Organizmy fitoplanktonowe w ocenie stanu i potencjału - Eko-DOk

ocena jakościowa wód, bioindykacja, wskaźnik fitoplanktonowy IFPL
Ewelina GUTKOWSKA, Andrzej JODŁOWSKI *
ORGANIZMY FITOPLANKTONOWE W OCENIE STANU
I POTENCJAŁU EKOLOGICZNEGO WÓD
POWIERZCHNIOWYCH
Do niedawna wykaz wskaźników biologicznych stosowanych w ocenie jakościowej wód był dość
niewielki i ograniczony głównie do oceny wód powierzchniowych pod kątem skażenia bakteriologicznego. Nowe podejście do zagadnienia sposobu klasyfikacji wód powierzchniowych polegające na
odejściu od założeń, w których głównym kryterium oceny wód były parametry fizykochemiczne, wymagało standaryzacji i selekcji dostępnych metod klasyfikacji wód. Najnowsze rozporządzenie Ministra Środowiska z dnia 9 listopada 2011 r. [1] przedstawia wybrane metody oceny biologicznej ekosystemów wodnych, wśród których fitoplankton charakteryzowany jest przez wskaźnik
fitoplanktonowy IFPL i stężenie chlorofilu a.
1. WSTĘP
Obecnie obowiązujące procedury oceny stanu jednolitych części wód powierzchniowych takich jak rzeki, jeziora i zbiorniki zaporowe zawarte są w rozporządzeniu Ministra
Środowiska z dnia 9 listopada 2011 r. dotyczącym sposobu klasyfikacji stanu jednolitych
części wód powierzchniowych [1]. Obowiązujące rozporządzenie wymaga oceny stanu
i potencjału ekologicznego wód na podstawie wskaźników jakości uwzględniających różne
typy wód. Wskaźniki jakości wód, w skład których wchodzą elementy biologiczne, fizykochemiczne i hydromorfologiczne, pozwalają określić stan ekologiczny naturalnych wód
powierzchniowych lub potencjał ekologiczny w przypadku sztucznych i silnie zmienionych wód powierzchniowych, w tym zbiorników zaporowych. Nadanie jednolitej części
wód (jcw) powierzchniowych jednej z pięciu klas jakości wód, na podstawie wyżej wymienionych wskaźników, pozwala scharakteryzować jej stan ekologiczny od bardzo dobrego (I klasa), przez dobry (II klasa), umiarkowany (III klasa), słaby (IV klasa), aż do
__________
* Instytut Inżynierii Komunalnej i Instalacji Budowlanych, Politechnika Łódzka, Al. Politechniki 6,
90-924 Łodź, [email protected]
188
E. GUTKOWSKA, A. JODŁOWSKI
złego (V klasa). W podobny sposób określa się potencjał ekologiczny wód powierzchniowych sztucznych i silnie zmienionych (I klasa-maksymalny potencjał ekologiczny; II klasadobry; III klasa-umiarkowany; IV klasa-słaby; V klasa-zły). Rozporządzenie zawiera również wytyczne dotyczące sposobu oceny stanu chemicznego, który w połączeniu z oceną
stanu/potencjału ekologicznego pozwala w końcowym etapie określić stan wód powierzchniowych jako dobry bądź zły.
Zgodnie z rozporządzeniem Ministra Środowiska, ocena stanu i potencjału ekologicznego opiera się głównie na komponentach biologicznych (ang. BQE –Biological Quality
Elements). Kryteria fizykochemiczne i hydromorfologiczne są elementami wspierającymi
i uzupełniającymi pełną ocenę jakościową. W pracy poddano analizie metody charakterystyki jednego z biologicznych elementów oceny jakościowej wód jakim jest fitoplankton,
właściwe dla wód płynących, jezior i zbiorników zaporowych.
2. ELEMENTY BIOLOGICZNE JAKO PODSTAWOWE KRYTERIUM OCENY
STANU I POTENCJAŁU EKOLOGICZNEGO WÓD W POLSCE
Przyjęto, że ocena jakości wód z wykorzystaniem elementów analizy biologicznej
jest metodą najbardziej precyzyjną. Organizmy żywe są najbardziej czułe na zmiany
zachodzące w środowisku, w tym procesy degradacji i odnowy ekosystemów wodnych. Wykorzystano więc organizmy wodne będące bioindykatorami, których obecność, brak lub liczebność dostarcza informacji o warunkach abiotycznych danego
ekosystemu, w tym m.in. o temperaturze, nasłonecznieniu, natlenieniu, odczynie wody, zasoleniu, prędkości prądu [2]. Istotny problem stanowi jednak kwestia doboru
organizmów wskaźnikowych. Gorzel i Kornijów [3] wskazują, że powinny się one
charakteryzować wąskim spektrum wymagań ekologicznych, powszechnym występowaniem w dużych liczebnościach i długim cyklem życiowym. Ponadto bioindykatory powinny być łatwo rozpoznawalne, a ich rozwój osobniczy i dynamika populacji
dobrze poznane.
Wskaźnikami biologicznymi determinującymi stan i potencjał ekologiczny wód
w Polsce są fitoplankton czyli mikroskopijne organizmy roślinne biernie unoszące się
w wodzie, fitobentos odnoszony do ogółu organizmów roślinnych zasiedlających dno
rzek i zbiorników wodnych, makrofity czyli zakorzenione rośliny występujące w środowisku wodnym, których większa część powierzchni jest wynurzona, makrobezkręgowce bentosowe czyli zwierzęta bezkręgowe zasiedlające osady denne oraz ichtiofauna [1,4].
Nowe podejście w zakresie oceny i klasyfikacji wód polegające na odstąpieniu od
założeń, w których podstawą oceny jakościowej wód były parametry fizykochemiczne
wiązało się z koniecznością standaryzacji metod, które uwzględniałyby różne abiotyczne typy wód oraz różne typy zagrożeń ekosystemów wodnych [5]. Połączenie
Organizmy fitoplanktonowe w ocenie stanu i potencjału ekologicznego wód powierzchniowych 189
pomiarów różnorodności strukturalnej określonych grup taksonomicznych z właściwościami wskaźnikowymi poszczególnych gatunków lub wyższych jednostek systematycznych zapewniają metody indeksów biotycznych [3]. Ocena jakości wody
w oparciu o analizę struktury populacji (dominacja, zagęszczenie) pozwala na zbyt
dużą dowolność interpretacji, natomiast stosowanie indeksów biotycznych zapewnia
otrzymanie porównywalnych danych liczbowych charakteryzujących określony stan
wód. Indeks biotyczny, jest więc wskaźnikiem kompleksowym łączącym cechy jakościowe dotyczące wrażliwości określonych taksonów, jak również cechy ilościowe
związane ze zmniejszaniem się liczby jednostek taksonomicznych wynikającym
z dopływu zanieczyszczeń.
3. WSKAŹNIK FITOPLANKTONOWY IFPL I STĘŻENIE CHLOROFILU a
Fitoplankton czyli drobne organizmy fotosyntetyzujące biernie unoszące się w toni
wodnej stanowią ważną grupę organizmów wskaźnikowych wykorzystywanych do
oceny jakościowej zarówno wód płynących jak i zbiorników wodnych. Wskaźnikiem
charakteryzującym fitoplankton w przypadku rzek i zbiorników zaporowych jest indeks fitoplanktonowy IFPL. W ocenie potencjału ekologicznego silnie zmienionych
części wód będących zbiornikami zaporowymi indeks fitoplanktonowy IFPL jest elementem składowym zintegrowanego wskaźnika FLORA. Na podstawie wskaźnika
FLORA i MZB (makrobezkręgowce bentosowe) możliwe jest dokonanie łącznej oceny
biologicznej, a tym samym oceny potencjału ekologicznego badanych wód. Na liście
wskaźników oceniających stan wód jeziornych, fitoplankton opisywany jest za pomocą średniej wartości stężenia chlorofilu a.
3.1. RZEKI
Multimetryczny indeks IFPL w swej ocenie uwzględnia charakterystykę stanu troficznego badanego stanowiska na podstawie listy występujących taksonów wskaźnikowych (wskaźnik IT) oraz biomasę fitoplanktonu określoną przez zawartość chlorofilu a (wskaźnik CH). Wyznaczenie wskaźnika IT polega na przypisaniu kolejnym
taksonom wskaźnikowym wartości wrażliwości na poziom żyzności wód (Ti), wartości wagowej wskazującej zakres tolerancji ekologicznej (wTi) oraz określeniu ich
udziału procentowego w bioobjętości wszystkich taksonów wskaźnikowych fitoplanktonu (Di) [6].
IT 
 Ti  wTi  Di
 wTi  Di
(1)
190
E. GUTKOWSKA, A. JODŁOWSKI
Drugim modułem indeksu IFPL jest wskaźnik zawartości chlorofilu CH przyjmujący
wartości od 0 (najkorzystniejszy) do 4 (najmniej korzystny) w zależności od średniego stężenia chlorofilu a uzyskanego w okresie wegetacyjnym. W Tabeli 1 przedstawiono przedziały stężenia chlorofilu a i przypisane im wartości wskaźnika CH dla
wybranych typów rzek.
Tabela 1. Wartości wskaźnika CH w zależności od typu wód i stężenia chlorofilu a [1,6,7]
Typ rzeki1
Stężenie chlorofilu a
< 20
20-35
35-50
50-65
> 65
Typ rzeki2
Stężenie chlorofilu a
< 25
25-60
60-95
95-130
> 130
CH
0
1
2
3
4
CH
0
1
2
3
4
1
Typ rzeki: nizinna piaszczysto-gliniasta, nizinna żwirowa, mała i średnia rzeka na obszarze będącym pod wpływem procesów torfotwórczych, ciek łączący jeziora;
1
Typ rzeki: wielka rzeka nizinna.
Po standaryzacji wskaźników IT i CH indeks IFPL przyjmuje wartości z przedziału 0
(najmniej korzystny) do 1 (najkorzystniejszy) i obliczany jest za pomocą równania
(2).
IFPL 
Z IT  Z CH
2
(2)
w którym ZIT oznacza znormalizowaną wartość wskaźnika IT, a ZCH określa znormalizowaną wartość wskaźnika CH :
Z IT  (1  ( IT  1)  0,25
Z CH  1  (CH  0,25)
(3)
(4)
Klasyfikacja stanu rzek z wykorzystaniem IFPL możliwa jest w przypadku rzek nizinnych pięciu typów: piaszczysto-gliniastych i żwirowych, wielkich rzek nizinnych
oraz małych i średnich rzek na obszarze będącym pod wpływem procesów torfotwórczych, a także cieków łączących jeziora. Wartości graniczne IFPL właściwe dla wyżej
wymienionych typów rzek przedstawiono w Tabeli 2.
Organizmy fitoplanktonowe w ocenie stanu i potencjału ekologicznego wód powierzchniowych 191
Tabela 2. Klasyfikacja jakości wód na podstawie wartości granicznych wskaźnika fitoplanktonowego
(IFPL), zgodnie z rozporządzenie Ministra Środowiska z dnia 9 listopada 2011 r. [1,7]
Wartości graniczne wskaźnika IFPL odpowiednie dla
klasy
I
II
III
IV
V
≥ 0,8
≥ 0,6
≥ 0,4
≥ 0,2
< 0,2
3.2. ZBIORNIKI ZAPOROWE
Zbiorniki zaporowe zgodnie z rozporządzeniem Ministra Środowiska [7] zaliczane
są do cieków sztucznie lub silnie zmienionych typu 0, stąd też zasada wyznaczania
wskaźnika IFPL dla rzek i zbiorników zaporowych jest podobna. Wskaźnik produktywności biologicznej zbiornika FT wyliczany jest analogicznie jak w przypadku rzek
uwzględniając wartości wrażliwości taksonów na poziom trofii (Ti), wartości wagowe
wskazującej zakres tolerancji ekologicznej (wTi) oraz udział procentowy taksonów
w bioobjętości wszystkich taksonów wskaźnikowych (Di) [8].
FT 
T  wT  D
 wT  D
i
i
i
i
(5)
i
Granice przedziałów stężenia chlorofilu a decydujące o wartości wskaźnika CH dla
wszystkich typów zbiorników zaporowych są takie same (Tabela 3). Typ zbiornika
zaporowego uwzględnia się jedynie na etapie szacowania średniej wartości stężenia
chlorofilu a, kiedy to należy zastosować następujące wagi: 1 – zbiornik limniczny; 1,5
– zbiornik przejściowy; 2 – zbiornik reolimniczny [8].
Tabela 3. Wartości wskaźnika CH w zależności od stężenia chlorofilu a w wodach zaporowych
wszystkich typów [1,7,8]
Stężenie chlorofilu a
< 20
20-40
40-60
60-90
> 90
CH
0
1
2
3
4
Po standaryzacji wskaźników FT i CH multimetryczny wskaźnik fitoplanktonowy
IFPL wyznaczany jest za pomocą równania (6).
192
E. GUTKOWSKA, A. JODŁOWSKI
IFPL 
Z FT  Z CH
2
(6)
w którym ZFT oznacza znormalizowaną wartość wskaźnika FT, a ZCH określa znormalizowaną wartość wskaźnika CH :
Z FT  (1  ( FT  1)  0,25
(7)
Z CH  1  (CH  0,25)
(8)
Wartości graniczne wskaźnika IFPL właściwe dla odpowiedniej klasy jakości wód są
identyczne jak przypadku wód płynących (IFPL > 0,8 – I klasa; ≥ 0,6 – II klasa; ≥ 0,4
– III klasa; ≥ 0,2 – IV klasa; < 0,2 – V klasa) [1,7].
3.3. JEZIORA
Stężenie chlorofilu a jako wskaźnik zagęszczenia fitoplanktonu w przypadku naturalnych i sztucznych zbiorników wodnych (nie będących zbiornikiem zaporowym)
wyznaczane jest na podstawie średniej arytmetycznej z wyników badań uzyskanych
w okresie wegetacyjnym. Chlorofil jest barwnikiem umożliwiającym syntezę związków organicznych z materii nieorganicznej przy udziale światła. Chlorofil a występuje w komórkach większości organizmów fotosyntetyzujących i jest najbardziej rozpowszechnionym spośród wielu rodzajów chlorofili w przyrodzie. Istotną rolę
w przyjętym systemie klasyfikacji odgrywa współczynnik Schindlera będący stosunkiem zsumowanej powierzchni zbiornika wodnego i jego zlewni do objętości tego
zbiornika.
Ocena stanu ekologicznego jezior na podstawie uzyskanej wartości stężenia chlorofilu a możliwa jest w przypadku:
1. jezior stratyfikowanych - o niskiej zawartości wapnia, wysokiej zawartości
wapnia i małym wpływie zlewni, wysokiej zawartości wapnia i dużym wpływie zlewni - Niż Środkowopolski; jezior stratyfikowanych - o wysokiej zawartości wapnia
i małym wpływie zlewni, wysokiej zawartości wapnia i dużym wpływie zlewni – Niziny Wschodniobałtycko-Białoruskie; jezior stratyfikowanych o wysokiej zawartości
wapnia – Równiny Poleskie (współczynnik Schindlera1)
2. jezior niestratyfikowanych - o niskiej zawartości wapnia, wysokiej zawartości
wapnia i małym wpływie zlewni, wysokiej zawartości wapnia i dużym wpływie
zlewni, jezior przymorskich pod wpływem wód słonych - Niż Środkowopolski; jezior
niestratyfikowanych - o wysokiej zawartości wapnia i małym wpływie zlewni, wysokiej zawartości wapnia i dużym wpływie zlewni – Niziny Wschodniobałtycko-
Organizmy fitoplanktonowe w ocenie stanu i potencjału ekologicznego wód powierzchniowych 193
Białoruskie; jezior niestratyfikowanych o wysokiej zawartości wapnia – Równiny
Poleskie (współczynnik Schindlera2).
W zależności od wartości współczynnika Schindlera i typu jezior wyróżniono wartości graniczne stężenia chlorofilu a właściwe dla pięciu klas jakości (Tabela 4).
Tabela 4. Klasyfikacja jakości wód na podstawie wartości granicznych stężenia chlorofilu a (fitoplankton), zgodnie z rozporządzeniem Ministra Środowiska z dnia 9 listopada 2011 r. [1,7]
Współczynnik Schindlera
Współczynnik
Schindlera1
Współczynnik
Schindlera2
<2
>2
<2
>2
Wartość graniczna wskaźnika odpowiednia dla klasy
I
II
III
IV
V
<5
≤8
≤ 11
≤ 16
> 16
<7
≤ 13
≤ 21
≤ 33
˃ 33
< 10
≤ 19
≤ 30
≤ 42
> 42
< 10
≤ 23
≤ 40
≤ 68
> 68
4. PODSUMOWANIE
Najnowsze, obecnie obowiązujące rozporządzenie Ministra Środowiska z dnia 9
listopada 2011 r. w sprawie klasyfikacji stanu jednolitych części wód powierzchniowych oraz środowiskowych norm jakości dla substancji priorytetowych [1] wprowadza ogromne zmiany w zakresie oceny i klasyfikacji wód. Organizmy żywe najlepiej
ukazujące toksyczny wpływ zanieczyszczeń na kondycję i długoterminowe zmiany
w funkcjonowaniu ekosystemów wodnych odgrywają decydującą rolę w ocenie stanu
i potencjału ekologicznego wód.
Bioindykacyjne właściwości fitoplanktonu sprawiły, że wśród biologicznych metod oceny jakości wód znalazł się wskaźnik fitoplanktonowy IFPL. Multimetryczny
indeks IFPL spełnia wysokie wymagania, jakimi muszą charakteryzować się wskaźniki jakości wód narzucone przez Ramową Dyrektywę Wodną [9]. IFPL jest indeksem
dostosowanym do różnych typów abiotycznych wód i specyficznych warunków w
nich panujących. Indeks fitoplanktonowy pozwala na przeprowadzenie oceny zmiany
struktury taksonomicznej (wskaźnik IT, FT) i intensywności rozwoju flory wodnej
(wskaźnik CH). IFPL łączy w sobie pomiar różnorodności biologicznej z właściwościami wskaźnikowymi fitoplanktonu oraz miarą wrażliwości poszczególnych taksonów na poziom zanieczyszczeń. Dzięki przeprowadzeniu standaryzacji wskaźników,
IFPL przyjmuje wartości z przedziału od 0 do 1, co zapewnia powtarzalność i porównywalność wyników, które zostały określone za pomocą tego indeksu.
W rozporządzeniu Ministra Środowiska z dnia 9 listopada 2011 r. [1] fitoplankton
w naturalnych zbiornikach wodnych nie jest charakteryzowany za pomocą indeksu
biotycznego, ale średniej wartości stężenia chlorofilu a z sezonu badawczego. Proce-
194
E. GUTKOWSKA, A. JODŁOWSKI
dury oceny stanu wód jeziornych mogą ulec zmianie wobec zalet, jakie niosą z sobą
metody indeksów biotycznych.
LITERATURA
[1]
[2]
[3]
[4]
[5]
[6]
[7]
[8]
[9]
Rozporządzenie Ministra Środowiska z dnia 9 listopada 2011 r. w sprawie klasyfikacji stanu jednolitych części wód powierzchniowych oraz środowiskowych norm jakości dla substancji priorytetowych (Dz.U. z 2011 r. Nr 257 poz. 1545).
ŻMUDZIŃSKI L., Słownik hydrobiologiczny: terminy, pojęcia, interpretacje. Wydaw. Nauk.
PWN. Warszawa, 2002.
GORZEL M., KORNIJÓW R., Biologiczne metody oceny jakości wód rzecznych. Kosmos - problemy nauk biologicznych. 2004: Nr 2. Tom 53: 183-191.
PANEK P., Wskaźniki biotyczne stosowane w monitoringu wód od czasu implementacji w Polsce
Ramowej Dyrektywy Wodnej. Przegląd Przyrodniczy XXII, 3 (2011): 111-123.
BIS B., Przewodnik metodyczny do przeprowadzenia oceny stanu ekologicznego i klasyfikacji rzek
Polski na podstawie analiz zespołów makrobezkręgowców bentosowych, zgodnie z wytycznymi
przewodnika REFCOND opracowanego w ramach wspólnej strategii wdrażania Ramowej Dyrektywy Wodnej. ["Guidelines on the methodology of ecological status assessment and river classification, based on the macroinvertebrate assemblages, under the REFCOND requirements and Common Implementation Strategy of the Water Framework Directive"]. Opracowanie na zlecenie
Głównego Inspektoratu Ochrony Środowiska, Uniwersytet Łódzki, 2009.
PICIŃSKA-FAŁTYNOWICZ J., BŁACHUTA J., Wytyczne metodyczne do przeprowadzania badań
fitoplanktonu i oceny stanu ekologicznego rzek na jego podstawie. Główny Inspektorat Ochrony
Środowiska, Warszawa, 2011.
Rozporządzenie Ministra Środowiska z dnia 9 listopada 2011 r. w sprawie klasyfikacji stanu ekologicznego, potencjału ekologicznego i stanu chemicznego jednolitych części wód powierzchniowych
(Dz.U. z 2011 r. Nr 258 poz. 1549).
PICIŃSKA-FAŁTYNOWICZ J., BŁACHUTA J., Wytyczne metodyczne do przeprowadzania monitoringu i oceny potencjału ekologicznego zbiorników zaporowych w Polsce. Główny Inspektorat
Ochrony Środowiska, Wrocław, 2010.
Dyrektywa 2000/60/WE parlamentu europejskiego i rady z dnia 23 października 2000 r. ustanawiająca ramy wspólnotowego działania w dziedzinie polityki wodnej (Dz.U. UE L z dnia 22 grudnia
2000 r.)
PHYTOPLANKTON IN THE ASSESSMENT OF SURFACE WATER CONDITION AND
ENVIRONMENTAL POTENTIAL
Until recently, the list of indicators used in the assessment of biological water quality was quite small
and mainly limited to the assessment for bacteriological contamination. A new approach to the problem
of surface water classification by abandoning the principles in which the main measure of water evaluations were physicochemical parameters, required standardization and selection of available methods for
the water classification. Latest Regulation of the Minister of Environment of 9 November 2011 [1], presents some methods of biological assessment of aquatic ecosystems, among which phytoplankton is characterized by IFPL -phytoplankton rate and concentration of chlorophyll a.