Eutrofizacja wód

Eutrofizacja - proces wzbogacania zbiorników wodnych w substancje pokarmowe (nutrienty, biogeny), jest to wzrost trofii, czyli żyzności wód. Dotyczy to nie tylko zbiorników wodnych ale również cieków.

Biorąc pod uwagę geologiczną historię jezior, najczęściej uważa się, że eutrofizacja jest procesem naturalnym (według innych autorów naturalnym procesem jest dystrofizacja, a eutrofizacja uważana jest za proces antropogeniczny, spowodowany zmianami w zlewni). Większość jezior zwłaszcza polodowcowych na początku była oligotroficzna, jednak ciągły dopływ do nich substancji z zewnątrz (np. ze zlewni i atmosfery), powodował wzrost koncentracji biogenów, a tym samym zwiększał trofię zbiornika. Jest to tzw. harmoniczna sukcesja jezior. Normalnie jest to proces powolny, ale został on mocno przyśpieszony w wyniku działań człowieka, takich jak zrzuty ścieków przemysłowych i komunalnych oraz w wyniku intensyfikacji rolnictwa. W szczególnie drastycznych przypadkach, np. przy zrzucaniu do jezior surowych ścieków komunalnych czy gnojówki, dochodzi do osiągnięcia przez zbiornik stanów niespotykanych w naturze: politrofii i hypertrofii (zobacz też jezioro saprotroficzne). Następuje wtedy niemal całkowity zanik organizmów wyższych poza cienką, kilkudziesięciocentymetrową warstwą wody stykającą się z atmosferą.

Specyficznie przebiega proces eutrofizacji w wodach torfowiskowych. Dopływające z otaczającego je torfowiska substancje humusowe, tworzą stałe kompleksy ze związkami fosforu i azotu, czyniąc je niedostępnymi dla roślin i glonów. W razie jego degradacji, zwykle przez przesuszenie, następuje szczególnie szybka eutrofizacja: do wody dostają się zarówno biogeny ze zlewni, jak i te uwolnione z torfowiska (i związków humusowych).

Przyczyny eutrofizacji

Główną przyczyną eutrofizacji jest wzrastający ładunek pierwiastków (biogenów), przede wszystkim fosforu. Wzrost dopływu pierwiastków biogennych, w tym wypadku fosforu, obejmuje nie tylko wzrost zrzutów ścieków, ale także wzrost zawartości środków piorących i innych detergentów zawierających fosfor w ściekach. Większa ilość tego biogenu związana jest także z intensyfikacją nawożenia oraz wzrostem erozji w zlewni. Wzrost dopływu azotu, drugiego z biogenów, związany jest z wzrastającą emisją tlenków azotu do atmosfery, a tym samym dużą ich zawartością w opadach atmosferycznych. Nawożenie ziemi poddanej pod uprawę, również przyczynia się do wzrostu ładunku azotu, ponieważ fosfor znajdujący sie w glebie nie jest pierwiastkiem silnie mobilnym. Silne opady deszczu mogą łatwo wypłukiwać azot z powierzchniowej warstwy gleby oraz z nawozów, przy czym do zbiornika mogą być też wniesione znaczne ilości fosforu.

Następstwa eutrofizacji

Na początku procesu eutrofizacji następuje umiarkowany wzrost produkcji biologicznej, co jest korzystne i przekłada się na wzrost liczebności ryb, ale po przekroczeniu pewnej granicy obserwuje się już wiele niepożądanych następstw tego procesu takich jak:

Masowy rozwój organizmów fitoplanktonowych powodujących w powierzchniowej warstwie wody tzw. zakwity i zmniejszających przezroczystość tej wody. W zbiorniku wzrasta przede wszystkim ilość sinic, które utrzymując się na powierzchni tworzą często kożuchy. Masowe nagromadzenia tych glonów powodują nie tylko śmiertelność ich samych, ale również występującej tam fauny. Ponadto niektóre szczepy sinic wydzielają toksyny i nierzadko powodują uczulenia. Wydzielanie przez glony organicznych substancji psujących smak i zapach wody dyskwalifikuje takie zbiorniki jako źródła wody pitnej. Do organizmów powodujących takie problemy należą Anabaena sp. oraz Aphanisomenon sp. wiążące azot, oraz niezdolne do wiązania azotu gatunki z rodzaju Microcystis, Limnotrix i Planktotrix. Zakwity występują nie tylko w zbiornikach, ale również w rzekach. W przypadku tych ostatnich powodowane są zwykle przez zielenice lub okrzemki, które są jednak mniej uciążliwe niż sinice, których miejscem występowania są przeważnie wody stojące.

Ustępowanie roślinności zanurzonej z powodu pogarszających się warunków świetlnych w strefie przybrzeżnej - litoral. Postępujące zanikanie światła pośrednio prowadzi także do przebudowy fauny tam występującej. Kożuchy glonów w tej strefie zupełnie uniemożliwiają rekreacyjne użytkowanie wody.

Wyczerpanie zasobów tlenu w warstwie przydennej - hypolimnionie, a zwłaszcza profundalu i w osadach dennych prowadzi do zaniku fauny głębinowej, w tym także gatunków reliktowych. Również tarło niektórych ryb nie dochodzi do skutku, co prowadzi do ustępowania cennych gatunków np. łososia. Często zdarza się że ryby giną zimą pod pokrywą lodową w wyniku braku tlenu. W warunkach anaerobowych dochodzi dodatkowo do różnych procesów chemicznych (amonifikacja, denitryfikacja) i powstawania metanu.

Występowanie siarkowodoru, który podczas całkowitego braku tlenu może przechodzić do warstw powierzchniowych wody, ulatniać sie i zatruwać atmosferę w okolicy.

Metody kontroli i zapobiegania eutrofizacji

Prostym sposobem kontroli trofii zbiornika jest badanie widzialności krążka Secchiego: białego krążka o średnicy 30 cm, opuszczanego na wyskalowanej lince. Jego widzialność (ang. Secchi depth) zależy od ilości zawiesiny w wodzie, a ta z kolei - głównie od ilości glonów. Na podstawie widzialności krążka Secchiego można obliczyć tzw. wskaźnik Carlsona[1][2], na podstawie którego porównuje się trofię poszczególnych zbiorników lub zmiany trofii danego zbiornika w czasie. Tenże wskaźnik można też obliczyć, mając do dyspozycji dane o ilości chlorofilu a (pomiary fotometryczne) lub związków fosforu.

Najskuteczniejszą metodą walki z procesem eutrofizacji jest ograniczenie antropogenicznego dopływu biogenów do wód - kompostowanie odchodów w miejsce odprowadzania ich do ujścia kanalizacyjnego, redukcja zawartości fosforanów w środkach piorących używanych w gospodarstwach domowych, ograniczanie stosowania nawozów sztucznych w rolnictwie.

proces wzbogacania zbiorników wodnych w substancje pokarmowe (nutrienty, biogeny), głównie w związki azotu i fosforu. Eutrofizacja jest procesem zachodzącym naturalnie lub antropogenicznie. Użyźnienie naturalne zachodzi przez spływ ze zlewni związków mineralnych i materii organicznej, rozkładanej następnie przez mikroorganizmy w zbiorniku. Jest to proces bardzo powolny, przejście zbiornika ze stanu oligotrofii (niskiej żyzności) do eutrofii (wysokiej żyzności), trwa setki lub nawet tysiące lat. Eutrofizacja antropogeniczna zachodzi głównie przez spływ ścieków i nawozów mineralnych. Większość biogenów dostaje się do wody wraz ze ściekami organicznymi, np. w Wiśle takie pochodzenie ma ok. 2/3 azotu i fosforu. Proces ten zachodzi bardzo szybko, niewielki zbiornik może się zeutrofizować nawet w ciągu kilku do kilkunastu lat. W szczególnie drastycznych przypadkach, np. przy zrzucaniu do jezior surowych ścieków komunalnych czy gnojówki, dochodzi do osiągnięcia przez zbiornik stanów niespotykanych w naturze: politrofii i hypertrofii. Następuje wtedy niemal całkowity zanik organizmów wyższych poza cienką, kilkudziesięciocentymetrową warstwą wody stykającą się z atmosferą.

Zasoby wodne w Polsce

Dla większości z nas swobodny dostęp do wody jest czymś oczywistym. Odkręcamy kran i już. Świadomość, że ten życiodajny płyn pokrywa ponad 70 % powierzchni, powoduje, że traktujemy go jako dobro nieograniczone i ogólnodostępne. Nic bardziej mylnego. Aż 97,5 % wody nie nadaje się do użytku ze względu na zasolenie. Pozostałe 2,5 % to wprawdzie wody słodkie, ale znaczna ich część jest uwięziona w lodowcach, lądolodach lub w głębi Ziemi, ponadto część z tej dostępnej jest zanieczyszczona. Ostatecznie mniej niż 1 % to woda zdatna do picia.

Ponadto woda pitna jest nierównomiernie rozmieszczona. Są obszary, w których występuje pod dostatkiem, ale istnieją też miejsca dotknięte umiarkowanym bądź ostrym jej niedoborem. Ponad 1/3 ludności świata żyje w rejonach o ograniczonych zasobach wodnych.

Można by pomyśleć, że ten problem nas nie dotyczy. Niestety to nieprawda. Polska jest jednym z najuboższych w wodę krajów europejskich. Pod względem zasobów wodnych nasz kraj często porównywany jest do pustynnego Egiptu.

Deficyt wody w naszym kraju nie wynika z braku wody w ogóle, ale raczej z jej braku w odpowiednim miejscu i czasie oraz o odpowiedniej jakości. Największe opady zawsze występują w górach, natomiast większość naszego kraju zajmują niziny. Ponadto opady w górach są często gwałtowne i powodują szybki odpływ powierzchniowy wody z tych terenów. Niestety zbiorniki retencyjne mają znikomą pojemność i nie zapewniają koniecznej ochrony przed okresowymi nadmiarami (powodzie), jak i deficytami wody (susze).

Około 70 % wody wodociągowej pochodzi z ujęć podziemnych (studnie głębinowe). Na cele przemysłowe w 94 % wykorzystywana jest woda powierzchniowa (rzeki, jeziora, zbiorniki wodne). Jednak znaczny jest stopień zanieczyszczenia tych ujęć. Praktycznie nie ma już rzek i jezior, których woda mieści się w I klasie czystości, czyli zdatnej do picia. Większość to wody V klasy, czyli najbardziej zanieczyszczone. W przypadku wód podziemnych zanieczyszczenie sięga już 20 % ich zasobów.

Wykres fazowy wody, zjawiska związane z przejściami fazowymi

Punkt potrójny - stan, w jakim dana substancja może istnieć w trzech stanach skupienia równocześnie w równowadze termodynamicznej. Punkt ten określony jest przez temperaturę i ciśnienie punktu potrójnego. Na diagramie fazowym, ukazującym zależności ciśnienia od temperatury stanów równowagi faz, jest to punkt przecięcia krzywych równowagi fazowej substancji odpowiadający stanowi równowagi trwałej trzech stanów skupienia (ciało stałe, ciecz, gaz).

Punkt potrójny jest wielkością charakterystyczną dla danej substancji, podawany jest w opisach substancji. Punkty potrójne niektórych substancji są używane jako wzorce skali temperatur. Niektóre substancje nie mają punktu potrójnego, ponieważ nie występują we wszystkich trzech stanach skupienia. Przyczyną tego może być rozkład tych substancji w temperaturze mniejszej od temperatury przejścia fazowego, niezależnie od ciśnienia.

Punkt potrójny wody

Woda w stanie ciekłym, lód i para wodna są w równowadze (punkt potrójny) w temperaturze 0,01°C (273,16 K) i ciśnieniu 611,73 Pa. Temperatura punktu potrójnego wody jest punktem odniesienia w definiowaniu termodynamicznych skal temperatur: Kelvina, Celsjusza i Rankine'a.

Temperatura punktu potrójnego wody wyznaczana przy swobodnym dostępie powietrza atmosferycznego wynosi 0°C. Obniżenie temperatury jest spowodowane ciśnieniem atmosferycznym (o ok. 0,0075°C) i rozpuszczaniem się gazów atmosferycznych w wodzie (dalsze 0,0025°C)[1].

Diagram fazowy wody ma nietypowy przebieg. Zgodnie z równaniem Clausiusa ciepło przemiany fazowej można wyrazić wzorem

gdzie:

T - temperatura,

ΔV - zmiana objętości podczas przemiany fazowej.

(pochodna ciśnienia po temperaturze) jest szybkością zmiany ciśnienia przy zmianie temperatury dla danego przejścia fazowego. Wielkość ta odpowiada nachyleniu krzywej rozdziału faz, dokładniej jest równa tangensowi kąta nachylenia prostej stycznej do krzywej w danym punkcie. Dla krzywej rozdziału faz ciecz-ciało stałe wielkość ta ma zwykle wartość dodatnią (krzywa jest rosnąca). Jeżeli temperatura rośnie, substancja topnieje i pobiera ciepło (L > 0). Przy dodatniej wartości dp/dT oznacza to, że również ΔV musi być dodatnie, czyli wzrasta objętość cieczy w stosunku do fazy stałej. W przypadku wody jest odwrotnie. Krzywa p(t), czyli dp/dT < 0, zatem objętość podczas topnienia maleje.

Metale ciężkie w wodach i ich oddziaływanie toksyczne

Metale ciężkie zanieczyszające ekosystemy wodne pochodzą z działalności przemysłowej (źródła antropogeniczne - produkcja żelaza i stali, wody kopalniane, ścieki komunalne i przemysłowe, produkcja i stosowanie nawozów sztucznych i pestycydów), a także w wyniku wietrzenia skał macierzystych (źródła naturalne). Ilość metali ciężkich pochodzących ze źródeł naturalnych jest na ogół niska i zazwyczaj nie stanowi zagrożenia dla organizmów żywych. Natomiast działalność przemysłowa przyczynia się do znacznego wzrostu stężenia metali ciężkich w środowisku wodnym. Najwyższe stężenia tych związków są zwykle notowane w jeziorach i rzekach oraz przybrzeżnych wodach mórz. Średnia ilość wybranych metali ciężkich transportowanych do Morza Bałtyckiego ze źródeł antropogenicznych wynosi: Fe - 319000, Zn - 11000, Cu - 2500, Pb - 1800, Mn - 1600, Ni - 400, Cd - 120, Hg - 70, Mo - 57 ton/rok. Około 47% Zn, 34% Cu, 28% Pb, 25% Hg i 20% Cd doprowadzanych corocznie do Bałtyku jest deponowana w osadach. Średnie stężenia Cu, Pb, Cd, Ni i Zn w wodach morskich mieszczą się w zakresie od 0,5 do 13 μg/dm3.

Zakres toksycznego oddziaływania metali ciężkich zależy nie tylko od ich całkowitego stężenia w ekosystemach wodnych, ale przede wszystkim od formy chemicznej, w jakiej występują. Forma chemiczna metali jest modyfikowana przez czynniki fizyko-chemiczne środowiska, takie jak wartość pH, obecność ligandów kompleksujących (kwasy humusowe, fulwokwasy, chlorki, siarczany, węglany czy fosforany), a także jonów innych metali. Przy wartości pH około 7 metale ciężkie występują zwykle w formie jonowej, najbardziej dostępnej i toksycznej. W wodzie o wartości pH powyżej 7 następuje spadek stężenia metalu w formie kationowej, mogą tworzyć się nierozpuszczalne tlenki i wodorotlenki metali, co znacznie ogranicza ich biodostępność i toksyczne oddziaływanie. Środowisko kwaśne sprzyja obniżeniu się ilości grup funkcyjnych na powierzchni komórek, które mają zdolność do łączenia się z metalem. Kwasy humusowe, fulwokwasy, chlorki, siarczany, węglany czy fosforany mogą tworzyć z metalami trwałe kompleksy. W takiej postaci metale ciężkie są niedostępne i jednocześnie nietoksyczne dla komórek. Ponadto obecność jonów jednych metali może hamować pobieranie przez komórki jonów innych metali, np. pobieranie Cd może być istotnie ograniczone przez obecne w środowisku jony Zn czy Mn.

Metale ciężkie łatwo ulegają kumulacji zarówno w komórkach roślin jak i zwierząt. Szczególnie niebezpieczne jest kumulowanie tych związków w komórkach producentów, gdyż poprzez te organizmy nadmierne ilości metali mogą zostać włączane do łańcucha pokarmowego i jednocześnie do obiegu biologicznego. Ze względu na wysokie powinowactwo do grup sulfhydrylowych (-SH), metale w komórkach roślinnych mogą powodować inaktywację wielu enzymów, np. polimerazy DNA, polimerazy RNA, ATP-azy, karboksylazy/oksygenazy 1,5-bisfosforybulozy, reduktazy azotanowej, dehydrogenazy glukozo-6-fosforanowej, dehydrogenazy jabłczanowej, dehydrogenazy izocytrynianowej, fosfataz czy anhydrazy węglanowej.

---