Role pH v acidifikaci vodního ekosystému

Acidifikace je proces, při kterém dochází k okyselování půdního nebo vodního prostředí kvůli zvýšení koncentrace vodíkových iontů, jež se do prostředí dostaly atmosférickou depozicí. Kyselá atmosférická depozice může být buď mokrá (plyny rozpuštěné ve srážkové vodě, tzv. kyselé deště) nebo suchá (plyny rozptýlené v atmosféře, aerosol, tzv. (redukční) londýnský smog). Hlavní příčinou acidifikace je znečištění ovzduší.

Příčiny acidifikace

Dvě hlavní příčiny kyselé atmosférické depozice, označované populárně jako kyselý déšť, jsou emise oxidu siřičitého (SO2), který vzniká zejména spalováním hnědého uhlí, a emise oxidů dusíku (NOx) způsobené hlavně vysokoteplotním spalováním v automobilových motorech. Mezi hlavní acidifikační plyny patří oxid siřičitý, vznikající hlavně spalováním hnědého uhlí, jež se při rozpuštění ve vodě transformuje na kyselinu siřičitou. Dalšími acidifikačními plyny jsou oxidy dusíku. Amoniak je sám o sobě zásaditý plyn, nicméně jeho reakcí se vzdušnými emisemi vzniká amonný kationt, jež je kyselinou. Do ovzduší se dostává hlavně kvůli hnojení zemědělských půd.

SO2 a NOx v atmosféře a na povrchu vegetace dále oxidují za vzniku kyseliny sírové a kyseliny dusičné, které snižují pH srážkové vody. V České republice hraje nejdůležitější roli v okyselování půd kyselina sírová. Z atmosféry se na zemský povrch dostává dvěma mechanizmy. Prvním je vlastní kyselý déšť, správněji „mokrá depozice“, druhým je „suchá depozice“ síry. Ta se uplatňuje v oblastech s vysokými koncentracemi SO2 v ovzduší („vysokými“ se v tomto kontextu rozumí průměrné roční koncentrace vyšší než 3-5 g/m3).

Mechanizmus suché depozice je zhruba následující: SO2 a síranový aerosol z atmosféry se zachycují na povrchu vegetace, kde SO2 oxiduje na H2SO4, která je při nejbližším dešti spláchnuta do půdy. Nejvíc síry zachycuje smrkové jehličí, listnaté opadavé dřeviny jí zachytí výrazně méně. Vedle množství depozice rozhodují o stupni okyselení vlastnosti půd, zejména množství bazických kationtů (Ca2+, Mg2+, Na+, K+), jejichž zdrojem je zvětrávání podložních hornin.

Největší vliv má množství emisí v atmosféře, acidifikaci vod významně ovlivňuje její pufrovací schopnost. Přítomnost bazických iontů (Ca2+, Mg2+, Na+, K+) snižuje acidifikaci. Podloží také ovlivňuje rychlost acidifikace, půdy na žulách a rulách podléhají rychleji. Listnaté lesy mají významnou pufrační schopnost, naopak jehličnaté lesy acidifikaci půd spíše podporují, neboť produkují těžko rozložitelný opad, který následně tvoří kyselý humus.

Čtěte také: Význam motýlů v přírodě

Vliv pH na ekosystémy

Reakce prostředí (pH reakce) je obecně dána koncentrací vodíkových iontů H+ a výrazně ovlivňuje druhovou skladbu rostlin na substrátech, kvantitativní, kvalitativní složení edafonu a taktéž zastoupení různých druhů ve vodních ekosystémech. Nízké pH omezuje příjem živin, osmoregulaci, výměnu plynů a aktivitu enzymů. Pro bakterie je nízké pH fatální, dochází k ochuzení edafonu a tím pádem i k omezení rozkladu organické hmoty. Výsledkem je hromadění organické hmoty, která se nerozkládá, a nedostatek živin. Ze zvětralin se pak též může mobilizovat toxický hliník (popř. železo či mangan).

Vysoké pH pak má vliv opět na osmoregulaci, je zde nadbytek především soli, vápníku a hořčíku. S měnícím se pH se liší také dostupnost živin na stanovišti, např.:

• P, Fe, Mn - špatně přístupné v zásaditých půdách
• K, Ca, Mg, P, Mo - špatně přístupné v kyselých půdách

Čím více je v půdách bazických kationtů, tím jsou odolnější, protože mohou déle neutralizovat kyselý přísun z atmosféry. Nejméně odolné jsou horské půdy, které mají malou mocnost a přirozeně nízké množství bazických kationtů. V horách se devastující vliv kyselých dešťů projevuje nejdříve, protože jsou v nich vysoké srážky, časté mlhy, vysoká rychlost větru a převaha smrkových monokultur.

Důsledky acidifikace

Postižené ekosystémy se stávají neobyvatelnými nejen díky snížení pH, ale i kvůli vyluhování toxických kovů, jež by za normálních podmínek zůstaly vázány v horninách. Mezi tyto kovy patří např. hliník, kadmium, olovo a měď. Dochází tak k úhynu vodních organismů, což vede k celkovému snížení biodiverzity. Nejvíce viditelným důsledkem acidifikace je devastace jehličnatých lesů. V Česku jsou takto postiženy lesy v pohořích na severu území (nejvíce v Krušných horách).

Acidofilní druhy se stávají dominantními (např. rašeliníky), dochází i k narušení trofního stupně, neboť živiny jsou odplavovány z vod a půd pryč. Na pohled tedy acidifikované vody vypadají čistě, protože jsou zcela průzračné. V 70. letech 20. století došlo k razantnímu okyselení šumavských jezer. Jejich vody až do této doby zvládaly přísun okyselujících látek neutralizovat. Pak však došlo k vyčerpání pufrovacího systému, což zákonitě vedlo k masivnímu okyselení a pH kleslo až k hodnotě 3,5, což vedlo k vyluhování toxických kovů a úhynu ryb a měkkýšů. K okyselení též přispělo horninové podloží, neboť Šumava je tvořena kyselými horninami.

Čtěte také: Občanská společnost: Současná rizika

Jak mokrá, tak i suchá depozice má významný vliv na člověka. Při mokré depozici (kyselých deštích) dochází ke ztrátě ekonomické hodnoty lesa, jenž není schopen dále produkovat kvalitní dřevo. Devastace lesů je spojena i s úbytkem turistického ruchu. Acidifikované vody jsou, jak již bylo zmíněno, plné toxických kovů, jež následně mohou proniknout do podzemních vod. Při dalším užití této vody tedy hrozí riziko intoxikace a rozvojem s ní spojených chorob. Např. zvýšené koncentrace hliníku ve vodě přispívají k rozvoji Alzheimerovy choroby.

Modelování průběhu okyselování

Okyselování probíhá dlouhou dobu skrytě a jeho příznaky se projevují teprve s odstupem času. Proto je vhodné zabývat se i minulostí okyselených ekosystémů. Pokud nebudeme schopni alespoň kvalifikovaným odhadem rekonstruovat stav sledovaného ekosystému před začátkem okyselení, nebudeme mít srovnání se stavem, k němuž bychom se měli opět přiblížit.

Hlavní složkou ekosystému, která určuje odolnost vůči antropogennímu okyselování, jsou půdy, a proto modely zahrnují zejména procesy okyselování půd a vod. Jedním ze středně komplexních modelů je MAGIC (Model of Acidification of Groundwater In Catchments), který vyvinuli v polovině 80. let v USA B. J. Jako vstupní parametry pro model jsou použity současné vlastnosti půd ve zkoumaném povodí (velikost sorpčního půdního komplexu, jeho nasycenost bazickými kationty, množství a struktura půd, adsorpce síranů, disociační konstanty organických kyselin, rychlost zvětrávání matečné horniny a další experimentálně dosažitelné veličiny).

Hlavní veličinou modelu jsou údaje o časových proměnách atmosférické depozice. Další důležitou hodnotou je příjem bazických kationtů stromy a jejich fixace v organické hmotě. V pěstovaných rychle rostoucích dřevinách (ve smrkových lesích) se těžbou a odvozem dřeva z lesa porušuje přirozený koloběh prvků: bazické kationty fixované ve dřevě se nemohou po odumření stromu vrátit zpět do půdy tak, jak tomu bylo v původních pralesích.

Modelování vychází z odhadu „přirozených“ podmínek před začátkem industrializace a podle zadaných scénářů depozice vypočítává odezvu půd a vod na měnící se kyselou zátěž.

Čtěte také: MŽP a krajina v ČR

Průběh okyselování v západních Čechách

Jak asi probíhal acidifikační proces v posledních 140 letech? Pokusme se tento mechanizmus popsat na příkladu povodí Lysina v západních Čechách. Povodí Lysina (0,27 km2) se nachází ve vrcholové části Slavkovského lesa v nadmořské výšce 829 až 946 metrů nad mořem. Pouhých 10 km severně odtud je v sokolovské hnědouhelné pánvi elektrárna Tisová. Geologické podloží je tvořeno žulou s nízkým obsahem bazických kationtů a je pokryto vrstvou podzolované hnědé lesní půdy o průměrné mocnosti asi 1 m. Ze 70 % je území povodí porostlé smrkovou monokulturou, 30 % tvoří paseka s výsadbou mladých smrků. Povodí jeví všechny typické znaky chronického zvýšení kyselosti.

Z rekonstrukce vývoje okyselení v povodí Lysina vyplývá, že v polovině minulého století bylo pH potoční vody zhruba 6,2, koncentrace síranů byly rovny přirozenému pozadí, pH deště bylo okolo hodnoty 5,0 a déšť neobsahoval téměř žádné sírany, protože spalování hnědého uhlí bylo teprve v počátcích. S přibývající důlní činností v nedaleké sokolovské pánvi a s rozvojem průmyslu začaly stoupat koncentrace SO2 v ovzduší. Déšť se pomalu stával kyselejším přítomností H2SO4.

Začaly stoupat koncentrace SO42- v potoce a snižovaly se koncentrace HCO3-. Ty reagovaly s vodíkovými ionty (H+), které přinesla kyselina sírová, neutralizační reakcí na vodu a oxid uhličitý. Zároveň začalo mírně klesat pH. Po další době, podle výsledku modelování zhruba okolo r. 1920, klesla koncentrace HCO3- na téměř nulovou hodnotu a pH na 5,5. V tu chvíli se začal uplatňovat další neutralizační mechanizmus, který má příroda pro takový případ v záloze.

V potoční vodě se to projevilo tak, že pH se nejprve snižovalo jen mírně, ale množství bazických kationtů vzrůstalo úměrně vzrůstajícímu množství síranů. Teprve když už výměnný proces v půdách nestačil úplně neutralizovat kyselinu sírovou z atmosféry, začalo pH půdní i potoční vody klesat. Podle našeho modelu k tomu došlo zhruba v letech 1915 - 1935.

Roku 1955 byla dobudována a spuštěna elektrárna Tisová, první z velkých uhelných elektráren socialistické éry, vzdálená jen 10 km severně od sledovaného povodí. V blízkém okolí tehdy výrazně stoupla koncentrace SO2 v ovzduší, pH potoční vody kleslo pod hodnotu 4,5 a kyselá půdní voda začala výrazně uvolňovat z jílových minerálů v půdách hliník. Tento proces částečně neutralizoval a brzdil další pokles pH (zvyšováním koncentrace H+, viz obrázek).

V 80. letech, zejména v jejich druhé polovině, bylo již v západní Evropě patrné úsilí omezit emise SO2. V povodí Lysina jsme zaznamenali výrazný pokles depozice síry a tím i síranů v potoce již koncem sedmdesátých let. Protože v půdách je část síry vratně adsorbována, vymývání těchto zásob pokračuje dodnes. Od r. 1989 již atmosférická depozice skutečně klesá, díky tomu, že se omezuje průmyslová výroba ve státech střední a východní Evropy.

Příčinou tohoto zdánlivého paradoxu je, že půdy dnes již nemají neutralizační schopnost, jakou měly v počátcích okyselování.

Scénáře budoucnosti

Náš odhad budoucího vývoje je postaven na scénáři snižování atmosférické depozice síry a mírném zvyšování depozice dusíku. Okolo r. 2020, kam sahá náš odhad, bude pH zhruba okolo hodnoty 4,2 a koncentrace hliníku bude pro většinu vodních organizmů příliš vysoká i nadále, přestože koncentrace síranů bude odpovídat 20. až 30. letům tohoto století. Koncentrace bazických kationtů díky vyčerpaným zásobám dokonce klesne na úroveň nižší než v preindustriálním období a celý systém se bude nacházet ve stavu, který bychom mohli nazvat chronické vyčerpání.

Při dalším poklesu koncentrací síranů se dusičnany stanou poměrně významným kyselým aniontem.

Vrcholová oblast Slavkovského lesa patří v ČR k oblastem na kyselý déšť nejcitlivějším. Proto i scénář budoucnosti je málo optimistický. V jiných oblastech s půdami bohatšími na bazické kationty, které mají lepší neutralizační schopnosti, jistě nebude průběh tak dramatický. Nicméně ani masivní snížení emisí SO2 nezlepší situaci najednou, poškozené ekosystémy se budou zotavovat dlouho, stejně jako poměrně dlouho dokázaly kyselému dešti úspěšně vzdorovat.

Možnosti nápravy

Acidifikace půdy může být pomalu napravována aplikací vápníku, například ve formě vápence nebo páleného vápna. Tento proces se nazývá vápnění a je jedním ze základních postupů obhospodařování půdy v zemědělství.

V roce 2010 mělo dojít k naplnění Göteborského protokolu o omezování acidifikace, eutrofizace a přízemního ozónu, jenž stanovuje limity pro emise síry, amoniaku a NOx. Cílem je zmenšit plochu území ohroženou acidifikací z 93 na 15 milionů hektarů.

tags: #role #ph #v #acidifikaci #vodního #ekosystému

Oblíbené příspěvky:

• Nakládání s odpady v České Třebové
• Dopady klimatických změn
• Česká republika a životní prostředí
• Zážitky ze školy v přírodě v Koutech
• Problémy s Irisbusy