Zřejmě se každému alespoň jednou podařilo uvidět rybník s úplně neprůzračnou, zelenou vodou. O takových vodních nádržích se říká, že „kvetou“. „Kvetení vody“, to není nic jiného, než hromadný vznik fytoplanktonu (mikroskopických řas a sinic). Abychom pochopili příčiny vzniku podobných propuknutí, je podstatné vysvětlit si mechanizmy, které jsou odpovědné za nepoměrný rozvoj fytoplanktonu. Proto se v laboratořích nebo v jezerech provádějí zkoušky s přidáváním do vody toho nebo jiného minerálního elementu jako potravy, především dusík a fosfor. I když je experimentálně dokázáno, že proces eutrofizace (nárůst biologické produktivity vody je nejvíce prokazatelný projevem „kvetení“) vzniká působením nárůstu elementů jako minerální potravy ve vodě, především fosforu. Přičemž to neznamená, že při zamezení přítoku deficitních elementů budou pozorované procesy následovat v obráceném směru.
K úplnému „zvratu“ nedochází (nebo k němu dochází s velikým zpožděním), jednak do změněných podmínek vstupují do činnosti jiné procesy, například zásobování fosforem ze sedlin dna nebo posílení fixace (vázání) atmosférického dusíku sinicemi. Avšak významné přerušení dodávky fosforu do vody zůstává jediným efektivním řešením v boji s eutrofizací.
Mimo světla (zdroje energie) a kyslíku (základního stavebního materiálu) všechny organizmy fytoplanktonu, jak řasy, tak i bakterie, potřebují také elementy minerální potravy („biogenní prvky“), především dusík a fosfor. Poměr počtu atomů uhlíku, dusíku a fosforu v buňkách fytoplanktonu = 106:16:1. Na 106 atomů uhlíku připadá 16 atomů dusíku a 1 atom fosforu. Jako jsou všechny tyto prvky nezaměnitelné, je očividné, že nedostatek jakéhokoliv z nich může omezovat nárůst počtu fytoplanktonových organizmů. Avšak uhlíku, který je potřebný ze všeho nejvíce, je právě ve vodě dostatek. Naopak dusík a zvláště fosfor bývají nezřídka nedostatkové prvky, které omezují tímto způsobem rozmnožování řas a sinic.
Nalevo: David Schindler v r. 1981. Tehdy byl ředitelem programu ELA (Experimental Lakes Area – „Experimentální jezerní plocha“). Napravo: Letecký snímek jezera č. 226 z r. 1976, které se nachází na „Experimentální jezerní ploše“. Jezero bylo rozděleno na dvě části přepážkou z umělé hmoty, do jeho severo-východní části (jeho spodní část snímku) byl doplňován fosfor, což vyzvalo „kvetení vody“ (masový rozvoj fytoplanktonu).
Dusík a fosfor se do vodních nádrží dostává hlavně z vodních toků. Není se čemu divit, že procesy, ke kterým dochází v tomto místě, mají dopad na stav ekosystému vodních nádrží. Pokud se na okolní zemi začnou pěstovat zemědělské produkty, které potřebují velké množství minerálních látek, část těchto hnojiv je nutně smývána deštěm (na jaře i tajícími vodami) do nádrže. Pokud se v blízkosti nádrže nachází komplex živočišné výroby, jeho stoky se také dostávají do nádrže. Dokonce jen pouhým zvýšením počtu lidí, kteří budou žít okolo nádrže, se zvyšuje množství přitékajícího dusíku a fosforu do nádrže – jsou přece přítomny v konečných produktech látkové výměny organizmu (stejně jako v produktech výměny domácích zvířat), a zrovna v příhodné formě pro rozvoj řas a sinic.
Jedno z jezer „Experimentální jezerní oblasti“ v Kanadě (provincie Ontario), kde se prováděl výzkum procesů eutrofizace.
Jako odpověď na zvýšený přítok dusíku a fosforu do nádrže se zvyšuje produkce fytoplanktonu, rychlým nárůstem jeho množství. Planktonoví živočichové, např. dafnie, v této situaci zvyšují spotřebu fytoplanktonu, ale jejich možnosti růstu v porovnání s řasami a sinicemi je ohraničené. Pokud není limit z „dolní“ hranice (prvky minerální potravy) fytoplankton se rychle dostává z pod kontroly i z „horní“ hranice (vliv jeho pojídání zooplanktonem) a dosahuje takových koncentrací, při kterých prudce snižuje průzračnost vody a omezujícím faktorem se potom stává nedostatek světla (efekt samo zatmění).
Množství odumřelého fytoplanktonu klesá do hlubších vrstev vodního sloupce a zde tuto valící se organickou hmotu přetvářejí rozvíjející se bakterie pro svoje potřeby, přičemž spotřebovávají všechen dostupný kyslík z okolí. Ve vzniklých podmínkách prudkého úbytku kyslíku se rychlost dalšího rozkládání prudce zpomaluje. Suspendované částice detritu (sestávajícího většinou z odumřelých buněk fytoplanktonu a fekálií planktonových živočichů) klesají dolů a usazují se na dně. Kyslík na dně a ve vodě u dna není. Takže žít tam mohou pouze anaerobní bakterie. Ale deficit kyslíku, způsobující smrt ryb (tzv. udušení), se může nacházet i ve vrchních úrovních vody v nádržích. Dochází k tomu v noci, kdy se přerušuje fotosyntéza fytoplanktonu a kyslík je aktivně spotřebováván dýcháním fytoplanktonových organizmů a bakterií, které rozkládají mrtvé organické hmoty.
Komplexnost výše popsaných procesů je právě to, co se nazývá „eutrofizace“. Někdy k eutrofizaci dochází z přírodních příčin, například při blízkosti velkých kolonií ptáků nebo při spadu vulkanického popela. Nicméně ve většině případů je spojena s lidskou činností. Možnosti použití silně eutrofizovaných nádrží je vcelku ohraničena. Voda z nich se nehodí k pití a dokonce ani k jiným lidským potřebám. Sportovní rybolov zde není možný, protože z příčiny úbytku kyslíku mizí, z průmyslového hlediska, některé důležité typy ryb, v první řadě zástupci lososů a bělic. Ke koupání se eutrofiizovaná voda z nádrže také použít nedá, tak, jak se mezi sinicemi, které vyzývají „kvetení vody“, zachycují kusy větví, které vytvářejí toxiny. Boj s eutrofizací je nesmírně složitý. Zdroje přísunu dusíku a fosforu do nádrže (v minerální formě, příhodné pro použití fytoplanktonem) jsou hojné, přinášejí difuzní (rozptýlený) charakter a nevyhnutelně vznikají při nárůstu počtu obyvatel a neustálé potřebě zvyšovat výrobu potravin.
Obr. 1:
Osa x – Celkové průměrné roční množství fosforu (mg/m3)
Osa y – Celkové průměrné roční množství chlorofylu (mg/m3)
Závislost biomasy fytoplanktonu (zhodnocovanou obsahem chlorofylu) od celkového množství fosforu v různých nádržích, které se nacházejí na „Experimentálním jezerním teritoriu“ (Kanada, Ontario). Z knihy Steleyho Dodsona „Introduction to Limnology“, 2005. Údaje jsou vypůjčené z práce Davida Shindlera Evolution of Phosphorus Limitation in Lakes // Science, 1977. V. 195. Pp. 260-262
Výzkum procesů eutrofizace se provádí dávno a velmi intenzivně. Už v letech 1970 bylo pracemi výzkumníků různých států prokázáno to, že úroveň rozvoje fytoplanktonu v jakékoliv vodní nádrži přímo závisí od množství fosforu ve vodní nádrži. Odtok dusíku má také význam, ale pouze za přítomnosti fosforu. Kromě toho, některé sinice jsou „diazotrofní“, což znamená, že mají schopnost slučovat molekulární dusík z atmosféry (N2). Řada prací na téma eutrofizace byla vykonána v letech 1970-80 v Kanadě (Provincie Ontario) v rámci projektu, který dostal název „Experimentální jezerní teritorium“ (Experimental Lakes Area). Nedávno profesor David Schindler, po dlouhou dobu vedoucí v daném projektu, opublikoval přehledový článek, přivádějící výsledky výzkumu procesu eutrofizace a zkušebních pokusů o navrácení eutrofizovaných jezer do původního stavu (proces, který se někdy nazývá „oligotrofizace“).
Tento problém má velký praktický význam. Zejména někteří autoři navrhují, že zavedení tvrdých norem, namířených na ohraničení přítoku fosforu do vodních nádrží, je samo od sebe nedostatečné. Je totiž důležité zamezit i přístupu dusíku. Zejména zavedení kontroly za těmito dvěma elementy se ukazuje velmi cenným. Komise EU odhaduje cenu opatření k omezení vypouštění dusíku a fosforu do Baltského moře na 3,1 mld. euro. Když by se opatření na omezení týkala pouze fosforu, cena by se tak snížila 10x – 0.21 – 0,43 mld. Euro.
Dynamika různých ukazatelů stavu nádrže číslo 261 na „Experimentálním teritoriu“ za dvacetiletou periodu. Širokým světle modrým pruhem je znázorněna perioda, kdy se nádrž intenzivně přihnojovala fosforem. Na různých diagramech jsou představeny změny v obsahu: (a) TN – celkového dusíku; (b) NO3 – nitrátů; (c) TP – celkového fosforu; (d) Chlorofyl a. Všechny veličiny jsou znázorněny v mikrogramech na litr. Podobné diagramy jsou představeny i pro jiné nádrže. Zobrazení probíraného článku v Proc. R. Soc. B.
Po analýze některých prací dospěl Schindler k názoru, že hlavním faktorem, který má na svědomí eutrofizaci, je přístup fosforu. Proto snížení zejména fosforu je tou nejlepší metodou v bitvě s eutrofizací. Nicméně proces „oligotrofizace“, tedy obrácený postup eutrofizace, může být velmi složitým procesem. Všechna logika předcházejících výzkumů se zakládala na experimentech s přidáváním chybějících elementů do prostředí, ve kterém žije fytoplankton. Přitom se mlčenlivě zatajovalo to, že kdyby se z těchto toků vyňaly deficitní elementy, automaticky by došlo k řetězci procesů, které jsou obrácené k takzvanému procesu eutrofizace. Vysvětlilo se ale, že to tak není. Obrácená reakce mohla být jiná za přítomnosti hystereze (Hystereze je označení pro takové chování dynamického systému, kdy výstupní veličina nezávisí jen na nezávisle proměnné vstupní veličině, ale i na předchozím stavu systému. Viz Wikipedia) – v tomto případě je to závislost systému ne jen na současném stavu prostředí, nýbrž i na stavu minulém nebo, ještě jinak, na nejednotnosti trajektorií mezi počátečním a konečným stavem systému.
Když má do nádrže po dlouhou dobu přístup fosfor, jeho významná část se ukládá na dně a potom, když je přístupu fosforu z vnějšího prostředí zamezeno, začíná jeho aktivní vysvobozování ze zásob uložených na dně nádrže. Při snížení přístupu dusíku se aktivuje fixace dusíku – spojování atmosférického dusíku „diazotrofov“, což je v nádržích představováno přítomností sinic.
Schindler zdůrazňuje, že i když laboratorní experti dají ty nejpřesnější a lehce představitelné výsledky, přesto pouze velké zkušenosti s nádržemi mohou sloužit jako nadějný základ pro rozpracování opatření pro předcházení eutrofizace nebo pro regeneraci již dříve silně eutrofírovaných vodních nádrží.
Zdroj: David W. Schindler. The dilemma of controlling cultural eurtophication of lakes // Proc. R. B. 2012. Published online before print August 22, 2012.