Hydrobiologia Problemy hydrobiologii stosowanej

1. HydrobiologiaProblemy hydrobiologii stosowanej Eutrofizacja Saprobizacja Acydifikacja

2. Eutrofizacja - definicja • Przez pojęcie eutrofizacji rozumie się proces wzbogacania wód w mineralne sole biogeniczne, tak na drodze naturalnej, jak i sztucznej. Właśnie w takim znaczeniu, na określenie wzbogacenia wód jeziornych, użył tej nazwy Hasler w 1947 roku. • Pod tym pojęciem rozumie się więc proces dynamicznej zmiany stanów (oligotroficzny - eutroficzny).

3. Eutrofizacja - przyczyny • Eutrofizacja w zbiorniku wodnym objawia się zwiększoną produkcją materii organicznej. • Przyczyny tego zjawiska są różne: warunkują je czynniki chemiczne, biologiczne, fizyczne i natury geograficznej związane z klimatem.

4. Eutrofizacja naturalna • Eutrofizacja zależy od całego kompleksu czynników i jest zjawiskiem stałym, związanym ze spływem wód opadowych ze zlewni. • Stąd też zachodzi on tak długo, jak długo istnieją zbiorniki wodne. • Zjawisko takie nazywano eutrofizacją naturalną ponieważ przyczyny jego mają pochodzenie naturalne (przyrodnicza erozja zlewni).

5. Eutrofizacja sztuczna • Naturalny przebieg procesu eutrofizacji został zintensyfikowany działalnością człowieka, a przede wszystkim spływem różnego rodzaju ścieków (komunalnych, przemysłowych, rolniczych). • Przyspieszenie procesu eutrofizacji wywołane przez działalność człowieka zostało określone nazwą eutrofizacji sztucznej. Jest ona nieodłącznym atrybutem cywilizacji i związane jest to z przekształcaniem przez człowieka otoczenia.

6. Rola węgla, azotu i fosforuw procesach eutrofizacji • Zapotrzebowanie do produkcji biologicznej wynikającym ze stosunku C:N:P w ciele glonów wynoszącym 40:7:1. • W wodach naturalnych zapasy węgla są w nadmiarze, np. w zbiornikach oligotroficznych stosunek C:N:P = 600:20:1. • Zupełnie inaczej stosunek ten kształtuje się w wodach zanieczyszczonych, np. w ściekach komunalnych wynosi 6:4:1

7. Eutrofizacjapierwiastki limitujące produkcję • Pierwiastkami limitującymi produkcję i decydującymi o procesie eutrofizacji są azot, a szczególnie fosfor. • Zasadnicza rola tego ostatniego pierwiastka wynika także z łatwiejszej dostępności azotu - w wielu typach wód, szczególnie w warstwie powierzchniowej, azot może być uzupełniany z powietrza dzięki zdolnościom fiksacji wolnego azotu przez sinice. • W takiej sytuacji proces eutrofizacji jest silnie uzależniony od stężenia fosforanów w wodzie.

8. Źródła soli biogennych I • Ścieki przemysłowe, • Spływ komunalny i z gospodarstw wiejskich, • Spływ ze zlewni (ługowanie i erozja gleb). • Ważną rolę odgrywają również opady atmosferyczne.

9. Źródła soli biogennych II • Duża ilość związków azotowych, niekiedy ponad 50% całości, pochodzi z ługowania gleb. • Głównym źródłem fosforu są wody odpadowe z gospodarstw domowych, w czym istotną rolę odgrywają środki piorące (detergenty). • Duże ilości soli biogennych zawarte są w ściekach z zakładów przemysłu rolnego (krochmalnie, cukrownie, rzeźnie, gorzelnie, mleczarnie, browary, drożdżownie). Mogą one stanowić 50-70% ładunku zawartego w ściekach miejskich.

10. Źródła soli biogennych III • Współczesne nawożenie mineralne przyspiesza proces eutrofizacji. • Do zbiorników wodnych dostają się te związki chemiczne, które bezpośrednio powodują eutrofizację naturalną. • Z gleb najintensywniej wypłukiwane są związki wapnia i azotu. Wapń wymywany jest w postaci rozpuszczalnych kwaśnych węglanów. • Przenoszenie ze zlewni do zbiornika tej postaci związków wapnia, jak również magnezu, powoduje wzbogacenie wody w dwutlenek węgla.

11. Źródła soli biogennych IV • Azot jest wymywany z gleb głównie w postaci azotanów. • W rolnictwie stosuje się obecnie nawozy zawierające więcej formy amonowej, np. mocznik, saletra amonowa i siarczan amonowy. Nie ogranicza to jednak ilości azotanów w glebie ze względu na zachodzącą szybko hydrolizę mocznika oraz intensywną nitryfikację formy amonowej. • W efekcie prowadzi to do wzrostu koncentracji azotu azotanowego, który nie jest zatrzymywany przez kompleks sorpcyjny gleb

12. Wymywanie azotu z gleb • Uzależnione jest od poziomu nawożenia, płodozmianu uprawy i właściwości mechanicznych gleb, szczególnie ich przepuszczalności. (Gleby lekkie, przepuszczalne, których w Polsce jest ponad 50%, sprzyjają nitryfikacji, a w efekcie wymywaniu azotanów). • Zjawisko wymywania związków azotowych jest zwielokrotnione w okresie wiosennych powodzi, kiedy to równocześnie od wysiewu nawozów mineralnych zaczynają się roboty polowe. • Przyjmuje się, że odpływ azotu z gleb uprawnych w Polsce wynosi 10-20 kg/ha rocznie.

13. Wymywanie fosforu • Jest niewielkie i zasadniczo nie przekracza 0,5 kg/ha rocznie. • Fosforany, stosowane w postaci superfosfatu, szybko wiązane są chemicznie w glebie i dlatego przemieszczanie ich jest bardzo powolne. • Podobnie sole potasowe i amonowe są wiązane w kompleksie sorpcyjnym gleb, jednak wiązanie to słabnie w miarę wzrostu kwasoty gleby. Staje się to coraz bardziej poważnym problemem wywołanym rozszerzającym się zjawiskiem zakwaszania środowiska naturalnego.

14. Rola opadów atmosferycznych jako źródła biogenów • Zależy od stopnia zanieczyszczenia powietrza. W opadach występuje stosunkowo dużo związków azotowych, głównie amonowych. Przewaga formy amonowej nad azotanową związana jest ze stopniem zanieczyszczenia powietrza. • Szacuje się, że ilości związków azotowych pochodzących z opadów atmosferycznych wynoszą rocznie w rejonach rolniczych około 10 kg/ha, a w przemysłowych ponad 20 kg/ha, zaś fosforu tą drogą dostaje się około 0,5 kg/ha.

15. Walka z eutrofizacją I • Polega na ograniczeniu przyczyn nadmiernego wzrostu roślin wodnych, w tym przede wszystkim fitoplanktonu, oraz likwidacji skutków tego zjawiska. • Ograniczenie przyczyn eutrofizacji polega na eliminowaniu soli biogennych poprzez oczyszczanie ścieków. • Dość łatwo dają się eliminować fosforany, poprzez wytrącanie ich w nierozpuszczalnych solach żelaza, glinu lub wapnia. Na przykład dodanie do ścieków w trakcie ich oczyszczania chlorku żelazowego eliminuje około 90% fosforanów

16. Walka z eutrofiacją II • Metod wytrącania z wody nie można stosować do eliminacji ani azotanów, ani soli amonowych, gdyż są one dobrze rozpuszczalne w wodzie. • Próbuje się w tym przypadku stosować metody fizykochemiczne polegające na alkalizowaniu ścieków i usuwaniu gazowego amoniaku lub stosowaniu wymieniaczy jonowych. Metody te mają wiele mankamentów i są mało wydajne

17. Walka z eutrofiacją III • Większą wydajnością charakteryzują się metody biologiczne oparte na denitryfikacji azotanów. • Duże nadzieje budzą metody, w których glony są użyte jako eliminatory biogenów. Jest to typowy przykład oczyszczania biologicznego, dzięki któremu można by uzyskać prawie zamknięty obieg biogenów, gdyż zmagazynowane metabolicznie w glonach biogeny, pochodzące ze ścieków, mogą być stosowane w rolnictwie jako doskonały nawóz.

18. Walka z eutrofiacją IV • Przedstawione metody walki z eutrofizacją dotyczą tzw. punktowych źródeł zanieczyszczeń. • Sytuacja jest znacznie bardziej skomplikowana w przypadku rolniczych źródeł eutrofizacji, gdyż mamy tu do czynienia z przestrzennym zanieczyszczeniem. • Eutrofizację rolniczą można ograniczyć przez stosowanie nawozów wiązanych w glebie, tym samym wolniej z niej wymywanych i pełniej wykorzystywanych przez rośliny uprawne. • Ważne są w tym przypadku także zabiegi mające na celu zwiększanie kompleksu sorpcyjnego i ograniczenie erozji gleb.

19. Saprobizacja - definicja • Zjawisko zanieczyszczania wód naturalnych w wyniku działalności gospodarczej. • Jest ono przedmiotem badań nauki zwanej saprobiologią lub biologią ścieków. • Zadaniem tej nauki, wspólnie z odpowiednimi działami techniki, jest poznanie, ograniczenie i usuwanie zanieczyszczeń.

20. Woda zanieczyszczona • to taka, której stan jest tak zmieniony, iż użytkowanie jej do celów domowych i przemysłowych jest ograniczone lub niemożliwe. • Wody silnie obciążone biogenami w stanie tzw. politrofii lub nawet hipertrofii, mogą funkcjonować według normalnych prawideł obiegu materii. Jednak sytuacja, w której następuje taka kumulacja materii organicznej, że procesy obiegu materii są zahamowane, przypomina stosunki panujące w zbiornikach nieharmonicznych. • Stan ten określa się nazwą saprotrofii.

21. Zbiornik saprotroficzny • to taki, w którym procesy destrukcyjne, czyli rozpadowe (czasami określane jako stan saprobii), przeważają nad procesami produkcyjnymi (czyli nad trofią), mimo dużej zawartości biogenów w formie wolnej lub związanej w materii organicznej.

22. Ściek - definicja • Ściek jest to dopływ wnoszący do wody naturalnej substancje zanieczyszczające; • Ścieki w chwili wpływania do odbieralnika (odbieralnik to zbiornik wodny, do którego spływają ścieki), ulegają rozcieńczeniu i zaczyna się proces samooczyszczania.

23. Kategorie ścieków • - ścieki gospodarcze, inaczej domowe, powstałe w wyniku używania wody do celów domowych, obciążone są one w znacznym stopniu odchodami; • - ścieki komunalne, pochodzące z osiedli, zawierają one ścieki gospodarcze i przemysłu komunalnego, z mleczarni, rzeźni itp.; • - ścieki przemysłowe, z dużych zakładów chemicznych, celulozowych, garbarskich i in.

24. Zjawisko samooczyszczania • Samooczyszczanie się wody jest procesem biologicznym. • Polega on na adsorpcji i resorpcji przez organizmy żywe zanieczyszczeń oraz na rozkładzie i mineralizacji rozpuszczonej materii organicznej przy udziale mikroorganizmów. • Ścieki przemysłowe zawierające cyjanki, fenole lub sole metali ciężkich powodują zatrucie organizmów, co wyklucza zaistnienie zjawiska samooczyszczania odbywającego się dzięki procesom biologicznym.

25. Etapy samooczyszczania I • Na pierwszym etapie samooczyszczania aktywne są przede wszystkim te organizmy, które potrzebują materii organicznej jako pożywienia. • Są to bakterie i grzyby, żywiące się materią organiczną. • Do grupy tej należą też miksotroficzne glony, częściowo wykorzystujące materię organiczną rozpuszczoną w wodzie.

26. Etapy samooczyszczania II • Szybko namnażające się bakterie są usuwane ze środowiska, przez zjadające je zwierzęta - ameby, orzęski, wrotki, rozwielitki, skąposzczety, larwy owadów i inne. • Tak więc na materii organicznej ścieków powstaje nowe życie. • Przyjmuje się, że rzeka potrafi się sama oczyścić, gdy ilość ścieków organicznych w stosunku do czystej wody wynosi 1:50.

27. System saprobów- definicja • System saprobów oparty jest na różnicach w składzie gatunkowym organizmów zasiedlających rzekę od wpłynięcia do niej ścieków, aż po ich oczyszczenie i zmineralizowanie. • Organizmy, które zasiedlają to zanieczyszczone środowisko noszą nazwę saprobów (od greckiego słowa sapros - gnijący).

28. Systemem saprobówKolkwitza i Marssona 1908-1910 • - polisaproby żyjące w wodach silnie zanieczyszczonych; • - -mezosaproby - w wodach średnio zanieczyszczonych; • - -mezosaproby - w wodach mniej zanieczyszczonych; • - oligosaproby - w wodach mało zanieczyszczonych. • Organizmy bytujące w wodach nie zanieczyszczonych określa się nazwą katarobów

29. Kategorie gatunkówkryterium: zdolność do bytowania w wodzie zanieczyszczonej • - saprobionty, żyjące wyłącznie w wodach zanieczyszczonych; • - saprofile, żyjące zwykle w wodach zanieczyszczonych, ale występujące także w wodach czystych; • - saprokseny - żyjące tylko w wodach czystych, unikające środowisk zanieczyszczonych; • - saprofoby - niezdolne do życia w obecności zanieczyszczeń.

30. Udział poszczególnych typów saprobiontów w różnych strefach saprobii

31. System zbiorowisksaprobowych wg Fjerdingstada I • 1. Kaprozoiczna (ścieki komunalne zawierające fekalia) 1 - bakterie; 2 - zespół wiciowców bezbarwnych z rodzaju Bodo; 3 - zbiorowisko zawierające oba zespoły razem • 2. Alfa-polisaprobowa (odpowiada polisaprobii w systemie Kolkwitz-Marssona) 1 - Euglena; 2 - Rhodo- i Thiobacteriae; 3 - jednorodne skupienia Chlorobacterium • 3. Beta-polisaprobowa 1 - Beggiatoa; 2 - Thiothrix nivea; 3 - Euglena • 4. Gamma-polisaprobowa 1 - Oscillatoria chlorina; 2 - Sphaerotilus natans

32. System zbiorowisksaprobowych wg Fjerdingstada II • 5. Alfa-mezosaprobowa (odpowiada mezosaprobii w systemie Kolkwitz-Marssona) 1 - Ulothrix zonata; 2 - zespół sinic bentonicznych z rodzaju Oscillatoria; 3 - Stigeoclonium tenue • 6. Beta-mezosaprobowa 1. Cladophora fracta; 2 – Phormidium • 7. Gamma-mezosaprobowa 1 - zespół krasnorostów z gatunkami Batrachospermum moniliforme, Lemanea fluviatilis; 2 - zbiorowiska zielenic z dominacją Cladophora glomerata lub Ulothrix zonata (typ czystowodny)

33. System zbiorowisksaprobowych wg Fjerdingstada III • 8. Oligosaprobowa (odpowiada oligosaprobii w systemie Kolkwitz-Marssona) 1 - zbiorowisko zielenic z dominacją Draparnaldia glomerata; 2 - Meridion circulare; 3 - zbiorowisko krasnorostów z gatunkami Lemanea annulata;, Batrachospermum vagum, Hildenbrandtia rivularis; 4 - Vaucheria sessilis; 5 - Phormidium inundatum • 9. Katarobowa 1 - zbiorowisko zielenic z Chlorotylium ataractum i Draparnaldia plumosa; 2 - zbiorowisko krasnorostów z Hildenbrandtia rivularis; 3 - zbiorowiska glonów inkrustowanych węglanem wapnia (Calothrix)

34. Przyczyny modyfikacjisystemu saprobów • Rozwój przemysłu - pojawienie się nowych typy ścieków, o specyficznym charakterze ekologicznym. • Dla określenia zanieczyszczenia wód, obok saprobowości, wprowadzono stany toksyczności i radioaktywności, a dla określenia odpowiednich stopni zanieczyszczenia posłużyły zespoły gatunków proponowane przez Fjerdingstada oraz liczebność bakterii, a przede wszystkim zjawiska metaboliczne określające potencjał produkcyjny.

35. Cztery kategorie wód:System Sládečka • - katarobowe najczystsze, zdatne do picia bez dodatkowego oczyszczania; • - limnosaprobowe - zanieczyszczone, dzielące się na: ksenosaprobowe, oligosaprobowe, -mezo- saprobowe, -mezosaprobowe i polisaprobowe; • - eusaprobowe - ściekowe, obejmujące: izosaprobowe, hipersaprobowe i ultrasaprobowe; • - transsaprobowe - ścieki nie rozkładające się w procesach biologicznych; są to: antysaprobowe, kryptosaprobowe i radiosaprobowe.

36. Charakterystyka wód zanieczyszczonychwg. Fjerdingstada i Sládečka I

37. Charakterystyka wód zanieczyszczonychwg. Fjerdingstada i Sládečka II

38. Charakterystyka wód zanieczyszczonychwg. Fjerdingstada i Sládečka III

39. Charakterystyka wód zanieczyszczonychwg. Fjerdingstada i Sládečka IV

40. Metody mechaniczne oczyszczania ścieków • Pierwszym etapem oczyszczania ścieków jest oczyszczanie mechaniczne, w trakcie którego dzięki odpowiednim urządzeniom technicznym i seriom odstojników usuwane są większe materiały, zawiesina i substancje olejowe. • Natomiast wśród biologicznych sposobów oczyszczania ścieków wyróżnia się zabiegi naturalne, półnaturalne i techniczne.

41. Metody naturalne • Zabiegi naturalne polegają na podlewaniu wodami ściekowymi łąk lub pól uprawnych. • Wówczas obecne w glebie mikroorganizmy spełniają rolę reducentów mineralizujących materię organiczną zawartą w ściekach. • Takiej utylizacji mogą podlegać tylko ścieki nietoksyczne.

42. Metody półnaturalne • Metody półnaturalne to takie, kiedy ścieki przepływają przez kilka sztucznych zbiorników dobrze naświetlonych i natlenionych. • Zachodzi w nich proces samooczyszczenia drogą naturalną. • W końcowych etapach tego procesu zbiorniki te mogą być wykorzystane do hodowli ryb.

43. Metody techniczne • Metody techniczne mają za zadanie uefektywnienie i przyspieszenie procesu samooczyszczania. • W tym celu stosuje się tzw. osad czynny lub tzw. złoże biologiczne. • Metody te charakteryzują się dużą wydajnością.

44. Osad czynny • . Osad czynny to zawiesina ścieków z odpowiednimi grupami bakterii, najczęściej w postaci kłaczkowatych, śluzowatych skupień. • Jest on stale mieszany i przewietrzany. • Osad czynny powoduje skupianie się zawiesiny i koloidów, przy jednoczesnym rozkładzie chemicznym.

45. Złoże biologiczne • Złoża biologiczne są to kilkumetrowej długości, cylindryczne kolumny wypełnione porowatym gruzem mineralnym - koksem lub żużlem. • Od góry sączą się przez nie ścieki, zaś powietrze jest tłoczone pod ciśnieniem od dołu, tak więc w górnej części zachodzą procesy beztlenowe, natomiast w dolnej tlenowe, z przewagą nitryfikacji, dzięki obecnym tam bakteriom, pierwotniakom, wrotkom, nicieniom, a nawet larwom owadów

46. Mankamenty oczyszczania biologicznego • Oczyszczanie biologiczne nie usuwa soli biogennych ze ścieków, dlatego też ważny jest etap oczyszczania chemicznego - chemicznie nie oczyszczone wody pościekowe powodują eutrofizację.

47. Acydyfikacja definicja • Zjawisko zakwaszania środowiska. • Intensyfikacja przemysłu i motoryzacji - zwieszenie w atmosferze dwutlenku siarki i tlenków azotu. • Normalny odczyn deszczu - pH=5-6. • Aktualnie w Europie pH wody deszczowej jest dużo mniejsze, między 4,5 i 5. W pojedynczych przypadkach notowano jeszcze mniejsze wynoszące około 3.

48. Opad suchy • Część emitowanego z kompleksów przemysłowo-komunalnych dwutlenku siarki (S02) i tlenku azotu (NO) opada na ziemię w pobliżu - mówimy wówczas o tzw. suchym opadzie. Pozostała, większa część jest przenoszona na znaczne odległości ruchami powietrza. • Opad suchy po spadnięciu na ziemię, a w szczególności do wody, ulega transformacji jonowej i daje w efekcie kwasy.

49. Opad mokry - „kwaśne deszcze” • W czasie przemieszczania w atmosferze następuje utlenianie gazów i tworzy się kwas siarkowy (H2SO4) i kwas azotowy (HNO3), które w wilgotnym środowisku chmur ulegają dysocjacji. • W takiej formie mieszanki jonów: SO4--, NO3- i H+ dostają się na powierzchnię ziemi podczas opadów. • Kumulacja tych jonów zachodzi w glebie i w zbiornikach wody naturalnej

50. Charakter polskich opadów atmosferycznych • Notuje się dużą ilość związków siarki. • Spowodowane jest to właśnie zanieczyszczeniem atmosfery dwutlenkiem siarki. • Roczny opad tych związków w Polsce w rejonach rolniczych waha się w granicach 10-15 kg/ha, a w okręgach przemysłowych 32-95 kg/ha.