A biológiai vízminősítés módszertana

Átírás

1 A biológiai vízminősítés módszertana a kanári madarak esete a bányászokkal 1) A víz az élet egyik alapeleme, egyben minden gazdasági tevékenység alapvető feltétele. 2) Földünk vízkészletének mindössze 1%-a alkalmas emberi fogyasztásra (édesvízkészleteink végesek! a jövő nagy politikai csatái) 3) A Föld lakói közül több mint 1,2 milliárd ember nem jut egészséges ivóvízhez. Wetzel (2001) Limnology 1-7

2 A biológiai vízminőség és a biológiai vízminősítés. Tartalmi összefoglaló 5. Szubiektív fogalmak (minőség és jóság) obiektivvé tétele (vízminőség és vízjóság) gyakorlati vetületei. 2. A biológiai vízminőség értelmezése, a víz tulajdonságai közül a biológiailag fontosaknak kiemelése, a biológiai vízminősítés megjelenésének kiváltó okai és tudománytörténeti áttekintése. 9. A biológiai vízminőség mutatóinak, jelenségeinek és változásainak kifejezhetősége négy tulajdonságcsoport alapján. A halobitás, a trofitás, a szaprobitás és a toxicitás tulajdonságcsoportok fogalmi lehatárolása, értelmezése és használata a biológiai vízminősítés rendszerében. 11. A rendszer által használt kategóriák kritikája, a minősítési rendszer hiányosságai, bevezetésének és gyakorlati alkalmazásának korlátai. A biológiai vízminősítési rendszer megalkotásának jelentősége.

3 Az ökológiai vízminősítés rendszere I. A rendszer elméleti alapjai, gyakorlati alkalmazásának igényei, általános sajátosságai. Az ökológiai vízminősítési rendszer elméleti alapjai: Az ökológiai vízminőség állapot - egy víztér esetében, egy adott időpontban a víztér élővilágát alkotó populációk és populációegyüttesek tér és időbeli mennyiségi megjelenésének kialakításában szerepet játszó tényezőknek konkrét értékeiből adódó ponthalmaz (ebből a tulajdonságokból képzett sokdimenziós attributumtérben, ahol az attributumtér dimenzióinak száma megegyezik a vizsgált hatóképesnek minősíthető tényezők számával (Dévai, 1992). A ökológiai vízminősítési rendszer gyakorlati alkalmazásának szükségessége, a felmerült igények összefoglalása. A részletes ökológiai állapotfelmérés módszerei. A rendszer jellemzőinek áttekintése: ökológiai szempontból fontos mutatók, gyakorlati használhatóság, tudományos megalapozottság, nyilt rendszerű szervezés, számítógépes alkalmazhatóság

4 Az ökológiai vízminősítés rendszere II. A rendszer gyakorlati alkalmazásának módszerei, a rendszer általános felépítése, minősítés a víztértipológia és a sztatikus mutatók alapján. I. A sztatikus mutatók szerinti minősítés 1. A víztértipológiai rendszer alkalmazása a minősítés rendszerében. 2. Természetföldrajzi jellemzők (tájegység, tájtípus, éghajlat, domborzat, magassági helyzet, alapkőzet, talaj, vízellátottság). 3. Medermorfológiai és mederanyag-minőségi jellemzők (vízmélység, vízfelület, mederalkat, makrovegetáció, mederanyag-minőség). 4. Természetvédelmi és környezetgazdálkodási jellemzők (védettségi állapot, szennyezésérzékenység, társadalmi hasznosítás szerinti helyzet, környezettechnológiai beavatkozások szerinti állapot, degradáció mértéke).

5 Az ökológiai vízminősítés rendszere III. A dinamikus mutatók szerinti minősítés. 5. A dinamikus mutatók fogalmának meghatározása. 2. Az aktuális és a globális tipológia szerinti értékelés, a dinamikus mutatók csoportosítása. 4. Az élettelen természeti jelenségcsoportok által meghatározott mutatók: vízmozgások, vízháztartás, áramlási viszonyok (reitás), loticitás (hullámzási viszonyok), termitás (hőmérsékleti viszonyok), halobitás (szervetlen kémiai jellemzők). 4. Az élettelen és az élő természet jelenségei által egyaránt meghatározott mutatók: fényviszonyok (luciditás), oxigénviszonyok (aerobitás), trofitás, szaprobitás,toxicitás. 5. Az élő természet által meghatározott mutatók: építés (konstruktivitás) és lebontás (destruktivitás).

6 A szaprobiológiai vízminősítés rendszere, az EU VKI vízminősítési rendszere. 1. A szaprobiológiai vízminősítési rendszerek elterjedése az Európai Unió tagországaiban. 3. A különböző minősítési rendszerek elméleti alapjai, felépítésük, értékelési módszereik lényege. A szaprobiológiai vízminősítési rendszerek, mint vízjósági kategóriák. 4. Az Európai Unió Víz Keretirányelvének létrejötte, célkitűzései. Az.A. és a.b. rendszer szerinti tipizálás. A két rendszer körében vizsgált változók. 5. Élőlénycsoportok a VKI rendszerében. Az EU VKI hazai alkalmazásának lehetőségei. 6. Vízfolyások és állóvizek tipizálása, referencia vízterek, interkalibrációs helyek kiválasztása. 7. Hazai alapállapotfelvétel, és monitorozási tapasztalatok. Románia környezeti állapota, főbb globális problémák, a környezetminőség és az emberi egészség összefüggése.

7 A biológiai vízminősítés rövid történeti áttekintése Az édesvízi közösségek biológiai minősítése változatos megközelítési módszereken keresztül fejlődőtt I a háztartási és ipari szennyeződések nagyymértékű felszaporodásával párhúzamosan a biológiai indikátorszervezeteken alapuló vízminősítés Europából indult - Kolkwitz és Marsson (1909) Németország Folyók Szaprobiológiai Rendszere a plankton és perifiton jelenléte mint válasz a szervesanyag terhelésre és az oxigénmennyiség csökkenésére. A módszert azóta is sokat finomították, de még mindig a vízminősítés alapja (Bauernfeind és Moog, 2000) Alapja a később elterjedt és ma is használatos biotikus indexek kidolgozásának (pl. EPT)

8 A biológiai vízminősítés rövid történeti áttekintése II A környezeti előrejelző rendszerek kidolgozása és vízvédelmi hatóságok megalakulása, a vizek védelmére törvényes keretet dolgoztak ki 2. A biotikus és minősítési (diverzitási) indexek tömeges megjelenése és elterjedése Trent biotikus index az első 6 kulcsszervezetet használt, mely minősítette a szervezeteket azáltal, hogy milyen választ adtak bizonyos szennyezésekre Az összes többi biotikus index kidolgozásának ez volt a háttere: Hilsenhoff index Észak Amerikában, BMWP (Biological Monitoring Working Pary) pontrendszere Angliában, Index Biotique Franciaországban, Belga Biotikus Pontrendszer, stb... Nagy hártánya hogy a közösség csupán néhány elemét vizsgálta több kevesebb számú bioindikátor szervezet használata minősítésre

9 A biológiai vízminősítés rövid történeti áttekintése II ben Ruth Patrick elsőként dolgozta ki a közösség alapú minősítési rendszert, kovamoszat közösségeken alapuló megfigyelései alapján: egyensúly elméletek (dinamikus egyensúly a bevándorló és kihaló szervezetek száma között) a diverzitási indexek széleskörú elterjedése a vizminősítésben dolgozó szakemberek körében a közösséget le lehet redukálni egyetlen számra!!!??? A diverzitási indexek egyoldalú használatának hátránya: nincs minden esetben összefüggés a vizes élőhely diverzitása és stabilitása között Pool (1974) : a diverzitási indexek válaszok olyan kérdésekre, amelyeket még ki sem találtunk Ennek ellenére a diverzitási indexeket a mai napig használják javításokkal, például a többváltozós adatelemzésekben

10 A biológiai vízminősítés rövid történeti áttekintése III a biológiai vízminősítéssel foglalkozó irodalom megszaporodása - fontosabb mozzanat a statisztikai elemzések paramétereinek és módszereinek finomítása, rendszerelméletek kidolgozása - a gyors vízminősítések protokoláris módszereinek kidolgozása és standardizálása (többvátozós módszerek, predikciók, előrejelzések kidolgozása) Green féle vízminősítési módszer (1979): a kontroll és teszt mintavételi pontok összehasonlítása, a szennyező hatás előtt és utána (BACI modell) durvább becslés Stewart-Oaten és mtsai (1986): a kontroll és teszt helyek többszöri mintavételezése, a a szennyező hatás előtt és utána - árnyaltabb becslés ANOVA alapú komplex becslések (Keough és Mapstone, 1997, Underwood, 1997), diszkriminancia analízisek (Braak és Verdonschot, 1995), predikciós modellek (RIVPACS River Invertebrate Prediction and Classification Scheme, Wright, 1995 komplex becslés

11 A biológiai vízminősítés rövid történeti áttekintése IV. A jelenkór Többváltozós predikciós modellek kidolgozása Nemzeti monitorozó stratégiában előszőr Anglia használta (1977): (1) tiszta folyóvizek osztályozása bentikus makrogerinctelenekkel (2) hogyan lehet megbecsülni a biota szerkezetét tiszta folyóvizek esetében csak az illető élőhely fizikai és kémiai paramétereinek ismeretével A referencia jelleg variabilitása és predikciójának lehetőségei RCA Reference Condition Approach (Field et al., 1982) Spanyolország, Portugália, Svédország

12 Vízminőség, vízminősítés, vízminőségi osztályok A vizek minõségének meghatározása mintavételbõl, helyszíni és laboratóriumi fizikai, kémiai, biológiai és bakteriológiai vizsgálatok elvégzésébõl, és a vizsgálat során mért adatok rendszerezett értékelésébõl áll. A vizek minõségének megállapítása gyakran gyakorlati felhasználhatóságot céloz meg A gyakorlati felhasználás eltérõ minõségi kötetélményei alapján a természetes vizeket ivóvíz- és iparivíz-ellátásra, öntözésre és egyéb célokra (pl. haltenyésztés; sport, üdülés; közlekedés) minõsítik régebbi emberközpontú megközelítés Természetvédelmi vízminősítés: az illető vizes élőhely egészének természetközeli fennmaradását célozza komplexebb felméreseket feltételez ökológiai vízminősítés, referencia jellegű állapotok összehasonlító vizsgálata

13 A vízminősítés fizikai komponense A vizek elsõdleges felhasználásához, a használt és újra használni kívánt vizek tisztítottságának, vagy kijuttathatóságának megítéléséhez a vízszennyezõ komponensek ismerete és vizsgálata szükséges. A vizsgálatok fizikai, kémiai, biológiai és bakteriológiai méréseket, vizsgálatokat jelentenek. A víz különbözõ célokra való alkalmasságát a fizikai jellemzõk közül a hõmérséklet határozza meg. Az organoleptikus tulajdonságok alatt a víz érzékszervileg észlelhetõ tulajdonságainak összefoglaló nevét értjük. Ide soroljuk a víz színét, ízét, szagát.

14 A vízminőség kémiai komponense A kémiai módszerekkel történõ mérések, vizsgálatok célja az anyagi jellegű szennyezõk (klasszikus vízszennyezõk, mikroszennyezõk, radioaktivitás), valamint az energia jellegû (hõ) szennyezés megállapítása, mérése. A klasszikus vízszennyezõk közé tartozik a vizek és szennyvizek oldott sótartalma (anionok; kationok); az édesvizekre jellemzõ és a vizek keménységét okozó kalcium-, magnéziumionok, hidrogénkarbonát-ionok stb. A természetes vizek és szennyvizek sokféle élõ szervezetet, azok anyagcseretermékeit; szerves anyagokat tartalmaznak. Ezek vízben levõ mennyiségét a biokémiai oxidáció (megfelelõ hõmérsékleten a vízbeli oldott oxigén segítségével) lebontja. Ez azt is jelenti, hogy a vízben oldott oxigén nemcsak a magasabb rendű élõ szervezetek (pl. halak) létezéséhez, hanem a vizek szervesanyag tartalmának biokémiai oxidációjához is szükséges. Biokémiai oxigénigénynek (BOI) nevezzük azt az oxigénmennyiséget, amely a vízben levõ szerves anyagok aerob lebontásához, meghatározott idõ (általában 5 nap) alatt szükséges: Jele (ez esetben) BOI5. Mivel meghatározása hosszadalmas, ezért vízvizsgálatok során káliumpermanganáttal vagy kálium-dikromáttal való egyórás forralás során oxidálásra fordítódott anyag visszatitrálásával határozzák meg a szervesanyag-tartalmat: Ez a módszer a kémiai oxigénigény meghatározás (KOIcr, vagy KOImn). A nitrogén vegyületek (ammónia, nitrit, nitrát) meghatározása is a kémiai vízminõsítés során történik.

15 A vízminősítés biológiai komponense Hagyományosan az édesvizek minősítésére analítikai kémiai módszereket alkalmaztak. Az elmúlt évben vált világosá hogy a vizek védelme hosszú távon csak az ott előforduló szervezetek védelmével valosítható meg környezetvédelmi és vízügyi hatóságok kiegészítik a kémiai vízminősítést a biológiai vízminősítéssel DE költségesebb!!! A módszer elméleti háttere a vízi szervezetek felhasználása a víz minőségének jelzésére. Lényege, hogy a hosszútávú (krónikus) szennyezések kimutatására az élő szervezetek kondiciójának felmérését végzik, és ez alapján végzik a vízminősítést. Ha a szenyezés kritikus szintet ér el, a szervezetek nem szaporodnak, elvándorolnak vagy elpusztulnak. A szennyeződés helyén megváltozik a vízi közösség összetétele. Egyszeri enyhébb szennyeződés után a vízi szervezetek visszatérbek a megtisztult vizszakaszokra

16 A vízminősítés biológiai komponense A biológiai vízminõsítés a vízi és víz közeli ökoszisztéma életének létrejöttéhez és fenntartásához szükséges biológiai jellemzõk vizsgálatát és minõsítését jelenti. A gyakorlatban több biológiai vízminősítő rendszert alkalmaznak 1. négy tulajdonságcsoportra (halobitás, trofitás, szaprobitás, toxicitás) épülő módszer, tulajdonságonként fokozatú skálával (Felföldy, 1987) 2. Oxigén, nitrogén, foszfor tartalom jellemzőin, valamint mikrobiológiai és toxikológiai sajátságokon alapuló 5 fokozatú skálát tartalmazó módszer (Németh, 1998) 3. Ökológiai sokváltozós vízminősítő rendszer (Dévai et al. 1992) 4. Makrozoobenton Család Pontrendszer (Csányi, 1997) 5. Édesvizek biológiai minősítése referencia jellegű állapotok felhasználásával

17 Halobitás A halobitás a vízi élővilág számára biológiailag fontos szervetlen kémiai tulajdonságainak összességét jelenti. Kémiailag mérhetõ anyagokat (elemeket, vegyületeket) jelent, természetes vizekben eredetét és mennyiségét a földkéreg (a felszín és a meder) anyagának összetétele határozza meg. A halobitást a bevezetett szennyvizek módosítják, ezáltal a vízben eredetileg levõ ökoszisztéma megváltozhat.

18 Trofitás A trofitás a vízben élő növényi szervezetek elsődleges (a halobitás szervetlen növényi tápanyagaiból történõ) szervesanyag termelésének mértéke. A szervesanyag-termelés alapja a fotószintézis. Meghatározására a vízben élõ algák számát és azok klorofilltartalmát mérik.

19 Szaprobitás A szaprobitás a vízben levő elhalt szerves anyagok lebontásának mértéke; mely a heterotróf vízi szervezeteknek táplálékul alkalmas, nem mérgezõ és biokémialag hozzáférhetõ szerves anyagok mennyiségétõl függ. A szaprobitást mikroszkóp segítségével (a fajok vizsgálatával) és az oxigénfogyasztás mérésével határozzák meg (BOI és KOI).

20 Toxicitás A vizek mérgezőképességét jelenti. A mérgek származhatnak a földkéreg anyagaiból (pl. nehézfémek), a vizek szervesanyag-tartalmának rothadásából (ammónia; kén-hidrogén, merkaptánok) vagy emberi tévékénységből (pl. tisztítatlan szennyvíz bevezetése). A mérgező hatást a sokféle eredet és anyag miatt áltálában nem kémiai; hanem biológiai módszerekkel, élõ tesztszervezetekkel (pl. algák, halak) vagy növényi magvak csíráztatásával (pl. mustármag) végzik. A mérgezõképesség megítélésére azt a hígítási fokot adják meg, melynél a hígított, mérgezett vízben adott idõ alatt a tesztszervezetek fele életben marad.

21 Bakterológiai vízminősítés A vizek bakteriológiai szennyezettsége már az ókorban; középkorban is gyakran okozott járványokat fertõzéseket. A kórokozók azonosítása steril körülményék közt vett vízminták alkalmas táptalajon történő (többszöri) tenyésztésével végzett idõigényes (3 naptól; 1-2 hónapig terjedő) folyamat. Helyette és a vizek széklettel; fekáliával való fertõzöttségének kimutatására; indikálására az emberi bélbaktériumok egyik általánosan megjelenő faját; az Escherichia colit (E. coli) választották ki, mely laboratóriumi körülmények közt viszonylag gyorsan, könnyen tenyészik. Ha a vizek fekáliás eredetû szennyezettségére gyanakodnak; akkor meghatározott mennyiségű vízmintát megszűrve; a szűrletet táptalajon tenyésztve meghatározzák az E. coli-telepek számát. A vízmintát ezután kóliszámra vagy kólititerre minõsítik. Kóliszám: 100 ml vízbõl kitenyészthetõ baktériumtelepek száma. Kólititer: az a legkisebb vízmennyiség (cm3), melybõl a kólibaktérium kitenyészthetõ. Elõfordul még, hogy 1 ml vízmintából meghatározzák a 20 C-on és 37 C-on kitenyészthetõ összes baktériumszámot, az összcsíraszámot is. A vizek vírusszennyezettségének kimutatása és a vírusok azonosítása bonyolult, hosszadalmas, több hónapot igénybe vevõ folyamat, így csak ritkán alkalmazzák.