Metody i technologie rewitalizacji zdegradowanych środowisk wodnych Możliwości zastosowania w jeziorach mazurskich Prof. dr hab. Ryszard J. Chróst – Zakład Ekologii Mikroorganizmów UW

Przyczyny i skutki eutrofizacji wód podlegające bioremediacji Nadmiar substancji biogennych w ekosystemie wysokie stężenia N i P w wodzie kumulacja biogenów w osadach dennych „internal loading” kolumny wody biogenami z osadów dennych Masowe zakwity fitoplanktonu: dominacja cyjanobakterii (sinic) wytwarzanie cyjanotoksyn Nadprodukcja materii organicznej w ekosystemie: wzrost stężenia DOM w wodzie podwyższenie ilości zawiesiny organicznej POM w wodzie wzrost miąższości osadów dennych (wypłycanie zbiornika) oraz zawartości w nich materii organicznej (POM + DOM)

Przyczyny i skutki eutrofizacji wód podlegające bioremediacji Spadek przezroczystości wody pogorszenie warunków fotosyntetycznego natleniania wody Deficyty tlenowe w wodzie i osadach dennych spadek odczynu pH oraz redox środowiska przewaga mikrobiologicznych procesów anaerobowych zahamowanie mineralizacji materii organicznej wzrost ilości toksycznego siarkowodoru Niekorzystne zmiany w biocenozie: spadek bioróżnorodności gatunkowej zmniejszenie bioróżnorodności funkcjonalnej zakłócona równowaga ekologiczna homeostazy

Metody rekultywacji jezior Selektywne usuwanie wód hypolimnionu, Sztuczne napowietrzanie jezior, Usuwanie osadów dennych (bagrowanie), Przepłukiwanie/rozcieńczanie, Inaktywacja fosforu, Metody biologiczne

Selektywne usuwanie wód hypolimnionu Po raz pierwszy na świecie przeprowadził ten zabieg Przemysław Olszewski na jeziorze Kortowskim w Olsztynie.

Selektywne usuwanie wód hypolimnionu Zabieg ten jest możliwy tylko w jeziorach przepływowych, polega na odprowadzeniu (na zasadzie syfonu) silnie przeżyźnionych wód głębinowych, zamiast samorzutnego odpływu wód powierzchniowych. Proces bardzo powolny, korzystne efekty po długim czasie stosowania (kilka-kilkanaście lat) Odprowadzane wody hypolimnionu są silnie zanieczyszczone N i P, beztlenowe, zawierające toksyczny siarkowodór i metale ciężkie – wymagają specjalnej technologii oczyszczania Metoda droga i mało skuteczna, dająca niewspółmierny efekt pozytywny w porównaniu z czasem koniecznym do zastosowania metody

Sztuczne napowietrzanie jezior Rodzaje rusztów napowietrzających

Sztuczne napowietrzanie jezior Metoda bardzo energochłonna przez co bardzo kosztowna Efektywność napowietrzania i poprawa jakości ekologicznej zbiornika (wzrost jakości wody, poprawa bioróżnorodności, itp.) jest procesem bardzo długim, wieloletnim, Zaprzestanie napowietrzania powoduje bardzo szybkie pogorszenie jakości ekologicznej zbiornika do stanu pierwotnego

Usuwanie osadów dennych (bagrowanie) Schemat procesu bagrowania osadów dennych wraz z oczyszczeniem wody

Usuwanie osadów dennych (bagrowanie) Metoda bardzo droga Konieczność składowania osadów i ich kompostowania (kosztowne, niebezpieczne dla środowiska) Nieprzewidywalne skutki bagrowania dla funkcjonowania zbiornika i jakości jego wód „Katastrofa ekologiczna” dla zbiornika

Przepłukiwanie/rozcieńczanie Metoda możliwa wyłącznie do zastosowania w przypadku zbiorników o małej objętości wód polegająca na doprowadzeniu do zanieczyszczonego zbiornika wody czystej (wodociągowej lub z sąsiedniego zbiornika o lepszej jakości wody). Problem co zrobić/gdzie odprowadzić wodę z zanieczyszczonego zbiornika Metoda całkowicie nieprzydatna w przypadku jezior

Inaktywacja fosforu Wytrącenie fosforu mineralnego (ortofosforanowego) z wody i/lub wody interstycjalnej osadów dennych przez chemiczne koagulanty. W zależności od zastosowanego koagulantu wytrącony na powierzchnię osadów dennych fosfor mineralny jest krócej lub dłużej immobilizowany i niedostępny biologicznie – metoda wyłącznie pomocna w kontroli biomasy fitoplanktonu w zbiornikach limitowanych fosforowo. W Polsce najczęściej stosowane są koagulanty oparte na wiązaniu fosforu mineralnego przez związki żelaza (PIX) lub aluminium (PAX) – wytrącone z wody i osadzone na powierzchni dna kompleksy fosforu z żelazem lub aluminium są nierozpuszczalne i stabilne wyłącznie w środowisku dobrze natlenionym, stają się rozpuszczalne w odtlenionych środowiskach. Aluminium Żelazo

Inaktywacja fosforu Najlepszym koagulantem do inaktywacji fosforu jest preparat Phoslock (opatentowany w 1998 r. w Australii, prawie niestosowany w Polsce) oparty na naturalnej glince kalinicie wzbogaconej w lantan. Połączenie fosforu mineralnego z lantanem jest bardzo trwałe i nie zależy od stopnia natlenienia środowiska. Schemat działania Phoslock w jeziorach

Metody biologiczne Zmiany struktury gatunkowej ryb w piramidzie troficznej zbiornika (biomanipulacja) Struktury biologiczne o dużej filtracji zawiesiny (np. Dreisena polymorpha), lub dużej powierzchni czynnej porośniętej peryfitonem asymilującym biogeny z wody Fitoremediacje Naturalne algicydowe właściwości słomy jęczmiennej – zapory balotowe Bioremediacja mikrobiologiczna Zalety Oparte na ekologicznych prawach funkcjonowania ekosystemów wodnych Stosunkowo mało inwazyjne Wykorzystujące naturalne właściwości i interakcje międzygatunkowe Dosyć długotrwały efekt końcowy Wady Wymagają długiego czasu stosowania i kontroli Wymagają profesjonalnej wiedzy podczas kontrolowania zabiegów

Bioremediacja mikrobiologiczna Stosowana w zbiornikach wodnych od kilkunastu lat na świecie. W Polsce stosowana dopiero od 2-3 lat. Metoda oparta na wykorzystywaniu naturalnych właściwości degradatywnych specjalnie dobranych zespołów mikroorganizmów o dużym potencjale biochemiczno-metabolicznym do rozkładu i wykorzystywania substancji organicznych. Nieinwazyjna i bezpieczna w środowisku. Działa zarówno na degradację zanieczyszczeń w wodzie jak i w osadach dennych. Oparta na procesach i interakcjach mikrobiologicznych w ekosystemie.

Konsumpcja materii organicznej w zbiornikach wodnych Konsumpcja rozpuszczonej w wodzie materii organicznej (DOC) przez mikroorganizmy pikoplanktonowe (głównie bakterie) inicjuje transfer cząstkowej materii organicznej w obrębie sieci pokarmowych do wyższych poziomów troficznych. Najważniejszym etapem w tym procesie jest biotransformacja rozpuszczonej w wodzie materii organicznej (DOC) do cząstkowej (partykularnej) materii organicznej POM wyłącznie przeprowadzana przez bakterie heterotroficzne i wytworzenie ich biomasy.

Metabolizm bakterii w procesach przemian materii organicznej Asymilacja materii organicznej 10-30% 70-90% ENERGIA BIOMASA bakterii Powstaje w drodze biologicznego utleniania (biologicznego „spalania”) związków organicznych

Metabolizm bakterii w procesach przemian materii organicznej CO2 BAKTERIE Biogeny mineralne (m.in. PO43-, NH4+) Materia organiczna BIOMASA

Metabolizm bakterii w procesach przemian materii organicznej Aktywny metabolizm bakterii w procesach asymilacji i mineralizacji materii organicznej doprowadza do: produkcji biomasy bakterii, w której związane zostały znaczne ilości związków organicznych i biogennych (C, N, P, S) szybkiej konsumpcji wytworzonej biomasy przez bakterio-żerców i organizmy zwierzęce z wyższych poziomów troficz-nych, których końcowymi ogniwami są gatunki o komercyjnym znaczeniu w gospodarce człowieka zasobami wodnymi (duże bezkręgowce, ryby, ptaki, ssaki). eksploatacja gatunków komercyjnych doprowadza do wyniesie- nia z ekosystemu dużej porcji materii organicznej w postaci odławianej biomasy zasadnicza część (70-90%) asymilowanej przez bakterie wodne materii organicznej jest mineralizowana w warun-kach tlenowej respiracji do dwutlenku węgla (CO2), soli mineralnych N, P, S

Czym są Eco-TabsTM? Wielofunkcyjne tabletki zawierające: inokulum wyspecjalizowanych szczepów niepatogennych bakterii tlenowych oraz grzybów, mikroorganizmów występujących w środowiskach naturalnych wysoce aktywnych metabolicznie do biochemicz- nej degradacji materii organicznej substancje buforujące wodę oraz laktozę - czynniki regulujące pH i dostarczające startowy dwucukier w metabolizmie bak- terii, które zapewniają optymalne warunki rozwoju donor tlenu cząsteczkowego O2 uwalnia-nego do wody w Technologii Separacji Microdot (TSM), nano-micro pęcherzyki tlenu doskonale natleniające wodę i powierzchnie zawiesiny warunkujące szybkie procesy mineralizacyjne materii organicznej

Jak działają Eco-TabsTM? Stymulują i przyśpieszają naturalne procesy obiegu materii organicznej i mineralnej w środowisku CO2 O2 Eco-tabs Biogeny mineralne (m.in. PO43-, NH4+) Materia organiczna BIOMASA bakterii

Jak działają Eco-TabsTM w zbiornikach wodnych? EFEKT SKUTEK Wzrost natlenienia kolumny wody oraz osadów dennych Stymulacja rozwoju bakterii i organizmów tlenowych w zbiorniku Oksydacja H2S do siarczanów Wzrost biomasy bakterii i grzybów tlenowych w wodzie i osadach dennych Zwiększona konsumpcja i respiracja bakterii na materię organiczną, Wzrost zapotrzebowania pokarmowego na zawiesinę organiczną przez organizmy sieci troficznych w zbiorniku Gwałtowna mineralizacja materii organicznej przez mikroorganizmy, zwiększona ilość CO2 w wodzie Precypitacja chemiczna utlenionych form fosforanu mineralnego (zablokowanie P w osadach dennych) Procesy nitryfikacji i anammox – usuwa-nie związków azotu w postaci N2 Spadek zawartości materii organicz-nej DOM i POM w wodzie i osadach dennych Wzrost przezroczystości wody Spadek miąższości osadów dennych Wzrost głębokości zbiornika

Jak działają Eco-TabsTM w zbiornikach wodnych? EFEKT SKUTEK Zmniejszenie stopnia eutrofizacji zbiornika Polepszenie jakości wody dla celów konsumpcyjnych i rekreacyjnych Korzystne zmiany w składzie fitoplanktonu, zooplanktonu i ryb Ograniczenie zakwitów wody Zmniejszenie ryzyka występowania toksycznych zakwitów cyjanobakterii Zwiększenie atrakcyjności rekreacyjnej zbiornika Zwiększenie bioróżnorodności organizmów wodnych Polepszenie ekologicznej jakości wód zbiornika Zwiększenie stabilności homeostazy ekosystemu Wzrost atrakcyjności rekreacyjnej zbiornika Odnowa biologiczna i ekologiczna zbiornika Wzrost znaczenia gospodarczego i społecznego zbiornika

W jakich zbiornikach wodnych stosować biotechnologię Eco-TabsTM? Płytkie jeziora i zbiorniki wodne Płytkie zatoki dużych jezior Stawy rybackie i hodowlane Stawy miejskie i rekreacyjne Laguny w oczyszczalniach ścieków Starorzecza o niewielkim przepływie wód

Do czego stosować Eco-TabsTM w bioremediacji zbiorników wodnych? Zastosowanie Eco-TabsTM w bioremediacji jest polecane w celu: Dodatkowego natlenienia wód i osadów dennych Wspomożenia naturalnych procesów samooczyszcza- nia się wód Usunięcia nadmiaru skumulowanej materii organicznej w wodzie i osadach dennych Usunięcia nadmiaru osadów organicznych Mineralizacji zasobów fosforu organicznego i unieczyn-nienia nadmiaru fosforanów mineralnych w wodzie i osadach dennych Kontroli silnych zakwitów fitoplanktonu i eliminacji dominacji cyjanobakterii (sinic) Wzrostu efektywności rybackiej gospodarki hodowlanej poprzez poprawienie jakości biologiczno-chemicznej i sanitarnej wód oraz poprawę ich bioróżnorodności

Dlaczego stosować biotechnologię Eco-TabsTM w bioremediacji? Naukowe podstawy biotechnologii Eco-TabsTM oparte są na naturalnych procesach samooczyszczania się wód i mikroorganizmach prowadzących ten proces Biotechnologia Eco-TabsTM nie wprowadza do środowiska naturalnego syntetycznych substancji chemicznych i mikroorganizmów genetycznie zmodyfikowanych Eco-TabsTM są bezpieczne dla środowiska naturalnego a ich działanie polega na stymulacji przebiegu i intensyfikacji naturalnych procesów biochemicznych i biogeochemicz-nych samorzutnie zachodzących w środowiskach wodnych Bioremediacja zbiorników wodnych w technologii Eco- TabsTM nie powoduje niepożądanych skutków ubocz-nych dla środowiska naturalnego (w przeciwieństwie do wielu technologii powszechnie stosowanych w rekultywacji zbiorników wodnych, np. usuwania osadów, koagulacji chemicznej fosforu, itp.).

Nadzieja dla zdegradowanych zbiorników i środowisk wodnych Eco-TabsTM Nadzieja dla zdegradowanych zbiorników i środowisk wodnych Prof. dr hab. Ryszard J. Chróst – Zakład Ekologii Mikroorganizmów UW