Azot i fosfor to podstawa życia wszystkich organizmów, dlatego badania nad obiegiem azotu i fosforu są kamieniem węgielnym biogeochemii ekosystemów. Obecnie znajomość procesów i szlaków wędrówek oraz czynników je regulujących jest fundamentem działań rekultywacyjnych i ochrony wód przed nadmierną eutrofizacją.

Jednym z aspektów obiegu azotu i fosforu w środowisku wodnym jest teoria spirali nutrientów. Termin pojawił się po raz pierwszy w literaturze w 1975 roku (Webster), a w 1981 roku stworzono matematyczny model (Newbold i in.), który pozwoli dokładniej określić to zjawisko. Spirala dotyczy prędkości obiegu nutrientów (głównie azotu i fosforu) w ekosystemie wodnym. Pełen obrót (spirala) to obieg od mineralnej formy rozpuszczonej przez wszystkie formy związków tworzących tkanki organizmów do pierwotnej formy mineralnej, co w uproszczeniu przedstawia poniższy schemat.

Obieg materii w wodzie - od mineralnej formy rozpuszczonej przez wbudowanie w tkanki producentów (głównie rośliny), które są następnie zjadane głównie przez zwierzęta. Obie grupy poprzez obumieranie tworzą martwą materię biologiczną, której rozkład na drodze procesów fizycznych, biologicznych i chemicznych tworzy formę mineralną, która trafia ponownie do wody.
Uproszony obieg materii (nutrientów) w wodzie.

Wiedza o czasie obiegu materii oraz długości odcinkach jest ważnym elementem w zarządzaniu jakością wód. Na długość spirali wpływ mają dwa kluczowe czynniki: wielkość przepływu i aktywność biologiczna. Z kombinacji tych dwóch czynników mamy cztery przypadki, które mogą występować w ekosystemie wodnym (poniższy schemat). Najmniej korzystny jest, gdy woda płynie szybko, a aktywność biologiczna jest niska. Im woda płynie szybciej tym pętle spirali są dłuższe – to samo dzieje się, gdy aktywność biologiczna jest niska.

czynniki wpływajace na spiralę nutirentów to retencja i aktywność biologiczna
Teoria spirali nutrientów (na podstawie Minshall i in., 1975)

Przechodząc do praktycznej strony spirali nutrientów – jaki ma to wpływ na zarządzanie jakością wody? Aby odpowiedzieć na to pytanie, trzeba jeszcze wiedzieć jakie czynniki wpływają na dwa kluczowe elementy regulujące długość odcinków spirali:

  1. Wielkość przepływu – ma wpływ na tempo procesów fizycznych, chemicznych i biologicznych regulujących obieg z powyższego schematu, np. gdy woda płynie szybko to sedymentacja (opadanie cząsteczek na dno) jest bardzo mała. Na przepływ wpływ mają czynniki:
    • Naturalne:
      • wielkość opadów – im więcej pada tym szybciej płynie,
      • ukształtowanie terenu – w górach płynie szybciej),
      • dopływy mniejszych rzek do rzeki głównej,
      • naturalne zbiorniki i miejsca retencji – jeziora, mokradła, torfowiska itp.
    • Antropogeniczne – człowiek swoimi działania zmienił oddziaływanie naturalnych czynników na przepływ poprzez:
      • budowę struktur spowalniających przepływ – tamy, zapory, progi itp.
      • regulacja rzek poprzez prostowanie i/lub betonowanie koryt
      • punktowe zrzuty ścieków i wód opadowo-roztopowych – to taki sztuczny dopływ do rzeki, który zwiększa przepływ, szczególnie w przypadkach, gdy zrzut jest duży w stosunku do wielkości rzeki – najczęściej w przypadku zrzutu wód opadowych bezpośredni do rzek (np. zdjęcie z tego wpisu)
  2. Aktywność biologiczna – decyduje o tempie pobierania związków z wody przez rośliny i fitoplanktonu (producenci) oraz dalszych etapów obiegu. Wpływ na nią może mieć wiele czynników, m.in. zależności pomiędzy organizmami, wspomniana wcześniej wielkość przepływu czy faza rozwoju danego organizmu, ale najważniejszym czynnikiem jest temperatura. Temperatura regulująca aktywność biologiczną zależna jest od czynników:
    • Naturalnych:
      • sezonowa zmienność wynikająca z pór roku, np. tempo procesu denitryfikacji (o której pisałem tutaj) w temperaturze 5°C jest dziesięć razy mniejsze niż w 20°C (Choi i in, 1998),
      • prędkości przepływu – szybko płynąca nie ma czasu się ogrzać, więc wpływ sezonowości jest mniejszy, natomiast w zbiornikach, przy małych przepływach sezonowość ma większy wpływ,
    • Antropogenicznych – to szerokie spektrum działalności człowieka, które wpływa na:
      • temperaturę wody – zrzut ścieków podnosi temperaturę wody w rzece, ma to szczególnie wpływ w okresie zimowym, ale też i w pozostałej części roku, ponieważ zgodnie z rozporządzeniem dotyczącym wprowadzania ścieków (Dz.U. 2014 poz. 1800) maksymalna dopuszczalna temperatura to 35 °C dla ścieków przemysłowych, a dla komunalnych nie ma normy (zazwyczaj jest i tak niższa od tej wartości),
      • zanieczyszczenie – w wodzie o złej jakości jest mniej organizmów lub ich aktywność jest ograniczona, więc tempo obiegu nutrientów w spirali zwalnia.
czynniki spirala
Naturalne i antropogeniczne czynniki wpływające na retencję i aktywność biologiczną, które regulują obieg nutrientów w spirali.

 

Przedstawiona powyżej wiedza pozwala określić jak ekosystem wodny zareaguje na dopływ nutrientów oraz jaka jest jego stabilność. Wnioski przedstawiłem na poniższej grafice.

spirala nutrientow
Powiązanie pomiędzy spiralą nutrientów, a stabilnością ekosystemów wodnych i ich odpowiedzią na dopływ nutrientów (na podstawie Minshall i in., 1975)

Od razu wyjaśniam, że w oparciu o wiedzę wynikającą ze spirali nutrientów nie da się zarządzać jakością wód. Na procesy trzeba patrzeć szeroko. Czytając ten wpis może zauważyliście jeden czynnik, który spowoduje, że optymalne wydawałoby się spowolnienie przepływu poprzez wzrost retencji, jednak nie będzie dobre dla jakości wód i ekosystem wcale nie będzie stabilny. Wiecie o co chodzi? Nawet stabilny ekosystem nie jest wstanie zabezpieczyć jakości wody, jeśli trafia do niego więcej nutrientów niż jest on wstanie włączyć w spiralę, dlatego co raz powszechniej obserwujemy nadmierną eutrofizację zbiorników i występowanie zakwitów wody, bo każdy ekosystem ma swoją pojemność, co dobrze przedstawił w swojej publikacji Covino (2017).

czynniki spirala_v3.png
Wpływ dopływu nutrientów na spiralę nutrientów (na podstawie Covina, 2017).

Mam nadzieję, że przedstawiona tutaj wiedza przyda się nie tylko osobom zawodowo związanym z gospodarką wodną, ale i wszystkim, którzy rozumieją potrzebę wspólnego dbania o jakość naszego najcenniejszego zasobu. Szerzmy tą wiedzę, aby jak najwięcej osób znało Elementarz Świata Wody.

Jeśli interesują Was konkretne zagadnienia i procesy zachodzące w wodzie – dajcie znać w komentarzach lub poprzez formularz kontaktowy, a postaram się przedstawić stan wiedzy na ten temat. Oczywiście musi to dotyczyć aspektów związanych z ilością lub jakością wody 😉

Podobał Ci się mój artykuł? Możesz wesprzeć moją działalność darowizną i zostając moim Patronem lub Mecenasem
tutaj więcej informacji

Możesz też zarejestrować się poprzez poniższy formularz, aby otrzymywać powiadomienia o nowych artykułach. Nie ujawnię nikomu Twojego adresu!

Źródła i więcej informacji:

O spirali nutrientów:

Inne cytowane we wpisie: