Biologická kvalita vody

Znečistenie povrchovej vody v priebehu tohto storočia dosiahlo takej výšky, že poskytlo veľké množstvo podkladov pre vytvorenie doposiaľ najdokonalejšieho systému biologického hodnotenia kvality vody – systému saprobity (Hartman et al., 1998).

Prvoky osídľujú v riečisku povrch kameňov alebo vodné rastliny, korene visiace z brehu do vody a náplavy každého druhu. Zastúpenie jednotlivých druhov v ich spoločenstve dáva odborníkom prehľad o kvalite vody podľa „sapróbneho systému“. Druhové zloženie spoločenstva a početnosť jednotlivých druhov sa menia v závislosti od obsahu organických látok a množstva kyslíka vo vode. Pomocou analýzy vody potom možno stanoviť stupeň jej znečistenia. Označenie oligotrofný (chudobný na živiny), eutrofný (bohatý na živiny), mezotrofný (stredný stav) a polytrofný (s nadmerným množstvom živín) sa zakladá na tzv. sapróbnom indexe, ktorý sa stanovuje vo veľkej miere aj na základe prvokov (Kokeš, 1999).

V súčasnej dobe sa využívajú všetky druhy prítomné v biocenóze, pokiaľ je známa ich sapróbna valencia. Sapróbny index spoločenstva (číselné hodnotenie saprobitov) je v tomto prípade vypočítavaný zo sapróbnych indexov jednotlivých druhov, ich početnosti a indikačnej váhy. Biologická indikácia čistoty vody je oveľa rýchlejšia a lacnejšia než indikácia chemická a bakteriologická.  

Sapróbny index má v Českej republike tradíciu. Pretože platnosť hlavných výhrad a poznámok k sapróbnemu indexu je možné rozšíriť aj na ostatné biotické indexy. Niektoré z nich sú uvedené v nasledujúcom prehľade na základe zhrnutia Sládečka (1973), pričom kurzívou sú uvedené protiargumenty:

• sapróbny systém nie je vedecký, je empirický. Je ale založený na skutočnostiach reálne zistených a objektívne existujúcich, ktoré nemôžu byť teoreticky vyvrátené. Prax je tu inšpiráciou pre teóriu;
• taxonómia nie je dostatočne pokročilá a je často kontroverzná, často nie sú k dispozícii moderné kľúče. Sapróbny systém umožňuje posúdenie čistoty vody a taxonómia nebude nikdy úplne dokonalá;
• systém zjednodušuje - v reakcii spoločenstva makrozoobentosu sa odrážajú nielen vplyvy organického znečistenia, ale aj mnoho ďalších faktorov (napr. konkurencia druhov, rozšírenie, kvalita substrátu, hydrologické faktory, veľkosť toku), pritom tolerancia jednotlivých taxónov k organickému znečisteniu nie je často presne známa a nemusí byť stála, organizmy sa môžu prispôsobovať. Príroda je veľmi rozmanitá a mnohotvárna a nemožno ju postihnúť bez určitej miery zjednodušenia. Zjednodušujú sa všetky systémy, toto zjednodušenie nie je na závadu, ak sme si ho vedomí;
• sapróbne podklady nemožno použiť všeobecne, platia v oblasti, pre ktorú boli stanovené. Systém je trochu pracný, vyžaduje determináciu do čo najnižších taxonomických úrovní a zistenie počtu jedincov jednotlivých taxónov vo vzorke. Môžu ho vykonávať len hydrogeológovia s určitými skúsenosťami;
• sapróbny systém je zameraný iba na hodnotenie organického znečistenia a nepostihuje ani jeho jednotlivé formy. Organické znečistenie bude mať význam ešte dlho a je veľmi užitočné, ak vieme, či hrá úlohu alebo nie;
• sapróbne hodnotenie sa hodí len pre tečúce vody. Pre stojaté vody nie je vždy spoľahlivé;
• nerozlišuje medzi prirodzeným a človekom spôsobeným organickým znečistením.

Časť týchto výhrad je zameraná proti biologickému hodnotenie vôbec. Dá sa však povedať, že biotické indexy fungujú dobre v podmienkach, pre ktoré boli vytvorené, tj. plytké, asi do 1 metra hĺbky vody, tečúce vody a pre detekciu narušenia, pre ktoré sú určené (organické znečistenie). Pre hodnotenie zo širšieho hľadiska je ich spoľahlivosť nižšia (Rosenberg et al., 1993).

Pri hodnotení kvality povrchových vôd hodnotíme vody zvyčajne v skupinách patriacich ku katarobite, ale predovšetkým v piatich skupinách limnosaprobity (Tab. 1). Výpočet sapróbneho indexu spoločenstva (S) sa počíta podľa vzťahu doporučeného Marvanom (Hartman et al., 1998):

\( S = \frac{ \sum{S_i \cdot I_i \cdot h_i}}{ \sum{h_i \cdot I_i}} \)

Tab. 1 Stupnica hodnotenia čistoty vody podľa ČSN 75 7716 s komentárom

Saprobita je súbor vlastností vodného prostredia podmienený prítomnosťou organických látok, ktoré podliehajú biochemickému rozkladu. Naproti tomu trofia (úživnosť) vyjadruje schopnosť vodného prostredia dodávať organizmom živiny, aby mohli rásť. Podľa hodnoty sapróbneho indexu (Si) zatrieďujeme toky do piatich tried kvality trofickej stupnice (Tab. 1). Zvyšovanie saprobity (od xenosaprobity až po polysaprobitu) sa nazýva saprobizácia (znečisťovanie); zvyšovanie trofie je eutrofizácia. V konečnom dôsledku saprobizácia a eutrofizácia spolu úzko súvisia, prebiehajú paralelne a za určitých okolností sú identické.

Saprobita odráža priemerný stav kvality vody za určité, väčšinou dlhé obdobie potrebné na sformovanie biocenózy určitého typu. Predpokladá sa, že existuje určitý kauzálny vzťah medzi priemernými hodnotami biochemickej spotreby kyslíka (BSK₅) a príslušnou saprobitou (Rothschein, 1980). Podľa Sládečka (1988) 1-2,5 mg.l^-1 BSK₅ zodpovedá oligosaprobite, vode veľmi čistej, 2,5-5 mg.l^-1 BSK₅ zodpovedá β-mezosaprobite, čistej vode. Koncentrácia 10 mg.l^-1 BSK₅ je na hranici medzi α-mezosaprobitou a polysaprobitou, čiže vodou znečistenou až silne znečistenou. Sapróbny index má číselný rozsah -1,5 až +8,5. Okrem presného určenia ho možno tiež odhadnúť na základe hodnôt BSK₅ a koncentrácie O₂ (tab. 2), prípadne aj ďalších (napr. bakteriologických) charakteristík.

Limnosaprobita

Limnosaprobitu delíme ďalej na 5 stupňov, ktoré prakticky zodpovedajú pôvodnému členeniu Kolkwitza a Marssona.

Stupeň najčistejších povrchových vôd, ktorý je do značnej miery totožný s pôvodným stupňom najčistejších vôd, s katarobitou, ale je tu už väčšie oživenie. Zahrňuje najčistejšie horské potoky a pramenné úseky s minimálnym obsahom organických látok. Voda je veľmi vhodná pre vodárenské účely s minimálnymi nákladmi na úpravu. BSK₅ je do 2 mg.l ^-1, obsah kyslíka väčší ako 8 mg.l^-1. Psychrofilné baktérie sú zastúpené menej ako 900 b.ml^-1, koliformné menej ako 10 000 b.l^-1. Z rybárskeho hľadiska ide o hornú časť pstruhového pásma. Oživenie vody býva slabé. Z rýb sa najčastejšie vyskytujú pstruh a hlaváč (pstruhové pásmo).

Silný prúd nedovoľuje usadzovaniu drobnejších častíc, ani menších kameňov. Dno býva zvyčajne kamenité, s veľkými balvanmi. Voda je veľmi chladná, v lete zvyčajne nepresiahne 18 ^oC. Okrem machu a pečeňoviek sa tu nevyskytujú ďalšie makrofyty, nanajvýš úplne ojedinele Veronika potočná (Veronica beccabunga) a hviezdoš (Callitriche).

Oligosaprobita

Veľmi čisté vody bez antropogénneho znečistenia. Typom sú to podhorské toky. Voda je vhodná pre vodárenskú úpravu. Tok je stále ešte značne rýchly, ale dovoľuje v zátokách usádzanie drobných kameňov, miestami i piesku. Dno je prevažne kamenité, sprievodná vegetácia stále ešte chudobná. Chladná voda (v lete nepresahuje 20 ^oC, len výnimočne 22 ^oC), je dobre prekysličená (vždy nad 6 mg.l^-1 kyslíka), BSK₅ do 5 mg.l^-1, psychrofilné baktérie menej ako 10 000 b.ml^-1, koliformné menej ako 50 000 b.l^-1. Z rýb tu okrem pstruha a hlaváča žijú lipeň, mrenka, jalec hlavatý, mieň a podustva. Jedná sa o dolnú časť pásma pstruhového a pásmo lipňové.

Betamezosaprobita

Menšie toky v pahorkatine s vodou už zaťaženou určitým znečistením. Perejovité úseky sa striedajú s pokojnými miestami. Dno je väčšinou piesčité, v perejách kamenité, na pokojnejších úsekoch sa začínajú vytvárať nie príliš silné usadeniny svetlého, dobre mineralizovaného bahna. Voda sa dá spracovať na pitnú len po náročnej úprave. Vody nesú značné množstvo minerálnych látok a živín, čo prispieva k bohatému rozvoju rastlín a živočíchov. Voda má uspokojivý obsah kyslíka (nad 4 mg.l^-1), vyhovujúcu BSK₅ (do 10 mg.l^-1), počty baktérií už narastajú: psychrofilné do 50 000 b.ml^-1, koliformné do 100 000 b.l ^-1. Vody tohto pásma majú optimálne podmienky pre rozvoj väčšiny druhov rastlín a živočíchov z najrôznejších skupín. Z rýb sú zastúpené pleskáč, kapor, šťuka, zubáč, podustva, jalec, sumec, ostriež, lopatka dúhová a i. Voda je ešte vhodná na rekreačné kúpanie. Hĺbka toku sa zväčšuje, v nížinách sa začínajú vytvárať meandre. Objavuje sa hojnosť sprievodnej vegetácie, známej zo stojatých vôd: trstina, pálka, puškvorec. Teplota vody sa v letných mesiacoch blíži k 24 - 26 ^oC, väčšinou je kalná rozvojom fytoplanktónu a unášanými anorganickými časticami.

Alfamezosaprobita

Zvýšené množstvo organických látok a rýchly úbytok kyslíka vedie k zmene prirodzených biocenóz. Charakteristický je vysoký nárast počtu baktérií a s tým spojená vysoká intenzita rozkladných procesov. Ako príklad tohto typu môžu slúžiť toky pod slabšími zdrojmi organického znečistenia. Počet druhov hydrobiontov je znížený, avšak zvyšné druhy sa zvyčajne silne premnožia. Voda nie je použiteľná pre vodárenské účely ani na rekreáciu, pre závlahy len vo výnimočných prípadoch. Jedná sa väčšinou o nížinné toky s pomalým prúdom, v ktorých prevláda sedimentácia doteraz unášaných jemných častíc. Bahno ešte máva svetlú farbu, lebo čierny sírnik železa stačí oxidovať na hnedý hydroxid. Obsah psychrofilných baktérií je do 250 000 b.ml^-1, koliformných do 1 000 000 b.l^-1, obsah rozpusteného kyslíka je v rozpätí 2 - 4 mg.l^-1, BSK₅ do 15 mg.l^-1. Občasný výskyt patogénnych baktérií. Teplota vody dosahuje 26 ^oC. Medzi rybami nájdeme zástupcov hlavne pleskáčového pásma, ale len v malom množstve, sporadicky.

Polysaprobita

Polysapróbne pásmo je charakterizované prevahou redukčných pochodov pri hnilobných a rozkladných procesoch organických odpadových látok. Kyslík chýba alebo je prítomný len v malom množstve, takže pri anaeróbnych pochodov vznikajú zapáchajúce zlúčeniny (sírovodík, čpavok a pod.). Je tu nadbytok organických látok v rôznom stupni rozkladu. Typom polysapróbnych vôd sú pomaly tečúce toky pod silnými zdrojmi organického znečistenia. Biologicky je pásmo charakterizované veľkým rozvojom baktérií, do 2 000 000 b.ml^-1 psychrofilných a do 20 000 000 b.l^-1 koliformných. Dochádza tu k masovému rozvoju vláknitej baktérie Sphaerotilus natans, obsah kyslíka vo vode sa pohybuje od 0,5 do 2,0 mg.l^-1, BSK₅ je vždy nad 15 mg.l^-1. Teplota vody dosahuje až 28 ^oC.

Tab. 3 Príklad výskytu jednotlivých druhov organizmov v roku 2003 a 2004 na vodnom toku Bocegaj

Vzťahmi medzi biotou a organickým znečistením sa zaoberali Sládeček, Rothschein a ďalší. Porovnávali najmä hodnoty indexu saprobity voči jednotlivým všeobecným FCH ukazovateľom ako sú napr. BSK₅, O₂, NH₄ ⁺.

Sládeček (1973) porovnal sapróbne indexy makrozoobentosu a priemerné koncentrácie BSK ₅ a O₂ s hornými limitmi sapróbnych tried (Tab. 4).

Tab. 4 Porovnanie sapróbnych indexov makrozoobentosu a priemerných koncentrácií BSK₅ a O₂ s hornými limitmi sapróbnych tried

Štatistickými analýzami z 1083 údajov o saprobite a amónnych iónoch v slovenských tokoch (Rothschein, 1986) bol zistený nelineárny vzťah medzi NH₄⁺ a sapróbnymi triedami (Tab. 5).

Tab. 5 Porovnanie indexu saprobity a koncentrácie amónnych iónov (uvažovali sa horné hranice sapróbnych tried a P90 NH₄+)

Sapróbne indexy sa používajú aj pre bentické rozsievky. Fjerdingstad (1974) opísal systém pre odhad úrovne znečistenia v tokoch podľa spoločenstiev bentických rozsievok a definoval nasledujúce vzťahy medzi SI a priemernou koncentráciou BSK₅.

Tab. 6 Vzťahy medzi SI a priemernou koncentráciou BSK₅

Pre Slovensko máme spracovanie hodnotenia kvality povrchových vôd podľa sapróbneho indexu v dokumentoch pre aplikáciu požiadaviek rámcovej smernice pre povodia na území Slovenska (povodie riek Dunaj a Visla).

V nasledovnej tabuľke je samostatne spracované hodnotenie tokov na našom území podľa nadmorskej výšky tokov a veľkosti ich povodia (Tab. 7).

Tab. 7 Predbežná klasifikačná schéma pre sapróbny index makroevertebrát (PEK – pomer ekologickej kvality, SI – sapróbny index)

V tabuľke je PEK pomer ekologickej kvality, čo je vyjadrenie reálnej kvality hodnoteného úseku toku ku kvalite referenčného nenarušeného úseku toku.

Si je hodnota sapróbneho indexu. Z hodnôt je zrejmé, že pre najkvalitnejšie toky nepožadujeme najčistejšiu vodu s nízkym oživením ale dostatočne produktívnu Betamezosaprobitu – b. Kvalita vôd by ale nemala prekročiť sapróbny index š čo je hodnota v rámci prechodu β-α-mezosaprobita a tak požadované kvalitatívne rozpätie je pomerne malé.

Pre ostatné metriky je pripravená podobná nasledovná tabuľka (Tab. 12).

Tab. 8 Referenčná hodnota a hraničné hodnoty medzi jednotlivými triedami (veľmidobrý ekologický stav) v malých tokoch (10 až 100 km²) pre vybrané metriky

Vysvetlivky:

Hodnotenie kvality povrchových vôd pomocou maktoorganizmov je dobrá ale náročná metóda vyžadujúca praktické skúsenosti hodnotiteľov. Výsledky sú ale postihujúce dlhodobejšiu, nie okamžitú kvalitu vody v toku a preto je objektívnejšie.