Pod procesom eutrofizácie rozumieme nadmerný rast rastlín a rias vo vodách s vysokým obsahom živín, najmä dusíka (N) a fosforu (P). Z hľadiska biodiverzity, nie sú eutrofizované vody zaujímavé.

V smerniciach Európskej únie a rôznych medzinárodných dohovoroch sa pojem eutrofizácia vzťahuje k zachovaniu ekologickej kvality vody a je definovaná ako nadmerný rast rias na vyšších formách rastlín v dôsledku nadmernej prítomnosti živín vo vode, najmä zlúčenín dusíka a fosforu (Obr. 1.). Tento vysoký obsah živín vedie ku porušeniu rovnováhy prirodzeného prostredia vôd. Eutrofizácia charakterizuje skôr stav ako trend a je kvalitatívnym popisom podmienok narušenia prostredia a nekvantifikuje produkciu biomasy.

Mechanizmy vedúce k eutrofizácii

Mechanizmy, ktoré vedú k eutrofizácii sú komplexné a vzájomne previazané. Jej hlavnou príčinou je vysoký prísun živín do vodného telesa, čo vedie k porušeniu rovnováhy potravového reťazca a vysokej koncentrácii biomasy tvorenej fytoplanktónom v postihnutej vrstve vody. Tento stav môže viesť ku tvorbe vodného kvetu, ktorého priamym dôsledkom je nadmerná spotreba kyslíka v blízkosti dna vodného telesa. Ďalšie podporné faktory tohto procesu sa dajú rozdeliť do dvoch kategórií v závislosti od toho, či sú spojené s disperziou živín a rastom fytoplanktónu, alebo s kolobehom kyslíka vo vrstvách vody v blízkosti dna (obmedzenie obehu kyslíka, svetla, pohybu vody) (Obr. 2.). V závislosti od stupňa eutrofizácie sa dajú pozorovať aj iné nepriaznivé účinky.

Obr. 2 Proces eutrofizácie

Pri riešení a hodnotení eutrofizácie vôd je potrebné brať do úvahy nasledovné aspekty:

Obr. 3 Dôsledky eutrofizácie

Za hlavné zdroje dusíka a fosforu, ktoré prispievajú k procesu eutrofizácie sa považujú splachy z poľnohospodárskych pôd a odpadové vody z priemyslu a domácností. Za príčiny a podporné faktory eutrofizácie sa dajú označiť:

  • splachy
  • erózia a vyluhovanie živín z hnojených pozemkov
  • priemyselné a komunálne odpady
  • atmosferická depozícia – chov dobytka, spaľovanie

Rozvrat ekosystému pri eutrofizácii

Vodné rastliny okrem uhlíka, kyslíka a vodíka, ktoré získavajú priamo z vody a atmosferického oxidu uhličitého, potrebujú pre svoj vývoj ešte dve základné živiny – dusík (N) a fosfor (P). Tretím nevyhnutným komponentom je kremík (Si), ktorý pre svoj vývoj potrebujú rozsievky. V priebehu eutrofizácie sa vo vode mení koncentrácia živín. Niektorá z troch uvedených živín môže byť vo vodných organizmoch viazaná a tak sa stáva nedostupnou pre ďalší rast rias. Takáto živina je potom označovaná ako limitujúci faktor. Pre rast rias je vo vode dôležitý pomer dusíka a fosforu, ktorý určuje, ktorý z nich bude limitujúcim faktorom a ktorý treba kontrolovať, aby sa zamedzilo nadmernému rastu rias (Tab. 1.). Limitujúcim faktorom pre fytoplanktón v sladkých vodách býva najčastejšie fosfor, kým pre morské vody je to najmä v lete dusík. V niektorých povrchových vodách, napr. slepé ramená riek, je v jarnom období limitovaným prvkom fosfor, kým v letných mesiacoch môže byť limitujúcim faktorom dusík alebo kremík. Ak je limitujúcim faktorom fosfor, koncentrácia fosfátov 0,01mg/l dostatočne podporuje rast fytoplanktónu, ale koncentrácia od 0,03 do 1 mg/l alebo vyššia bude viesť ku tvorbe vodného kvetu.

V pobrežných oblastiach morí je rast a masový rozvoj rozsievok podporovaný predovšetkým prítomnosťou kremíka ? ak je jeho obsah nízky nedochádza k ich rastu, čím sa môže uplatniť rast konkurenčných toxických druhov rias a vytvorenie vodného kvetu. Masovo sa za takýchto podmienok môžu rozmnožiť riasy z rodu Phaecystis a niektoré obrneny (Prorocentrum, Dinophysis, Gymnodium).

Tab. 1. Podmienky limitujúce rast rias v závislosti od pomeru N/P (vyjadrené ako pomer hmotnosti)
N-limitujúci (N/P) Stredné hodnoty (N/P) P-limitujúci (N/P)
Sladké vody <4,5 4,5 - 6 >6
Ústie riek/morské pobrežie <5 5 - 10 >10
Obr. 4 Hlavné dôsledky eutrofizácie

Dôsledky eutrofizácie

Pri rozvrate ekosystému v dôsledku eutrofizácie dochádza nielen k ochudobneniu biodiverzity ale aj ku zníženiu kvality vody v dôsledku zvýšeného obsahu toxínov, nazývaných cyanotoxíny. V dôsledku eutrofizácia potom dochádza vo vodnom prostredí k trom nežiaducim javom:

  1. deficitu kyslíka pri dne
  2. zníženiu biodiverzity
  3. produkcii cyanotoxínov.
Hlavné dôsledky eutrofizácie sú uvedené na obr. 4.

Eutrofizácia ovplyvňuje hlavne dostupnosť kyslíka, ktorý cez deň produkujú v procese fotosyntézy rastliny a spotrebovávajú živočíchy, aeróbne mikroorganizmy a v noci aj rastliny. Tieto dva navzájom protichodné procesy, tvorba a spotreba kyslíka, závisia od vývoja biomasy. Ak dôjde k veľkému nahromadeniu biomasy, spotrebuje sa všetok dostupný kyslík na oxidáciu organickej hmoty, ktorá sa vytvorila v sedimentoch na dne vodného telesa (Obr. 5.). Niektoré baktérie dokonca využijú aj kyslík zo síranov (SO42-), čím sa uvoľní síra (S2-), ktorá sa rýchlo zlúči s voľným kyslíkom, ktorý je ešte prítomný v horných vrstvách vody. Voda je takto úplne zbavená kyslíka a mizne z nej všetok aeróbny život. Voda začne hniť a uvoľňujú sa z nej sírne plyny s typickým zápachom skazených vajec.

Za normálnych okolností rastú na dne vodného telesa makrofyta, fytoplanktón nebráni prenikaniu svetla až ku dnu, vo vode sa rozmnožujú a žijú ryby, mäkkýše a kôrovce. S vyšším prísunom živín začnú rýchlejšie rásť krátkodobé makrofyta, ktoré sú väčšie a začnú sa objavovať nové druhy, ktoré svojim agresívnejším rastom potláčajú rast pôvodného rastlinstva. Niekedy dochádza aj k masívnemu rozvoju fytoplanktónu. Rast makrofýt spolu s voľne plávajúcimi riasami a fytoploanktónom bráni prenikaniu svetla ku dnu a začne sa objavovať nízka koncentrácia kyslíka. V extrémnych podmienkach je úbytok kyslíka taký vysoký, že zaniká akýkoľvek život a prežívajú len druhy, ktoré majú veľmi nízku spotrebu kyslíka. Zvyšujúci sa obsah organických sedimentov ešte zvyšuje spotrebu kyslíka. V konečnom štádiu aeróbny život zaniká.

V priebehu eutrofizácie nastávajú zmeny ako v populácii rias (ktorá sa zväčšuje) tak aj v zooplanktóne, populácii rýb, mäkkýšov a kôrovcov, ktoré sú veľmi citlivé na dostupnosť kyslíka a zmeny v chemickom zložení vody, ktorej alkalita v priebehu intenzívnej fotosyntézy rýchlo stúpa.

Obr. 5 Eutrofizácia v sladkovodnom jazere (a) oligotrofné jazero alebo jazero s nízkym obsahom živín; hustota rias (zelené) je nízka, voda je čistá; (b) do vodného toku sa pridáva fosfor a vstupuje do jazera; rast rias je stimulovaný; vytvára sa ich hrubá vrstva; (c) vrstva rias sa stáva takou hustou, že riasy pri dne odumierajú; baktérie sa živia odumretými riasami a spotrebovávajú kyslík; ryby hynú v dôsledku nedostatku kyslíka

Účinky eutrofizácie – cyanotoxíny a ich zdravotné účinky

Niektoré sinice sú schopné tvoriť toxíny, ktoré ohrozujú zdravie nielen zvierat, najmä hospodárskych, ale aj ľudí. Toxíny sa nachádzajú buď vnútri buniek, alebo sa z nich uvoľňujú do vody, hlavne po odumretí bunky. Kým sú bunky mladé (vo fáze rastu) je 70-90 % celkového množstva toxínov viazaných vnútri bunky. Pri starších bunkách môže podiel voľných toxínov dosiahnuť až 70 %. Toxíny vytvárané sinicami sa nazývajú cyanotoxíny a ich odstránenie z vody pri úprave na pitnú vodu je obtiažne. Jednoduchšie je zabrániť rastu siníc.

Niektoré cyanotoxíny sú v prostredí vysoko perzistentné a odolávajú fyzikálno-chemickým aj biologickým vplyvom, najmä vysokej teplote (až do 300 °C). V prírodnom prostredí môžu byť v dôsledku kombinácie rôznych faktorov degradované za 1 až 3 týždne, ale pri nedostatočnom presvetlení prírodných vôd môžu v nich pretrvávať niekoľko mesiacov až rokov.

Dnes je identifikovaných viac ako 50 druhov siníc (cyanobaktérií), ktoré produkujú toxíny. V Európe sú v sladkých vodách vodné kvety najčastejšie tvorené sinicami z rodu Microcystis, Anabaena, Aphanizomenon, Oscillatoria, Nodularia a Nostoc. Ľudia môžu byť cyanotoxínom vystavení

  • (1) požitím kontaminovanej vody;
  • (2) priamym kontaktom s vodou;
  • (3) inhaláciou aerosólov.

Zvieratá sú im vystavené predovšetkým pitím kontaminovanej vody. Poškodenie organizmu ľudí aj zvierat sa odohráva na molekulárnej úrovni s následovným poškodením buniek, tkanív a orgánov. Poškodený môže byť nervový, zažívací a dýchací systém a koža. Sekundárne môžu byť poškodené aj ďalšie orgány. Rozsah a závažnosť poškodení závisí od veku a zdravotného stavu postihnutého. Toxíny môžu vyvolať celý rad príznakov – od malátnosti a bolesti hlavy až po hnačky, zvracanie, bolesti hrdla, horúčky a podráždenie kože.

Cyanotoxíny sa na základe miesta svojho účinku zaraďujú do troch hlavných skupín:

  1. hepatotoxíny
  2. neurotoxíny
  3. dermatotoxíny
Okrem týchto typov účinku sú im pripisované aj účinky genotoxické, imunotoxické a embryotoxické.

Obr. 6 Hepatoxíny

Hepatotoxíny – stretávame sa s nimi najčastejšie a poškodzujú pečeň. U myší viedli pri akútnej expozícii v priebehu niekoľkých hodín k úhynu v dôsledku krvácania do pečene alebo zlyhania obehového systému. Chronická expozícia poškodzuje pečeň a vedie ku tvorbe nádorov. Hepatotoxíny sú označované ako látky schopné vyvolať rakovinu pečene a patria k nim tri druhy toxínov:

  • mikrocystíny
  • mikroviridíny
  • nodularín

Hepatotoxíny sú termostabilné a produkujú ich najmä rody Anabaena, Microcystis, Oscillatoria, Nodularia, Nostoc a Planktothrix.

Obr. 7 Neurotoxíny

Neurotoxíny – ich výskyt nie je taký častý ako výskyt hepatotoxínov. Pôsobia predovšetkým na nervový systém. Po požití môžu viesť k náhlemu úhynu pre akútnu zástavu dýchania v dôsledku nervového ochrnutia svalstva behom niekoľkých minút po expozícii. K neurotoxínom sú priraďované alkaloidy, ktoré blokujú sodíkové kanály membrán

  • anatoxín
  • afanatoxín.
Na rozdiel od hepatotoxínov sú neurotoxíny termolabilné a ich deštrukcia nastáva v alkalickom prostredí už pri teplote vyššej ako 40 °C. Prejavmi neurotoxínov sú kŕče pohybového svalstva, závraty, dusenie a smrť v dôsledku udusenia. Neurotoxíny produkujú rody Anabaena, Microcystis a Planktothrix.

Dermatotoxíny – vyvolávajú po kontakte podráždenie kože alebo alergické reakcie – dýchacie problémy, zápaly očných spojiviek a pod.

Cieľové orgány pri otrave cyanotoxínmi a druhy cyanobaktérií produkujúcich toxíny sú uvedené v tab. 2.

Tab. 2. Cieľové orgány pri otrave cyanotoxínmi a druhy cyanobaktérií produkujúcich toxíny
Skupina toxínov Primárny cieľový orgán cicavcov Rody cyanobaktérií
Cyklické peptidy
mikrocystíny pečeň Mycrocystis, Anabaena, Oscillatoria, Nostoc, Hapalosiphon, Anabaenopsis
nodularin pečeň Nodularia
Alkaloidy
anatoxin-a nervové synapsie Anabaena, Oscillatoria, Aphanizomenon
anatoxin-a (S) nervové synapsie Anabaena
aplysiatoxiny koža Lyngbia, Schizothrix, Oscillatoria
cylindrospermopsiny pečeň Cylindrospermopsis, Aphanizomenon, Umezakia
lynbyatoxín-a koža, zažívací systém Lyngbia
saxitoxíny nervové výbežky Anabaena, Aphanizomenon, Lyngbia, Cylindrospermopsis
Lipopolysacharidy
dráždivý účinok pôsobí na všetky tkanivá všetky uvedené druhy
Detekcia cyanotoxínov môže byť:
  • biologická
  • bakteriologická
  • enzymatická
  • imunologická
  • fyzikálno-chemická.
Jednotlivé typy metód, sledované endpointy a citlivosť sú uvedené v schéme na obr. 8.
Obr. 8 Schéma detekcie toxínov

Produkcia cyanotoxínov nie je v čase a priestore konštantná a preto je niekedy ťažké odhadnúť ich zdravotné riziko. Odhaduje sa, že najmenej 75 % vodných kvetov sa spája s tvorbou toxínov. Prítomnosť cyanotoxínov v pitnej vode po jej úprave preto predstavuje vážne zdravotné riziko najmä pre pacientov liečených na dialyzačných jednotkách (umelá oblička).

Pri používaní eutrofizovanej vody na pitné účely sa môžu objaviť dve zdravotné riziká (Obr. 9.) :

  1. riziko spojené s prítomnosťou organických látok – úprava vody s vysokým obsahom organických látok je technicky vždy obtiažna, nakoľko pri dezinfekcii môže dochádzať ku tvorbe vedľajších produktov s karcinogénnym potenciálom (trihalometány – TMN a niektoré ďalšie chlórované zlúčeniny alebo ozonidy). Ak je voda eutrofizovaná, tak k organickým látkam bežne prítomným vo vodách pribudnú ešte organické látky produkované sinicami (toxíny, vnútrobunkové látky). Koncentrácia THM by sa v pitných vodách mala pohybovať v rozsahu 25-100 µg/l.
  2. riziko spojené s prítomnosťou určitých druhov siníc, ktorých toxíny sa ťažko eliminujú
Obr. 9 Schéma úpravy eutrofizovanej vody na pitné účely

Ak dôjde k eutrofizácii vodnej nádrže, ktorá slúži ako zdroj pitnej vody, je najlepším riešením použitie náhradného zdroja. Ľudí z postihnutej oblasti je potrebné informovať o náhradnom zásobovaní vodou (voda balená alebo z cystern).

Monitorovanie eutrofizácie

Hlavným dôvodom monitorovania eutrofizácie je:

  • prevencia eutrofizácie
  • včasné varovanie obyvateľstva – orgány ochrany verejného zdravia potrebujú informácie o možnej hrozbe eutrofizácie, aby mohli včas zasiahnuť
  • potreba poznať stupeň eutrofizíácie – úpravne vody musia mať presné informácie o kvalite vody
  • výskum.

V súčasnosti len málo národných programov monitorovania kvality vôd v sebe zahŕňa aj parametre indikujúce eutrofizáciu. V Európe, USA, Japonsku a Austrálii sú postupne v oblastiach, kde sa konzumujú mäkkýše alebo ryby, implementované lokálne monitorovacie programy s cieľom detekovať prítomnosť toxických druhov rias a siníc. Programy sú založené na odbere vody z vopred určených miest a na analýze fytoplanktónu a mäkkýšov. Frekvencia odberov závisí od ročného obdobia. Tieto systémy sú zamerané len na monitorovanie toxického vodného kvetu, ktorý je dôsledkom eutrofizácie.

Na monitorovanie veľkých vodných plôch sa dnes využívajú aj satelitné snímky, ktorými sa dá monitorovať prítomnosť a rozsah vysokých koncentrácií chlorofylu a, ktorý informuje o prítomnosti biomasy fytoplanktónu v horných vrstvách eutrofizovanej oblasti.

Údaje, akými sú „rast množstva makrofýt na dne vodného telesa vyjadrený v g/m2“ alebo v „mg chlorofylu a/l“ nie sú podľa definície eutrofizácie vhodnými indikátormi na stanovenie prahových hodnôt, ktorých prekročenie signalizuje eutrofizáciu. V skutočnosti takéto indikátory neexistujú. Na definovanie rozsahu eutrofizácie sú potrebné údaje o referenčnom stave posudzovaného systému a jeho súčasnom alebo budúcom stave. Nakoľko údaje o východiskovom stave nie sú zvyčajne dostupné je posudzovanie eutrofizácie od prípadu k prípadu značne zložité a obtiažne. Prvým príznakom postupujúceho procesu eutrofizácie je pokles koncentrácie kyslíka v nižších vrstvách vodného telesa stojatých vôd a zvýšenie pH vďaka fotosyntéze (vyčerpanie CO2). Tieto parametre doplnené priamym mikroskopickým pozorovaním by mohli predpovedať pravdepodobnosť naštartovania procesu eutrofizácie.