Wskaźniki okrzemkowe opisujące trofię

praca dyplomowa

Termin „trofia” pochodzi od greckiego słowa trofe oznaczającego pokarm, pożywienie, chów (Starmach i in. 1976). Na stan trofii, czyli żyzności wód, ma wpływ głównie koncentracja związków fosforu i azotu. Związki te dopływaj ą do wód w postaci mineralnej lub jako materia organiczna, która ulegaj ąc rozkładowi, dostarcza przyswajalne dla roślin formy mineralne tych pierwiastków. Efekt użyźniania mogą wywoływać również mikroelementy, witaminy, hormony, a także światło i ruch wody, czyli wszystkie czynniki które stymulują produkcję (Kawecka i Eloranta 1994, Kajak 1998). W 1907 roku Weber wprowadził terminy: eutroficzny – pojmowany jako zasobny, bogaty w związki odżywcze i oligotroficzny – jako ubogi, skąpy. Pojęcia te zostały przyjęte przez Neumana w 1919 roku do określenia wód jeziornych bogatych i ubogich w związki pokarmowe. 

Następnie, w 1947 roku Hasler użył terminu eutrofizacja na oznaczenie ogólnego wzbogacenia wód jeziornych (Starmach i in. 1976). Obecnie pod pojęciem „eutrofizacja” rozumie się wzrost trofii w efekcie nadmiernego dopływu substancji odżywczych, które w nadmiarze stanowią jeden z rodzajów zanieczyszczeń. Eutrofizacja, w przypadku jezior jest procesem nieuniknionym i w warunkach naturalnych bardzo powolnym. W ostatnich dziesięcioleciach, w wyniku gospodarki ludzkiej – zrzutu ścieków komunalnych i przemysłowych, wycinki lasów, intensyfikacji rolnictwa, w tym nawożenia mineralnego, notuje się, zarówno w wodach stojących, jak i płynących, znaczne przyspieszenie tego procesu (Wojciechowski 1987, Kawecka i Eloranta 1994, Kajak 1998). Wody płynące maj ą zdolność do likwidacji nadmiaru biogenów w procesie samooczyszczania, stąd też wzdłuż ich biegów tworzą się strefy o zmniejszającej się trofii, czemu towarzyszą zmiany w strukturze zbiorowisk organizmów wodnych i w wielkości ich biomasy (Patrick 1953, Stjerna-Pooth 1981, Kawecka i Eloranta 1994).

Jedną z pierwszych klasyfikacji troficznych w odniesieniu do jezior przedstawił Neumann (1932). Wyróżniono w niej siedem poziomów żyzności wód:

1. wody eutroficzne,
2. wody eutroficzne do mezotroficznych,
3. wody mezotroficzne,
4. wody mezotroficzne do oligotroficznych,
5. oligotroficzne do dystroficznych,
6. eutroficzne do oligotroficznych,
7. eutroficzne do dystroficznych.

Pod wpływem prac dyskutujących trofię i saprobię jako pojęcia oznaczające ten sam stan – opisujące przejawy tego samego procesu, oba bowiem zależą od dopływu azotanów i fosforanów (Odum 1956, Starmach i in. 1976, Sladecek 1977, Uhlmann i Fritzsche 1977), w kolejnych klasyfikacjach zaczęto łączyć klasyfikację troficzną z saprobową. Schmassmann (1951), jako pierwszy podjął próbę klasyfikacji wód rzecznych według systemu troficznego ustalonego wcześniej przez Neumanna (1932). Równocześnie dokonał porównania tych dwóch klasyfikacji uwzględniając stopień nasycenia tlenem i temperaturę wody (tab. 2.1).

Tabela 2.1. Porównanie systemu troficznego i saprobowego dla rzek wg. Schmassmanna (1951).

Table 2.1. Comparison of trophic and saprobic classification of rivers according to Schmassmann (1951).

Na początku lat 90-tych ubiegłego wieku Schiefele i Kohman (1993) zaproponowali wskaźnik okrzemkowy Trophic Diatom Index (TDI) bazujący na równaniu Zelinki i Marvana (1961). Indeks uzupełniono listą 105 gatunków wraz z obliczonymi wartościami wskaźnikowymi w zależności od rozpuszczalnych aktywnych fosforanów (SRP), fosforu całkowitego, azotanów i amoniaku. Dla potrzeb indeksu poszczególnym taksonom okrzemek przypisano wartości wrażliwości względem koncentracji soli biogenicznych w przedziałach od 1 (niska koncentracja soli biogenicznych) do 4 (wysoka koncentracja soli biogenicznych) i wartości wskaźnikowe od 1 do 7. W systemie indeksu TDI podzielono status jakości wód na siedem poziomów, który pokrywa warunki od oligotrofii do hypertrofii. Wyróżniono dwa warianty TDI: TDIMIP kalibrowany na fosforanach i fosforze całkowitym, TDIMIPN kalibrowany w warunkach, gdzie dodano związki azotu tak, aby umożliwić określenie proporcji zawartości soli biogenicznych. Według Hoffman (1996) wiarygodność indeksu TDI ogranicza się do warunków od meso- do hypertrofii.

Na podstawie badań nad strukturą zbiorowisk okrzemek w jeziorach o różnym stanie troficznym Hofmann (1994) opracowała indeks troficzny bazujący na indeksie saprobowym Zelinki i Marvana (1961):

n

Z

indeks trofii TI = ——————-

n

Z H,- G,

n=1

gdzie: TI – oznacza indeks trofii

H, – oznacza udział procentowy gatunku i,

G, – oznacza wagę gatunku i,

T, – oznacza przypisaną wartość preferencji gatunku i względem trofii obliczoną na podstawie średniej ważonej.

Wykorzystanie powyższej formuły pozwoliło na wyraźne wyodrębnienie stanów oligo-, mezo- i eutrofii oraz poziomów pośrednich pomiędzy poszczególnymi stopniami trofii. Dzięki temu uzyskano wysoki poziom dokładności w wyznaczaniu stopnia troficznego. Sześciostopniową klasyfikację zaproponowaną przez Hofmann (1994) uwzględniającą tolerancję okrzemek względem trofii zawarto w tabeli 2.2.

Ponadto, autorka (l.c.) sporządziła listę 487 taksonów dla których podała m.in. optima tolerancji względem trofii obliczone za pomocą metody średniej ważonej. Jednocześnie, w szerokiej dyskusji zarekomendowała stosowanie w analizach jakości wód kombinacji systemu troficznego i saprobowego tzn. zastąpienie niższych poziomów saprobii (I i I-II klasa jakości wody) indeksem poziomu trofii, który w strefach o niskim ładunku zanieczyszczenia organicznego, jest bardziej odpowiednim i wiarygodnym wskaźnikiem jakości.

Tabela 2.2. Klasyfikacja troficzna okrzemek według Hofmann (1994). Table 2.2. Trophic classification of diatoms by Hofmann (1994).

Kolejny system troficzny opracowany na podstawie badań przeprowadzonych na zbiorowiskach okrzemek w wodach słodkich i słonawych przedstawili Van Dam i in. (1994). W zależności od wymagań względem trofii autorzy (l.c.) wyróżnili 7 wskaźnikowych grup okrzemek:

1. oligotrofy,
2. oligo-mezotrofy,
3. mezotrofy,
4. mezo-eutrof,
5. eutrofy,
6. hypereutrofy,
7. oligo- do eutrofy (hypereutrofy).

Podobnie jak Hofmann (1994), w załączonym zestawieniu Van Dam i in. (1994) podali dla 948 taksonów wartości indykacyjne względem m.in. trofii.

Na bazie badań przeprowadzonych w Anglii i Szkocji kolejny indeks troficzny Trophic Diatom Index (TDI) zaproponowali Kelly i Whitton (1995). Początkowo indeks ten miał być stosowany jako pomocnicze narzędzie w podejmowaniu decyzji, w związku z usuwaniem fosforu w oczyszczalniach wód. Obecnie, po modyfikacjach, zaleca się również jego stosowanie w monitoringu wód powierzchniowych Wielkiej Brytanii (Kelly i in. 2001).

Indeks ten również oparto na formule matematycznej Zelinki i Marvana (1961), a ostatecznie nadano mu postać (Kelly i in. 2001):

indeks TDI = (WMS x 25) – 25 gdzie: TDI – oznacza indeks trofii

WMS – oznacza wrażliwość obliczoną na podstawie średniej ważonej ze wzoru:

n

Z ^aj • ^sj • ^vj

WMS = ^—————-

n

Z ^aj ’^vj

j=1

gdzie: aj – oznacza udział procentowy gatunku j w próbie,

Sj – oznacza wrażliwość względem zanieczyszczenia (od 1 do 5) gatunkuj,

vj – oznacza wartość wskaźnikową (od 1 do 3).

Wartości wrażliwości (s) dla taksonów kształtują się następująco:

1      = preferuje bardzo niskie koncentracje soli biogenicznych,

2       = preferuje niskie koncentracje soli biogenicznych,

3       = preferuje pośrednie koncentracje soli biogenicznych,

4       = preferuje wysokie koncentracje soli biogenicznych,

5       = preferuje bardzo wysokie koncentracje soli biogenicznych.

Interpretacja indeksu TDI wymaga obliczenia dodatkowego wskaźnika „Percent Pollution Tolerant Valves” (% PTV), który wskazuje na wiarygodność pomiaru stopnia troficznego indeksu TDI (Kelly 1998). Pierwsza wersja indeksu TDI (Kelly i Whitton 1995) bazowała na 100 taksonach okrzemek – zarówno rodzajach jak i gatunkach. W ostatniej wersji (Kelly i in. 2001) liczbę taksonów zwiększono do 113, usunięto gatunki planktonowe, dokonano niewielkich zmian w wartościach s i v dla niektórych taksonów oraz rozszerzono skalę indeksu, aby przyjmował wartości w przedziale od 1 (bardzo niskie koncentracje soli biogenicznych) do 100 (bardzo wysokie koncentracje soli biogenicznych). Ponadto dodatkowy wskaźnik % PTV zastąpiono wskaźnikiem „Percent Motile Valves” (%MV).

W kolejnych latach opracowano nowe indeksy troficzne. Na podstawie badań przeprowadzonych w Niemczech rozwinięto wskaźnik nazwany również Trophic Diatom Index, który dla odróżnienia oznacza się TDI-D (Coring i in. 1999), a w Austrii indeks Trophic Index (TI, Rott i in. 1999). Z kolei indeks TDI rozwinięty w Wielkiej Brytani (Kelly i Whitton 1995, Kelly i in. 2001) obecnie oznacza się symbolem TDI-UK (Kelly 2003).

Indeksy TDI-D i TI, podobnie jak indeks TDI-UK, bazują na równaniu Zelinki i Marvana (1961) i opierają się na wrażliwości okrzemek oraz zakresie ich tolerancji względem koncentracji soli biogenicznych w wodzie. Główne różnice pomiędzy wymienionymi indeksami polegaj ą na wykorzystaniu różnych taksonów przy ich obliczaniu oraz przypisaniu tym samym taksonom nieco odmiennych wartości s i v. Na podstawie badań jakości wody z jednoczesnym zastosowaniem indeksów troficznych TDI- UK, TDI-D i TI w wodach Anglii wykazano (Kelly 2003) ich dużą specyficzność i wąskie zastosowanie; każdy z indeksów najlepiej sprawdza się i daje wiarygodne wyniki w określonym rejonie geograficznym, z reguły w tym, dla którego został opracowany.