Možnosti omezení masového rozvoje sinic ve vodních nádržích

Mgr. Michaela Drábková, Ph.D.

Doctoral thesis

Methods for control of the cynobacterial blooms development in lakes

Abstract:

Abstrakt Nadměrný rozvoj sinic ve vodních nádržích v posledních desetiletích je důsledek zvyšující se eutrofizace vodních ekosystémů, zejména nadměrného přísunu fosforu. Vlivem produkce toxinů a velké produkce biomasy vede masový výskyt sinic k narušení vodních ekosystémů a výrazně omezuje využití vodních nádrží pro rekreaci či jako zdroje pitné vody. Tato práce je zaměřena na možnosti omezení masového rozvoje sinic ve vodních nádržích. V první části práce je zpracován literární přehled metod pro omezení vodních květů sinic v nádržích, kde jsou zpřehledněny informace účinnosti, a výhodách či omezení jejich použití. Zahrnuty jsou metody již dobře známé ale i nové metody a principy, které jsou zatím předmětem výzkumu. Nejdůležitějším krokem je omezení externího přísunu živin do nádrže. Přímo v nádrži může být obsah fosforu dále snížen řadou metod, zejména ošetřením sedimentů (odstraněním, překrytím a oxidací) a srážením fosforu. Další technické metody jako jsou například mechanické odstranění biomasy sinic, promíchávání vodního sloupce nebo použití ultrazvuku přímo zasahují růst a výskyt sinic. Další v současnosti se rozvíjející možností v boji proti sinicím je využití živých organismů (ryb, vodních rostlin, bakterií, virů). I přes řadu nevýhod jsou nejčastější metodou pravděpodobně algicidní zásahy. Široké spektrum látek negativně ovlivňujících růst sinic zahrnuje anorganické i anorganické algicidy, koagulanty, fotosenzitivní látky a řadu přírodních látek a materiálů. Druhá část práce je zaměřena na výzkum účinků kyslíkových radikálů na fytoplankton, principů jejich působení a možností využití těchto látek jakožto specifické cyanocidy. Pro cyanocidní zásahy se zdá být vhodné využití peroxidů. Na základě testů inhibice růstu a měření fluorescence chlorofylu pomocí PAM fluorimetru jsme prokázali výrazně vyšší účinky peroxidu vodíku (H2O2) na sinice než na eukaryotické řasy a byla objevena silná závislost toxicity peroxidu vodíku pro sinice na světelné intenzitě. Možná příčina vysoké citlivosti sinic k H2O2 byla zkoumána pomocí měření fluorescenčních emisních spekter. Diskutovány jsou výhody a nevýhody aplikace H2O2 jako cyanocidu v přírodních vodních nádržích. Dále bylo pomocí testů inhibice růstu řas a sinic testováno také více než 40 různých derivátů ftalocyaninů, jakožto látek produkujících další typ kyslíkových radikálů – singletní kyslík. Narozdíl od peroxidu, nebyly (s výjimkou jedné látky) selektivně vyšší efekty ftalocyaninů a singletního kyslíku na sinice nalezeny. Řada derivátů ftalocyaninů byla ovšem vysoce toxická pro řasy i sinice již v koncentracích pod 1 mg L-1 což naznačuje možné využití těchto látek jakožto algicidů obecně.

Abstract:

Abstract In last few decades, an excessive development of cyanobacteria in lakes and reservoirs occurs as a consequence of increasing freshwaters eutrophication, especially of phosphorus input. Due to production of high biomass and toxins, the cyanobacterial occurrence leads to deterioration of aquatic ecosystems and also negatively affects use of lakes for recreation and as drinking water supplies. This work focuses on possibilities how to control cyanobacterial development in freshwater reservoirs. The first part of the study is a review of methods for cyanobacterial blooms control in lakes, and provides information about effectiveness, advantages and limitations of the methods. The review includes already well-known methods as well as currently developing new methods and principles. The fist important step is a reduction of external phosphorus loading. From in-lake methods – sediment treatments (sediment removal, capping and oxidation) and use of precipitants are the most common methods how to further decrease phosphorus concentrations in water. Another group of technical methods, as are mechanical removal of cyanobacterial biomass, artificial destratification, ultrasonication etc., directly affects cyanobacterial occurrence. Other big and recently developing group of methods involves the use of living organisms and biotic interactions (fishes, aquatic plants, zooplankton, bacteria, viruses). Although having many disadvantages, probably the most common methods discussed for the control of algal and cyanobacterial blooms has been algicidal treatment. The broad spectrum of compounds directly affecting cyanobacteria includes inorganic and organic algicides, coagulants, photosensitive compounds, and range of natural compounds and materials. The second part of the study explores effects of reactive oxygen species (ROS) on phytoplankton, their mode of action, and their possible use as cyanocides. Suitable for possible cyanocidal treatments seems to be the use of peroxides. Significantly higher effects of hydrogen peroxide (H2O2) on cyanobacteria compared to the effects on eukaryotic phytoplankton species were demonstrated by growth tests and PAM fluorescence measurements, and strong light-dependent effect of H2O2 in cyanobacteria has been found. The possible cause of specific cyanobacterial sensitivity to H2O2 is studied, based on measurements of fluorescence emission spectra. Advantages and limitations of H2O2 applications as cyanocides in natural aquatic environments are discussed. As compounds producing another type of ROS - singlet oxygen, more than 40 various phthalocyanine derivatives has been tested in growth inhibition tests to evaluate their possible algicidal effects. With an exception of one compound, the tested phthalocyanines doid not show selective toxicity to cyanobacteria; however, derivatives highly toxic to both algae and cyanobacteria in concentrations lower than 1 mg L-1 were found, suggesting some algicidal potential of these compounds.

Keywords

cyanobacteria, eutrophication, lake restoration, algicides, reactive oxygen species, hydrogen peroxide, phthalocyanines sinice, eutrofizace, obnova vodních nádrži, algicidy, kyslíkové radikály, peroxid vodíku, ftalocyaniny

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 9. 5. 2007

Thesis defence

• Date of defence: 9. 5. 2007
• Supervisor: prof. Ing. Blahoslav Maršálek, CSc.

Masaryk University

Faculty of Science

Doctoral programme / field:
Chemistry / Environmental Chemistry