Vízkémia és hidrobiológia ELŐADÓK: MUSA ILDIKÓ (VÍZKÉMIA) DR. SZILÁGYI FERENC (HIDROBIOLÓGIA)

A tápanyagforgalom és a táplálkozási kapcsolatok egyszerűsített folyamatábrája

A TAVI ÖKOSZISZTÉMA ELEMEI (2) Élőhelyek Levegő – víz határfelület Nyíltvíz Üledék (bentosz) Élőbevonat Parti zóna

A TAVI ÖKOSZISZTÉMA ELEMEI (1) Társulások Bakterioplankton Fitoplankton Zooplankton (egysejtűek, kerekesférgek, kisrákok) Magasabbrendű vízinövények (makrofiton) Makroszkópos gerinctelenek (csigák, kagylók, szivacsok, stb.) Halak (növényevők, fenéktúrók, ragadozók)

A TAVI ÖKOSZISZTÉMA ELEMEI (3) Kölcsönhatások az ökoszisztémában Energia áramlás szintjei Táplálkozási kölcsönhatások Kompetíció Minden elem összefügg egymással

Stream Corridor: 4 Dimensions “This four-dimensional framework, found on page one of the Part I background of the SCR publication offers a good starting point for examining stream corridors…. · the physical structure of stream corridors is formed by the movement of water, materials, energy, and organisms within this multidimensional framework, · untrained observers often focus on only the longitudinal dimension or the stream as it flows from headwaters to mouth, · lateral and vertical movements of water, materials, energy, and organisms also influence the character of stream corridors, · as does the equally important time dimension because stream corridors are constantly changing over time”

Stream Corridor Longitudinal Profile “The overall longitudinal profile of most streams can be roughly divided into the three zones seen here… · zone 1, the headwaters, which has the steepest grade, - sediment is eroded from the watershed and most of the finer particles are moved downstream, · zone 2, the transfer zone, receives some of the eroded material, - usually characterized by wide floodplains and meandering channel patterns, · zone 3, the primary depositional zone, is where the stream begins to meander slowly across a broad, nearly flat valley near its mouth, · it should be noted that these zones, while conceptual, are applicable to watersheds with relatively little relief from the headwaters to the mouth, · although erosion, transfer, and deposition occur in all zones, this zone concept focuses on the most dominant process typically occurring”.

Stream Order “Stream ordering is a method of classifying the hierarchy of streams in a watershed…. · the headwater streams are designated 1st order streams to their first confluence, · 2nd order streams are formed below the confluence of 1st order streams, · 3rd order streams are formed when two 2nd order streams join, and so on, · knowing what order a stream is can provide clues concerning other characteristics such as which longitudinal zone it lies in”.

“Runoff can vary from a watershed, either due to natural causes or land use practices…… · these variations may change the size distribution of sediments delivered to the stream from the watershed by preferentially moving particular particle sizes into the stream”. “It is not uncommon to find a layer of sand on top of a cobble layer that actually forms the streambed… · this often happens when accelerated erosion of sandy soils occurs in watershed and the increased load of sand exceeds the transport capacity of the stream during events that move the sand into the channel”.

Stream Classification “Stream classification systems and channel evolution models provide information regarding cause for instability and potential changes within the steam corridor.”

Stream attributes change with longitudinal location “Look at this same diagram with an overlay of channel attributes as they change in the longitudinal dimension”. · “The significant changes in channel attributes give us a heads-up of changes to be expected in related biological attributes”. “Later, we will review hydrological, geomorphic, and biological attributes in light of these lateral, longitudinal, and vertical dimensions”.

Stream Corridor Lateral Profile “As we see in this cross section, the three major components can be further subdivided by structural features and plant communities…. · when all components are present, the corridor is likely to be healthy and sustainable”.

Long-Term Lateral Migration “As we see in this illustration a variety of topographic features are formed on the floodplain by the lateral migration of the stream channel…. · they produce varying soil and moisture conditions and provide a variety of habitat niches that support plant and animal diversity”.

“River Continuum Concept” Connections Watershed to Corridor to Stream Biological communities upstream and downstream “The River Continuum Concept, depicted here, is an attempt to generalize and explain longitudinal changes in stream ecosystems…. · important to stream corridor restoration work because it not only helps to define the connections between the watershed and stream corridor but also some of the ways biological communities develop and change from the headwaters to mouth of streams”.

A folyóvizek (rheális) szinttájai Tájék Szinttáj Ekoszisztémák összessége Forrástájék (krenális) Forrás szinttáj eukrenon Forrás kifolyó szinttáj hipokrenon Pisztrángfélék tájéka (rhitrális) Felső pisztráng- csermelyek, hegyi szinttáj patakok epirhitron Alsó pisztráng- patakok szinttáj metarithron Pénzespér hegyi folyók hiporithron Pontyfélék tájéka (potamális) Márna szinttáj kisebb folyók epipotamon dévérkeszeg- síksági folyók, szinttáj folyamok metapotamon Lepényhal – Tengeri durbincs szinttáj folyótorkolatok hipopotamon

Fény Elektromágneses hullámok folyamatos áramlása vagy Hidrobiológia Fény Elektromágneses hullámok folyamatos áramlása vagy Fotonok (kvantumok) diszkrét „energiacsomagok”, elektromos és mágneses mezővel Fény jellemzője: hullámhossz (, lambda), amplitúdó (A) A Föld felszínére érkező teljes sugárzás: 100-3000 nm Fény intenzitása: egységnyi területen áthaladó fotonok száma

Közvetlen napsugárzás (~80%) (tiszta időben) Hidrobiológia Közvetlen napsugárzás (~80%) (tiszta időben) Szórt sugárzás (~20%) (tiszta időben) Ibolyántúli (Ultraviola. UV) 300-380 nm Látható fény (kék, zöld, vörös) 380-750 nm Vörösön inneni (infravörös, IR) 750-3000 nm Fotoszintetikusan aktív sugárzás (PAR) 400-700 nm

A légkör külső határára érkező napsugárzás további útja: Hidrobiológia A légkör külső határára érkező napsugárzás további útja: 100 % = 11 ezer MJ/m2/év (Próbáld, 1981. nyomán) Albedó: visszaverődött fénymennyiség víz: ~5%, télen: ~ 10% hó: ~90%

Tárgyak közelebbinek és nagyobbnak látszanak Hidrobiológia A Beeső fény Visszavert fény B V b b’ B’ Teljes reflexió V’ vízfelszín Fénytörés: Tárgyak közelebbinek és nagyobbnak látszanak p A

Fény és a víz Fényvisszaverődés Fényelnyelés Fényszóródás Hidrobiológia Fény és a víz Fényvisszaverődés Fényelnyelés Fényszóródás Fényvisszaverődés Beesés szögétől és a felület érdességétől függ

Iz=I0 e-z Fényelnyelés: vízben, illetve a fenéken ahol: Hidrobiológia Fényelnyelés: vízben, illetve a fenéken Iz=I0 e-z ahol: Iz párhuzamos, monokromatikus fénynyalábok intenzitása z mélységben I0 a felszínen áthaladó intenzitás z úthossz (vízmélység)  az adott hullámhossz extinkciós koefficiense

Fény biológiai jelentősége 1 Hidrobiológia Fény biológiai jelentősége 1 Látás, tájékozódás (barlang) Hőforrás Fotoszintézis Fotikus réteg: felső, átvilágított réteg, ahol a fotoszintézis zajlik Afotikus réteg: fotoautotrof élet nem lehetséges, csak lebontást végző élőlények vannak Lefelé haladva (fény csökkenésével) a fotoszintézis csökken, a lebontás nő. Egy adott mélységben a két folyamat kiegyenlíti egymást, ez a kompenzációs mélység, (ahova a felszíni fény 1%-a jut le).

Fény biológiai jelentősége 2 Hidrobiológia Fény biológiai jelentősége 2 Közvetlenül a növényzet elterjedését befolyásolja, főleg az algáknál és a gyökerező hinaraknál figyelhető meg jól (ld. Balaton) Lebegő élőlényeknél napszakos vertikális vándorlás Mérnöki vonatkozás: pl. ivóvíztisztítóban elsötétítés (vagy zöld üveg) az algásodás megelőzésére (klorofill elsősorban vörös és kék fényt hasznosít)

Fény biológiai jelentősége 3 Hidrobiológia Fény biológiai jelentősége 3 A szárazföldi növények PAR: 50%-át hasznosítják, a fitoplankton: 0,01-3%-ot Fotoszintetikus hatékonyság: fotoszintézis során felépített szervesanyag energiatartalma és a besugárzott energia hányadosa 1-5% a magasabb rendű növényeknél

Az eltérő hullámhosszak más mélységekig jutnak le a vízben Hidrobiológia Az eltérő hullámhosszak más mélységekig jutnak le a vízben Vízben található lebegő anyag (nem hullámhossz szelektíven) befolyásolja a víz fényáteresztő képességét. Szervesanyag tartalom erős UV, kék és zöld elnyelő hatás Infravörös sugarak elnyelése: melegedést okoz, (legfelső vízrétegben)

Fény mérése Secchi-korong (Secchi-átlátszóság) 20 cm átmérő Hidrobiológia Fény mérése Secchi-korong (Secchi-átlátszóság) 20 cm átmérő A felszíni fény ~10%-a Durva összefüggés a Secchi-átlátszóság és az oldott szervesanyag tartalom között. Secchi x 2  fotikus réteg

Hidrobiológia Hőmérséklet A mélység növekedésével a hősugárzás gyorsan elnyelődik Rétegződés alakul ki Víz sűrűsége függ a hőmérséklettől Epilimnion Metalimnion Hipolimnion Átkeveredés, átfordulás

HŐMÉRSÉKLETI RÉTEGZETTSÉGET BEFOLYÁSOLÓ TÉNYEZŐK Hidrobiológia HŐMÉRSÉKLETI RÉTEGZETTSÉGET BEFOLYÁSOLÓ TÉNYEZŐK Nyomás: a nyomás csökkenti a maximális sűrűséghez tartozó hőmérsékletet (~0,1ºC/100m) Sótartalom (szalinitás): fagyáspont akár 0 ºC alá csökkenhet (útsózás) Oldott anyagok: infravörös (hő)sugarak elnyelése

MÉLY TAVAK OSZTÁLYOZÁSA KEVEREDÉSI TÍPUSOK SZERINT Hidrobiológia MÉLY TAVAK OSZTÁLYOZÁSA KEVEREDÉSI TÍPUSOK SZERINT Amiktikus Holomiktikus Monomiktikus Hideg Meleg Dimiktikus Polimiktikus Meromiktikus

Rétegződés következménye: eltérő kémiai tulajdonságok Hidrobiológia Rétegződés következménye: eltérő kémiai tulajdonságok Hipolimnion anaeróbbá válik (válhat) Kémiai következmények Biológiai következmények  redoxi viszonyok változása 

Kémiai következmények: redoxi viszonyok változása Hidrobiológia Kémiai következmények: redoxi viszonyok változása Vas redukciója, Fe(OH)3  Fe2+ Fe(III)Fe(II) Mangán redukciója, MnO2  Mn2+ Mn(IV)Mn(II) Vashoz kötött foszfor oldódása

Biológiai következmények Lebontási folyamat túlsúlya Hidrobiológia Biológiai következmények Lebontási folyamat túlsúlya Szén-dioxid felszabadulása pH csökkenése Denitrifikáció, NO3-  N2 Ammónia képződés Szulfát redukció, SO42-  H2S Metán fermentáció, CO2  CH4 Anaerób lebontás során íz és szaganyagok keletkezése

Biológiai vonatkozások Hidrobiológia Biológiai vonatkozások Élet: 0-50 ºC között, de extrém esetek vannak  cseppfolyós víz a két szélső határ Eutermikus (euritermikus): tág hőmérsékleti határokhoz alkalmazkodnak Sztenotermikus: szűk hőmérsékleti határokhoz alkalmazkodnak Állandó testhőmérsékletű fajok: homoioterm Változó testhőmérsékletű fajok: poikiloterm

termofil (melegtűrő): +45 - +95 ºC mezofil pszichrofil (hidegtűrő) Hidrobiológia Van’t Hoff törvénye: a hőmérséklet 10 ºC-al való emelésekor a reakciósebesség 2-3-szorosára nő. A legtöbb élőlény növekedése, fejlődése függ a környezet hőmérsékletétől. Hőigény Hőtűrés termofil (melegtűrő): +45 - +95 ºC mezofil pszichrofil (hidegtűrő) Hőszennyezés: erőművek ΔT Tmax télen és nyáron eltérő lehet

Tápanyagok 100+ kémiai elem  40 életfontosságú Hidrobiológia Tápanyagok 100+ kémiai elem  40 életfontosságú Makro elemek: C, O, H, N, S, P, K, Ca, Mg Nyomelemek: Fe, Mn, B, Zn, Cu, Mo, Cl, Na Felvételi formák Bioszférában: H, O, C, N, Ca, K, Si, Mg, P, S Litoszféra: O, Si, Al, H, Na, Fe, Mg, Ca, K, Ti, C, P, S Atmoszféra: N, O, H, Ar, Ne

Élő szervezetek és tápanyagok Hidrobiológia Élő szervezetek és tápanyagok Növények szervetlenből szerves anyagot állítanak elő (fény és klorofill) 6CO2 + 6H2O  C6H12O6 + 6O2 Elsődleges termelés (primer produkció): fotoszintézis, kemoszintézis során termelődő biomassza Nettó primer produkció: primer produkció – légzés Energia megkötés: csak a primer produkció során, a további szinteken (fogyasztók, konzumensek) energia csökkenés (légzés, hőtermelés, mozgás) Energiaáramlás: egyirányú folyamat Termelők  Fogyasztók (állati szervezetek)  Lebontók

Hidrobiológia Tápanyagok Liebig-féle minimumtörvény: az a tápanyag korlátozza a termelést, ami a többihez képest a legkisebb arányban van jelen C : N : P = 106 : 16 : 1 Tápelemek körforgalmakban vannak

AZ EUTROFIZÁCIÓ KÖVETKEZMÉNYEI MÉRSÉKELT ÉGÖVI ÁLLÓVIZEK ELSŐSORBAN: ALGA TÚLSZAPORODÁS (kovaalgák, zöldalgák, kékalgák) MÁSODSORBAN: MAKROFITON ELBURJÁNZÁS TRÓPUSI ÁLLÓVIZEK ELSŐSORBAN: VÍZI MAKROFITON túlszaporodás (vízililiom, piscia) MÁSODSORBAN: ALGA TÚLSZAPORODÁS (kékalgák, kovaalgák)

A TROFITÁS ÉS A VÍZHASZNÁLAT ÖSSZEFÜGGÉSE Oligotróf Vízellátás fürdőzés, rekreáció Mezotróf vízellátás Eutróf Öntözés haltenyésztés Hipertróf Haltenyésztés hajózás

AZ ALGÁK VÍZMINŐSÉGI HATÁSAI Instabil oxigén viszonyok Szervesanyag termelés Szín, szag és ízproblémák Esztétikailag kedvezőtlen víz Toxintermelő képesség

PROBLÉMÁK A VÍZELLÁTÁSNÁL Növekvő koaguláns igény Az ülepítés során flokkok felúszása Szűrök eltömődése Az algák átmehetnek a szűrőn Baktériumok elszaporodása az algák szervesanyagán a vízelosztó rendszerben

MAKROFITON ELBURJÁNZÁSBÓL EREDŐ GONDOK A VÍZKIVÉTELI MŰVEK eltömése (vízellátás, energiatermelés) MAGAS EVAPORTRANSPIRÁCIÓ VÍZI SZÁLLÍTÁS AKADÁLYOZÁSA FÜRDŐZÉS AKADÁLYOZÁSA HALÁSZAT AKADÁLYOZÁSA

EUTROFIZÁCIÓ SZABÁLYOZÁSA Alapja: limitáció Módszerek mély tavakra sekély tavakra különbözőek Tó és vízgyűjtője egységként kezelése

Beavatkozások a vízgyűjtőn (1) Pontszerű források Lakossági szennyvíz terhelés csökkentése (szennyvíz elvezetés, harmadlagos tisztítás, csatornázási paradoxon) Ipari szennyvíz kezelés Nagyüzemi állattartó telepek hígtrágya kezelése

Beavatkozások a vízgyűjtőn (2) Nem-pontszerű források Mezőgazdasági termelés csökkentése Művelési ág váltás Művelési mód váltás Szerves- és műtrágya felhasználás csökkentése Erózióból származó terhelés csökkentés előtározókkal, nádastóval

Beavatkozások a tóban (1) Mechanikai módszerek Hínárirtás Iszap eltávolítás Levegőztetés Mélységi vízelvezetés Rétegzettség megszüntetése (kényszercirkuláció) Árnyékolás

Beavatkozások a tóban (2) Kémiai módszerek Üledék oxidációja (nitrát, oldott oxigén, hidrogén-peroxid) Meszezés Üledék mobil P inaktiválás (alumínium- szulfát, vas(III)-klorid, stb.) Algicidek alkalmazása

Beavatkozások a tóban (3) Biológiai eljárások Táplálék láncba beavatkozás Betelepítés Növényzet eltávolítás (amúr) Fito és zooplankton gyérítés (busa) Halállomány gyérítés (angolna, csuka, fogas, stb.) Óvatosságot és az ökoszisztéma ismeretét igényli Növénytelepítés

MAKROFITON SZABÁLYOZÁS Aratás Üledék lefedése Kotrás Foszfor inaktiválás Növényevők betelepítése Növényi patogének bevitele Vízmélység szabályozás Növényirtó szerek alkalmazása