Jak plaża zjada tucznika

27 września 2019
Blog szalonych naukowców

Parę lat temu w komentarzu do wpisu o ekonomicznym wymiarze ekologii wspomniałem o seminarium, na którym Krzysztof Opaliński z Centrum Badań Ekologicznych PAN przedstawił wyniki badań nad samooczyszczaniem Wisły. Dane miały być niedługo potem opublikowane, a były interesujące, bo wynikało z nich m.in., że kilometr Wisły na jej odcinku z wyspami pod względem samego oczyszczania z materii organicznej wykonuje pracę, która w oczyszczalni ścieków kosztowałaby 35 tys. zł rocznie.

Niestety, to były badania nie tyle jego samego, ile jego doktorantki. Pracę doktorską „Przepływ energii przez piaszczyste ławice i plaże Wisły oraz ich potencjalna rola w rozkładzie materii organicznej” Magdalena Puczko wykonała w CBE PAN, ale stopień nadał Uniwersytet Łódzki. Zaraz potem rozwiązano CBE PAN, Opaliński pozostał na Uniwersytecie Kardynała Stefana Wyszyńskiego, a losy Puczko nie są mi znane [PS. Już się dowiedziałem, że pracuje w Centrum Nauki Kopernik]. W każdym razie praca pewnie gdzieś tam leży w archiwach i bez specjalnej kwerendy się do niej nie dotrze. Można najwyżej przeczytać abstrakt.

Podobny zwrot w karierze miało więcej pracowników CBE PAN, co znacząco wpłynęło na pozycję UKSW w zakresie ekologii. Opaliński wypromował tam trochę prac magisterskich o podobnej tematyce, a ich pokłosiem stała się inna publikacja, oparta głównie na badaniach już nie wysp śródkorytowych, a warszawskiej plaży.

Choć samooczyszczanie jest procesem powszechnie znanym, to wbrew pozorom nie jest wcale za dobrze zbadane i opisane liczbowo. Może właśnie ze względu na tę dawność. Podręczniki hydrobiologiczne odsyłają do starszych. Starsze – do badań z przełomu XIX i XX w. Wtedy opracowano system saprobów, czyli opisano, które gatunki organizmów można znaleźć w wodach o różnym stopniu zanieczyszczenia materią organiczną (np. fekaliami) i jak się rozkładają strefy różnego stopnia samooczyszczenia rzeki w dół od miejsca zrzutu ścieków.

Samooczyszczanie jest procesem fizycznym, chemicznym i biologicznym. Osady rzeczne filtrują zawiesinę, substancje niesione przez wodę utleniają się (rzadziej redukują) i są metabolizowane. Nic w przyrodzie nie ginie, więc tak jak zamiatanie nie likwiduje śmieci, tylko je przenosi w bardziej akceptowalne miejsce, tak samooczyszczanie nie anihiluje materii, tylko ją przekształca w bardziej akceptowalne formy. Na przykład azotany czy amoniak mogą zostać przekształcone w azot cząsteczkowy i ulecieć do atmosfery.

Materia organiczna to głównie związki węgla mniej lub bardziej zredukowane, więc w wodzie z lepszym lub gorszym natlenieniem utlenia się do dwutlenku węgla i wody (oraz innych związków zawierających azot, siarkę itd.). Ziemia ma taką atmosferę, że to prędzej czy później nastąpi (chyba że materia zagrzebie się w głąb i przeciwnie, udział węgla w jej masie będzie wzrastał aż do postaci ropy naftowej, węgla kamiennego albo wręcz diamentu). Szybciej to nastąpi, gdy materia stanie się pokarmem dla organizmów cudzożywnych (bakterii, grzybów, zwierząt i całej masy szeroko rozumianych pierwotniaków).

Jako że z naszego punktu widzenia węgiel w postaci szlamu nie jest najbardziej pożądanym elementem wody rzecznej, ścieki zawierające dużo materii organicznej poddaje się oczyszczaniu. To oczywiście kosztuje. Tymczasem przynajmniej część tego zadania może wykonać sama rzeka i Opaliński, który zajmował się w swojej karierze różnymi sprawami hydrobiologicznymi, postanowił sprawdzić, także rękami swoich studentów, ile i jak.

W oczyszczalniach bada się skład ścieków przed oczyszczaniem i po nim. W naturalnych warunkach jest trudniej. Można zbadać to pośrednio. Jak napisałem wyżej, oczyszczanie z materii organicznej to głównie utlenianie, zatem można badać zużycie tlenu. Gdy dopływ materii organicznej jest nagły i duży, to zużycie jest gwałtowne i może go zabraknąć dla organizmów mniej sprawnych metabolicznie niż bakterie.

Również nie najlepszym pomysłem jest zrzut takiej materii do zbiornika z wodą stojącą. Jeżeli jednak dopływ ten jest odpowiedni, tlen się co prawda zużywa, ale rekompensuje to dopływ z powietrza i fotosyntezy glonów czy roślin wodnych. Okazuje się, że metr kwadratowy warszawskiej plaży, takiej położonej zupełnie w środku miasta i użytkowanej rekreacyjnie, przefiltrowując wiślaną wodę, zużywa go trochę, ale robi to nierównomiernie.

Nie jest zaskakujące, że najmniejsze zużycie tlenu ma miejsce zimą, a największe latem. Dotyczy to zarówno zużycia w procesach bez udziału organizmów, jak i w procesach biologicznych. W styczniu 2009 i 2010 oraz w lutym 2010 r. procesy chemiczne w niektóre dni nie zużyły w ogóle mierzalnych ilości tlenu, podczas gdy we wrześniu 2012 r. zanotowano zużycie 1,55 g tlenu przez metr kwadratowy plaży w ciągu dnia. Zużycie w procesach oddychania organizmów psammonowych, czyli żyjących w piasku, zasadniczo było mniejsze, bo maksymalnie 0,19 g (w sierpniu 2009 r.). Minimalne było też zerowe i też przypadało zimą.

Co ciekawe, mimo że z grubsza oba rodzaje utleniania są proporcjonalne do temperatury i nierzadko było tak, że osiągały swoje wartości niskie lub wysokie w tym samym miesiącu badań, to sprawa jest dużo bardziej złożona i w zasadzie nie ma związku między ich intensywnością. Stąd w niektórych miesiącach wbrew powyższemu schematowi mogło być bardzo duże zużycie biotyczne, a bardzo małe abiotyczne albo odwrotnie.

Wychodzi na to, że metr plaży przy warszawskim moście Śląsko-Dąbrowskim potrafi osiągnąć wydajność 1,72 g tlenu na metr kwadratowy dziennie, ale może spaść do poziomu 0,1 g. Po uśrednieniu i oszacowaniu, jak to się przekłada na zużycie materii organicznej, czyli – mówiąc wprost – jej zjedzenie, daje to 0,78 g mokrej masy. Zatem organizmy zamieszkujące metr kwadratowy piasku tej plaży zjadają rocznie ponad ćwierć kilo świeżej masy.

W innych artykułach było to porównywane do kotleta. Plaża przy badanym moście ma jakieś 1250 m kw., więc rocznie znika na niej 355 kg materii organicznej – tyle co całkiem duża świnia. Oczywiście, ta materia tak naprawdę nie znika. Jest wbudowana w ciała mniejszych lub nieco większych, ale z naszej perspektywy nadal malutkich organizmów, a one z kolei są zjadane przez ryby, ptaki itd. (Swoją drogą w całkiem niedawnych czasach, gdy cała lewobrzeżna Warszawa odprowadzała ścieki komunalne wprost do Wisły, zawsze w okolicy ujścia kolektora kłębiło się mnóstwo ryb, a nad nimi mnóstwo ptaków, a zimą było to miejsce, gdzie można było bez większego trudu spotkać bielika, a nawet kilka. Z kolei na plażach i śródkorytowych wyspach wyrastały łany pomidorów, których nasiona wcześniej przepasażowały przez ludzkie przewody pokarmowe, kolektory ściekowe oraz tzw. oczyszczanie mechaniczne). Opaliński i jego magistrantka Patrycja Słodownik, biorąc pod uwagę koszt zużycia prądu przez oczyszczalnię ścieków, obliczyli, że plaża ta wykonuje pracę wartą 277 zł.

To nie jest może powalająca kwota, ale należy pamiętać, że dotyczy to tylko oczyszczenia z materii organicznej. Jak napisałem wyżej, samooczyszczanie dotyczy też innych zanieczyszczeń. Ponadto jest to kwestia jednej plaży – w samej Warszawie jest ich więcej, a gdyby uwzględnić wyspy, odsypy itp. struktury geomorfologiczne, to kilometrów bieżących piasku omywanego przez wody Wisły robi się całkiem dużo.

Co jednak najważniejsze, jest to kwota dana nam za nicnierobienie. Wystarczy pozostawić plaże wolne od umocnień, bulwarów itp., wystarczy nie tworzyć torów wodnych czy spiętrzeń w imię wątpliwych ekonomicznie celów. Dzika rzeka z dynamicznymi strukturami hydromorfologicznymi będzie działać jak oczyszczalnia. Rzeka zmieniona w kanał będzie tylko transportować ścieki niżej.

fot. Piotr Panek, licencja CC-BY-SA 4.o

  • Patrycja Słodownik, Krzysztof W. Opaliński (2015) Zużycie tlenu przez plażę wiślaną. Dobra i usługi ekosystemu Studia Ecologiae et Bioethicae 13 (4): 179-194, doi:10.21697/seb.2015.13.4.08