႰC

4ႰC

4ႰC

4ႰC

20°C

0°C

4°C

0,99

tachymikasja

FITOPLANKTON

Bieg [km]

E

H

10m

PERYFITON

MAKROFITY

Rozwój

0m

Głębokość

nizinne

górskie

3

2

4

3

2

4

3

2

4

stratyfikacja

Zbiornik wyrównawczy

Przedzbiornik

Przy powierzchni

Przepływ na pewnej głębokości

Przepływ przy dnie

---