Eutrofizacja jezior
Eutrofizacja jezior
Większość jezior jest utworami krótkotrwałymi w skali geologicznej. Na terenie Polski, gdzie jeziora naturalne są pochodzenia lodowcowego, w ciągu 10-11 tysięcy lat istnienia tych jezior znikło już 2/3 ich powierzchni. Zajmując obniżenia terenu, jeziora w sposób naturalny wypełniają się różnego rodzaju materiałem: jest to materia allochtoniczna znoszona do jeziora ze zlewni czyli cząstki mineralne i fragmenty organizmów, głównie roślin żyjących na obszarze zlewni oraz materia autochtoniczna która składa się z cząstek organicznych pochodzących z ciał i szkieletów żyjących w jeziorze roślin i zwierząt. Wyprodukowana w zbiorniku substancja organiczna i zawarte w niej sole mineralne są częściowo włączane w obieg materii, a częściowo są odkładane na dnie zbiornika. Odkładanie powoduje stopniowe wypłycanie i lądowienie zbiornika, natomiast nadmiar nieodłożony na dnie powoduje wzrost żyzności, wzrost zawartości soli mineralnych, w tym nutrietów w wodzie, a w konsekwencji bujny rozwój fitoplanktonu, w środowiskach bardzo żyznych jako zakwity, z wszelkimi ich niekorzystnymi konsekwencjami. Te właśnie procesy wzrostu żyzności i jego konsekwencje nazywamy eutrofizacją i jeśli jest ona umiarkowana i jej efekty korzystne traktuje się ją jako użyźnienie, jeśli nadmierna i efekty są niekorzystne jako zanieczyszczenie. Do pewnego momentu wzrost żyzności wody powoduje wzrost obfitości wszystkich lub większości zespołów organizmów w jeziorze. Następuje ogólne zwiększenie bogactwa i intensywności życia. Jednakże po osiągnięciu nadmiernego poziomu żyzności substancja organiczna powoduje zakłócenie w normalnym funkcjonowaniu ekosystemu. Następują wtedy deficyty tlenowe i gromadzenie się siarkowodoru w całym hipolimnionie jeziora, a także okresowo w epilimnionie jeziora. Taki stan zbiornika gdy dusi się on nadmiarem substancji organicznej i nie jest zdolny jej zużyć nazywamy saprotrofią.
Rodzaje jezior:
Pod względem trofii czyli zasobności w nutrienty wyróżniamy 2 zasadnicze grupy jezior:
-Eutroficzne-o dużej ilości substancji odżywczych rozpuszczonych w wodzie, o wysokiej produkcji materii organicznej szczególnie w litoralu. Występują w tych jeziorach często zakwity planktonu. Są to jeziora stosunkowo płytkie.
-Oligotroficzne-są głębsze, produkcja w litoralu jest niższa i stężenie substancji odżywczych w wodzie jest na tyle niskie że nie dochodzi do zakwitów.
W jeziorach typu eutroficznego zawartość materii organicznej w suchej masie osadów wacha się od 18,1% do 60,9%, natomiast w jeziorach oligotroficznych od 11,2% do20%.
Specjalnym typem są jeziora dystroficzne-bagniste i zatorfione o brązowawej wodzie, zakwaszonej kwasami huminowymi. Osady denne tych jezior mogą zawierać do 90%materii organicznej.
Strefy jezior:
-Litoral- w naszych jeziorach z reguły porośnięty jest roślinnością, stanowi naturalną barierę dla substancji dopływających spoza jeziora. Stopień rozwoju litoralu, jego charakter oraz zmienność sezonowa odgrywają niewątpliwie istotną rolę w funkcjonowaniu całego ekosystemu jeziornego, w tym w procesach eutrofizacji.
-Pelagial-otwarta toń wodna stanowi zwykle główną część powierzchni i objętości jeziora i jego główne zasoby wodne. Większość allochtonicznych substancji eutrofizujących trafia do pelagialu przez litoral lub z litoralu. Bezpośrednio do pelagialu dochodzą tylko substancje opadające na powierzchnię zbiornika z atmosfery, niekiedy także ścieki wprowadzone rurami.
- Profundal- strefa głębinowa jezior, obejmująca osady denne i przyległe warstwy wody, jest głównie strefą odkładania i wytrącania się substancji na dłuższe lub krótsze okresy. Jest ona jednak również głównym magazynem tych substancji, które w odpowiednich warunkach mogą być znowu włączone do obiegu w ekosystemie.
Dla stanu trofii wód powierzchniowych zbiornika ważne jest mieszanie jego wód. W jeziorach płytkich woda jest stale mieszana do dna, co powoduje jej jednolitość pod względem termiki i innych cech fizykochemicznych. W jeziorach głębszych po wiosennym wyrównaniu temperatury (homotermii)w całej masie wód, na skutek ich wiosennej cyrkulacji, następuje zróżnicowanie temperatury i podział jeziora na trzy warstwy:
• powierzchniową czyli epilimnion o wyrównanej w zasadzie temperaturze i innych czynnikach fizykochemicznych, warstwa ta jest stale mieszana przez wiatr. Intensywność procesów życiowych jest tutaj największa
• głębinową czyli hipolimnion o stosunkowo niskiej i względnie jednolitej, mało zmiennej temperaturze oraz bardzo słabych ruchach wody
• pośrednią czyli metalimnion- strefa skoku termicznego od wartości stosunkowo wysokich (zwykle latem ponad 20˚C) w epilimnionie do niskich (poniżej 10˚C) w hipolimnionie.
W naszej strefie klimatycznej dominują jeziora dimiktyczne mieszane do dna wczesną wiosną i późną jesienią oraz polimiktyczne mieszane stale lub wielokrotnie w ciągu roku. Są to z reguły jeziora o małej głębokości bezwzględnej lub względnej, w których wiatry nie pozwalają na wytworzenie się trwałej stratyfikacji termicznej. Rzadkie są wypadki jezior meromiktycznych z reguły o dużej głębokości względnej, w których część głębinowa nigdy nie ulega mieszaniu z powierzchniową strefą jeziora.
Tempo akumulacji
Średnie tempo akumulacji osadów w jeziorach wynosi 0,5-1mm, maksymalne tempo w zagłębieniach mis jeziornych, do których zsuwają się osady wynosi do 4mm rocznie. Zatem jeziora powoli ale stale wypełniają się osadami. Do wypełnienia misy jeziora do głębokości kilku metrów światło zaczyna docierać do dna i rozwijają się na nim miękkie rośliny niższe, a gdy jezioro wypłyci się do ok. 2m wkraczają do niego makrolity czyli wysoka roślinność przybrzeżna ich produkcja jest duża , stwarzają one korzystne warunki do rozwoju drobnych, wysokoproduktywnych organizmów unoszących się w toni wodnej (plankton) i przytwierdzonej do podłoża (perifiton), tak że wypłycanie jeziora postępuje dość szybko i na teren jeziora wkracza roślinność lądowa- zwykle tworząca torfowisko.
Fosfor:
Głównym czynnikiem eutrofizującym jest fosfor, w niewielkim procencie azot, a w wyjątkowych sytuacjach węgiel. Sole fosforu i azotu umożliwiają intensywny rozwój fitoplanktonu i naczyniowej roślinności litoralnej.
Tabela 1
Opad organiczny oraz zawarty w nim azot i fosfor (kg∙haˉ¹∙rokˉ¹)
JEZIORO STREFA LITORALU CAŁE JEZIORO
SUCHA MASA AZOT FOSFOR SUCHA MASA AZOT FOSFOR
Mikołajskie 101,45 1,22 0,07 15,22 0,18 0,01
Majcz Wielki 24,32 0,29 0,02 10,24 0,12 0,01
Głębokie 194,57 2,34 0,14 37,84 0,45 0,01
Usunięcie 1kg fosforu ze zbiornika wodnego zapobiegłoby wytworzeniu ok. 1 tony świeżej masy glonów, zaś usunięcie 1kg węgla tylko 25kg glonów. Przy tym usuwanie węgla jest niecelowe także i z tego powodu, że jest on łatwo uzupełniany z atmosfery i z procesów destrukcji w zbiorniku. Natomiast usuwanie fosforu jest nieodzowne i potwierdzone w praktyce. Fosfor jest usuwany ze ścieków metodą chemiczną lub metodą oczyszczania glebowego w oczyszczalniach trzeciego stopnia. Fosfor jest łatwo absorbowany na cząsteczkach zawiesiny organicznej i nieorganicznej, tworzy też trudno rozpuszczalne związki z żelazem, glinem, wapniem. Cechy te powodują że jest on dobrze utrzymywany w glebie, a także łatwo usuwalny ze ścieków a nawet ze zbiorników wodnych przez wytrącanie chemiczne. Sytuacja jest jeszcze o tyle korzystniejsza , że w wielu przypadkach głównym źródłem fosforu są ścieki, a więc punktowe łatwe do opanowania źródło eutrofizacji.
Skutki eutrofizacji:
• pierwszy etap to niewielki wzrost produkcji biologicznej. W tym etapie dobrze rozwijają się ryby i jest to nawet pożądane z punktu widzenia gospodarki rybackiej;
• późniejsze etapy to już zakwity (szczególnie groźne - sinicowe) glonów. Zmniejszają one przeźroczystość wody, wydzielają toksyny powodujące zły smak i zapach wody, aż w końcu ograniczają ilość tlenu (O2) powodując przyduchy, co z kolei prowadzi do masowych śnięć ryb;
• w strefie litoralu złe warunki świetlne powodują obumieranie roślinności zanurzonej. Dzieje się to na skutek wzrostu pierwiastków biogennych - fitoplankton w takich warunkach rozwija się bardzo intensywnie porastając powierzchnię roślin zanurzonych. W efekcie makrofity są wypierane przez nitkowate formy fitoplanktonu (Cladophora, Spirogyra);
• osady denne i hypolimnion zostaje odtleniony i tworzą się tam warunki beztlenowe. W takich warunkach organizmy tlenolubne nie mają racji bytu. Ryby pelagiczne nie mogą się rozmnażać, gdyż tarło mają właśnie w strefie przydennej ale natlenionej ...
• warunki beztlenowe sprzyjają zachodzeniu takich procesów jak: desulfurykacja, denitryfikacja, amonikfikacja, czy wreszcie powstawanie metanu i siarkowodoru;
• uruchamiane zostaje wewnętrzne nawożenie jeziora - z osadów dennych w warunkach beztlenowych następuje uwalniane znacznych ładunków fosforu co jeszcze bardziej wzmaga proces eutrofizacji.
Jezioro Mikołajskie
Jezioro Mikołajskie powstało ok. 10 800 lat temu. Pierwsze odkładane w nim osady zawierają niewielkie ilości substancji organicznych i wapnia, stopniowo udział tych dwóch składników wzrasta. Pierwotna misa jeziora wypełniona jest dziś osadami w 25%. Jezioro obrośnięte jest 10-15m pasem makrolitów, głównie trzciny.
Jest to rodzaj osłony jeziora i jednocześnie najproduktywniejsza jego strefa. Do jeziora mikołajskiego wnoszone jest rocznie 263 tony materii allochtonicznej, w tym większość stanowią ścieki komunalne.
Tabela 2
Skład materii allochtonicznej doprowadzonej ze zlewni do Jeziora Mikołajskiego
POCHODZENIE DOPROWADZONEJ MATERII ZAWARTOŚĆ SUCHEJ MASY
t rok-1 %
Ścieki komunalne 220 83,6
Erozja ze zlewni 34 12,9
Opadające szczątki roślin lądowych 7 2,7
Erozja brzegowa 2 0,8
RAZEM 263 100
Fosfor znajdujący się w tych ściekach działa stymulująco na produkcję masy fitoplanktonu i przyspiesza eutrofizację jeziora. Przybrzeżne makrolity reagują różnie. Blisko ujścia ścieków są nimi zatruwane, nieco dalej ścieki działają użyźniająco i podnoszą produkcję makrofitów.
Tabela 3
Biomasa makrolitów zanurzonych(g∙mˉ², masa świeża) na trzech stanowiskach litoralowych Jeziora Mikołajskiego
DATA BIOMASA MAKROFITÓW NA STANOWISKACH
A-czyste B- bliskie spustu (4m) C-dalsze od spustu(6m)
5 VI 173 170 344
15VII 708 140 1600
28VIII 315 53 1210
Roczna produkcja materii organicznej w jeziorze wynosi 2483 kcal∙m-2 , do tego dochodzi 170 kcal materii allochtonicznej. Razem wprowadzone jest więc do krążenia 2653kcal∙m-2 rocznie. Aż 77% materii organicznej produkowane jest przez fitoplankton i obserwuje się wyraźną sezonowość w rozrachowaniu tej puli masy roślinnej. Wczesną wiosną biomasa fitoplanktonu eliminowana jest przez rozkład i sedymentację, w maju-czerwcu jest bardzo intensywnie wyjadana przez zooplankton, w lipcu-sierpniu dochodzi do wyraźnej kumulacji biomasy fitoplanktonu, nasilają się procesy spasania i rozkładu i we wrześniu i październiku wyraźnie przeważa sedymentacja. Ocenia się, że osiadłe już na dnie jeziora resztki ciał roślinnych i zwierzęcych ulegają jeszcze rozkładowi w ok. 20%, potem zostają przykryte następnymi warstwami opadu organicznego i rozkład jest minimalny.
Podsumowując Jezioro Mikołajskie stwierdzono, że jest to ekosystem o dużej produkcji i szybkim rozpadzie materii organicznej, o rozbudowanych łańcuchach troficznych i to zarówno łańcuchu spasania jak i detrytusowym. Jednocześnie w ekosystemie tym następuje ciągłe wypadanie znaczącej części materii z krążenia, fragmenty ciał roślin i zwierząt osadzają się na dnie jeziora i wypłycają je. Jest to jednak proces bardzo powolny. Średnie tempo odkładania osadów dennych na całej powierzchni Jeziora Mikołajskiego wynosi 0,5mmm rocznie.