Polityka_blog_top_bill_desktop
Polityka_blog_top_bill_mobile_Adslot1
Polityka_blog_top_bill_mobile_Adslot2

25.07.2010
niedziela

Łatwiej zepsuć niż naprawić

25 lipca 2010, niedziela,

Wyjątkowo gorące lato sprzyja wyjazdom nad wodę – morze, jeziora czy choćby fontanny miejskie. Jak na razie pobyt w wodzie to czysta przyjemność, choć im cieplejsza woda, tym większe prawdopodobieństwo zakwitów sinicowych, a te w najlepszym wypadku są nieestetyczne wizualnie i zapachowo, ale mogą też być źródłem dość silnych toksyn. Toksyny sinicowe mogą wywołać wysypkę, ale i mogą doprowadzić do śmierci.

Zakwity sinicowe Zatoki Gdańskiej są od wielu lat badane przez zespół Marcina Plińskiego. Powodowane są głównie przez dwa gatunki: Aphanizomenon flos-aquae i Nodularia spumigena. Ten drugi ma szczepy produkujące nodularynę, jedną z silniejszych cyjanotoksyn, choć na razie nie można przewidzieć, czy dany zakwit będzie toksyczny, czy nie. Kiedyś przeważały zakwity Aphanizomenon, ale po zimnym i deszczowym lecie 1993 nastąpiło ciepłe lato 1994, kiedy przewagę uzyskała Nodularia. Od tego czasu nawet gdy lata są chłodniejsze, Nodularia ma znaczny udział w planktonie. Proporcje tych gatunków w zasadzie zależą od stosunków fosforu i azotu, ale przy okazji N. spumigena jest nieco bardziej ciepłolubna.

Stan Zatoki Gdańskiej można więc podzielić na okres przed latem 1994 i po nim. Wcześniej w zakwitach sinicowych dominował jeden gatunek, później drugi. Jest to zgodne z trendem termicznym, im cieplej, tym lepiej dla N. spumigena, ale to nie jest związek liniowy. W pewnym momencie stan Zatoki przełączył się z afanizomenowego na nodulariowy i ochłodzenia nie odwracają tego przełączenia.

W ekosystemach homeostaza to koncept raczej teoretyczny, bo wszystko płynie, ale w pewnej skali da się zauważyć pewne stany stabilne. Przykładowo – jezioro może być przez długi czas mało żyzne, oligotroficzne. W wodzie jest mało fitoplanktonu (i innej zawiesiny), więc jest ona przejrzysta. Dzięki temu dość głęboko mogą występować rośliny tkankowe i duże glony – pod względem botanicznym taki stan określa się jako makrofitowy. Wśród makrolitów kryją się ryby drapieżne, co po całym łańcuchu powiązań troficznych skutkuje silniejszą kontrolą fitoplanktonu. Fotosynteza zachodzi głęboko, więc głęboko sięga warstwa natleniona. Przez to fosforany są wiązane w związki z żelazem na trzecim stopniu utlenienia, które są trudno rozpuszczalne i wypadają z obiegu biologicznego. Materii organicznej jest mało i szybko się rozkłada. Nawet doprowadzenie pewnej ilości biogenów niewiele zmienia, bo sprzężenia zwrotne powodują ich unieruchamianie. Odmiennie jest w jeziorze eutroficznym. Tam jest dużo fitoplanktonu, a zatem i dużo odżywiającego się nim zooplanktonu, jego odchodów i innej materii zacieniającej wodę. Przez to makrofity rosną tylko w najpłytszej strefie. Głębiej nie ma fotosyntezy, za to opadają znaczne ilości materii organicznej, która gnijąc pochłania i tak skąpe tam zasoby tlenu. Powstaje siarkowodór, który reagując z nierozpuszczalnymi fosforanami żelaza, przekształca je w formy rozpuszczalne, więc fosfor wraca do obiegu jeszcze bardziej użyźniając wodę. W gnijącej warstwie na dnie nieutrwalanej przez kłącza roślin żerują nieniepokojone przez drapieżców ryby karpiowate powodując dalszy powrót zawiesiny i biogenów do wody. W takim stanie nawet zatrzymanie dopływu nowych biogenów nie prowadzi do samooczyszczenia, bo w jeziorze działają samonapędzające się mechanizmy podtrzymywania żyzności.

Między tymi dwoma stanami musi istnieć stadium pośrednie – mezotroficzne. W tym stadium cykle sprzężeń zwrotnych rozrywają się. Dopływ biogenów powoduje wzrost żyzności, jego zatrzymanie – samooczyszczanie. Tu jednak też daleko jest od zależności liniowych. Jeśliby pomiar fosforu w wodzie dał wynik ok. 0,1 mg/l – można w ciemno założyć, że woda jest oligotroficzna, a jezioro w stanie makrofitowym. Gdyby wynik przekraczał 1 mg/l, wiadomo by było, że woda jest eutroficzna, a jezioro w stanie fitoplanktonowym. Jednak wynik pośredni nie jest jednoznaczny. Taką samą wartość możemy uzyskać w jeziorze, które jeszcze niedawno było oligotroficzne i wciąż się broni, będąc w stanie makrofitowym, jak i w jeziorze, które niedawno było eutroficzne, ale nieco się oczyściło, pozostając jeszcze w stanie fitoplanktonowym. Wykres produktywności jeziora w zależności od stężenia biogenów nie przypomina proporcjonalności prostej, ale raczej krzywą esowatą – początkowo mimo zwiększania formalnej żyzności, produktywność niemal pozostaje stała, w pewnym momencie (t oe) krzywa przeskakuje niemal pionowo ze stanu oligotrofii do eutrofii, a następnie się stabilizuje. Podobnie jest przy zabiegach oczyszczających – początkowo mimo zmniejszania żyzności, stan nadal jest eutroficzny i krzywa opada w momencie t eo do poziomu oligotroficznego. Te dwie krzywe jednak na siebie nakładają się tylko na krańcach, podczas gdy w środku zakrzywienia esa rozjeżdżają się. t oe następuje przy wyższych stężeniach biogenów niż t eo. W związku z tym, nawet gdy z przeżyźnionego jeziora usunie się pewną ilość biogenów tak, aby osiągnęła poziom z czasów mezotroficznych, nie wystarczy do to do odzyskania tamtego stanu. Wykres tych zależności ma kształt pętli histerezy.

Histereza przeskoku między alternatywnymi stanami stabilnymi pokazuje, że w przypadku ekosystemu łatwiej coś zepsuć niż naprawić (oczywiście mówimy o subiektywnych wartościach – dla karpia eutrofizacja to naprawa, a oligotrofizacja to psucie, dla pstrąga odwrotnie). Nie jest też tak, że gdy coś się stanie, to łatwo się odstanie, po odwróceniu procedury. Czy tak jest w innych sferach? Nie podejmuję się snucia analogii, choć alternatywne stany stabilne (angielski akronim jest taki sam, jak polski: ASS) w ekologii nieco przypominają mi stany stabilne w chemii jądrowej. Na przykład bycie cząsteczką tlenu lub wodoru jest dość stabilnym stanem, ale po dostarczeniu pewnej energii przeskakuje się do stanu jeszcze bardziej stabilnego – cząsteczki wody. Powrót z tego stanu do stanu dwóch pierwiastkowych gazów wymaga jednak większego nakładu energii. Z samym zaś zjawiskiem histerezy po raz pierwszy spotkałem się gdzieś w szkole przy okazji magnesowania ferromagnetyków.

Piotr Panek

Fot. so_happily_unsatisfied, Flickr (CC SA)

Reklama
Polityka_blog_bottom_rec_mobile
Reklama
Polityka_blog_bottom_rec_desktop

Komentarze: 15

Dodaj komentarz »
  1. Histerezą jest tez przeskok między alternatywnymi stanami stabilnymi w cyklu komorkowym przy przejsciu z fazy M do interfazy. Wyjscie z mitozy jest stosunkowo „latwe” i szybkie. Wystarczy odlaczyc cykline od CDK1, zdegradowac te cyklline i tym samym pozwolic fosfatazom odwrocic to, co bylo ufosforylowane przez CDK1 w fazie M. Powrot do fazy M jest mozolny. Trzeba zsyntetyzowac odpowiednie ilosci cyklin, polaczyc je z CDK1 i aktywowac ten enzym zeby uruchomil dalsza kaskade fosforylacji. Jeden i drugi proces wymaga nakladu energii, ale wchodzenie w faze M zuzywa bez porownania wiecej energii.

  2. Skoro eutrofizacja jest trudno odwracalna, to może by jej cofnięcie stymulować wzorem chemii jakimś katalizatorem (oczywiście zakładając, że chcemy ją w ogóle odwrócić)?

    Trochę tak, jak działają rośliny pionierskie zasiedlające jałowe obszary: same zmieniają warunki środowiskowe, po czym giną w konkurencji z roślinami lepiej od nich przystosowanymi do nowych warunków. Właśnie obserwuję z przyjemnością zasiedlanie łach piaskowych pozostawionych przez rozlany Bug w okolicach mojej działki.

  3. Odradzałam niedawno leśnikom usunięcie osadów dennych z krótkiego odcinka brzegu płytkiego eutroficznego jeziora (bez dalszego dopływu biogenów, bo rolnicy okoliczni już mało uprawiają) i urządzenia tam kąpieliska. Moim argumentem była obawa, że naruszenie osadów dennych może doprowadzić do wzrostu żyzności jeziora i jego zarośnięcia, bo zostanie zaburzona zdolność akumulacji biogenów przez te osady. Uważam, że powinni najpierw zbadać osady denne, potem zadecydować. Ponieważ kieruje mną wyczucie architekta krajobrazu i ogólna wiedza przyrodnicza, a sprawa nie była przedmiotem zlecenia, proszę o fachowy komentarz.

  4. Reklama
    Polityka_blog_komentarze_rec_mobile
    Polityka_blog_komentarze_rec_desktop
  5. To wszystko jest dość banalne i wiadome od dawna, ale warto było zajrzeć z powodu zdjęcia. 🙂

  6. Ja dowiedziałem się czegoś nowego.

  7. @ zyks :

    Nasz blog w ogole jest banalny i zwykle piszemy o rzeczach znanych. Nieznane opisujemy w publikacjach naukowych. 😉

    Kordialnie,
    jk

  8. @jk
    Tak właśnie podejrzewałem, że podobnie jak homeostaza jest i u biologów z lornetką w gumiaku, i u biologów w mikroskopem w fartuchu, będzie też z ASS i histerezą.

    @JTy
    Sposobów na cofanie eutrofizacji jest mnóstwo. Jeden z nich opisała Meruńka. Problem w tym, że skutki takich zabiegów są trudne do przewidzenia (tzn. najczęściej są znikome). W dylemacie Meruńki i leśników trudno zająć jednoznaczne, twarde stanowisko. Teoretycznie, usunięcie osadów powinno zmniejszyć żyzność całego jeziora. W praktyce bywa różnie i w istocie rozbabranie osadów może uwolnić z nich dużo biogenów. Z drugiej jednak strony, gdyby trochę tych osadów usunięto, to być może wystarczyłoby to do uruchomienia sprzężeń zwrotnych ku oligotrofizacji i te zresuspendowane biogeny zostałyby wkrótce związane skuteczniej.
    Zabiegów oligotrofizacyjnych w zasadzie nie prowadzi się w jeziorach dużych, bo wymagałoby to olbrzymiej pracy, a i trudniej podjąć decyzję o tak dużej ingerencji inżynieryjnej w środowisko. Te zabiegi to właśnie usuwanie osadów, usuwanie wody przydennej (GP pewnie czasem mija w pracy osoby z zespołu, który po raz pierwszy użył tzw. rury Olszewskiego) albo i wymiana całej objętości wody, natlenianie strefy przydennej (tu szczególnie trzeba uważać na skutki mieszania), wsypywanie środków chemicznych, które wiązałyby fosfor, odcedzanie fitoplanktonu, wpuszczanie algicydów, trucie ryb i pewnie jeszcze coś.
    Czasem coś się nawet udaje. Najczęściej albo nic (albo nieznacznie) się nie zmienia, albo poprawa trwa tylko kilka sezonów.

    Z katalizatorem, to musiałoby być coś, co wchodzi do układu, robi swoje i z niego wychodzi w tej samej postaci. Trudno o coś takiego w skali ekosystemu. Można wpuścić kolonię małży, które będą odfiltrowywać zawiesinę, w tym fitoplankton (i robi się to), ale trudno uznać za bierny katalizator coś, co przy okazji wypuszcza do wody fekalia. Można zaszczepić jakieś rzęsy, które zacienią toń dla fitoplanktonu, a które też trochę biogenów pobiorą, a potem łatwiej je wyłowić i wywieźć gdzieś poza układ (wraz ze związanym azotem i fosforem). I to też się rozważa. Zwłaszcza, że o ile coraz więcej pojawia się przykładów glonów (z bardzo różnych grup taksonomicznych – oprócz klasycznych już sinic i bruzdnic, także okrzemki) dających toksyczne zakwity, o tyle jeszcze o toksycznych rzęsach nie słyszano. Jednak nie jest to bardzo skuteczna metoda (trudno sobie wyobrazić duże jezioro porośnięte rzęsą, choć już hiacyntem wodnym tak – i nie są to najczęściej wyobrażenia pozytywne), no i z punktu widzenia człowieka taka zarzęsiona woda może i nie jest toksyczna, ale też nie zachęca do korzystania.

  9. Noż, @#$%^&!!!
    Mój wpis oczekuje na akceptację, bo jest nim trójkątny nawias, choć jest na temat, a arabellin spam spokojnie się wyświetla…

  10. Powiązania w ekosystemach są (jak sądzę) bardziej subtelne, niż wynika to z cząstkowych badań i pomysłów na odwracanie procesów już zaistniałych. Usuwanie osadów dennych nie jest, co prawda, działaniem na miarę zawracania rzek syberyjskich, ale i tak takie decyzje budzą moje głębokie wątpliwości, jak zachowa się w wyniku tych działań cały system. No i jakie zyski dla człowieka są faktycznie możliwe. Utylitaryzm wiąże się z czasem przyszłym, istnieniem tego czasu w działaniach teraźniejszych. Co do wspomnianego jeziora, jego położenie sugeruje mi, że jego eutrofizacja jest azotozależna. Jakie to ma znaczenie? Proszę o fachowy komentarz.

  11. @ Meruńka
    Tak zza biurka to nie da się odpowiedzieć. Eutrofizacja azotozależna jest rzadka (częściej dotyczy torfowisk wysokich niż zbiorników wodnych), m.in. dlatego, że azot dużo łatwiej krąży po ekosystemie niż fosfor (a gdy już wszystkie azotany i amony zostaną związane w organizmach, to zawsze przylezie jakaś bakteria asymilująca go z atmosfery). Dlatego też w takiej sytuacji mniej skuteczne mogą być zabiegi usuwania osadów. Może już lepiej hipolimnionu, bo przyswajalne związki azotu są dużo lepiej rozpuszczalne w wodzie i słabiej odkładają się w osadach. Oczywiście, to zakładając, że rzeczywiście czynnikiem limitującym w twoim jeziorku jest azot, a nie fosfor.

  12. Atak arabelli odparty 🙂 Zbrodnia, nie zbrodnia, nic to nie ma do rzeczy.

  13. @arabella
    Super i na temat. O glonach 😉

  14. o glonach: bental + makroglony (czyli dno i wodorosty)

    Co do histerezy, to obawiam się, że tak samo jest z antropogenicznym globalnym ociepleniem. Nawet jeżeli by zahamowano uwalnianie kopalnego węgla, i coś pochłonęło ten nadmiarowy CO2, to zatrzymanie ocieplenia może wymagać więcej czasu.

  15. Dzięki bardzo za ciekawy artykuł popularnonaukowy, nie moja dziedzina, więc tym bardziej z przyjemnością przeczytałem o tych, jak ktoś stwierdził, „oczywistościach”. Proszę o więcej.

  16. A może by tak spam zabijać z urzędu?

css.php