Hydrobiologia i Ochrona Wód

Zakres hydrobiologii

Hydrobiologia = Ekologia wód wiedza o ekosystemach wodnych i ich funkcjonowaniu:

1.Limnobiologia - część hydrobiologii zawężona do środowisk słodkowodnych

2.Oceanobiologia- część hydrobiolopgii dotycząca środowisk morskich

Hydrobiologia jest działem zarówno ekologii jak i hydrologii

1.Dyscypliny podstawowe:

trofologia wód

hydrobotanika

hydrozoologia itp.

2.Dyscypliny stosowane:

h. rybacka

h. techniczna

ochrona wód- sozologia

Kilka nazwisk zasłużonych badaczy...

Forel (2 połowa XIX w.) - monografia o J. Genewskim. Pojęcia: limnologia

(=nauka o jeziorach), strefa litoralna, denna, pelagiczna

Benedykt Dybowski - J. Bajkał

Abstein (1896) - ilościowe badanie planktonu (siatka planktonowa

Nauman i Thieneman - limnologia jako nauka o wodach śródlądowych;

Międzynarodowe Stowarzyszenie Limnologów (1922

Nowicki, Wierzejski, Koźmiński, Bowkiewicz, Rzóska - badacze planktonu,

bentosu i ryb

Marian Gieysztor - kierownik Katedry Hydrobiologii UW, inicjator PTH

Karol Starmach -Zakład Biologii Wód, Kraków

Józef Stanisław Mikulski - Z. Hydrobiologii, UMK, Toruń

Marian Stangenberg (Wrocław)

Klasyfikacja wód powierzchniowych

I. Wody płynące (lotyczne) - cieki

II. Wody przejściowe

III. Wody stojące (lenityczne

I. Wody płynące

1.Siedliska pionowe:

1.1. wilgotne skały - siedliska hydropetryczne

1.2. wodospady - siedliska torencjalne

2. Siedliska poziome:

2.1. Źródła

2.2. Potoki i rzeki bystre

2.3. Potoki i rzeki wolnopłynące

2.4. Ujścia rzek (często słonawe)

II. Wody przejściowe

1.Zbiorniki zaporowe

2. Kanały

3. Rowy melioracyjne

4. Studnie

III. Wody stojące

1.Okresowe:

1.1. kałuże, błota

1.2. dziuple, zagłębienia liści itp.

2. Półstałe

2.1. starorzecza

2.2. stawy rybne

2.3. baseny i sadzawki

3. Stałe:

3.1. jeziora

3.2. zalewy i limany

3.3. różne małe zbiorniki (naturalne, poeksploatacyjne, śródmiejskie)

3.4. zbiorniki wód podziemnych

Ilościowy rozdział wody na Ziemi

Oceany - pn. 97% całej wody

Wody słodkie (400*109 km3):

lód i lodowce - ok. 75% wody słodkiej (2,24% wszystkich wód)

wody podziemne - 24,61% (0,61%)

jeziora - 0,3% (0,009%)

atmosfera - 0,035% (0,001%)

rzeki - 0,003% (0,0001%)

Bilans wodny

Średni opad w skali całego globu - ok. 1000 mm na rok. (w Polsce 600 mm/rok)

Około 20% opadu spływa bezpośrednio lub przez odpływ podziemny do oceanów.

Wielkość rocznego odpływu rzek do mórz = masa wód rzecznych - 37000 km3

Ilość wody (m3 na dobę) w przeliczeniu na 1 osobę:

Świat - 33,0

Europa - 11

Austria - 20

Polska - 4,5

Egipt - 3,5

Rzeki

Rzeka - woda płynąca w sposób ciągły lub okresowy w wyraźnym korycie rzecznym w określonym kierunku (zgodnym z nachyleniem terenu), która zazwyczaj bierze początek w źródle i kończy się ujściem.

Dorzecze - obszar, z którego wody spływają do jednego systemu rzecznego i odpływają zeń rzeką główną.

Zlewnia - obszar, z którego wody spływają do jednego wspólnego odbiornika (rzeki, jeziora, bagna).

Sieć rzeczna - system wszystkich wód powierzchniowych płynących na danym obszarze, którego osią jest rzeka główna, zaś w jego skład wchodzą naturalne cieki płynące stale, periodycznie i epizodycznie, a także antropogeniczne kanały i rowy melioracyjne.

Klasyfikacja sieci rzecznej - numeracja rzek oparta na teorii river continuum (od najmniejszej do największej)

Źródła

Źródło - naturalny, samoczynny wypływ wód podziemnych na powierzchnię terenu w ilościach uwarunkowanych budową geologiczną, rzeźbą zlewni, zasobami warstwy wodonośnej, gęstością i głębokością dolin rzecznych.

Typy źródeł

Reokreny (wywierzyska) - wypływające ze skalistego podłoża, często wytryskujące.

Limnokreny (łożyskowe) - wypływające z piaszczystego podłoża

Helokreny - wysiąkające z bagnistego podłoża

Potoki, strumienie (ritral)

Potok - środowisko górnego, wartkiego biegu rzeki o spadku koryta ponad 20‰, z reguły o czystej, chłodnej, dobrze natlenionej wodzie, wąskim korycie, kamienistym i żwirowatym dnie.

Strumień - mały ciek wodny terenów nizinnych, o dość wartkim prądzie wody, zwykle o piaszczystym lub ilastym dnie.

Rzeka górska

Początek równowagi między erozją i akumulacją

Rzeka niżowa - przewaga akumulacji nad erozją

Ukształtowanie koryt rzecznych

Najważniejsze czynniki decydujące o charakterze rzeki: szybkość prądu oraz pierwotny charakter podłoża (spadek,natężenie przepływu [Q], ilość transportowanego materiału) (slajd!)

Natężenie przepływu = przepływ (Q) - ilość wody przepływająca w jednostce czasu przez dany przekrój rzeki [m3/s]

Szybkość prądu -młynki hydrometryczne, pływaki

Krętość rzeki

Krętość rzeki (K) - długość rzeki/długość doliny rzecznej (wartości K od 1 do 4)rzeka meandrująca, gdy K>1,5

Meander - zakole rzeki o dużym kącie środkowym (>180°) lub odcinek koryta złożony z 2 zakoli

Jeziora

Jezioro - naturalne zagłębienie na powierzchni ziemi wypełnione wodą, nie mające bezpośredniego szerszego połączenia z morzem

Jeziora przepływowe (otwarte)

Jeziora zamknięte

Klasyfikacja jezior według pochodzenia

Jeziora reliktowe (=morskie), np. Ładoga, Onega - pozostałość

Morza Yoldiowego

Jeziora lądowe

1.Tektoniczne (np. Bajkał, Tanganika, Niasa)

2. Pochodzenia lodowcowego:

jeziora moreny dennej, np. Mamry, Śniardwy

j. moreny czołowej, np. Morskie Oko

j. rynnowe, np. Gopło, Tałty, Wigry

j. cyrkowe, np. Czarny Staw nad Morskim Okiem

kotły, kociołki, oczka

3. Jeziora pochodzenia wulkanicznego, np. Titicaca, Crater-Lake

4. Jeziora nadbrzeżne, np. Sarbsko, Gardno

5. J. deltowe, np. Drużno

6. J. rzeczne, np. Jeziora Duszatyńskie w Bieszczadach

7. Jeziora krasowe

W Polsce występuje 9296 jezior o powierzchni > 1 ha.

Łączna powierzchnia tych jezior wynosi 3169 km2.

Morfometria jezior

Ukształtowanie morfologiczne jezior:

•misa jeziorna

•platforma (ławica) przybrzeżna

•brzegi jeziora

Strefy jeziora:

•litoral (epilitoral, supralitoral, eulitoral; infralitoral)

•sublitoral

•profundal

Toń jeziorna:

•pelagial (=śródjezierze) -

strefa otwartej wody

•strefa nerytyczna (przybrzeżna)

Morfometria jezior c.d.

Cechy morfometryczne jezior:

•kształt

•długość jeziora

•szerokość jeziora

•głębokość maksymalna i sredniaalna i średnia

•powierzchnia

•objętość

•długość linii brzegowej

•batymetria (zróżnicowanie glebokosciowe)owanie głębokościowe)

Typy troficzne jezior

Klasyfikacja wg Thienemanna

Jeziora wykształcone harmonijnie (harmoniczne) - charakteryzujące się zrównoważonymi proporcjami czynników ekologicznych wpływających na wielkość produkcji biologicznej (substancje biogeniczne, gazy, materia organiczna, natężenie światła).

- Jeziora ultraoligotroficzne (Pcałk. w okresie cyrkulacji wiosennej < 5 μg/dm3

- J. oligotroficzne (5 - 10 μg P/dm3)

- J. mezotroficzne (10 - 30 μg P/dm3)

- J. eutroficzne (30 - 100 μg P/dm3)

- J. hipertroficzne (> 100 μg P/dm3)

Jeziora wykształcone jednostronnie, nieharmonijnie (dysharmoniczne) - charakteryzujące się wyraźnym zakłóceniem stosunków ilościowych głównych czynników ekologicznych wpływających na produkcję biologiczną; pewne substancje mineralne lub organiczne występują w ilościach znacznie odbiegających od zazwyczaj spotykanych.

1.Jeziora dystroficzne (polihumusowe)

2.J. kalcytroficzne

3.J. syderotroficzne

4.J. acydotroficzne

5.J. alkalitroficzne

6.J. saprotroficzne

7.J. słone (sodowe, siarczanowe, solankowe, boraksowe itp.

Czynniki fizyczne w środowiskach wodnych

Ruch wody.

Główne przyczyny ruchu wody:

-

spadek terenu

-

różnice w ciężarze właściwym pomi poszczególnymi warstwami wody

-

siła wiatru

Rzeki:

Dominacja poziomego ruchu wody oraz prądów turbulencyjnych,

zmiany poziomu wody.

Jeziora:

-. wahania poziomu wody

-. prądy:

ruchy przepływowe

pionowe ruchy konwekcyjne (różnice ciężaru właściwego wody w zależności od temperatury na różnych głębokościach)

ruchy cyrkulacyjne

-. falowanie (zależy od siły wiatru i stosunku głębokości do powierzchni jez.)

-. sejsze (=kolebanie się wody)

Znaczenie ruchu wód:

•Oddziaływanie na abiotyczne elementy środowiska - abrazja brzegów, podrywanie osadów z dna, mieszanie się wód,sedymentacja zawiesin

•Wpływ na formowanie się zespołów organizmów

•Wpływ na budowę, rozwój i rozmieszczenie organizmów

(organizmy reofilne i stagnofilne)

Temperatura

Środowiska o najbardziej stałych temperaturach w cyklu dobowym i rocznym:

źródła, przyźródłowe odcinki cieków, hypolimnion głębokich jezior, wody podziemne

Rzeki:

Na ogół występuje wzrost temperatury wzdłuż biegu.

Jeziora:

Stratyfikacja (uwarstwienie) termiczna (głównie w jeziorach głębokich):

•epilimnion (warstwa powierzchniowa, stale mieszana)

•metalimnion (warstwa skoku termicznego)

•hypolimnion (warstwa głębinowa)

Procesy mieszania jezior - cyrkulacja

Typy miktyczne jezior:

1.Jeziora amiktyczne - nigdy nie mieszane

2.Jeziora meromiktyczne - dolna część hypolimnionu

(monimolimnion) nigdy nie podlega mieszaniu

3. Jeziora holomiktyczne:

•oligomiktyczne - cyrkulacja występuje rzadko i nieregularnie

•monomiktyczne zimne

•monomiktyczne ciepłe

•dimiktyczne

•polimiktyczne

Bradymiksja - krótkotrwałe mieszanie (szybkie ogrzewanie wiosną

i słabe wiatry).

Tachymiksja - długotrwałe mieszanie

Światło

Czynniki wpływające na warunki świetlne w środowisku wodnym:

•Pochłanianie przez wodę (najsilniej absorbowane jest promieniowanie

o falach długich - czerwone, podczerwone oraz krótkich - ultrafioletowe,

fioletowe)

•Pochłanianie przez seston (=zawiesinę) i substancje rozpuszczone

•Zacienienie

Ocena warunków świetlnych:

•Pomiar ilości światła dochodzącej na poszczególne głębokości

(limnoaktynometr)

•Pomiar widzialności krążka Secchi'ego (SD) [w m]

Widzialność SD a trofia jezior

•Jeziora oligotroficzne - widzialność do kilkudziesięciu m

•

•J. mezotroficzne - do kilkunastu m.

•

•J. eutroficzne - do kilku m.

•

•J. hypertroficzne - kilka do kilkunastu cm.

Podłoże

Rzeki

Podłoża nieorganiczne - podstawowe cechy:

•wielkość cząstek

•udział poszczególnych frakcji wielkościowych

•struktura, odporność na rozmywanie

Zróżnicowanie poziome:

bystrza - plosa

Podłoża organiczne - większe obiekty organiczne, również

żywe rośliny.

Jeziora

Uwarunkowania zróżnicowania poziomego osadów:

•przestrzenne zróżnicowanie osiadania różnych wielkości cząstek

mineralnych

•spływ osadów w dół stoków misy

•

odmienny ilościowo i jakościowo dopływ cząstek organicznych

związany ze strefowym rozmieszczeniem ugrupowań roślin

i zwierząt

Typy genetyczne osadów jeziornych

Protopedon - właściwości podobne do pierwotnego materiału

zlewni (j. oligotroficzne)

Gytia - w składzie substancji organicznych przeważają produkty rozkładu tlenowego (j. oligo- i mezotroficzne); w zależności od dominującego składnika mineralnego - gytia piaszczysta, gliniasta,

ilasta, żelazista, planktonowa, torfowa, muszlowa itp.)

Sapropel - zagniwający osad (j. eutroficzne)

Dy - dominuje materia organiczna podobna do torfu

(j. dystroficzne)

Czynniki chemiczne i ich wpływ na organizmy
Tlen

Dopływ:

1.Z atmosfery (dyfuzja)

2.Z fotosyntezy- wpływ na zmiany stężenia:

-przy dużych zmianach dobowych-woda przesycona jest tlenem (w dzien)

-noca-spadek tlenu w wodzie

-w jez mezotroficznym wpływ fotosyntezy jest mniejszy

Zużywanie:

1.Rozkład substancji organicznych w wodzie i osadach dennych

2.Oddychanie organizmów żywych

Tlen na ogół nie jest czynnikiem ograniczającym w rzekach

Stratyfikacja termiczna zbiorników a stężenie tlenu w wodzie

Ca

Powszechny pod względem składu chemicznego typ wód w Polsce

- wodorowęglanowo-wapniowy (dominacja anionów HCO3- oraz

kationów Ca+2 i Mg +2)

Stężenia Ca - od bliskich 0 w wodach polihumusowych do setek mg/dm3

w twardych wodach obszarów krasowych.

Ca(HCO3)2 CaCO3 + H2O + CO2

Proces biologicznego odwapniania:

6 CO2 + 6 H2O C6H12O6 + 6 O2

6 HCO3- + 6H+ C6H12O6 + 6 O2

Bufor dwuwęglanowy

Ca(HCO3)2 + 2 KOH = CaCl2 + CO2 + H2O

Ca (HCO3)2 + 2KOH = CaCO3 + K2CO3 + 2H2O

Wymywanie wapnia z gleb -wpływ na środowisko wodne.

Związek między występowaniem mineralnych form węgla i wapnia.

Rozpuszczalność CO2 w temperaturze 20°C - 0,3-0,6 cm3/dm3 wody

CO2 + H2O ↔ H2CO3

H2CO3 ↔HCO3- + H+

H2CO3 + CaCO3↔Ca(HCO3)2

Ca(HCO3)2↔CaCO3 + H2O + CO2

Związek - Ca/C

Procentowe występowanie różnych postaci CO2 w wodzie w zależności od pH.

pH<4,5 - w wodzie obecne są jedynie CO2 i H2CO3 wzrost pH - dysocjacja H2CO3

pH>8,3 - spada ilość jonów HCO3-

Węgiel

1. W postaci mineralnej: CO2, H2CO3, CaCO3, Ca(HCO3)2

2. Węgiel organiczny: rozpuszczony i cząsteczkowy

Azot

Formy występowania N w wodzie

1.Nieorganiczne:

•gazowa - N2

•jonowa - NO3-, NO2-, NH4+

2. Organiczne: rozpuszczona

i cząsteczkowa

Zasilanie wód w azot: ze zlewni (erodowane cząsteczki gleby, ścieki), z osadów dennych, z powietrza atmosferycznego, wiązanie przez niektóre sinice, wydzielanie przez zwierzęta.

Procesy obniżające ilość azotu w wodzie: denitryfikacja, sedymentacja,kumulacja w organizmach, eksport poza ekosystem

Fosfor

Minerały będące głównym źródłem P - fosforyty i apatyty.

Formy występowania P w wodzie:

1.Mineralny

:

•forma jonowa - PO4-3

•forma cząsteczkowa (zawiesiny mineralne)

•

2. Organiczny

:

•forma cząsteczkowa martwa materia organiczna i organizmy żywe

•forma koloidalna

•forma rozpuszczona

Zasilanie wód w fosfor: ze zlewni, z atmosfery, wtórnie z zasobów zakumulowanych w osadach dennych i organizmach (wydzielanie) przyżyciowe, rozkład martwych organizmów).

Procesy obniżające ilość P w wodzie: sedymentacja, strącanie, kumulacja przez organizmy żywe, eksport poza ekosystem. P stanowi tylko ok. 2% s.m. protoplazmy (większe ilości w kościach),

jednak jest bardzo ważny w procesach życiowych, m. in. Składnik kwasów nukleinowych, kwasu adenozynotrójfosforowego (ATP).

Odczyn wody (pH)

Procesy biologiczne wpływające na pH: fotosynteza, oddychanie,asymilacja (przyswajanie) azotu.

Sumaryczne reakcje fotosyntezy i oddychania w zależności od dominującej formy węgla nieorganicznego:

Gdy pH<6,3 (C w formie CO2) - fotosynteza i oddychanie nie mają wpływu na pH.

6CO2 + 6H2O ↔ C6H12O6 + 6O2

Przy wyższych wartościach pH rośnie zużycie protonów w procesie

fotosyntezy i ich uwalniania w procesie oddychania

6HCO3- + 6H+ ↔C6H12O6 + O2

Wpływ fotosyntezy i oddychania na pH jest zależny od zdolności

buforowych wody.

Wpływ asymilacji azotu na pH jest zależny od formy N:

N w formie NH4+ - uwalnianie protonów

N w formie NO3- - zużycie protonów

Potencjał oksydacyjno-redukcyjny (redoks)

Red ↔ Ox + e^-

-Im bardziej równowaga tej reakcji jest przesunięta w kierunku utleniania, tym silniej elektroujemny jest potencjał redoks.

W warunkach beztlenowych wzrasta stężenie związków pełniących rolę reduktorów - spada potencjał redoks.

Przykładowe wartości potencjału redoks (E):

•w roztworze wysyconym tlenem (przy pH=7) E=0,8V (wartość teoretyczna)

•w warunkach naturalnych E=0,4 - 0,6 V

•w osadach dennych E do -0,2V

Skok potencjału redoks na granicy woda - osady denne

Wpływ potencjału redoks na rozpuszczalność pierwiastków (i obieg

materii):

•E<0,3 V - Fe występuje w postaci rozpuszczalnej (Fe2+) - może doprowadzić do uwolnienia fosforanów unieruchomionych w osadach dennych.

•Przy dalszym spadku potencjału redoks jony Fe2+ zostają strącone

przez powstające jony siarczkowe (S2-) do siarczku żelaza, P również

ulega strąceniu.

Mikroelementy

Stężenia od ułamków μg do kilkuset μg w 1 dm3 wody.

Pierwiastki biofilne, np. Mn, Mo, Cu, Zn

Pierwiastki ksenobiotyczne, np. Hg, Pb, Cd

Czynniki wpływające na dostępność i toksyczność mikroelementów:

•forma pierwiastka

•pH

•twardość ogólna wody

•obecność związków chelatujących

•stężenie tlenu

•temperatura

•obecność innych pierwiastków (antagonizm, synergizm)

Reakcje organizmów na podwyższone stężenia pierwiastków śladowych:

•regulacja stężenia (ograniczone możliwości)

•ograniczenie pobierania

•detoksykacja (granule mineralne, wakuole, metaloproteiny)

•niekorzystne zmiany w organizmach i reakcje przyżyciowe (uszkodzenie narządów wewnętrznych, gorsza kondycja, słabszy wzrost, mniejszapłodność, zakłócenie różnych procesów fizjologicznych, mutacje)

•możliwość powstania przystosowania (genetycznie utrwalonego) przy długotrwałym oddziaływaniu niewielkich stężeń

•śmierć - po przekroczeniu możliwości przystosowawczych

Rola zlewni i klimatu w kształtowaniu fizycznych i chemicznych właściwości wód powierzchniowych

1. Jakość podłoża zlewni:

•możliwości retencyjne

•chemizm wód podziemnych

•udział powierzchniowego i podziemnego zasilania rzek w wodę

(wpływ na temperaturę i chemizm wód)

2. Rzeźba terenu (szczególnie nachylenie stoków)

3. Rodzaj gleb - zawartość kompleksu sorpcyjnego, podatność na erozję

4. Wpływ obecności związków chelatowych i przebiegu procesów

oksydoredukcyjnych na wymywanie składników chemicznych z podłoża

5. Szata roślinna

6. Klimat:

•ilość i intensywność opadów

•wpływ na sposób zasilania rzek

•wpływ na przebieg procesów

wietrzenia i rozpuszczania różnych komponentów skał i gleb podłoża

7. Działalność człowieka

Podatność jezior na degradację i wpływ zlewni.

System oceny jakości jezior oparty na cechach morfometrycznych, hydrograficznych i zlewniowych (Kudelska i in. 1983)

1.Podatność jeziora na degradację:

•głębokość średnia

•stosunek objętości jeziora do długości linii brzegowej

•% stratyfikacji wód (udział hypolimnionu)

•stosunek powierzchni dna czynnego w zasięgu epilimnionu do

objętości epilimnionu

•współczynnik Schindlera (stosunek łącznej powierzchni zlewni

i jeziora do objętości jeziora)

2. Oddziaływanie zlewni na jezioro

Stopień oddziaływania zlewni całkowitej na jezioro można scharakteryzować 2 cechami:

•współczynnik Ohlego (stosunek całkowitej powierzchni zlewni do powierzchni jeziora)

•typ bilansowy jeziora (przepływowe, bezodpływowe, odpływowe

Fizyczno-geograficzne cechy zlewni wpływające na charakter jej oddziaływania:

•wielkość zlewni

•średni spadek (spływ obszarowy, nasilenie erozji wodnej)

•gęstość sieci rzecznej

•przepuszczalność gruntu (budowa geologiczna zlewni)

•użytkowanie terenu

Odtąd II koło

Zespoły ekologiczne żyjące w wodach powierzchniowych

Plankton - zespół drobnych organizmów (najczęściej nie przekraczających kilku mm) unoszących się mniej lub bardziej biernie w toni wodnej,niezdolnych do pokonywania większych prądów wodnych

Bentos - organizmy związane z podłożem (=osadami dennymi

Peryfiton (zespół poroślowy) - zbiorowisko drobnych organizmów mniej lub bardziej ściśle związanych z powierzchnią przedmiotów wznoszących się ponad dno.

Pleuston - zespół stosunkowo dużych organizmów związanych z powierzchnią wody.

Neuston - organizmy błonki powierzchniowej (granicy wody i atmosfery).

Nekton -duże zwierzęta związane z tonią wodną, aktywnie pływające

Plankton

Plankton - biocenoza złożona z organizmow stale lub przejściowo żyjących w masie wody:

•właściwe organizmy planktonowe

•organizmy dennoplanktonowe (tychoplankton)

•organizmy epiplanktonowe (osiadłe na organizmach należących do właściwego planktonu

Odkrycie istnienia planktonu - Müller (połowa XIX w.)

Plankton + trypton = zawiesina (seston)

Fitoplankton

Fitoplankton tworzą glony (najczęściej okrzemki, zielenice i sinice) w zakresie wielkości od 0,5 do 1 mm (formy kolonijne do 1 cm).

Kategorie wielkości:

•fitoplankton sieciowy (>30μm)

•nannoplankton (2 - 30μm)

•pikoplankton (<2μm)

•femtoplankton (fotosyntetyzujące formy <0,5μm)

Przeciwstawianie się biernemu opadaniu na dno:

- Zmniejszanie ciężaru ciała

- Zmniejszanie objętości w stosunku do powierzchni

- Zwiększanie powierzchni ciała (wyrostki, tworzenie kolonii)

- Cyklomorfoza

Fitoplankton - Rzeki

Plankton rzeczny = potamoplankton

Przewaga okrzemek nad innymi glonami

Źródła fitoplanktonu w rzekach:

•odrywanie osiadłych glonów

•wynoszenie ze starorzeczy, jezior i zbiorników leżących wzdłuż biegu rzeki

•reprodukcja właściwego planktonu (środowiska o wolnym przepływie, rzeki wystarczająco długie)

Czynniki ograniczające występowanie fitoplanktonu w rzekach:

•temperatura

•światło

•wysokie stany wody

•szybkość prądu

•zasoby pierwiastków biogenicznych - rzadko są czynnikiem

ograniczającym

fitoplankton - .Jeziora

Limnoplankton = plankton jeziorny

Heleoplankton = plankton drobnozbiornikowy występujący również

w strefie przybrzeżnej jezior

Zależność składu fitoplanktonu od typu troficznego jeziora:

•j. oligotroficzne - plankton złożony z drobnych zielenic, okrzemkowy

lub złożony z chryzofitów i bruzdnic

•j. eutroficzne - często plankton sinicowy oraz złożony z innych gatunków

okrzemek i zielenic niż w j. oligotroficznych

j. dystroficzne - plankton desmidiowy

•jeziora zanieczyszczone - plankton zawierający gatunki z rzędu Euglenales

Sezonowa sukcesja fitoplanktonu: okrzemki →zielenice→ sinice

Czynniki ograniczające występowanie fitoplanktonu w jeziorach:

•światło

•

•temperatura

•uwarstwienie chemiczne, dostępność N, P (Si - okrzemki)

Pionowe rozmieszczenie fitoplanktonu, wędrówki dobowe

Poziome rozmieszczenie fitoplanktonu.

Różnorodność zespołów fitoplanktonowych:

•W małych jeziorach fitoplankton rekrutuje się głównie z glonów

strefy przybrzeżnej i dennej oraz z dopływu.

•W dużych jeziorach bardziej autochtoniczny charakter fitoplanktonu.

Zakwity fitoplanktonu

Zakwit - zabarwienie wody wywołane masowym rozwojem glonów (z reguły 1 gatunek)

Zauważalny zakwit - 1000 komórek w 1 cm3 wody

Możliwy wzrost liczby komórek do 10 mln w 1 cm3.

Etapy rozwoju gatunku tworzącego zakwit:

•minimum warunków egzystencji

•korzystne zmiany - optymalny rozwój glonu

•eksplozja populacji

•maksymalna liczebność (i zabarwienie)

•nagły spadek liczebności glonów

Zooplankton - Główne składniki zooplanktonu: pierwotniaki, wrotki, skorupiaki.

Rzeki

•Brak specyficznego planktonu, przewaga planktonu roślinnego nad zwierzęcym.

•Dominacja wrotków w zooplanktonie.

•Biomasy zooplanktonu w rzekach znacznie niższe niż w jeziorach

Jeziora

Trzon zooplanktonu stanowią skorupiaki (Cladocera i Copepoda orazwrotki (Rotatoria)

Przystosowania do życia planktonowego

1. Możliwość utrzymania się w środowisku

2. Rozmnażanie:

•krótkie cykle rozwojowe

•rozród partenogenetyczny - szybkie następstwo pokoleń

•rozród obupłciowy - zabezpieczenie zmienności gatunku i możliwości przetrwania

3. Sposoby odżywiania:

•sedymentacja („odwirowywanie”) u orzęsków i wrotków

•filtracja (odsączanie) u skorupiaków

•drapieżnictwo

Pierwotniaki

W jeziorach występuje niewiele euplankterów. Orzęski występują bardzo licznie w hypolimnionie jezior, bogaty jest też heleoplankton orzęskowy.

Wrotki

Typowymi formami planktonowymi są tylko Monogononta - długość życia od kilku do kilkunastu dni, duża płodność, występowanie partenogenezy; odżywianie - sedymentacja, drapieżnictwo

Skorupiaki

Rząd: Cladocera (wioślarki)

Największa wioślarka - Leptodora kindti - eulimnetyczna, drapieżna, dł. do 18 mm.

Rodziny: Daphnidae i Bosminidae

Gatunki heleoplanktonowe, np. Daphnia magna, D. pulex, D. middendorfiana

Gatunki eulimnetyczne: np. Daphnia cristata, D. cucuilata, D. hyalina, Bosmina coregoni.

Rząd: widłonogi (Copepoda)

Podrząd: Cyclopoidea - przeważają formy drobnozbiornikowe - drapieżne lub roślinożerne (Cyclops, Mesocyclops)

Podrząd: Calanoidea - przeważają gatunki limnoplanktonowe, „długowieczne”, filtratory

Cyklomorfoza - sezonowe zmiany kształtu związane z cyklicznością rozrodu oraz zmianami w środowisku (np. cyklomorfoza u Daphnia)

Czynniki wpływające na występowanie i rozmieszczenie zooplanktonu:

•temperatura

•światło (reakcje fototropizmu)

•stężenie tlenu w wodzie

•pH, substancje mineralne

Wędrówki pionowe:

•dobowe

•sezonowe - związane z typowym dla danego sezonu układem

warunków środowiskowych w zbiorniku

Makrofity (=makrofitobentos)

Jeziora

Charakterystyczne rozmieszczenie makrofitów w jeziorach niżowych

Amfifity (=rośliny ziemnowodne

Helofoty (=rośliny wynurzone) - tworzą pas oczeretów, zakorzenione

nie głębiej, niż na 1-2 m.

Nimfeidy (= rośliny o liściach pływających

Elodeidy (= rośliny zanurzone), mogą występować do głębokości 8 m,

jednak na ogół spotykana na znacznie mniejszych głębokościach.

Łąki podwodne - ramienice (Characeae) i mchy z rodzaju Fontinalis;

do głębokości 8 m, w jeziorach czystych do 50 m.

pleustofity - rośliny związane z powiezchniową warstwą wody np. rzesa

Rzeki

Cechy pozwalające makrofitom utrzymać się na stanowiskach

o stosunkowo silnym prądzie:

•wytrzymałe, elastyczne łodygi i liście

•silne przymocowanie do dna przez korzenie, kłącza lub chwytniki

•rozród wegetatywny

Występowanie makrofitów w rzekach

1. Makrofity wynurzone na brzegach rzek i na płyciznach.

2. Rośliny o liściach pływających - obszary przybrzeżne wolno płynących rzek.

3. Rośliny zanurzone - zazwyczaj z dala od brzegów, jeśli woda nie jest zbyt głęboka.

Sukcesja makrofitów wzdłuż biegu cieku: mszaki - prądolubne rośliny kwiatowe (np. Ranunculus) - rośliny żyznych, wolno płynących wód (np. Elodea, Potamogeton) - rośliny wynurzone i o liściach pływających (w dolnych biegach cieków).

Czynniki ograniczające występowanie makrofitów w środowiskach wodnych:

•światło

•temperatura

•twardość wody, stężenie Ca, pH, zasadowość (dostępność CO2)

•stężenie pierwiastków biogenicznych - N, P

•szybkość prądu (w rzekach)

Peryfiton

Rzeki

Peryfiton jest rozwinięty niemal na wszystkich oświetlonych powierzchniach

epiliton - porasta kamienie

epipelon - na miękkich osadach (maty - łatwo unoszone przez silniejszy prąd)

epifiton - na innych roślinach (makrofitach)

Formy peryfitonu: płożące i wyprostowane

Skład gatunkowy peryfitonu:

•przewaga okrzemek

•zmiany sezonowe

Główne typy asocjacji w rzekach europejskich

Górny bieg z szybkim prądem - Hydrurus/Ceratoneis

Środkowy bieg - Diatoma/Meridion

Dolny bieg - Melosira

Czynniki wpływające na populacje peryfitonu:

- Światło:

•dominacja zielenic, sinic i złotowiciowców w dobrze oświetlonych siedliskach

•dominacja okrzemek przy słabym oświetleniu, a krasnorostu Batrachospermum w obszarach zacienionych

- Ograniczające działanie niedoboru P

- Szybkość płynięcia wody - różny skład gatunkowy i formy wzrostu

- Powodzie - odrywanie zwłaszcza grubych warstw peryfitonu

- Podłoże: możliwość zakotwiczenia się , sole mineralne, np. Hydrurus na wapieniach i piaskowcach,

Monostroma quaternarium na skałach bogatych w Fe

- Temperatura - wzrost udziału zielenic i sinic latem

- Roślinożercy - redukcja biomasy i zmiana składu gatunkowego peryfitonu.

Jeziora.

epiliton - występowanie na kamieniach w strefie przybrzeżnej

epipelon - na powierzchni miękkich osadów dennych, występowanie również poniżej granicy zasięgu makrofitów

epifiton - dobrze rozwinięty,zróżnicowanie pionowe oraz związane z różnymi gatunkami makrofitów;

zmiany sezonowe

Czynniki ograniczające podobne jak w rzekach

Zoobentos

Podział według kryterium wielkości:

•makrobentos - osobniki o długości powyżej 2 cm

•mezobentos - od 0,1 do 2 cm długości

•mikrobentos - długość mniejsza od 0,1 cm

Zoobentos - makrozoobentos

Rzeki

Główne czynniki wpływające na charakter biocenoz organizmów dennych

w rzekach to podłoże i szybkość prądu (=płynięcia).

- Biocenozy litoreofilne - zespoły żyjące na podłożu kamienistym;

larwy Liponeura i Simulium, larwy chruścików (Trichoptera), larwyochotkowatych (Chironomidae), kiełże (Gammarus), ślimak Ancylus

fluviatilis (przytulik strumieniowy)

Przystosowania do życia na prądzie:

•kształt, np. ślimak Ancylus fluviatilis, larwy widelnic i jętek

•przytwierdzanie się do podłoża: przyssawki np. larwy muchówek (Liponeura i Simulium

Pazurki, wyrostki, np. larwy ochotkowatych, kiełże

•obciążanie domków (larwy chruścików)

•reotaksja dodatnia

•loty kompensacyjne

•sposoby odżywiania: filtracja, chwytanie zawiesiny w sieci, zeskrobywanie pokarmu z podłoża, zbieranie cząstek detrytusu z podłoża, drapieżnictwo

Znaczenie tzw. warstwy granicznej w wodach płynących.

- Biocenozy psammoreofilne (=psammon) - zespół zasiedlający piaszczyste dno lub wilgotne piaski przybrzeżne

pierwotniaki, wrotki, drobne i większe skąposzczety, nicienie, larwy ochotkowatych i innych muchówek, mięczaki

- Biocenozy peloreofilne - zespoły żyjące w dolnym biegu rzek oraz lenitycznych miejscach potoków i rzek górskich.

pierwotniaki, wrotki, nicienie, skąposzczety, larwy ochotkowatych, jętek, ważek, małżoraczki, mięczaki

- Biocenozy argiloreofilne - zespoły żyjące na podłożu gliniastym. Zwierzęta ryjące norki, zamieszkujące norki wyryte przez inne zwierzęta lub żyjące na powierzchni osadów. Larwy jętek, ochotkowatych i innych muchówek, chruścików, niektóre mszywioły, mięczaki

Inne czynniki (poza rodzajem podłoża i szybkością płynięcia) wpływające na występowanie zwierząt bentosowych:

•temperatura - zmiana składu gatunkowego wzdłuż biegu rzek, wpływ na cykle życiowe, aktywność, rozmiary ciała, płodność

•stężenie tlenu w wodzie - uzależnienie uzyskiwania tlenu od ruchu wody

•pH (najkorzystniejszy zakres 5,5-9,0)

•wahania stanów wody,

•dostępność pokarmu

•zacienienie

Ogólne prawidłowości dotyczące rozwoju zbiorowisk organizmów dennych

1.Im bardziej różnorodne podłoże, tym bogatszy jest skład gatunkowy biocenozy.

2. Im bardziej jednorodne podłoże, tym mniej gatunków i wyższe ich zagęszczenia.

3. Im większy obszar zajmuje podłoże, tym obficiej rozwinięte są zbiorowiska i bardziej stały jest ich skład.

Zoobentos jezior

1. Strefa przybrzeżna:

Brzeg zarośnięty:

•pas oczeretów - mszywioły, stułbie, gąbki, pijawki, larwy chruścików i ważek, ślimaki

•pas roślin o liściach pływających - wypławki, larwy ochotkowatych i chruścików, mszywioły, stułbie, pijawki, ślimaki

•zwierzęta wśród roślinności zanurzonej -gąbki, mszywioły, skąposzczety, larwy ochotkowatych, ślimaki, rozwielitki

•łąki podwodne - larwy ochotkowatych,skąposzczety, ślimaki, małże, skorupiaki (ośliczki, raki, rozwielitki, widłonogi)

Brzeg niezarośnięty:

•kamienisty - larwy ochotkowatych i innych muchówek (np. Liponeura i Simulium), chruścików, widelnic, jętek, pijawki, wypławki, kiełże, ślimaki, małże

•piaszczysty - wrotki, nicienie, skąposzczety, larwy chruścików, ochotkowatych, ważek, Sialis sp.

2. Strefa przejściowa (=sublitoral) - pierwotniaki, brzuchorzęski, wrotki,

drobne skorupiaki, skąposzczety, larwy zabarwicy (Sialis), ochotkowatych, ślimaki, małże

3. Strefa głębinowa (=profundal) - pierwotniaki, wrotki, nicienie, skąposzczety (Tubifex tubifex), małżoraczki, larwy ochotkowatych, ślimaki, małże; w głębokich, czystych jeziorach mogą występować relikty polodowcowe - Mysis relicta, Pallasea quadrispinoza, Pontoporeia affinis

Pleuston

Pleuston - organizmy związane z powierzchnią wody w zbiorniku, unoszą się dzięki wytworzeniu aparatów hydrostatycznych lub wykorzystaniu elastyczności błonki powierzchniowej.

Pleuston właściwy (eupleuston) - rośliny utrzymujące się częściowo ponad wodą, m.in. niektóre gatunki mchów, wątrobowców, paprotników (np.Salvinia natans, roślin kwiatowych, np. żabiściek (Hydrocharis morsus-ranae)

Meropleuston - (=pleuston okresowy) - fragmenty roślin, niektóre zwierzęta

Epipleuston - organizmy wynurzające się przynajmniej częściowo ponad powierzchnię wody, np. nartniki (Gerris), poślizgi (Hydrometra), chrząszczez rodzaju Gyrinus.

Hypopleuston - zwierzęta związane ze spodnią stroną błonk powierzchniowej, nppluskolec (Notonecta), płoszczyce (Nepa),topielice (Ranatra), larwy pływakowatych (Dytiscidae), kałużnicowatych (Hydrophilidae) i komarów (Culicidae), niektóre ślimaki płucodyszne.

Neuston

Neuston - zbiorowisko drobnych organizmów związanych z błonką powierzchniową (epi- i hyponeuston).

W skład neustonu wchodzą bakterie, grzyby, okrzemki i szereg innych glonów (Xantophyceae, Clorophyceae, Charophyceae, Euglenophyceae),pierwotniaki.

Euneuston - organizmy stale wchodzące w skład neustonu.

Aironeuston - organizmy wchodzące w skład neustonu okresowo, przypadkowo.

Nekton

Nekton - zbiorowisko dużych zwierząt toni wodnej, dobrych i aktywnych pływaków mających zdolność zmiany miejsca przebywania niezależnieod prądów wodnych.

Nekton nie stanowi samodzielnego zespołu ekologicznego, a jedynie grupę konsumentów należących do różnych poziomów troficznych.

limnonekton (w wodach stojących)

potamonekton (w wodach płynących)

nekton - Jeziora

Nekton pelagiczny i nerytyczny

W jeziorach dużej i średniej wielkości tylko ¼ gatunków nektonowych bytuje w strefie limnetycznej (pelagialu), a ¾ związane jest z litoralem (zwierzęta dorosłe i postaci larwalne.

heminekton - zwierzęta należące okresowo do nektonu

Czynniki znaczące dla występowania nektonu w jeziorach:

•w litoralu (strefa nerytyczna) - typ osadów dennych, makroflora

•w pelagialu - stratyfikacja termiczna i tlenowa, obecność odpowiedniego pokarmu (nektery pelagiczne są głównie planktonożerne lub drapieżne)

Podział ryb ze względu na zasadnicze miejsca ich przebywania oraz rodzaj pokarmu:

1.Ryby wód otwartych:

•planktonożerne, np. sielawa, stynka, ukleja

•drapieżne, np. sandacz, troć jeziorna, boleń

2. Ryby głębinowo-denne, np. sieja, leszcz, certa, brzana

3. Ryby przybrzeżno-denne:

•denne, np. karp, krąp

•drapieżne, np. węgorz, okoń, jazgarz

4. Ryby przybrzeżne:

•roślinożerne, np. jaź, płoć, kleń, lin, karaś

•drapieżne, np. szczupak, miętus

Rzeki

Ryby grupują się w poszczególnych odcinkach cieków w zależności od działania różnych czynników środowiskowych:

• temperatura wody

• szybkość prądu

•zmiany poziomu wody (wezbrania, wysychanie)

•zasolenie (ryby tolerujące najwyższe zasolenie: węgorz, jazgarz, szczupak, płoć

•podłoże: kamieniste i żwirowe, np. pstrąg, głowacz, brzana, śliz, świnka

•dostępność pożywienia

• wędrówki (ryby anadromiczne i katadromiczne)

Nekton

Zróżnicowanie zapotrzebowania ryb na tlen:

•duże zapotrzebowanie tlenowe (7-10 mg/dm3), np. pstrąg tęczowy,

lipień, ,świnka, miętus, ukleja

•średnie zapotrzebowanie tlenowe (5-8 mg/dm3), np. brzana, płoć,

okoń, szczupak, sandacz

•małe zapotrzebowanie tlenowe (4-7 mg/dm3), np. leszcz, karp, lin,

karaś, sum

Wymagania termiczne:

•ryby stenotermiczne: zimnowodne, np. łososiowate

ciepłowodne, np. amur biały, tołpyga biała i pstra

•ryby eurytermiczne - większość karpiowatych

Wpływ temperatury na wzrost ryb i porę tarła

Podział ryb ze względu na porę tarła:

1.Ryby trące się w okresie jesienno-zimowym, np. pstrąg potokowy i pstrąg źródlany, łosoś, troć, miętus

2.Ryby trące się w okresie wiosennym (temp. ok. 10°C), np. sandacz szczupak, okoń, jazgarz, głowacz, lipień, płoć, pstrąg tęczowy

3.Ryby trące się w okresie letnim (temp. ok. 18 °C), np. karp, karaś,lin, kleń, certa, leszcz, krąp, ukleja, kiełb, sum, ciernik

Inne czynniki (poza stężeniem tlenu w wodzie i temperaturą wody)wpływające na występowanie i rozmieszczenie ryb w rzekach:

Szybkość płynięcia wody - maksymalne wartości (cm/s) znoszone przez

różne gatunki ryb:

łosoś - 800 cm/s

pstrąg - 440 cm/s

kleń - 270 cm/s

brzana - 240 cm/s

leszcz - 55-65 cm/s

ukleja - 60 cm/s

lin - 45-50 cm/s

karp = 40 cm/s

Zmiany poziomu wody: wezbrania, wysychanie.

Zasolenie - ryby wód śródlądowych tolerujące najwyższe zasolenie:

węgorz, jazgarz, szczupak, płoć

Podłoże:

•kamieniste i żwirowe, np. pstrąg, głowacz, brzana, śliz, świnka

•piaszczyste lub muliste, leszcz, lin

Dostępność pożywienia

Wędrówki - ryby anadromiczne i katadromiczne

Zależności troficzne w środowiskach wodnych

Produkcja pierwotna (brutto i netto) oraz wtórna

Metody oceny produkcji pierwotnej w środowiskach wodnych:

•określenie biomasy nagromadzonej w pewnym okresie czasu (miara produkcji pierwotnej netto) - szczególnie makrofity

•

•pomiar wymiany gazów (zwykle tlenu) - w strumieniach

•

•metoda ciemnych i jasnych butelek - szczególnie fitoplankton

•

•metoda jasnych i ciemnych komór zagłębionych na poziomie dna - peryfiton

•

•metody z użyciem węgla radioaktywnego

Producenci - produkcja pierwotna

Główni producenci: fitoplankton, makrofity, peryfiton

Zmiany udziałów poszczególnych grup producentów w produkcji pierwotnej w wodach płynących:

•dominacja peryfitonu i mszaków w górnych biegach cieków

•

•wzrost znaczenia makrofitów w rzekach średniej wielkości i wzdłuż biegów większych rzek

•

•wzrost znaczenia fitoplanktonu w dużych rzekach nizinnych

Wody stojące

- znaczenie makrofitów (i peryfitonu) w litoralu jezior.

- znaczenie fitoplanktonu w sródjezierzu

Zależności troficzne

Losy produkcji pierwotnej:

•konsumpcja przez roślinożerców fitoplanktonu, peryfitonu oraz makrofitów(stosunkowo niewielka konsumpcja żywej tkanki)

•

•unoszenie, odrywanie peryfitonu; zasypywanie - w ciekach

•eksport fitoplanktonu w dół cieków

•

•zasilanie puli rozpuszczonego węgla organicznego - związki organiczne wydzielane przyżyciowo

•

•przechodzenie do puli detrytusu

Koniec wykładu III

Konsumenci

Roślinożerność:

•fitoplankton (faza czystej wody w jeziorach), wybiórczość pokarmowa roślinożerców planktonowych

•

•peryfiton - duże zróżnicowanie roślinożerców pod względem taksonomicznym i wielkości ciała (od pierwotniaków do larw owadów i ślimaków)

•

•makrofity - zjadanie żywych tkanek, wysysanie zawartości pojedynczych komórek

Drapieżnictwo

Zróżnicowane sposoby zdobywania pokarmu:

•połykanie całych zwierząt lub ich kawałków, wysysanie

•

•polowanie z zasadzki lub aktywne poszukiwanie ofiar

•

•chwytanie ofiary z zawiesiny lub z podłoża

•

•drapieżnictwo okazjonalne lub przypadkowe

•

Gildie (=zespoły konkurencyjne) - gatunki konsumujące te same zasoby i zdobywające je w podobny sposób.

Bezkręgowce drapieżne

Lokalizacja ofiary głównie przy pomocy chemo- i mechanoreceptorów

•

Typowi drapieżcy w strefie otwartej wody:

•wioślarki Leptodora i Bythotrephes - ścigają ofiary

•larwy Chaoborus - polują z zasadzki

•najstarsze stadia rozwojowe widłonogów

•wrotki - jedyna forma drapieżna - Asplanchna

•

Wody płynące i strefa przybrzeżna jezior:

niektóre larwy bezdomkowych chruścików, widelnic, ważek, chrząszczy (np. Dytiscidae), muchówek (np. Sialis), pluskwiaki (m.in. Notonecta), pijawki, wirki

•Krytyczny etap w procesie zdobywania ofiary - prawdopodobieństwo spotkania i schwytania.

•Najchętniej zjadane są ofiary średniej wielkości.

Kręgowce drapieżne

Lokalizacja ofiary głównie przy pomocy wzroku.

•

Ryby planktonożerne:

• większość ryb we wczesnym okresie życia

•stale planktonożerne, np. sieja, sielawa

•

Chwytanie selektywne dużych i łatwo strawialnych zwierząt planktonowych.

Ryby bentosożerne i rybożerne - wybór dużych ofiar

Obrona ofiar przed drapieżnictwem:

•redukcja widoczności

••redukcja aktywności

•modyfikacje wielkości i kształtu

ukrywanie się, maskowanie (organizmy denne

•toksyczność lub odrażający smak

ucieczka, okresowe zmiany siedliska

chemiczna indukcja zachowań obronnych

Wpływ drapieżników na populacje ofiar

Odmienne efekty wywierane na populacje ofiar przez drapieżnictwo bezkręgowców i kręgowców na przykładzie planktonu.

Efekty kaskadowe

Efekty kaskadowe - drapieżca okupujący szczytowe lub bliskie im miejsca w sieci troficznej, który ma

znaczny wpływ na rozmieszczenie i obfitość swoich ofiar, potencjalnie może silnie oddziaływać pośrednio na inne elementy sieci troficznej.

Konsumenci martwej materii organicznej

Cząsteczkowa i rozpuszczona materia organiczna - ważne źródło energii w większości sieci troficznych, szczególnie w ekosystemach wód płynących.

Bezpośredni konsumenci - detrytusożercy i destruenci.

Podział martwej materii organicznej na klasy wielkości:

•grubocząsteczkowa materia organiczna - CPOM (Coarse particular organic matter) (>1mm)

•

•drobnocząsteczkowa mat. org. - FPOM (Fine particular organic matter) (>0,5 µm, <1mm)

•

•rozpuszczalna mat. org. - DOM (Dissolved organic matter) (<0,5µm

Rozkład grubocząsteczkowej materii organicznej na przykładzie liści

Stadia rozkładu liści:

•namakanie, wymywanie DOM

•kolonizacja przez mikroorganizmy (mineralizacja) - dominacja grzybów w początkowych fazach rozkładu, a bakterii w końcowych

•kolonizacja przez bezkręgowce - fragmentacja liści, produkcja odchodów -powstawanie FPOM (również wskutek maceracji przez wodne grzyby)

Łańcuchy troficzne

Najprostsze łańcuchy troficzne w środowiskach wodnych mają 4 ogniwa (w lądowych 3).

Przykłady łańcuchów spasania:

•fitoplankton - zooplankton - ryby planktonożerne - ryby drapieżne

•

•mikrofitobentos - denne bezkręgowce - ryby bentosożerne - ryby drapieżne

•

Szlaki przepływu energii o dużym znaczeniu w pelagialu:

•nanofitoplankton - skorupiaki roślinożerne - ryby planktonożerne - ryby rybożerne

•

•pikofitoplankton - Protozoa (zoowiciowce) - skorupiaki - ryby planktonożerne - ryby rybożerne

Detrytusowe łańcuchy troficzne:

Najbardziej skrajna postać w trzcinowisku:

detrytus - mikroorganizmy (największy udział w konsumpcji detrytusu) - bezkręgowce detrytusożerne - bezkręgowce drapieżne - ryby bentosożerne - ryby drapieżne

Pętla mikrobiologiczna - szczególna odmiana detrytusowego łańcucha pokarmowego w strefie otwartej wody:

DOM - bakterie - heterotroficzne Protozoa - większe zwierzęta planktonowe - włączenie energii z obiegu mikrobiologicznego do łańcucha spasania.

Poziomy troficzne i piramidy troficzne.

Liczba możliwych poziomów troficznych jest zależna od produkcji pierwotnej.

Wydajność ekologiczna - około 0,1, czyli produkcja II poziomu troficznego 10%, III - 1%, IV - 0,1% produkcji pierwotnej.

Sieci troficzne

Gatunki kluczowe

Przykłady gatunków kluczowych:

•

•ryby drapieżne w pelagialu jezior

•Norfolk Broads, małe płytkie jeziora w Anglii - kormorany

•małe preriowe rzeki w stanie Oklahoma (bentoniczny łańcuch pokarmowy)- ryby drapieżne (1 gatunek bassa)

Pierwiastki biogeniczne i ich przemiany w środowiskach wodnych

Węgiel

•Koncentracja węgla w wodach naturalnych waha się w granicach od 1 do kilkudziesięciu mg dm-3; dominującą formą jest C nieorganiczny.

•Źródła C dla roślin wodnych - wszystkie nieorganiczne związki węgla.

Węgiel organiczny (materia organiczna) i jego przemiany:

•większość materii organicznej cząsteczkowej w wodzie stanowi detrytus (=martwa materia organiczna)

• bioseston stanowi zwykle małą część sestonu organicznego, natomiast odgrywa zasadniczą rolę w przemianach i krążeniu materii.

Autochtoniczne i allochtoniczne źródła martwej materii organicznej w środowiskach wodnych

CPOM - liście i igły drzew, makrofity w okresie obumierania, zdrewniałe części roślin, materia pochodzenia zwierzęcego

•FPOM - fekalia drobnych konsumentów, odrywanie glonów peryfitonowych i warstw organicznych, przekształcenia bakteryjne i fizyczno-chemiczne DOM, ściółka leśna i gleba, brzegi i koryto cieków

•DOM - wody gruntowe, spływ podpowierzchniowy i powierzchniowy, wymywanie z detrytusu pochodzenia lądowego, bezpośredni opad, wydzielanie pozakomórkowe i wypłukiwanie z glonów i makrofitów, ekskrecja

•Kluczowa rola mikroorganizmów w przemianach materii organicznej - ilość bakterii w osadach dennych jest setki (tysiące) razy większa, niż w toni wodnej (do kilku% masy materii organicznej osadów).

•DOM stanowi największą pulę materii organicznej w wodach (większość mało dostępna dla konsumentów) - średnio 6 do 10 razy więcej, niż materii sestonowej.

Skład DOM:

•10-25% - węglowodany, kwasy tłuszczowe, amino- i hydroksykwasy

•pozostała część (50-75%, do 90% w wodach zabarwionych) - kwasy humusowe i fulwowe (stanowią na ogół większość substancji humusowych).

•

DOM może polimeryzować, koagulować, być adsorbowana na cząsteczkach organicznych i nieorganicznych i sedymentować

Fosfor

Formy występowania P w wodach:

•cząsteczkowa - bioseston i trypton (P organiczny) oraz P mineralny

•koloidalna

•rozpuszczona - P organiczny i nieorganiczny

Stan trofii a występowanie różnych form P:

oligotrofia - dominacja formy biosestonowej

eutrofia - dominacja form bio- i abiosestonowej

hypertrofia - obfitość formy sestonowej, a także P organiczny rozpuszczony i niewykorzystany nadmiar fosforanów

saprotrofia - dominacja form organicznych tryptonowych i rozpuszczonych

Fosfor fosforanowy jest najłatwiej przyswajalną formą tego pierwiastka.

Wiele gatunków glonów może wydzielać enzymy (fosfatazy) uwalniające

fosforany z substancji organicznej.

Wewnętrzne zasilanie w fosfor w zbiornikach eutroficznych:

•ryby (w obsadzie 400 kg/ha) - 0,52 g/m2 w ciągu sezonu

•

•zooplankton (8 mg/dm3) - 16,1 g/m2 w ciągu sezonu

•

•osady denne - 12,0 g/m2 w ciągu sezonu

Zasilanie wewnętrzne w fosfor wzrasta ze wzrostem trofii:

•deficyty tlenowe

•

•więcej makrofitów - „pompowanie” P z dna i większa produkcja

materii organicznej

•więcej ryb - intensywniejsze mieszanie osadów dennych

•

•więcej drobnych skorupiaków (wydzielają fosforany bardziej intensywnie

niż większy zooplankton)

Procesy zwiększające ilość fosforu w wodzie:

•dopływ ze zlewni

•

•mieszanie wody

•

•przeciwdziałanie sedymentacji przez zooplankton (połykanie,

rozdrabnianie)

•destrukcja i mineralizacja substancji organicznej (autoliza, rozklad

przez bakterie, pozakomórkowy rozkład enzymatyczny)

•wydzielanie z osadów dennych oraz transport z podłoża do wody

przez makrofity

Azot

W sezonie wegetacyjnym dominuje zwykle forma organiczna,

ewentualnie także azotanowa.

W okresach o niskich temperaturach wody oraz w wodach odtlenionych

występują duże ilości azotu amonowego.

Przemiany azotu w środowiskach wodnych to szereg procesów

mikrobiologicznych, których przebieg zależy od obecności lub braku

tlenu:

•amonifikacja (denitryfikacja częściowa) lub denitryfikacja całkowita

w środowisku beztlenowym

•nitryfikacja w środowisku tlenowym

Pula DON (rozpuszczony azot organiczny) składa się głównie z połączeń

aminowych, których podstawową frakcję stanowią polipeptydy i inne

złożone kompleksy

Krążenie pierwiastków biogenicznych w rzekach: „krążenie spiralne”

Miarą „krążenia spiralnego” jest odległość przebyta przez atom w formie rozpuszczonej zanim zostanie pobrany przez organizmy.

Koncepcja ciągłości rzeki (River Continuum Concept)

Fizyczna podstawa koncepcji - wielkość i usytuowanie wzdłuż gradientu:

od niewielkiego potoku do dużej rzeki (zmiany rzędu cieku, wielkości

odpływu, powierzchni zlewni)

Koncepcja ciągłości rzeki (RCC)

Zmiany przestrzenne w dopływach energii oraz związane z nimi zmiany funkcjonalnego składu grup konsumentów.

Koncepcja ciągłości rzeki

Zmiany przestrzenne w dopływach energii:

•cieki niskiego rzędu - zacienione strumienie źródłowe zasilane głównie wielkocząsteczkową materią organiczną (CPOM)

•większy ciek - dobrze oświetlony, znaczna produkcja peryfitonu, mniejCPOM, więcej FPOM pochodzącego ze stanowisk w górnej części cieku

•coraz większa rzeka - więcej makrofitów, szczególnie w rzekach nizinnych

•bardzo duże rzeki - duża mętność wody, fitoplankton jako główny producent materii autochtonicznej, jednak głównym źródłem energii jest materia allochtoniczna

Zmiany składu funkcjonalnego grup konsumentów zgodnie z dopływem zasobów:

•dominacja rozdrabniaczy w strumieniach

•dominacja spasaczy w ciekach wyższych rzędów

Najniższy stosunek P/R występuje w strumieniach, najwyższy w ciekach pośrednich rzędów (tu największa różnorodność źródeł energii i największe zróżnicowanie biologiczne).

Spadek stosunku CPOM/FPOM w dół cieku.

Nowsze koncepcje stanowiące rozwinięcie RCC

Czy rzeka jest ekosystemem?

Ekosystem - kompleks biocenoz wzajemnie na siebie oddziałujących w określonym środowisku abiotycznym. Ma granice. Materia w nim krąży, a energia przezeń przepływa.

•Wody płynące są w przeważającym stopniu systemami heterotroficznymi, czyli funkcjonującymi dzięki dostawie materii organicznej spoza cieku (proces wiązania energii zachodzi w ekosystemie lądowym).

Rzeka jest raczej częścią większego systemu dorzecza, a nie odrębnym

ekosystemem.

Materia nie krąży, lecz jest transportowana w dół cieku. •Bilans materii organicznej zależy od podaży z zewnątrz.

•Rzeka nie jest systemem samoregulującym się.

Pod pojęciem ekosystemu wód płynących powinno się rozumieć jedynie pewien strukturalny i funkcjonalny związek czynników biologicznych i abiotycznych

WYKŁAD IX

Zmiany antropogeniczne w środowiskach wodnych

Eutrofizacja wód

Eutrofizacja - wzrost trofii, czyli żyzności wód, spowodowany wzrostem stężenia fosforu i azotu dopływających do wód w postaci mineralnej lub jako materia organiczna.

Eutrofizacja zachodzi w sposób naturalny, niezależny od wpływów antropogenicznych, jednak człowiek spowodował duże przyspieszenie tego procesu

Źródła eutrofizacji

Źródła punktowe:

•rzeki, potoki, kanały, rury (ścieki)

•zrzuty wód ze stawów rybnych, hodowla sadzowa

Źródła obszarowe:

1. Rolnictwo:

•intensyfikacja nawożenia mineralnego i nawodnień

•nieprawidłowe stosowanie gnojowicy, nawożenie z powietrza

•osuszanie bagien i nieużytków, likwidacja zróżnicowania terenu

(zagłębienia, zbiorniczki śródpolne, zadrzewienia, zakrzewienia,

nieużytki, miedze)

•wielkoobszarowość (monokultury)

2.Ptactwo wodne, rekreacja

3. Sytuacja hydrologiczna: nawalne deszcze, gwałtowne roztopy

(erozja wodna)

4. Ładunki P i N z atmosfery (zanieczyszczenie powietrza, erozja

wietrzna)

Stężenia N i P ze źródeł punktowych:

•ścieki komunalne: P - średnio 4,0-12,0 mg/dm3

N - średnio 25,0-50,0 mg/dm3

Pierwiastki biogeniczne pochodzące z hodowli zwierząt

Stężenia azotu i fosforu w odchodach zwierząt hodowlanych:

•azot - 0,5-1% s.m.

•fosfor - 0,1-0,16% s.m.

(kury - 0,36% s.m.)

Stężenia pierwiastków biogenicznych w gnojowicy:

•azot - 0,3-0,6% św.m.

•fosfor - 0,05-0,17% św.m.

Skutki eutrofizacji

Umiarkowane użyźnienie powoduje wzrost produkcji biologicznej, w tym ryb.

Niekorzystne efekty nadmiernej eutrofizacji

nadmierny rozwój glonów planktonowych, w tym sinic (zakwity

•pogorszenie warunków świetlnych w litoralu - ustępowanie roślinności zanurzonej

•masowy rozwój glonów nitkowatych w litoralu - przyspieszanie ustępowania makrofitów

•zanik tlenu w strefach głębinowych

•w zaawansowanej hypertrofii i saprotrofii zanik tlenu w całej toni

wodnej, występowanie siarkowodoru

•niekorzystne zmiany w zespołach ryb

•wzrost wewnętrznego zasilania w pierwiastki biogeniczne, szczególnie fosfor, z osadów dennych

Przeciwdziałanie eutrofizacji

Działania zewnętrzne:

1. Ochrona zlewni:

zalesianie

•zmiana użytkowania

•oczyszczanie ścieków

•stosowanie detergentów bezfosforowych

2.Wstępne magazynowanie (zbiorniki wstępne)

3.Odpowiednie ukształtowanie ekotonów woda/ląd oraz zadrzewień

Rola ekotonów woda/ląd w strategii ochrony wód:

•filtrowanie spływu grawitacyjnego (strefa o szerokości 7-10 m

efektywnie zatrzymuje P i N)

•redukcja erozji zlewni

•retencja i biodegradacja pestycydów

rozkład czasowy zasilania w materię organiczną

•zacienienie (lokalnie, w strefie przybrzeżnej) o ograniczenie

produkcji

1. Działania wewnętrzne (walka ze skutkami eutrofizacji):

1. Operacje fizyczne:

•mieszanie i destratyfikacja termiczna

•aeracja, zwiększanie ilości tlenu w hypolimnionie jezior

•selektywne zrzuty wody (zbiorniki zaporowe)

2. Operacje chemiczne:

•wewnętrzne strącanie biogenów (zastosowanie związków glinu

i wapnia, glin, pyłów, natlenionych mułów jeziornych)

•unieruchamianie i usuwanie osadów dennych

3. Operacje biologiczne:

•mechaniczne usuwanie roślinności wodnej

•biomanipulacja

Zakwaszenie wód (acidyfikacja)

Przyczyny:

•zanieczyszczenia atmosferyczne SO2 i NOx

•

•wysokie stężenia substancji humusowych

•

•słabe zdolności buforowe wód (związane z charakterem podłoża)

•

•stopniowy proces polodowcowego zakwaszania wód

Niekorzystne zmiany towarzyszące zakwaszaniu:

•ługowanie metali z gleby (szczególnie Al)

•wpływ jonów Al na obniżenie zdolności buforowej wód oraz zmianę

stężenia metali śladowych, ortofosforanu i rozpuszczonego węgla organicznego

•wzrost dostępności i toksyczności metali ciężkich spadek różnorodności gatunkowej organizmów

•hamowanie procesów rozkładu materii organicznej

Przeciwdziałanie zakwaszeniu wód

Ograniczenie emisji przemysłowej, motoryzacyjnej i ciepłowniczej

Zabiegi neutralizujące w środowiskach wodnych - wprowadzanie

NaOH (np. w Skandynawii), wapnowanie (co 3-5 lat)

Jako ścieki nietoksyczne traktuje się ścieki bytowo-gospodarcze

(w większości przypadków) oraz zanieczyszczenia naturalne.

Za toksyczne uważane są ścieki przemysłowe.

Można również podzielić ścieki na mineralne i organiczne

Wpływ ścieków w zależności od typu wód:

•wody stojące - kumulacja, głównie w osadach dennych, wtórne

włączanie do obiegu w masie wód, deficyty tlenowe spowodowane

rozkładem materii organicznej

•wody płynące - powrót do stanu normalnego po przerwaniu dopływu

ścieków (autoregeneracja); możliwość trwałej kumulacji w odcinkach

podpiętrzonych, głębokich plosach itp.

Zanieczyszczenie wód

Ocena stopnia zanieczyszczenia wód ściekami na podstawie

zapotrzebowania tlenu:

•BZT - biochemiczne zapotrzebowanie tlenu - ilość tlenu potrzebna do utlenienia związków organicznych rozkładających się za pośrednictwem bakterii (najczęściej oznacza się BZT5)

•ChZT - chemiczne zapotrzebowanie tlenu - na podstawie ilości zużytego nadmanganianu potasu lub chromianu potasu (utlenialność)

Dwie fazy biochemicznego utleniania związków organicznych:

1.Utlenianie węglowodanów (w temperaturze 20°C - 20 dni)

2.

2.Utlenianie związków azotowych (w 20° początek po 10 dniach, czas trwania ponad 70 dni)

Zanieczyszczenia zawarte w ściekach

•materia organiczna

•kwasy mineralne

sole metali ciężkich

•oleje mineralne

substancje utleniające (np. wolny chlor

•substancje redukujące (np. siarczki)

•węglowodory

•barwniki

insektycydy, fungicydy, pestycydy

skażenie radioaktywne

•skażenie bakteriologiczne

•zasady•cyjanki

•tłuszcze

•fenole

zasolenie

Zanieczyszczenie wód

Długość strefy szkodliwego zasięgu ścieków jest zależna od szybkości płynięcia wody i temperatury.

Samooczyszczanie się wód

Samooczyszczanie polega na zmniejszaniu stężenia rozpuszczonych w wodzie substancji organicznych wprowadzonych ze ściekami w wyniku włączania ich w obieg własnej przemiany materii przez konsumentów

Samooczyszczanie jest skuteczne, gdy stosunek objętości ścieków do objętości wód odbiornika jest nie większy niż 1:50.

Dopływ substancji toksycznych powoduje spowolnienie, a nawet zatrzymanie procesu samooczyszczania.

Ścieki organiczne dopływające do wody są stopniowo rozcieńczane i mineralizowane.

3 fazy mineralizacji

1. Procesy redukcyjne (zapach gnilny, zanik tlenu, niekiedy pojawianie się siarkowodoru i amoniaku)

•rozwój bardzo dużych ilości bakterii saprofitycznych, występowanie wiciowców bezbarwnych, ameb i orzęsków

•rozwój tzw. grzybów ściekowych (nitkowata bakteria Sphaerotilusnatans i grzyby z rodzaju Leptomitus i Mucor

2. Biooksydacja (ubytki, a nawet zaniki tlenu - na początku strefy)ustępowanie bakterii, pierwotniaków i grzybów na rzecz glonów masowy rozwój glonów (tzw. strefa nawożenia)

3. Pojawienie się wielogatunkowych zbiorowisk organizmów

Możliwości samooczyszczania rzek na przykładzie Tamizy

1620 r. -obrzydliwy zapach (ale wysoka produkcja ryb).

Około 1850 r. - przekroczenie wszelkich granic koncentracji ścieków

bytowych i przemysłowych (maksimum w 1858 r.)

Początek XX w. - poprawa jakości wody wskutek postępu w technice

oczyszczania ścieków - powrót niektórych gatunków ryb.

Około 1955 r. - katastrofa ekologiczna spowodowana rosnącą ilością

produkowanych ścieków (brak tlenu, występowanie siarkowodoru).

Intensywne oczyszczanie ścieków organicznych - „powrót” ryb; ok. 1973 r.

potwierdzono obecność 62 gatunków ryb. Pojawiły się bezkręgowce oraz

ptactwo wodne.

Zaburzenia w procesie samooczyszczania:

•samozanieczyszczenie

•wtórne zanieczyszczenie

•wezbrania wód

Procesy wpływające na samooczyszczanie się wód rzecznych:

1.Sedymentacja

2.

2.Adsorpcja drobnych zawiesin oraz substancji rozpuszczonych

w wodzie - tworzenie mikrowarstw organicznych

3. Rozcieńczanie ścieków - znaczenie szybkości płynięcia oraz

morfologii koryta

4. Procesy biologiczne - pochłanianie oraz rozkład materii organicznej

Zastosowanie systemu saprobów do oceny postępu samooczyszczania.

B - bakterie, F - wiciowce bezbarwne, C - orzęski, M - wiciowce roślinne

miksotroficzne, Z - zooplankton i inne zwierzęta, P - fitoplankton i inne rośliny

Wody podgrzane

Skutki zrzutu ciepłych wód

obniżenie nasycenia tlenem

stymulacja produkcji pierwotnej

•bujny rozwój zooplanktonu oraz fauny litoralu

•szybsze przyrosty ryb drapieżnych, roślinożernych i planktonożernych

•słaby rozwój fauny dennej oraz słaby przyrost ryb bentosożernych

•zmiany terminu tarła u ryb, rozciągnięcie w czasie

•przyspieszenie eutrofizacji

WYKŁAD X

Przedsięwzięcia hydrotechniczne - regulacja cieków

Cele regulacji rzek:

•poprawa żeglowności

•

•ochrona przed powodzią

•

•uzyskiwanie obszarów pod uprawy rolne oraz zabudowę

Regulacja potoków:

•budowa progów (zwiększanie retencji; nietrwałe)

•

•prostowanie koryta (przyspieszenie odpływu)

Regulacja rzek

•prostowanie i zwężanie koryta

•

•wykładanie brzegów kamieniem i betonem

•

•tamy poprzeczne i podłużne (zwężenie nurtu)

•

•budowa wałów przeciwpowodziowych (ograniczanie terenów zalewowych)

•

•odcinanie rękawów, starorzeczy itp.

•

•pogłębianie koryta

•

•budowa zapór (zbiorniki zaporowe)

Skutki regulacji koryta cieków

1.Przyspieszenie odpływu wód powierzchniowych

2.Erozja wgłębna koryta, obniżenie poziomu wód gruntowych

3.Spadek zdolności samooczyszczania (od kilkunastu do kilkudziesięciu

razy)

2. Wtórne zmiany przyrzecza spowodowane regulacją koryta rzek:

•likwidacja środowisk podmokłych (zmniejszenie retencji i wilgotności)

•naruszenie pasów naturalnej roślinności wzdłuż brzegów (ekotony)

5. Likwidacja zróżnicowania środowiskowego oraz różnorodności

gatunkowej flory i fauny w rzece (zagrożenie dla wielu gatunków ptaków

i ryb).

Budowa zbiorników zaporowych

Cele i zadania zbiorników zaporowych

1. Nawadnianie (głównie grawitacyjne

.2.Energetyka

3. Zaopatrzenie w wodę

4. Ochrona przed powodzią

5. Żegluga (zagwarantowanie ciągłości żeglugi w okresach niskich

stanów wód, zagwarantowanie bezpiecznej głębokości nurtu

w przypadku występowania progów skalnych i mielizn)

6. Rybołóstwo - gospodarka rybna

7. Zasilanie warstw wodonośnych wykorzystywanych do celów

gospodarczych

Zbiorniki zaporowe

Typy zapór:

•ziemne - stosowane na mniej stabilnych podłożach (zbiorniki nizinne)

•betonowe - na stabilnych podłożach (w górach) - zapory ciężkie

(grawitacyjne) i lżejsze (łukowe)

Cechy różniące zbiorniki zaporowe i jeziora

Wpływ zbiornika zaporowego na rzekę oraz przyległe tereny

1.Zmiany natężenia przepływu (Q) - inne wartości na wejściu niż na wyjściu.

2. Zmiany stanów wód w zbiorniku oraz na pewnych odcinkach rzeki

powyżej i poniżej zbiornika.

3. Zmiany głębokości i prędkości płynięcia wody (zmniejszenie turbulencji

i wymiany tlenowej)

4. Wahania poziomu wody - odsłanianie dna w części cofkowej przybrzeżnej.

5. Abrazja brzegów

6. Zmiana składu gatunkowego i stosunków dominacyjnych w zespołach roślinnych i zwierzęcych (w tym ryb).

Wpływ zbiornika na przyległe tereny:

1.Podniesienie się poziomu wód gruntowych w sąsiedztwie zbiornika,zwłaszcza jego górnej części oraz części cofkowej.

2.Obniżenie poziomu wód gruntowych na terenach sąsiadujących z rzeką poniżej zapory spowodowane erozją dna rzeki i obniżeniemzwierciadła wody w rzece.

Szkody spowodowane szczytowym działaniem elektrowni

1.Szybki wzrost natężeń przepływu:

•wynoszenie organizmów nieprzystosowanych do dużej prędkości płynięcia

•zmiana morfologii dna, erozja, przekształcenia układu prądów dennych

•zmniejszenie populacji organizmów bentosowych

•uszczuplenie bazy pokarmowej ryb oraz utrudnienie oddychania (unosiny)

2. Nagłe zmniejszenie przepływu i opadnięcie poziomu wody:

•obumieranie organizmów pozostających na odsłanianych obszarach

•zanik roślinności brzegowej

•zamykanie porów w dnie koryta przez osiadające sedymenty

•zmniejszenie bazy pokarmowej i przestrzeni życiowej ryb

Zbiorniki wstępne i ich funkcje

1.Ochrona zbiornika głównego przed nadmierną eutrofizacją.

2. Zatrzymywanie wleczyn i unosin - ochrona zbiornika głównego przed

zamulaniem.

3. Biochemiczny rozkład zanieczyszczeń organicznych doprowadzanych

z obszaru zlewni.

4. Ochrona zbiornika głównego przed skutkami awaryjnych, uderzeniowych

zrzutów ścieków.

5. Poprawa estetyki krajobrazu w końcu cofki

6. Dodatkowy magazyn wody oraz powstanie mokrych biotopów w strefach

przybrzeżnych.

Ograniczanie negatywnych skutków budowli wodnych

1.Zmniejszenie liczby budowli i w miarę możliwości skoncentrowanie ich

blisko siebie.

. Unikanie lokalizacji zbiorników w obszarach szczególnie atrakcyjnych

przyrodniczo oraz nadawania im cech obiektu dominującego w

krajobrazie.

3. Umożliwienie wędrówek faunie wodnej:

•stosowanie bystrotoków kamiennych o nachyleniu od 1:30 do 1:10

na mniejszych rzekach

•budowa przepławek

4. Lokalizacja w oddaleniu od miejsc przebywania i wędrówek zwierząt

lądowych.

Przerzucanie wód.

Przykłady:

1.Rozległe prace irygacyjne w rejonie Jeziora Aralskiego (środkowa

Azja) - obniżenie się poziomu wody jeziora o 15 m, zmniejszenie się

jego powierzchni o 40%, objętości o 60% od roku 1960. Trzykrotny

wzrost zasolenia wód jeziora, wyginięcie 24 gatunków ryb, wysychanie zlewni. Plany zawrócenia 3 rzek (Ob, Irtysz, Jenisej).

2. System nawadniania w Kaliforni - 90% wody pochodzi z rzeki Kolorado.

System 9 wielkich zbiorników zaporowych łapiących wiosenne wodypowodziowe. Rzeka Kolorado kończy bieg w rurociągu (225 km na północod dawnego ujścia do Zatoki Kalifornijskiej).

Skutki przerzucania wód.

1.Zmiany warunków fizycznych i chemicznych w rzekach objętych przerzucaniem wód.

2. Obniżenie poziomu wód gruntowych przez systemy kanałów (rzek nie płyną przez cały rok)

3. Pogorszenie warunków siedliskowych, ubożenie składu gatunkowego zespołów, zmiana struktury przestrzennej koryta

4. Możliwość inwazji obcych gatunków

WYKŁAD XI

Przeciwdziałanie ujemnym skutkom
gospodarczej i hydrotechnicznej działalności człowieka

Naturalna regulacja cieków

Cechy rzeki naturalnej:

•szeroka dolina

•duża różnorodność siedlisk wodnych w dolinie rzeki - odcięte meandry,

opuszczone fragmenty bocznych koryt, „ramiona”, mokradła, drobne

zbiorniki, w tym okresowe

•duże zróżnicowanie morfologiczne koryta rzeki - meandry, boczne

koryta, wyspy, mielizny

•stosunkowo wolny odpływ i niewielka erozja denna (w porównaniu z rzeką

uregulowaną

duże bogactwo gatunkowe i różnorodność biologiczna

Naturalna regulacja cieków

Wymagania stawiane naturalnej regulacji:

•Zachowanie nie skróconej trasy rzeki, zachowanie jak największej ilości

biotopów naturalnych oraz odtwarzanie biotopów zniszczonych

•Kształtowanie koryta umożliwiające powstawanie zmiennych prędkości

i układów prądów

•Stosowanie naturalnych materiałów do umocnień

Zachowanie odpowiednio szerokiego pasa brzegowego dla ekotonów

•Zastępowanie stopni pochylniami kamiennymi, szukanie rozwiązań nie

utrudniających wędrówek ryb i natlenienia strumienia

Zachowanie starorzeczy i innych zbiorników przyrzecznych

Wymagania stawiane naturalnej regulacji koryta rzecznego:

•Prowadzenie trasy regulowanej rzeki w miarę możliwości starym korytem

(unikając jednak dużych utrudnień gospodarczych i komunikacyjnych)

•Zbliżenie trasy do terenów podmokłych, drobnych zbiorników wodnych

i nieużytków

Zachowanie możliwości migracji koryta (odpowiednio szeroki „korytarz”)

Profil podłużny koryta:

Zachowanie naturalnej zmienności spadków i urozmaiconego układu koryta

•Pozostawienie wnęk i nierówności w linii brzegowej

•Wykonywanie odpowiednich konstrukcji sprzyjających zasiedlaniu przez

organizmy (elementy habitatowe)

Przekrój poprzeczny

•Pozostawienie naturalnych form brzegowych w miejscach, gdzie rzeka

płynie starym korytem

•Tworzenie sztucznych nieregularności w przekrojach nowego koryta

•Stosowanie na nowej trasie różnych i zmiennych nachyleń skarp

Utrzymanie głębokości niezbędnych dla ryb

•Unikanie zarówno nadmiernej rozbudowy, jak i zwężenia koryta. Jeżeli

konieczne jest poszerzenie koryta, stosowanie przekroju dwudzielnego

dwustronnego (symetrycznego lub niesymetrycznego) oraz dwudzielnego

jednostronnego

Roślinne pasy brzegowe

Ważniejsze funkcje roślinnych pasów brzegowych

Przebywanie, chronienie się, odpoczynek, osiadanie na stałe licznych

gatunków zwierząt

Bariera ochronna dla rzeki

Ocienianie rzek, łagodzenie skutków działania wiatrów, zabezpieczenie skarp przed erozją

Podnoszenie walorów przyrodniczych, krajobrazowych i rekreacyjnych rzeki

i jej doliny

Znaczenie gospodarcze - możliwość pozyskiwania drewna i faszyny

z wyrębu

Zalecenia dotyczące roślinnych pasów brzegowych:

Zadrzewienia nie mogą tworzyć nieprzerwanego pasa (maksymalnie na 2/3 długości brzegów)

Wysokość drzew - do 2/3 szerokości zwierciadła wody

Szerokość pasa:

ok. 10 m - możliwość całkowitego zatrzymywania dopływów N ze zlewni

1-3 rzędy drzew - przewaga drapieżników (obniżanie różnorodności

gatunkowej) 5 rzędów drzew - zasiedlanie przez wiele gatunków ptaków

Usytuowanie pasów brzegowych tak, aby nie utrudniały spływu lodów

i nie zwiększały zagrożenia powodziowego

Tereny zalewowe

Znaczenie

Retencjonowanie części wód zalewowych w dolinach

Znaczenie starorzeczy i innych drobnych zbiorników wodnych dla podtrzymywania różnorodności gatunkowej:

duża różnorodność siedlisk zróżnicowanych czasowo i przestrzennie miejsca schronienia, rozrodu, żerowania, życiaWzajemne oddziaływanie rzeki i terenów zalewowych

Wymagania dotyczące terenów zalewowych

Ograniczenie działalności gospodarczej

Ograniczanie wyrównywania terenów zalewowych oraz likwidacji zadrzewień do przypadków, gdy udowodniono groźbę powstawania zatorów lub utrudniony spływ wód

Wymagania dotyczące obwałowań i umocnień brzegów:

Możliwie szerokie rozstawienie wałów przeciwpowodziowych

Częściowe wyłączenie dolin rzecznych z ochrony przed powodzią lub zalewy

ograniczone, kontrolowane (np. w dolinie Warty na odcinku Konin-Pyzdry)

Stosowanie umocnień tylko na erodowanych, wklęsłych brzegach koryta

W miarę możliwości umocnienia roślinne

Umocnienia martwe: faszyna, kamienie, beton ażurowy+rośliny

Wyznaczenie stanowisk dla rybaków, miejsc widokowych i rekreacyjnych

Poldery

Działanie odciążające w czasie powodzi

Wskazane jest zasilanie polderów wodą o parametrach podobnych do

wezbrań naturalnych poza okresami ich wykorzystywania do ochrony przed

powodzią

Renaturyzacja rzek

Renaturyzacja - przywrócenie rzece i dolinie stanu zbliżonego do naturalnego;

nawiązanie do rzeki sprzed regulacji lub naturalnych rzek danego regionu.

Przedsięwzięcia renaturyzacyjne:

Tworzenie roślinnych pasów brzegowych

•Zmniejszenie nachylenia skarp z 1:2 do co najmniej 1:4

•Odtworzenie zróżnicowanej morfologii koryta

•Obsadzanie roślinnością zatok wyciętych w brzegu

•Tworzenie małych zbiorników na terenach zalewowych

•Odbudowa zniszczonych lasów łęgowych

Rewitalizacja - przywrócenie rzece jej funkcji ekologicznych, ożywienie jej, wprowadzenie istniejących w niej dawniejgatunków (szczególnie ryb) lub odtworzenie jej właściwości wpływających na życie i rozwój organizmów, np. zerwanie

okładzin betonowych, zmiana odcinków prostoliniowych na meandrujące.

WYKŁAD XII

Reakcja ekosystemów jezior na zanieczyszczenia:

•kumulacja dużych ilości zanieczyszczeń, w tym pierwiastków

•biogenicznych, w osadach dennych

•znacznie mniejsze zdolności samooczyszczania w porównaniu z rzekami

• Rekultywacja jezior

1. Przemywanie jezior (wodą wodociągową lub z dopływów naturalnych,

np. J. Green, Buffalo Pond, J. Snake)

2. Inaktywacja i wytrącanie nutrientów (usuwanie ze strefy eufotycznej - dobre

efekty w jeziorach dimiktycznych).

Koagulant wprowadza się na powierzchnię wody lub lodu w postaci stałej

lub płynnej; J. Starodworskie w Olsztynie: w 1994 r. wprowadzenie 5 ton,

w 1995 r. 10 ton siarczanu glinowego.

Stosuje się również substancje neutralne, jak natlenione muły jeziorne, pyły,gliny (wytrącanie nutrientów)

3. Napowietrzanie wód hypolimnionu i osadów dennych:

•z destratyfikacją - podawanie na dno jeziora sprężonego powietrza, którewypycha zimne wody hypolimnionu i miesza je z ciepłymi wodami epilimnionu

•bez destratyfikacji (bez podnoszenia temperatury

4. Selektywne odprowadzanie wód naddennych, np. w Jeziorze Kortowskim

(Olszewski, 1956), w kilkudziesięciu jeziorach Europy i Ameryki Północne

5. Usuwanie osadów dennych

J. Trummen (Szwecja) - usunięcie warstwy grubości 1 m - ok. 90% spadek koncentracji fosforu całkowitego i ok. 80% spadek stężenia azotu całkowitego, wzrost widzialności SD z 0,2 do 0,6-0,8 m, wzrost stężenia tlenu w wodzie

naddennej z 0 do 7 mg/l, spadek biomasy fitoplanktonu z 70-80 do 7-14 mg/l.

Wytrącano fosfor z wody odsączanej z osadu.

6. Eksploatacja makrofitów

np. hiacynt wodny - z jego biomasą można usunąć ok. 17 g fosforu/m2;1 ha tej rośliny może wchłonąć ilość nutrientów zawartych w ściekachprodukowanych przez 800 osób.

Z roślinnością można usunąć 20% P zatrzymywanego w jeziorze (Wile 1975).

Usuwanie makrofitów nie związane ze zmniejszeniem ilości nutrientów

- środki chemiczne i biologiczne (spasanie, niszczenie przez wirusy i inne

czynniki chorobotwórcze), obniżanie poziomu wody na zimę, nakrywanie

litoralu czarną folią

7. Eksploatacja ryb

Zawartość P w biomasie ryb wynosi 0,7%.

Wyłowienie 1000 kg ryb z ha - usunięcie 0,7 g P z 1 m2

8. Usuwanie sestonu (uzasadnione przy intensywnych zakwitach)

•usuwanie mechaniczne (odfiltrowywanie na brzegu)

•

•dodawanie zawiesiny mineralnej obojętnej chemicznie

•

•dodawanie koagulantów (np. związków glinu) powodujących sedymentację

sestonu

•dodawanie substancji toksycznych, herbicydów i in.

•

•stosowanie patogenów (grzyby, bakterie, wirusy)

•

•stosowanie algicydów, substancji allelopatycznych i in.

•

•zwiększenie przepływu wody

•

•eksploatacja sestonu przez ryby sestonożerne

Oczyszczanie ścieków

Mechaniczne

Fizyczno-chemiczne:

fizyczne - odparowywanie, wymrażanie, odgazowanie, koagulacja, sorpcja

wymiana jonowa, ekstrakcja

chemiczne - oparte na procesach redukcji, utleniania, wytrącania,

zobojętniania

Biologiczne - wykorzystanie organizmów, szczególnie zespołów bakterii, do

usuwania i rozkładania substancji zanieczyszczających

Biologiczne metody oczyszczania ścieków

1. Złoża biologiczne (złoża zraszane):

Zasada działania złoża biologicznego

Rozlewanie ścieków z góry w postaci deszczu

Rozwój błony biologicznej utworzonej przez naloty bakterii zooglealnych oraz inne organizmy dopływające ze ściekami, rozwijające się ze spor osiadających z powietrza oraz z jaj składanych przez latające owady

Czynniki warunkujące rozwój błony biologicznej: temperatura, jakość

pokarmu, przewietrzanie.

Zasada działania złoża biologicznego

Organizmy rozwijające się na złożach:

•bakterie - liczniej na ściekach miejskich

•grzyby - liczniej na ściekach przemysłowych (Fusarium, Oospora)

•glony - tylko na powierzchni złoża (nie mają większego udziału w

oczyszczaniu ścieków)

•niekiedy wątrobowce i mchy

•pierwotniaki - licznie, ułożenie strefowe w zależności od stopnia

degradacji ścieków

•makrobezkręgowce spotykane na złożach biologicznych: przedstawiciele

Oligochaeta, Colembolla, Coleoptera, Diptera, Arachnida; największe

znaczenie mają larwy much z rodzaju Psychoda

Biologiczne metody oczyszczania ścieków

2. Osad czynny

Skład osadu czynnego: bakterie (dominująca rola), pierwotniaki (głównie

orzęski), wrotki, nicienie; glony i grzyby występują rzadko

Sposoby oczyszczania ścieków metodą osadu czynnego

•oczyszczanie uproszczone - długotrwałe napowietrzanie ścieków ze znaczną

ilością osadu czynnego w basenach (obniżenie wyjściowego BZT5 do 90%);

rowy cyrkulacyjne - napowietrzanie za pomocą szczotek Kessenera utrzymujących przepływ ścieków z prędkością 0,3-0,5 m/s

•konwencjonalne - wstępne mechaniczne oczyszczanie w osadniku wstępnym, napowietrzanie przez 6-10 godzin w komorach z osadem czynnym

•wysokosprawne - utrzymywanie dużej ilości osadu czynnego w intensywnie

napowietrzanych komorach, silnie obciążonych ściekami

3. Rolnicze wykorzystanie ścieków - wzbogacenie gleb w substancje

organiczne i mineralne; szybkie oczyszczenie wód ściekowych w glebie

(w wodach drenowych ilość bakterii zmniejsza się o 99%).

4. Oczyszczanie ścieków w stawach rybnych:

•surowe ścieki muszą być rozcieńczone (1:3 - 1:5)

•konieczny stały dopływ wody niezanieczyszczonej (duże ubytki tlenu)

•odpowiednie warunki termiczne

•do 600 kg ryb z ha

W stawach możliwe jest oczyszczanie III stopnia (eliminacja biogenów).

1 ha stawów może oczyścić ścieki od ok. 3000 mieszkańców.

5. Użytkowanie ścieków do produkcji glonów:

•możliwość uzyskania dużej ilości materii organicznej z małych powierzchni

•korzystny skład chemiczny, duża wartość spożywcza (porównywalna do

soi, ilości witamin stanowiące dobowe zapotrzebowanie człowieka np. w

100 g s.m. Chlorella)

3. Oczyszczalnie korzeniowe

Biomanipulacja

Biomanipulacja polega na manipulacji strukturą troficzną biocenoz. Stosuje się ją w celu osiągnięcia poprawy stanu ekologicznrgo ekosystemów wodnych, zwłaszcza jezior (często również jako działanie umożliwiające utrwalenie efektów osiągniętych innymi metodami rekultywacji jezior).

Najczęściej biomanipulacja oparta jest na regulacji od szczytu (top-down)

- przy wykorzystaniu efektu kaskady troficznej.

Oddziaływanie na łańcuchy pokarmowe poprzez regulację liczebności ryb

planktonożernych (wprowadzanie ryb drapieżnych, odłów ryb

planktonożernych).

Wtórne procesy towarzyszące regulacji liczebności ryb:

•pojawienie się roślinności zanurzonej

•spadek wewnętrznego zasilania (P)

•redukcja resuspensji

Regulacja od dołu (bottom-up) i od szczytu (top-down) piramidy troficznej: •kontrola biomasy poziomów troficznych przebiega od szczytu ku podstawie piramidy troficznej (kaskada troficzna).

•kontrola przepływu materii i energii przebiega od podstawy piramidy

troficznej ku szczytowi.

Bottom-up - biomasy wszystkich poziomów troficznych są ze sobą dodatnio skorelowane i zależą od obfitości limitujących pierwiastków w środowisku: > dostępnych pierwiastków > biomasa glonów > zagęsz-

czenie zooplanktonu > ryb planktonożernych > ryb drapieżnych

Top-down - wartości biomasy sąsiadujących poziomów troficznych są ujemnie skorelowane: > ryb drapieżnych < ryb planktonożernych > zooplanktonu < glonów > pula pierwiastków biogenicznych

Zasady biomanipulacji opartej na ograniczeniu liczebności ryb

planktonożernych

1. Redukcja biomasy ryb planktonożernych musi wynosić ≥75%

2. Ograniczenie liczebności ryb planktonożernych musi być przeprowadzone szybko (w ciągu 1-3 lat)

3. Powinna być również ograniczona liczebność ryb bentosożernych

1. Ograniczenie liczebności narybku

5. Poprawa warunków dla makrofitów zanurzonych

3. Redukcja zewnętrznego dopływu nutrientów

Przykłady biomanipulacji

Jezioro Vaeng (Dania):

•Odłów 50% ryb planktonożernych/bentosożernych (głównie leszcz i płoć)

•Zmiana struktury zooplanktonu

•Wzrost biomasy zooplanktonu i spadek biomasy fitoplanktonu

•Wzrost widzialności SD: 0,6 m (1986 r.) - 1 m (1987 r.) - 1,3 m (1988 r.)

•Wzrost liczebności makrofitów zanurzonych

•Redukcja wewnętrznego zasilania w P (poprawa warunków redox)

Bezpośrednia biomanipulacja w obrębie zespołów zooplanktonu:

•Wprowadzenie Daphnia magna

•Możliwość uzyskania długotrwałego efektu czystej wody

•Wzrost zagęszczenia Elodea canadensis

Przykłady problemów związanych z planowaniem zabiegów biomanipulacyjnych

•Głównym składnikiem pokarmu planktonowych zwierząt roślinożernych

bywają zazwyczaj nie żywe rośliny, ale detrytus i bakterie (zwłaszcza

w wodach bardzo żyznych)

•Istnienie mechanizmów obronnych u roślin planktonowych: wysokietempo reprodukcji, struktury obronne morfologiczne (kształt, wielkość,kolonijność) i chemiczne (produkcja związków toksycznych oraz osłon

zabezpieczających przed strawieniem)

•Regeneracja mineralnych form azotu i fosforu przez zooplankton (czynnik stymulujący wzrost glonów)

•Obfitość ryb planktonożernych (redukcja zagęszczenia populacji zwierząt planktonowych, szczególnie dużych wioślarek) i bentosożernych (uwalnianie P z osadów dennych i materii organicznej będącej pokarmem

ryb)

•Intensyfikacja produkcji pierwotnej i nie zawsze korzystna przebudowa zespołu makrofitów związana z wprowadzeniem do ekosystemu ryb roślinożernych (amur biały może wyeliminować makrofity w przypadku

złego doboru zagęszczenia tych ryb).

•Niska wydajność ryb planktonożernych w ograniczaniu biomasy

•planktonu (tołpyga biała i pstra)

Najlepsze i najbardziej trwałe efekty poprawy stanu ekologicznego wód

można osiągnąć poprzez równoczesne oddziaływanie od szczytu

(top-down) i od dołu piramidy troficznej (bottom-up).

Mniejszy (<100)

Zwykle 1x rocznie (roztopy), niewielki

Powierzchniowy

Małe do 1 m (lub brak)

Znikome

Półeliptyczny

znikome

Duży (>100)

Kilka razy rocznie (znaczny)

Przeważnie denny

Duże

Duże (do kilkudziesię-

ciu%)

Trójkątny

silne

Stosunek powierzchni zlewni do powierzchni zbiornika

Przybór wody

Odpływ

Wahania poziomu wody

Okresowe odsłanianie dna

Przekrój podłużny misy

Niszczenie brzegów

Jezioro

Zbiornik Zaporowy

Dobrze wykształcony

Stabilna

Przewaga autochtonicznych

Zwykle >10 000 lat

Długi (lata - tysiące lat)

Żadna

Brak lub słabo wykształcony

Nieostra, zmienna

Przewaga allochtonicznych

Zwykle <100 lat

Krótki (godziny - tygodnie)

Duża

Litoral

Stratyfikacja (latem)

Pochodzenie osadów dennych

Wiek

Czas retencji wody

Możliwość wymywania osadów dennych i biocenoz

Jezioro

Zbiornik zaporowy

2

---