Bioindikace a monitoring ekologického stavu povrchových vod

Bioindikace a monitoringekologického stavu povrchových vod

Světlana ZahrádkováVít Grulich

Bioindikace a monitoring ekologického stavu povrchových vod: Principy

Bi 7007 Bioindikace a biomonitoring

podzim 2009

22.9. Zahrádková Principy bioindikace

29.9. Zahrádková Principy hodnocení ekologického stavu, typologie, referenční podmínky

6.10. Zahrádková Metody odběru a zpracování vzorků: tekoucí vody: fytoplankton a fytobentos

13.10. Zahrádková Metody..: tekoucí vody: makrozoobentos a ryby

20.10. Grulich Metody..: tekoucí vody: makrofyta

27.10. před státním svátkem - vynechat xxx

3.11. Zahrádková Metody..: stojaté vody: fytoplankton a fytobentos

10.11. Grulich Metody..: stojaté vody: makrofyta

17.11. státní svátek xxx

24.11. Zahrádková Metody..: stojaté vody: zooplankton a makrozoobentos

1.12. Zahrádková Metody..: stojaté vody: ryby

8.12. Zahrádková Metody hodnocení, hodnotící systémy

15.12. Zahrádková Programy biomonitoringu povrchových vod v ČR


http://www.mzp.cz/cz/monitoring_vod

http://hydro.chmi.cz/arrowdb_p/index.php


Proč?

– Limnické ekosystémy - jedna z nejvýznamnějších složek globálního ekosystému

– na těchto přírodních zdrojích je závislý rozvoj a zánik celých civilizací

– původní motivace - dostupnost pitné i užitkové vody její kvalita

– později také hodnocení vodních ekosystémů z obecného hlediska

– cílený ekologický výzkum - od počátku 20. století


Změny v ukazatelech kvality životního prostředí je možno sledovat:

pomocí přímých fyzikálních měření či chemických analýz jednotlivých ukazatelů • konkrétní, exaktní informaci o např. koncentraci polutantu v prostředí,

intenzitě záření, průběhu teplot a pod. • pouze okamžitý, bodový stav - nutné provádět celé série měření v

čase nebo prostoru• není možno zjistit skutečný vliv změn jednotlivých faktorů, případně

kumulovaný vliv více faktorů, na živé organismy. • vyšší finanční náročnost

zprostředkovaně pomocí metod založených na principu biodiagnostiky

• levnější, dlouhodobý stav, reflektuje kumulativní účinky látek

Přístupy se navzájem vhodně doplňují, ALEvzájemná zastupitelnost omezená


SMĚRNICE 2000/60/ES EVROPSKÉHO PARLAMENTU A RADY

z 23. října 2000

ustavující rámec pro činnost Společenství v oblasti vodní politiky.

Dokument komplexní: - kvalitativní i kvantitativní aspekty

- množství a jakost vody)

- ochrana ekosystémů- povrchové, podzemní a pobřežní vody

- územní princip: řízení v oblastech povodí

Zjišťuje se stav povrchové vody jako vstupní informace pro management.


Útvar povrchové vody - „vodní útvar“

samostatný a významný prvek povrchové vody jako je jezero, nádrž….. tok, část toku

silně ovlivněný vodní útvar

umělý vodní útvar

Požadavky Rámcové směrnice EU o vodách na metody hodnocení stavu vodních útvarů

• Provádět typově specifické hodnocení. Navrženy jsou dva systémy typologie (systém A, B).

• Biologické prvky pro hodnocení ekologického stavu:fytoplanktonfytobentosmakrofyta(zooplankton)makrozoobentosryby

• Definici cílového ekologického stavu založit na přirozených - referenčních podmínkách (velmi dobrý ekologický stav).

• Definovat čtyři stupně ovlivnění (dobrý, střední, poškozený, zničený

• Přesně definovat, jak bude ekologický stav zjišťován.


Stav povrchové vody

obecné vyjádření stavu útvaru povrchové vody, určený horším z jeho

ekologického nebo chemického stavu.

Fyzikálně-chemické a chemické složkyvšeobecné:

fyzikálně-chemické a chemické analýzy vody a sedimentů (teplota, salinita, acidobazický stav, živiny)

specifické znečišťující látky

standardní, normované metody


Ekologický stav

vyjádření kvality struktury a funkce vodních ekosystémů, spojených s povrchovými vodami

hodnocena:

biota

hydromorfologické parametry (podpůrné):

hydrologický režimkontinuita toku

morfologické podmínky

Přístupy k hodnocení ekologického stavu toků:

typově specifický x lokálně specifický

(type specific x site specific)

specifický vůči stresoru x nespecifický vůči stresoru (obecně degradace)

(stressor specific x general degradation)


Stres

Stav biotického či abiotického systému v podmínkách nepříznivých vlivů (force).

Napětí (námaha – strain)Odezva na působení stresu – před tím, než nastane poškození (damage).

Poškození (damage)

Výsledek příliš působení vysokého stresu, který nadále nemůže být kompenzován.

Elastické a plastické napětí (reverzibilní a ireverzibilní stav).


Stresory

změny morfologie vodních útvarů

změny hydrologického režimu

znečištěníorganické - lehce odbouratelnými látkami - saprobitaeutrofizaceacidifikaceinertní anorganický materiál těžké kovypersistentní organické polutantytepelné znečištěnímikrobiální znečištění


Typ toku

Referenční podmínky

- samostatné kapitoly


Bioindikace



Bioindikace (sensu lato) v ochraně přírody

Target species concept - cílové druhy

Keystone species – klíčové druhy(vč.: ekosystémoví inženýři – tvůrci)

Flagship species – vlajkové (signální) druhy(druhy na čele zájmu)

Ohniskové druhy – (pro určení rozsahu a rozmístění chráněných biotopů, jsou to druhy citlivé k ohrožujícím činitelům

Umbrella species – deštníkové druhy (opatření k jejich ochraně pomáhají chránit i další druhy

Chráněné druhyVzácné druhyEndemické druhyReliktní druhySnadno sledovatelné druhy etc.


Biodiagnostika

využívá znalostí o zákonitých vazbách mezi:

• kolísáním výskytu• chováním• tělesnou kondicí• morfologickými znaky• fyziologickými pochody• populační dynamikou organismů (bioindikátorů)• velikostí a strukturou jejich společenstev a mezi:

• podmínkami prostředí, zejména podmínkami výjimečnými a kvalitativně změněnými k:

hodnocení odchylek od normálu jako nepřímých ukazatelů stavu a vývoje prostředí.

(Nováková in Dykyjová, 1989).


Organismus nebo společenstvo, jehož životní funkce jsou korelovány s faktory prostředí tak těsně, že mohou sloužit jako jejich ukazatele se nazývá bioindikátor.

Biologická indikace vychází z principu ekologické valence (Hess, 1924)

Druhy stenovalentní jsou lepšími indikátory než euryvalentní - mají vyšší indikační váhu.


Bioindikátor

organismus (popř. jeho část či společenstvo organismů), který obsahuje kvantitativní či kvalitativní informaci o stavu prostředí nebo jeho části.

Biomonitor takový bioindikátor, který zahrnuje informaci o kvantitativních aspektech kvality prostředí.

Sentinelový organismus - kumuluje ve svém těle polutanty z prostředí. Analýza tkání sentinelových organismů umožní odhad koncentrace polutantu v prostředí.

Biomarker - xenobiotiky navozená změna v buněčných nebo biochemických složkách, procesech, strukturách nebo funkcích, která je měřitelná v biologickém systému či vzorku. (NRC,

1987).


Vlastnosti ideálního bioindikátoru:

1. Taxonomická spolehlivost a snadná determinace2. Kosmopolitní rozšíření3. Vysoká početnost4. Nízká genetická a ekologická variabilita5. Dostatečné velikost6. Omezená pohyblivost, dlouhověkost7. Dostatek autekologických informací8. Vhodnost pro laboratorní studie

Pro sentinelové organismy navíc1. Musí existovat jednoduchá, vždy platná korelace mezi obsahem

polutantu v těle organismu a prostředí2. Organismy musí snášet i maximální koncentrace polutantu v

prostředí a rozmnožovat se za těchto podmínek (Helawell, 1986)



Bioindikace může probíhat na úrovni:

• subbuněčné a buněčné např. tkáňové kultury, indikace toxikologického rizika působení

xenobiotik. • jedince a populace

biochemické změny - např. aktivita cholinesterázy (Ephemerella nebo Hydropsyche při hodnocení vlivu organofosfát. insekticidů)

fyziologické změny (např. spotřeba kyslíku u Chironomus)

morfologické deformity (pakomáři)

změny v chování (zvýšená pohybová nebo driftová aktivita)

změny v životních cyklech (přežití, růst, mortalita, rozmnožování, vývoj a emergence)

kumulace polutantů (viz sentinelové organismy)


Bioindikace může probíhat na úrovni:

populace a společenstva druhů

indexy diverzity

indexy srovnávací

biotické indexy a skore - založeny na konceptu indikátorových druhů, hodnoceny vzhledem k určitému polutantu podle míry tolerance či citlivosti jednotlivých taxonů vůči tomuto polutantu.

multivariační metody


Bioindikační metody

odraz dlouhodobějšího stavu prostředí na sledované lokalitěreálné působení více faktorů (i v jejich interakci) na biotunáklady bývají nižší zjistíme do jaké míry je společenstvo nebo organismus ovlivněnnemůžeme přesně stanovit příčinu a např. přímo kvantifikovat

koncentraci polutantu. Optimální využití kombinovaného postupu.

V biomonitorovacích programech: bioindikační metody k vyhledávání problematických lokalit, které jsou pak zkoumány i pomocí nákladných fyzikálně-chemických analýz.


Metody hodnocení ekologického stavu povrchových vod pro WFD

využívají především:

• společenstva druhů – druhová shromáždění (assemblages)

doplňkově:

• sentinelové organismy

Používané postupy budou uvedeny u jednotlivých složek bioty.

ŽIVÉ SLOŽKY - BIOTICKÉ

vodní flora

destruenti - producenti - konzumenti

makrozoobentos

zooplankton

fytobentos

fytoplankton

makrofyta

vodní faunamikroorganismy

ryby



Významná část hodnocení tedy založena na:

biotických indexech a skóre

– obecně hodnocení založená na vlastnostech druhů (popř. vyšších taxonomických jednotek - species traits)

vlastnosti druhů - species traits

biologické vlastnosti druhů

ekologické vlastnosti druhů

Vlastnosti druhů - species traits

využívají se pro výpočty různých metrik

biologické vlastnosti druhů maximální velikost tělatyp životního cykluakvatická vývojová stadiazpůsob rozmnožovánízpůsob dýchánítyp pohybupotravní skupiny...

ekologické vlastnosti druhů příslušnost k zónám tokukategoriím nadmořských výšeksubstrátové a proudové preferencesaprobní valence….



Indikační druhy (taxony)

Sensu strictoTaxony s význačnou a úzkou vazbou na podmínky prostředí.

Sensu latoPro indikaci lze využít i nevyhraněné taxony (zde ovšem obvykle

druhy).

Přepokládané využití

- biotické indexy- specifické klasifikace lokalit či vzorků


Indikační potenciál druhů či vyšších tax. jednotek

Tento a dalších 10 snímků: zčásti převzato ze zprávy Klára Kubošová, Jiří Jarkovský, Radim Klapka, 2007: Indikační taxony makrozoobentosu, IBA

Pro výběr indikačních taxonů různé typy analýz v závislosti na typu parametrů prostředí:

pro parametry kategoriální - Indicator Species Analysis a klasifikační lesy,

pro spojité nebo ordinální parametry lze použít valenční křivky či lesy regresní.


Indikační taxony

Metoda Random forest

Neparametrická metoda - vhodná, máme-li velké množství prediktorů (taxonů) a chceme-li zjistit jejich významnost na závisle proměnné (parametru prostředí).

Vytvořený model přiřadí každému prediktoru významnost (importance) v rozsahu 0-1, která nám určuje, jak vhodný je tento prediktor pro danou závisle proměnnou.


Indikační taxony

Náhodné lesy vracejí několik měření významnosti (importance) proměnné.

Jedno z nejpřesnějších určení této veličiny je měření založené na poklesu klasifikační přesnosti (misclassification rate), když hodnoty proměnné v uzlu stromu jsou permutovány náhodně.

Ukázka hodnot Importance vybraných taxonů pro plochu povodí

plocha povodí

Sim

uequ

i

Pot

alut

e

Tan

ytas

p

Hep

tsul

p

Psy

cpus

i

Bae

tluth

Sty

lods

p

Lum

bvar

i

Hyd

rcon

t

Gam

mfo

ss

Cae

niss

p

Lim

nius

p

Ant

ochs

p

Rhy

anub

i

Pot

aham

m

Pot

apys

p

Pol

ylae

t

Anc

yflu

v

Ort

hsp

Cer

atda

e

tax ony

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

impo

rtan

ce


Indikační taxony

Indicator Species Analysis(Dufrêne & Legendre 1997)

- dává jednoduchý a velmi dobrý index pro zjištění významnosti určitého druhu či taxonu pro danou skupinu vzorků, která může představovat například kategorie určitého parametru prostředí

- založena na informaci o vnitrodruhové abundanci a výskytu druhu v daných skupinách.

Pro každý druh jsou spočítány indexy jeho významnosti pro každou skupinu, konečná indikátorová hodnota je rovna maximální hodnotě jednotlivých indexů pro skupiny.

Index dosahuje maxima (100%) pokud jsou jedinci určitého druhu pozorováni ve všech vzorcích patřících pouze do jedné skupiny. Statistická významnost je určena Monte Carlo testem.


Indikační taxony

Indicator Species Analysis(Dufrêne & Legendre 1997)

Index se určí následovně:pro každý druh j v každé skupině k, spočítáme Akj představující míru specificity a Bkj

což je míra fidelity (přesnosti):Akj =Nindividualskj / Nindividuals+kBkj = Nsiteskj / Nsitesk+IVkj = 100AkjBkj,kde Nindividualskj je průměrná abundance druhu j ve vzorcích skupiny k a

Nindividuals+k je součet průměrů abundancí ve všech skupinách. Akj je maximální, pokud je druh j přítomen pouze ve skupině k. Pro Bkj , Nsiteskj je počet vzorků ve skupině k, kde se vyskytoval druh j a Nsitesk+ je celkový počet vzorků ve skupině k. Hodnota Bkj je maximální, pokud je druh j přítomen ve všech vzorcích skupiny k. IVkj tedy reprezentuje nezávislou informaci o rozložení druhu j. Indikátorová hodnota pro druh j je dána jako maximální hodnota IVkj nalezená v jednotlivých skupinách:

IVj = max(IVkj)


Indikační taxony

Valenční křivky

Valenční křivky definují závislost výskytu nebo abundance taxonu na podmínkách prostředí.


Indikační taxony

Valenční křivky

Valenční křivky definují závislost výskytu nebo abundance taxonu na podmínkách prostředí.

Pro závislost výskytu taxonu (presence/absence) lze pro modelování valencí využít

zobecněný lineární model (GLM) polynomiální s binomickou distribucí logistickou linkovací funkcí logit (závisle proměnná, tj. výskyt nebo absence taxonu na určitém místě, je binární)

Pro odhad regresních koeficientů se používá metoda maximální věrohodnosti (maximum likelihood)


Indikační taxony makrozoobentosu

Valenční křivky

Pro závislost početnosti taxonu (abundance) lze pro modelování valencí využít zobecněný aditivní model (GAM) – např. CANOCO.

Pro závislost výskytu taxonu (presence/absence) lze pro modelování valencí využít zobecněný lineární model (GLM) polynomiální s binomickou distribucí logistickou linkovací funkcí logit (závisle proměnná, tj. výskyt nebo absence taxonu na určitém místě, je binární)

Pro odhad regresních koeficientů se používá metoda maximální věrohodnosti (maximum likelihood).

Tento postup použit pro makrozoobentos v hodnotícím systému ČR,



Valenční křivky - výstupy analýzy valencí:

- parametr tolerance: definuje šířku valenční křivky a tedy sílu vazby taxonu na environmentální gradient

- hodnota p_max, která určuje největší pravděpodobnost výskytu taxonu danou modelem

- optimum - hodnota daného parametru prostředí při největší pravděpodobnosti výskytu taxonu.



Indikační taxony a jejich hodnoty pro nadmořskou výšku

taxon N optimum Pmax tolerance importance

Isoperla_sudetica 23 - - - 0.64

Ecclisopteryx_madida 26 - - - 0.49

Perlodes_microcephalus 41 - - - 0.42

Centroptilum_luteolum 48 326.62 0.18 178.44 0.37

Simulium_monticola 39 592.43 0.18 172.92 0.30

Habroleptoides_confusa 141 421.74 0.50 137.32 0.16

Simulium_monticola 39 592.43 0.18 172.92 0.30

- hodnoty tolerance, optima a Pmax nelze spočítat (optimum leží u hranice nebo za hranicí analyzovaných hodnot)


Species response curves - příklady

???

Heptageniidae Rhithrogena semicolorata

Rhithrogena


Determinační úroveň



Využívání bioindikačního potenciálu vyšších taxonomických jednotek

nepřesné - vnitřní heterogenita nároků na podmínky prostředí

akceptovatelné pro:

oblasti s malou znalostí fauny

skupiny s obtížnou nebo časově náročnou determinací

některé metody rutinního hodnocení



Determinace do druhové úrovně doporučeno pro:

detailnější a přesnější vyhodnocení

vědeckou práci

potřeby ochrany přírody

sofistikované metody hodnocení

Pro praxi:

Kombinace:

výsledků statistického hodnocení indikačního významu taxonů na různých taxonomických úrovních a expertního posouzení



Expertní posouzení

Frekvence výskytu taxonu (počet zjištěných lokalit na území ČR)

§ F1 – velmi řídký (do 10 lokalit)

§ F2 – řídký (11 – 25 lokalit)

§ F3 – středně četný (26 – 50 lokalit)

§ F4 – četný (51 – 100 lokalit)

§ F5 – velmi četný (více než 100 lokalit)




Abundance taxonu (průměrná dominance ve vzorku)

§ A1 – subrecedentní (≤ 1 %)

§ A2 – recedentní (1,1 – 2,0 %)

§ A3 – subdominantní (2,1 – 5,0 %)

§ A4 – dominantní (5,1 – 10 %)

§ A5 – eudominantní (> 10 %)




Pracnost determinace

§ P1 velká – determinace s nutností přípravy mikroskopiských preparátů

§ P2 střední – determinace pod binokulární lupou s vyhledáváním znaků

§ P3 malá – jednoduchá a rychlá determinace po zběžném prohlédnutí organismu pouhým okem nebo pod binokulární lupou

Jednoznačnost determinace

§ J1 malá – taxony obtížně rozlišitelné, nepopsaná či neodlišitelná larvální stadia u hmyzu apod.

§ J2 střední – existence taxonu s podobnými znaky – nutno věnovat pozornost možné záměně

§ J3 velká – bez rizika omylu

Pracnost a jednoznačnost determinace jsou uvažovány pro zkušeného graduovaného hydrobiologa.




Jednoznačnost determinace

§ J1 malá – taxony obtížně rozlišitelné, nepopsaná či neodlišitelná larvální stadia u hmyzu apod.

§ J2 střední – existence taxonu s podobnými znaky – nutno věnovat pozornost možné záměně

§ J3 velká – bez rizika omylu

Pracnost a jednoznačnost determinace jsou uvažovány pro zkušeného graduovaného hydrobiologa.



Kombinace vstupů – rozhodovací proces mezi pracností identifikace taxonů a jeho vypovídací schopností.

Hodnotí se:

Shoda valenčních křivek

Shoda species traits

Souvýskyt taxonů


Monitoring - principy


Typy sledování

SurveySurveillanceMonitoring

Surveyčasově limitovaný, intenzivní program měření a hodnocení kvality prostředí pro specifické účely (např. před stanovením designu monitoringu, účelové studie...)

Surveillanceopakovaná „survey“průběžná, specifická měření, pozorování a hodnocení pro potřeby managementu životního prostředí a operativu (např. systémy rychlého varování - early warning systems)

Monitoring


Typy sledování

Monitoring

• dlouhodobé standardizované měření, pozorování a hodnocení životního prostředí

• s cílem definovat současný stav a trendy

• organizován na rutinní bázi s dobře definovaným souborem sledovaných proměnných a standardizovanou metodikou

• kontrolní místa a frekvence odběrů je fixní

• hodnocení výsledků je standardizováno a jejich prezentace musí být ve schválené podobě


Monitorováním vod se rozumí zjištování a hodnocení stavu povrchových a podzemních vod, které zajištují správci povodí a další poverené odborné subjekty podle § 21 odst. 4 vodního zákona.

Programy monitoringu slouží pro zjištování stavu povrchových a podzemních vod podle § 21 odst.2 písm. a) vodního zákona.

Programy monitoringu podle požadavku Rámcové smernice 2000/60/ES se zpracovávají v souladu s Guidance dokumentem c. 7 „Monitoring under the Water Framework Directive“.

- situační monitoring – dlouhodobé změny, plánování

- provozní monitoring – aktuální stav, krátkodobé změny, management

- průzkumný monitoring – mimořádné situace

- monitoring referenčních podmínek

- monitoring kvantitativního stavu povrchových a podzemních vod

Monitoring vod


Ideální metoda pro biomonitoring

Výchozí předpoklady metoda je:• založena na ověřeném ekologickém konceptu • a priori prediktivní• schopna vyhodnotit ekologické funkce• schopna vyhodnotit obecnou degradaci i odlišit specifické typy

Implementační předpoklady• nízké náklady na terénní anebo laboratorní práce• jednoduchý odběrový protokol• nízké náklady na taxonomickou determinaci

Požadavky na výstupy• aplikovatelné napříč ecoregiony• jasná indikace obecné degradace i vlivu jednotlivých stresorů• indikace v lineárním měřítku


Ideální nástroj pro biomonitoring

The ideal biomonitoring tool would be

“a freeze dried, talking fish on a stick”

Cairns J. Jr. 1988. Politics, economics, science/going bezond disciplinary boundaries to protect aquatic ecosystems. A Great Lakes Focus, pp. 1-16. New York: Wiley.

Biologickéspolečenstvo

Indexovéhodnoceníspolečenstva•Jednoduchý výpočet, ale individualita taxonůztracena ve výpočtu•Porovnánínaměřených hodnot s referenčními podmínkami•Referenčnípodmínky získány výpočtem nebo expertně

= XVícerozměrnémodelováníreferenčního složeníspolečenstev•Srovnána podobnost modelového (referenčního) a skutečného společenstva•Komplexnívytěženíinformace o biologických složkách, ale náročnéna data

Srovnánís expertněurčeným společenstvem•Srovnána podobnost expertněurčeného referenčního a skutečného společenstva

Pomocnéproměnné

Vícerozměrnápodobnost s referenčním stavem•Shrnutípodobnosti ve fyzikálněchemických parametrech a hydromorfologiioproti jejich referenčním hodnotám (určeny statisticky nebo expertně)Ref.

Biologickéspolečenstvo

Indexovéhodnoceníspolečenstva•Jednoduchý výpočet, ale individualita taxonůztracena ve výpočtu•Porovnánínaměřených hodnot s referenčními podmínkami•Referenčnípodmínky získány výpočtem nebo expertně

= XVícerozměrnémodelováníreferenčního složeníspolečenstev•Srovnána podobnost modelového (referenčního) a skutečného společenstva•Komplexnívytěženíinformace o biologických složkách, ale náročnéna data

Srovnánís expertněurčeným společenstvem•Srovnána podobnost expertněurčeného referenčního a skutečného společenstva

Pomocnéproměnné

Vícerozměrnápodobnost s referenčním stavem•Shrnutípodobnosti ve fyzikálněchemických parametrech a hydromorfologiioproti jejich referenčním hodnotám (určeny statisticky nebo expertně)Ref.

Very bad

Documents

Bioindikace a monitoring ekologického stavu povrchových vod