Ekotoxikologické hodnocení metod pro management projevů trofizace

Mgr. Daniel Jančula, Ph.D.

Doctoral thesis

Ecotoxicological assessment of methods for the management of eutrophication-associated features

Abstract:

Negativní vliv lidské činnosti na vodní ekosystémy již není jen důsledkem vypouštění toxických látek do prostředí, ale také vnosem živin (především fosforu).Znečištění živinami vede ve vodním prostředí k mnoha efektům jako je masový rozvoj sinic (cyanobakterií), vláknitých řas či vodních rostlin. Tento rozvoj autotrofních organismů může způsobovat nemalé negativní důsledky rybářům, jsou překračovány hygienické limity pro pitnou vodu, vodu využívanou pro rekreaci, dochází k problémům v průmyslových odvětvích apod. Zřejmě nejznámějším důsledkem znečištění vod živinami je právě rozvoj cyanobakterií. Ty jsou schopné produkovat širokou škálu biochemicky aktivních metabolitů, které mohou způsobovat úmrtnost ostatních organismů, indukovat rozvoj nádorů, či jinak poškozovat zdraví. Z tohoto důvodu se začala uvažovat opatření, která by tato rizika spojená s rozvojem sinic snížila. Nápravná opatření proti sinicím by měla začínat snížením vnosu živin do povrchových vod. Na druhou stranu je nutné zmínit, že taková opatření patří rovněž k nejdražším a jsou nedosažitelná pro mnoho oblastí s výskytem cyanobakterií v nádržích. Také z tohoto důvodu jsou dnes vyvíjeny metody namířené přímo vůči nadměrné koncentraci živin nebo cyanobakterií ve vodních tělesech. Ačkoli je zřejmé, že takto namířené zásahy nebudou mít většinou dlouhodobé trvání, jejich použití může vést ke zlepšení kvality vody především v letních měsících a tím k udržení cestovního ruchu či zlepšení ukazatelů vody ve vodárenských nádržích. První část této práce je věnována přehledu metod, které je možno využít v boji proti masovému rozvoji sinic. Další části se pak věnují vývoji nových metod pro management vodních květů sinic a jsou prezentovány formou mezinárodních impaktovaných publikací. Největší pozornost je věnována látkám, které by mohly být v budoucnu využity k omezení rozvoje sinic, tedy algicidům a cyanocidům. Experimenty byly většinou založeny na laboratorních experimentech a týkaly se především ekotoxikologických vlastností těchto látek. Největší část je věnována materiálům, které jsou schopné produkovat extrémně reaktivní formy kyslíku. Tato část přípravků se zdá být z hlediska životního prostředí relativně bezpečná a zároveň selektivní právě vůči buňkám sinic (především v případě hydroxylových radikálů). Také bylo zjištěno, že nejen peroxid vodíku, ale rovněž ftalocyaniny jsou schopné rozkládat toxiny sinic, což je nový výsledek, jež nebyl doposud publikován. Další výsledky také naznačují že i některé přírodní látky (isochinolínové alkaloidy) mohou fungovat v prevenci proti rozvoji řas.

Abstract:

Negative consequences of anthropogenic activities do not only include an input of toxic compounds but also nutrients (especially phosphorus) to the aquatic environment. Nutrient pollution (eutrophication) leads to many negative effects in aquatic ecosystems, including a mass development of cyanobacteria, filamentous green algae and aquatic plants that have a negative impact on the use of water for fisheries, recreation, industry and drinking. The most known consequence of nutrient pollution is perhaps a massive proliferation of cyanobacteria (blue-green algae). Cyanobacteria are well-known for their ability to produce a number of biochemically active metabolites that can cause mortality of organisms, initiate or promote tumors, or deteriorate health by affecting feeding, growth or immune defense. Health risks from human's and other organisms' exposure to cyanobacteria have led to an effort to find practical methods for cyanobacterial water-bloom reduction. Thus, an appropriate approach to cyanobacterial bloom management should focus primarily on the restriction of nutrient inputs to the water bodies where cyanobacteria occur. On the other hand, a restriction of nutrient inputs to the surface waters is the most expensive method of reducing development of cyanobacteria and is in present time not affordable for most areas dealing with nutrient pollution problem. Hence, also other methods and techniques have been developed in order to reduce the amount of phosphorus or to decrease the abundance of nuisance phytoplankton species directly in the water body. Although it is clear that techniques used in the water body usually have a short-term effect only, their usage can lead to the temporal improvement of water quality in the needed time. Especially during summer period, such an application can ensure unharmed tourism or reduce the risks connected with utilization of drinking sources. In the first part, this work provides a literature review of methods that are used nowadays for management of cyanobacterial blooms. The further parts are focus on an evaluation of methods for management of cyanobacterial and algal blooms in the form of scientific articles. Most of the papers deal with new methods that could be used as potential algicides and cyanocides in the future. The experimental design was mostly based on laboratory studies with the respect on ecotoxicological properties of tested methods. The largest part is oriented on materials which are capable of producing reactive oxygen species. This branch of technology seems to be, in principle, environmentally friendly and selective to cyanobacterial cell through the production of hydroxyl radicals. Moreover, it was proved that except hydrogen peroxide, some phthalocyanines can degrade cyanobacterial toxins as well. These results were not published before. The results also indicate that natural compounds (isoquinoline alkaloids) should act as algicides in prevention of algal growth.

Keywords

cyanobacteria, sinice, ekotoxicita, ecotoxicity, metody omezení, methods, eutrofizace, eutrophication

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 23. 8. 2010

Thesis defence

• Date of defence: 22. 11. 2010
• Supervisor: prof. Ing. Blahoslav Maršálek, CSc.
• Reader: doc. Ing. Vladimír Kočí, Ph.D., prof. MVDr. Zdeňka Svobodová, DrSc., RNDr. Jaromír Lukavský, CSc.

Masaryk University

Faculty of Science

Doctoral programme / field:
Chemistry (4-years) / Environmental Chemistry