Bioindikace a monitoring ekologického stavu povrchových vod

1. Bioindikace a monitoringekologického stavu povrchových vod Světlana Zahrádková Vít Grulich

2. Bioindikace a monitoring ekologického stavu povrchových vod: Principy

3. Bioindikace a monitoring ekologického stavu povrchových vod: Principy http://www.mzp.cz/cz/monitoring_vod http://hydro.chmi.cz/arrowdb_p/index.php

4. Bioindikace a monitoring ekologického stavu povrchových vod: Principy Proč? • Limnické ekosystémy - jedna z nejvýznamnějších složek globálního ekosystému • na těchto přírodních zdrojích je závislý rozvoj a zánik celých civilizací • původní motivace - dostupnost pitné i užitkové vody její kvalita • později také hodnocení vodních ekosystémů z obecného hlediska • cílený ekologický výzkum - od počátku 20. století

5. Bioindikace a monitoring ekologického stavu povrchových vod: Principy • Změny v ukazatelech kvality životního prostředí je možno sledovat: • pomocí přímých fyzikálních měření či chemických analýz jednotlivých ukazatelů • konkrétní, exaktní informaci o např. koncentraci polutantu v prostředí, intenzitě záření, průběhu teplot a pod. • pouze okamžitý, bodový stav - nutné provádět celé série měření v čase nebo prostoru • není možno zjistit skutečný vliv změn jednotlivých faktorů, případně kumulovaný vliv více faktorů, na živé organismy. • vyšší finanční náročnost • zprostředkovaně pomocí metod založených na principu biodiagnostiky • levnější, dlouhodobý stav, reflektuje kumulativníúčinky látek • Přístupy se navzájem vhodně doplňují, ALE • vzájemná zastupitelnost omezená

6. Bioindikace a monitoring ekologického stavu povrchových vod: Principy SMĚRNICE 2000/60/ES EVROPSKÉHO PARLAMENTU A RADY z 23. října 2000 ustavující rámec pro činnost Společenství v oblasti vodní politiky. Dokument komplexní: • kvalitativní i kvantitativní aspekty • množství a jakost vody) • ochrana ekosystémů • povrchové, podzemní a pobřežní vody • územní princip: řízení v oblastech povodí Zjišťuje se stav povrchové vody jako vstupní informace pro management.

7. Bioindikace a monitoring ekologického stavu povrchových vod: Principy Útvar povrchové vody - „vodní útvar“ samostatný a významný prvek povrchové vody jako je jezero, nádrž….. tok, část toku silně ovlivněný vodní útvar umělý vodní útvar

8. Požadavky Rámcové směrnice EU o vodách na metody hodnocení stavu vodních útvarů • Provádět typově specifické hodnocení. Navrženy jsou dva systémy typologie (systém A, B). • Biologické prvky pro hodnocení ekologického stavu: • fytoplankton • fytobentos • makrofyta • (zooplankton) • makrozoobentos • ryby • Definici cílového ekologického stavu založit na přirozených - referenčních podmínkách (velmi dobrý ekologický stav). • Definovat čtyři stupně ovlivnění (dobrý, střední, poškozený, zničený • Přesně definovat, jak bude ekologický stav zjišťován.

9. Bioindikace a monitoring ekologického stavu povrchových vod: Principy Stav povrchové vody obecné vyjádření stavu útvaru povrchové vody, určený horším z jeho ekologického nebo chemického stavu. Fyzikálně-chemické a chemické složky všeobecné: fyzikálně-chemické a chemické analýzy vody a sedimentů (teplota, salinita, acidobazický stav, živiny) specifické znečišťující látky standardní, normované metody

10. Bioindikace a monitoring ekologického stavu povrchových vod: Principy Ekologický stav vyjádření kvality struktury a funkce vodních ekosystémů, spojených s povrchovými vodami hodnocena: biota hydromorfologické parametry (podpůrné): hydrologický režim kontinuita toku morfologické podmínky

11. Bioindikace a monitoring ekologického stavu povrchových vod: Principy Přístupy k hodnocení ekologického stavu toků: typově specifický x lokálně specifický (type specific x site specific) specifický vůči stresoru x nespecifický vůči stresoru (obecně degradace) (stressor specific x general degradation)

12. Bioindikace a monitoring ekologického stavu povrchových vod: Principy Stres Stav biotického či abiotického systému v podmínkách nepříznivých vlivů (force). Napětí (námaha – strain) Odezva na působení stresu – před tím, než nastane poškození (damage). Poškození (damage) Výsledek příliš působení vysokého stresu, který nadále nemůže být kompenzován. Elastické a plastické napětí (reverzibilní a ireverzibilní stav).

13. Bioindikace a monitoring ekologického stavu povrchových vod: Principy • Stresory • změny morfologie vodních útvarů • změny hydrologického režimu • znečištění • organické - lehce odbouratelnými látkami - saprobita • eutrofizace • acidifikace • inertní anorganický materiál • těžké kovy • persistentní organické polutanty • tepelné znečištění • mikrobiální znečištění

14. Bioindikace a monitoring ekologického stavu povrchových vod: Principy Typ toku Referenční podmínky - samostatné kapitoly

15. Bioindikace a monitoring ekologického stavu povrchových vod: Principy Bioindikace

16. Bioindikace a monitoring ekologického stavu povrchových vod: Principy Bioindikace (sensu lato) v ochraně přírody Target species concept - cílové druhy Keystone species – klíčové druhy (vč.: ekosystémoví inženýři – tvůrci) Flagship species – vlajkové (signální) druhy (druhy na čele zájmu) Ohniskové druhy – (pro určení rozsahu a rozmístění chráněných biotopů, jsou to druhy citlivé k ohrožujícím činitelům Umbrella species – deštníkové druhy (opatření k jejich ochraně pomáhají chránit i další druhy Chráněné druhy Vzácné druhy Endemické druhy Reliktní druhy Snadno sledovatelné druhy etc.

17. Bioindikace a monitoring ekologického stavu povrchových vod: Principy • Biodiagnostika • využívá znalostí o zákonitých vazbách mezi: • kolísáním výskytu • chováním • tělesnou kondicí • morfologickými znaky • fyziologickými pochody • populační dynamikou organismů (bioindikátorů) • velikostí a strukturou jejich společenstev a mezi: • podmínkami prostředí, zejména podmínkami výjimečnými a kvalitativně změněnými k: • hodnocení odchylek od normálu jako nepřímých ukazatelů stavu a vývoje prostředí. • (Nováková in Dykyjová, 1989).

18. Bioindikace a monitoring ekologického stavu povrchových vod: Principy Organismus nebo společenstvo, jehož životní funkce jsou korelovány s faktory prostředí tak těsně, že mohou sloužit jako jejich ukazatele se nazývá bioindikátor. Biologická indikace vychází z principu ekologické valence (Hess, 1924) Druhy stenovalentní jsou lepšími indikátory než euryvalentní - mají vyšší indikační váhu.

19. Bioindikace a monitoring ekologického stavu povrchových vod: Principy Bioindikátor organismus (popř. jeho část či společenstvo organismů), který obsahuje kvantitativní či kvalitativní informaci o stavu prostředí nebo jeho části. Biomonitor takový bioindikátor, který zahrnuje informaci o kvantitativních aspektech kvality prostředí. Sentinelový organismus - kumuluje ve svém těle polutanty z prostředí. Analýza tkání sentinelových organismů umožní odhad koncentrace polutantu v prostředí. Biomarker - xenobiotiky navozená změna v buněčných nebo biochemických složkách, procesech, strukturách nebo funkcích, která je měřitelná v biologickém systému či vzorku. (NRC, 1987).

20. Bioindikace a monitoring ekologického stavu povrchových vod: Principy • Vlastnosti ideálního bioindikátoru: • Taxonomická spolehlivost a snadná determinace • Kosmopolitní rozšíření • Vysoká početnost • Nízká genetická a ekologická variabilita • Dostatečné velikost • Omezená pohyblivost, dlouhověkost • Dostatek autekologických informací • Vhodnost pro laboratorní studie • Pro sentinelové organismy navíc • Musí existovat jednoduchá, vždy platná korelace mezi obsahem polutantu v těle organismu a prostředí • Organismy musí snášet i maximální koncentrace polutantu v prostředí a rozmnožovat se za těchto podmínek (Helawell, 1986)

21. Bioindikace a monitoring ekologického stavu povrchových vod: Principy

22. Bioindikace a monitoring ekologického stavu povrchových vod: Principy • Bioindikace může probíhat na úrovni: • subbuněčné a buněčné • např. tkáňové kultury, indikace toxikologického rizika působení xenobiotik. • jedince a populace • biochemické změny - např. aktivita cholinesterázy (Ephemerella nebo Hydropsyche při hodnocení vlivu organofosfát. insekticidů) • fyziologickézměny (např. spotřeba kyslíku u Chironomus) • morfologické deformity (pakomáři) • změny v chování (zvýšená pohybová nebo driftová aktivita) • změny v životních cyklech (přežití, růst, mortalita, rozmnožování, vývoj a emergence) • kumulace polutantů (viz sentinelové organismy)

23. Bioindikace a monitoring ekologického stavu povrchových vod: Principy Bioindikace může probíhat na úrovni: populace a společenstva druhů indexy diverzity indexy srovnávací biotické indexy a skore - založeny na konceptu indikátorových druhů, hodnoceny vzhledem k určitému polutantu podle míry tolerance či citlivosti jednotlivých taxonů vůči tomuto polutantu. multivariační metody

24. Bioindikace a monitoring ekologického stavu povrchových vod: Principy Bioindikační metody odraz dlouhodobějšího stavu prostředí na sledované lokalitě reálné působení více faktorů (i v jejich interakci) na biotu náklady bývají nižší zjistíme do jaké míry je společenstvo nebo organismus ovlivněn nemůžeme přesně stanovit příčinu a např. přímo kvantifikovat koncentraci polutantu. Optimální využití kombinovaného postupu. V biomonitorovacích programech: bioindikační metody k vyhledávání problematických lokalit, které jsou pak zkoumány i pomocí nákladných fyzikálně-chemických analýz.

25. Bioindikace a monitoring ekologického stavu povrchových vod: Principy • Metody hodnocení ekologického stavu povrchových vod pro WFD • využívají především: • společenstva druhů – druhová shromáždění (assemblages) • doplňkově: • sentinelové organismy • Používané postupy budou uvedeny u jednotlivých složek bioty.

26. Bioindikace a monitoring ekologického stavu povrchových vod: Principy ŽIVÉ SLOŽKY - BIOTICKÉ destruenti - producenti - konzumenti mikroorganismy vodní flora vodní fauna fytobentos makrozoobentos fytoplankton zooplankton makrofyta ryby

27. Bioindikace a monitoring ekologického stavu povrchových vod: Principy Významná část hodnocení tedy založena na: biotických indexech a skóre – obecně hodnocení založená na vlastnostech druhů (popř. vyšších taxonomických jednotek - species traits) vlastnosti druhů - species traits biologické vlastnosti druhů ekologické vlastnosti druhů

28. Vlastnosti druhů - species traits využívají se pro výpočty různých metrik biologické vlastnosti druhů maximální velikost těla typ životního cyklu akvatická vývojová stadia způsob rozmnožování způsob dýchání typ pohybu potravní skupiny... ekologické vlastnosti druhů příslušnost k zónám toku kategoriím nadmořských výšek substrátové a proudové preference saprobní valence….

29. Bioindikace a monitoring ekologického stavu povrchových vod: Principy

30. Bioindikace a monitoring ekologického stavu povrchových vod: Principy • Indikační druhy (taxony) • Sensu stricto • Taxony s význačnou a úzkou vazbou na podmínky prostředí. • Sensu lato • Pro indikaci lze využít i nevyhraněné taxony (zde ovšem obvykle druhy). • Přepokládané využití • biotické indexy • specifické klasifikace lokalit či vzorků

31. Bioindikace a monitoring ekologického stavu povrchových vod: Principy Indikační potenciál druhů či vyšších tax. jednotek Tento a dalších 10 snímků: zčásti převzato ze zprávy Klára Kubošová, Jiří Jarkovský, Radim Klapka, 2007: Indikační taxony makrozoobentosu, IBA Pro výběr indikačních taxonů různé typy analýz v závislosti na typu parametrů prostředí: pro parametry kategoriální - Indicator Species Analysis a klasifikační lesy, pro spojité nebo ordinální parametry lze použít valenční křivky či lesy regresní.

32. Bioindikace a monitoring ekologického stavu povrchových vod: Principy Indikační taxony Metoda Random forest Neparametrická metoda - vhodná, máme-li velké množství prediktorů (taxonů) a chceme-li zjistit jejich významnost na závisle proměnné (parametru prostředí). Vytvořený model přiřadí každému prediktoru významnost (importance) v rozsahu 0-1, která nám určuje, jak vhodný je tento prediktor pro danou závisle proměnnou.

33. Bioindikace a monitoring ekologického stavu povrchových vod: Principy Indikační taxony Náhodné lesy vracejí několik měření významnosti (importance) proměnné. Jedno z nejpřesnějších určení této veličiny je měření založené na poklesu klasifikační přesnosti (misclassification rate), když hodnoty proměnné v uzlu stromu jsou permutovány náhodně. Ukázka hodnot Importance vybraných taxonů pro plochu povodí

34. Bioindikace a monitoring ekologického stavu povrchových vod: Principy • Indikační taxony • Indicator Species Analysis • (Dufrêne & Legendre 1997) • dává jednoduchý a velmi dobrý index pro zjištění významnosti určitého druhu či taxonu pro danou skupinu vzorků, která může představovat například kategorie určitého parametru prostředí • - založena na informaci o vnitrodruhové abundanci a výskytu druhu v daných skupinách. • Pro každý druh jsou spočítány indexy jeho významnosti pro každou skupinu, konečná indikátorová hodnota je rovna maximální hodnotě jednotlivých indexů pro skupiny. • Index dosahuje maxima (100%) pokud jsou jedinci určitého druhu pozorováni ve všech vzorcích patřících pouze do jedné skupiny. Statistická významnost je určena Monte Carlo testem.

35. Bioindikace a monitoring ekologického stavu povrchových vod: Principy Indikační taxony Indicator Species Analysis (Dufrêne & Legendre 1997) Index se určí následovně: pro každý druh j v každé skupině k, spočítáme Akj představující míru specificity a Bkj což je míra fidelity (přesnosti): Akj =Nindividualskj / Nindividuals+k Bkj = Nsiteskj / Nsitesk+ IVkj = 100AkjBkj, kde Nindividualskj je průměrná abundance druhu j ve vzorcích skupiny k a Nindividuals+k je součet průměrů abundancí ve všech skupinách. Akj je maximální, pokud je druh j přítomen pouze ve skupině k. Pro Bkj , Nsiteskj je počet vzorků ve skupině k, kde se vyskytoval druh j a Nsitesk+ je celkový počet vzorků ve skupině k. Hodnota Bkj je maximální, pokud je druh j přítomen ve všech vzorcích skupiny k. IVkj tedy reprezentuje nezávislou informaci o rozložení druhu j. Indikátorová hodnota pro druh j je dána jako maximální hodnota IVkj nalezená v jednotlivých skupinách: IVj = max(IVkj)

36. Bioindikace a monitoring ekologického stavu povrchových vod: Principy Indikační taxony Valenční křivky Valenční křivky definují závislost výskytu nebo abundance taxonu na podmínkách prostředí.

37. Bioindikace a monitoring ekologického stavu povrchových vod: Principy Indikační taxony Valenční křivky Valenční křivky definují závislost výskytu nebo abundance taxonu na podmínkách prostředí. Pro závislost výskytu taxonu (presence/absence) lze pro modelování valencí využít zobecněný lineární model (GLM) polynomiální s binomickou distribucí logistickou linkovací funkcí logit (závisle proměnná, tj. výskyt nebo absence taxonu na určitém místě, je binární) Pro odhad regresních koeficientů se používá metoda maximální věrohodnosti (maximum likelihood)

38. Bioindikace a monitoring ekologického stavu povrchových vod: Principy Indikační taxony makrozoobentosu Valenční křivky Pro závislost početnosti taxonu (abundance) lze pro modelování valencí využít zobecněný aditivní model (GAM) – např. CANOCO. Pro závislost výskytu taxonu (presence/absence) lze pro modelování valencí využít zobecněný lineární model (GLM) polynomiální s binomickou distribucí logistickou linkovací funkcí logit (závisle proměnná, tj. výskyt nebo absence taxonu na určitém místě, je binární) Pro odhad regresních koeficientů se používá metoda maximální věrohodnosti (maximum likelihood). Tento postup použit pro makrozoobentos v hodnotícím systému ČR,

39. Bioindikace a monitoring ekologického stavu povrchových vod: Principy • Indikační taxony makrozoobentosu • Valenční křivky - výstupy analýzy valencí: • parametr tolerance: definuje šířku valenční křivky a tedy sílu vazby taxonu na environmentální gradient • hodnota p_max, která určuje největší pravděpodobnost výskytu taxonu danou modelem • optimum - hodnota daného parametru prostředí při největší pravděpodobnosti výskytu taxonu.

40. Bioindikace a monitoring ekologického stavu povrchových vod: Principy Indikační taxony makrozoobentosu Indikační taxony a jejich hodnoty pro nadmořskou výšku • hodnoty tolerance, optima a Pmax nelze spočítat • (optimum leží u hranice nebo za hranicí analyzovaných hodnot)

41. Bioindikace a monitoring ekologického stavu povrchových vod: Principy • Species response curves - příklady

42. Bioindikace a monitoring ekologického stavu povrchových vod: Principy • Determinační úroveň ??? Heptageniidae Rhithrogena Rhithrogenasemicolorata

43. Bioindikace a monitoring ekologického stavu povrchových vod: Principy Determinační úroveň Využívání bioindikačního potenciálu vyšších taxonomických jednotek nepřesné - vnitřní heterogenita nároků na podmínky prostředí akceptovatelné pro: oblasti s malou znalostí fauny skupiny s obtížnou nebo časově náročnou determinací některé metody rutinního hodnocení

44. Bioindikace a monitoring ekologického stavu povrchových vod: Principy Determinační úroveň Determinace do druhové úrovně doporučeno pro: detailnější a přesnější vyhodnocení vědeckou práci potřeby ochrany přírody sofistikované metody hodnocení Pro praxi: Kombinace: výsledků statistického hodnocení indikačního významu taxonů na různých taxonomických úrovních a expertního posouzení

45. Bioindikace a monitoring ekologického stavu povrchových vod: Principy Determinační úroveň Expertní posouzení

46. Bioindikace a monitoring ekologického stavu povrchových vod: Principy Determinační úroveň Expertní posouzení

47. Bioindikace a monitoring ekologického stavu povrchových vod: Principy Determinační úroveň Expertní posouzení

48. Bioindikace a monitoring ekologického stavu povrchových vod: Principy Determinační úroveň Expertní posouzení

49. Bioindikace a monitoring ekologického stavu povrchových vod: Principy Determinační úroveň Kombinace vstupů – rozhodovací proces mezi pracností identifikace taxonů a jeho vypovídací schopností. Hodnotí se: Shoda valenčních křivek Shoda species traits Souvýskyt taxonů

50. Bioindikace a monitoring ekologického stavu povrchových vod: Principy Monitoring - principy