plik pdf - zizozap

Biotesty ekotoksykologiczne i standardowe analizy chemiczne
jako narzędzia w monitoringu jakości wód zbiornika zaporowego
w projekcie POIG ZiZOZap
P. Łaszczyca1, M. Kostecki2, J. Francikowski1, J Guzik1, A. Nikiel1, M. Kłosok1, K. Michalczyk1, M. Augustyniak1, M. Jabłońska2, P. Migula1
1
Katedra Fizjologii Zwierząt i Ekotoksykologii, Wydział Biologii i Ochrony Środowiska, Uniwersytet Śląski, ul. Bankowa 9, 40-007 Katowice
2 Instytut Podstaw Inżynierii Środowiska PAN, Zakład Ochrony Wód i Gospodarki Wodami, 41-819 Zabrze ul. M. Skłodowskiej-Curie 34 .
STRESZCZENIE: Jednym z celów projektu „Zintegrowany System Wspomagający
Zarządzaniem i Ochroną Zbiornika Zaporowego” (ZiZOZap), realizowanego w latach
2010-2014 w ramach PO Innowacyjna Gospodarka jest wdrożenie nowoczesnych
metod biomonitoringu do zarządzania zbiornikami zaporowymi. Modelowym obiektem
jest Zbiornik Goczałkowicki. Od lipca 2010 r. z 7 stanowisk w toni oraz 8 w linii
brzegowej i dopływach pobierano wodę i osady denne, badane następnie biotestami
ekotoksykologicznym. Równolegle próbki poddano analizom chemicznym
określonym w Rozp. MŚ z 2009 r. ws. form i sposobu prowadzenia monitoringu
jednolitych części wód powierzchniowych i podziemnych. Śmiertelność Daphnia
magna (test Daphtoxkit F) nie przekraczała normy (ok. 20%) i tylko w dwóch próbach
(IV i VIII 2011) ze stanowisk brzegowych (pompownia Zarzecze) i dwóch próbach z
ujścia Wisły (VI i VIII 2011) wzrosła powyżej tej wartości (< 90%). Hamowanie
wzrostu Selenastrum capricornutum (Algaltoxkit F) jedynie w IV 2011 r osiągnęło
50%. Test MARA (Microbial Array for toxic Risc Assesment) nie ujawnił toksyczności
wody z toni i z linii brzegowej zbiornika. Jednorazowo nieznaczące hamowanie
wzrostu mikroorganizmów testowych wystąpiło w próbach z okolic pompowni
Zarzecze (T-07) i ujścia Wisły (T-05) (odp. <10% i <20% kontroli). Toksyczność
osadów oceniana przez śmiertelność i hamowanie wzrastania małżoraczków
Heterocypris incongruens (Ostracodtoxkit F) była podwyższona (<50%) jedynie w IV i
X 2011 r. w próbach z pompowni Zarzecze. Chemizm wód i osadów wskazuje na
eutroficzny charakter Zbiornika i odpowiada I i II klasie czystości. Sporadyczne
pogorszenia wskaźników chemizmu wód są zgodne z wynikami biotestów. Nie
wykazano istotnych korelacji między 46 wskaźnikami chemizmu a wynikami
biotestów, jednak analiza wyników scalonych względem czasu albo względem
stanowisk ujawniła szereg istotnych korelacji. Wyniki PCA ujawniają nieliczne istotne
powiązania. Skąpy obraz zależności może wynikać z bardzo niskich wskaźników
toksyczności uzyskanych w biotestach.
CEL BADAŃ:
Monitoring wód Zbiornika Goczałkowickiego (ZG) metodami fizykochemicznymi
(zgodnie z Rozp. MŚ 2009) oraz wdrożenie do monitoringu bioekotestów
CEL PRACY:
Analiza porównawcza wyników fizykochemicznych i wskaźników ekotoksykologicznych.
Poszukiwanie relacji skutkowo-przyczynowych w wynikach bioekotestów
MATERIAŁ I METODY
Biotest
Gatunek testowy
DAPHTOXKIT F
Daphnia magna
ALGALTOXKIT F
Selenastrum capricornutum
OSTRACODTOXKIT F
Heterocypris incongruens
Procedura
śmierć 24/48 h toks. ostra
rozwoj 72 h
– fitotoks. chron.
śmierć/wzrost 6 d.
- toks. chron.
Materiał
woda
woda
osad
MARA
12 sp.: Vibrio, Aeromonas, Escherichia,
toks. ogólna 24 h.
Microbial Array for toxic Risc Enterococcus, Comamonas, Alcaligenes,
(fingerprint)
Assesment
Oban Fa, Saccharomyces
woda
Materiał ( mapa):
• woda pobierana
czerpakiem rurowym
Kajak z 0,5 m
• osad pobierany
czerpakiem Eckmana
z dna
• komercyjne biotesty
standaryzowane (j.w.)
MAPA STANOWISK W OBSZARZE BADAŃ
Daphtox%24h
Daphtox%48h
MARA (TW%)
Ostracod-Śm%
Ostracod-Wzr%
Algaltox%
Temp. powietrza
Przezroczystość
Chlorofil a
Azot amonowy
Azot azotynowy
Azot azotanowy
Azot org. rozp.
Azot całkowity
Orto-fosforany
Poli-fosforany
Fosfor org. rozp.
Fosfor ogólny rozp.
Azot/fosfor
Węgiel ogólny
Węgiel nieorg
Węgiel org.
ChZT
BZT5
Chlorki
Siarczany
Twardośc ogólna
Twardość ogólna {}
Twardość Ca
Twardość Mg
Zasadowość
Wapń
Magnez
Sód
Potas
Odczyn
Przewodnictwo
Substancje rozp.
Subst. nielotne
Substancje lotne
Zawiesina ogólna
Fe
Cr
Mn
Co
Ni
Cu
Zn
As
Cd
Pb
Krzemionka
Bakterie grupy Coli
Escherichia Coli
Enterokoki
Data
Stanowisko
Daphtox%24h
Daphtox%48h
MARA (TW%)
Ostracod-Śm%
Ostracod-Wzr%
Algaltox%
Temp. powietrza
Przezroczystość
Chlorofil a
Azot całkowity
Fosfor ogólny rozp.
Azot/fosfor
ChZT
BZT5
Tw. Ogólna
Odczyn
Zawiesina ogólna
Przewodnictwo
Iloczyn [Me Bio]
Iloczyn [Me Toks]
Wskaźniki
fiz-chem
Temp. powietrza
Temperatura wody
Tlen rozpuszczony
Przezroczystość (k.S)
Chlorofil a
Azot amonowy
Azot azotynowy
Azot azotanowy
Azot org. rozp.
Azot całkowity
Orto-fosforany
Poli-fosforany
Fosfor org. rozp.
Fosfor ogólny rozp.
Azot/fosfor
Węgiel ogólny
Węgiel nieorg
Węgiel org.
ChZT
BZT5
Chlorki
Siarczany
Twardośc ogólna
Twardość Ca
Twardość Mg
Zasadowość
Wapń
Magnez
Sód
Potas
Odczyn
Przewodnictwo
Substancje rozp.
Subst. nielotne
Substancje lotne
Zawiesina ogólna
Fe
Cr
Mn
Co
Ni
Cu
Zn
As
Cd
Pb
Krzemionka
Bakterie grupy Coli
Escherichia Coli
Enterokoki
Iloczyn [metale bio]
Iloczyn [metale toks]
0,008
-0,101
0,168
0,301
-0,386
-0,206
0,001
0,738
-0,345
0,089
-0,177
-0,085
-0,618
-0,451
0,398
-0,207
-0,149
-0,242
-0,545
-0,072
0,003
0,427
-0,036
0,390
-0,153
-0,115
0,405
-0,155
-0,017
-0,518
-0,050
0,021
-0,015
-0,061
0,092
-0,272
-0,072
0,134
-0,154
-0,122
-0,102
-0,109
0,010
-0,399
-0,147
-0,267
-0,015
-0,212
-0,211
-0,152
0,761
-0,259
-0,049
0,695
0,839
0,457
-0,300
0,026
0,138
0,633
-0,377
0,294
-0,086
-0,185
-0,421
-0,324
0,488
0,003
-0,011
0,020
-0,134
-0,082
0,017
0,025
-0,095
-0,001
-0,058
-0,116
-0,008
-0,057
-0,055
-0,561
-0,188
0,010
0,018
-0,106
0,291
-0,371
0,145
-0,016
-0,052
0,084
0,192
-0,078
0,256
-0,150
0,124
-0,178
0,150
-0,074
-0,043
0,073
-0,430
0,445
-0,080
0,141
-0,320
0,011
-0,501
-0,117
-0,069
0,487
-0,176
0,025
-0,068
0,119
0,018
0,070
0,099
-0,123
0,045
-0,323
-0,385
-0,264
0,084
0,270
0,089
0,442
-0,083
0,065
0,459
-0,086
0,171
-0,500
-0,065
0,130
0,141
0,204
-0,054
0,063
-0,118
0,095
0,003
-0,146
-0,303
0,122
-0,281
-0,415
-0,250
-0,119
0,055
-0,011
-0,041
-0,136
0,576
-0,011
0,360
-0,414
0,104
-0,232
0,070
0,673
0,882
0,115
0,735
0,789
0,064
-0,470
-0,209
-0,182
0,730
0,722
0,610
0,772
0,439
0,833
0,578
-0,522
0,647
0,656
0,565
0,636
0,632
0,565
0,347
0,231
-0,595
0,606
0,649
0,520
0,839
0,010
0,803
-0,144
0,425
0,833
0,636
-0,244
0,883
-0,084
0,811
0,560
0,711
0,413
0,499
0,800
0,151
0,270
-0,096
0,444
-0,079
-0,606
0,642
-0,567
-0,185
0,263
-0,225
-0,506
0,139
0,375
0,361
0,331
-0,562
-0,475
-0,602
-0,265
-0,051
-0,434
-0,755
-0,023
-0,764
-0,670
-0,710
-0,720
-0,671
-0,708
-0,788
-0,130
0,720
-0,758
-0,652
-0,755
-0,219
-0,699
-0,434
0,279
-0,747
-0,334
0,228
0,638
-0,381
0,529
-0,293
-0,643
-0,544
-0,742
-0,701
-0,374
0,453
-0,456
0,235
0,291
-0,183
-0,226
-0,184
0,401
0,113
-0,026
-0,447
0,262
0,721
0,656
0,393
0,703
-0,435
0,001
0,106
-0,106
-0,061
0,163
0,107
0,093
0,276
0,190
0,396
0,414
0,208
0,396
0,309
0,098
0,093
0,193
0,308
0,387
0,050
-0,261
-0,315
0,808
0,157
-0,109
0,300
-0,363
-0,299
0,227
0,494
0,268
0,506
-0,253
-0,243
-0,285
-0,998
0,012
0,279
-0,210
0,274
-0,087
0,403
0,420
0,519
0,202
0,334
0,520
-0,074
-0,135
0,560
0,385
-0,073
0,358
0,436
0,233
-0,048
0,139
0,381
-0,097
0,741
0,661
0,552
0,602
0,683
0,553
0,563
-0,413
-0,215
0,265
0,064
0,255
-0,251
-0,110
-0,186
0,112
0,342
0,344
0,185
-0,574
-0,085
0,074
0,646
0,462
0,416
0,074
0,055
0,282
0,608
-0,710
0,532
1,000
-1,000
0,030
0,154
0,436
0,332
0,308
0,127
0,514
0,130
-0,019
0,592
0,602
-0,371
0,236
0,520
-0,084
-0,462
0,094
0,479
0,201
0,609
0,483
0,700
0,714
0,508
0,702
0,771
0,108
0,098
0,351
0,406
0,540
-0,046
-0,229
-0,362
0,934
0,434
0,076
0,007
-0,552
0,042
-0,190
0,955
0,748
0,648
-0,124
-0,121
-0,120
-0,159
0,285
-0,096
0,258
0,238
-0,945
0,962
0,709
-0,284
-0,699
0,036
0,212
0,720
0,661
-0,442
-0,492
-0,574
-0,250
0,627
-0,326
-0,931
-0,545
0,285
0,792
-0,663
-0,649
0,803
-0,663
-0,678
-0,943
0,351
-0,923
-0,888
-0,883
-0,618
-0,349
-0,673
-0,018
-0,909
-0,131
0,957
0,803
-0,882
-0,186
-0,308
-0,705
-0,104
0,026
0,070
0,635
0,255
0,025
0,032
0,001
0,822
-0,118
0,043
0,297
-0,572
-0,576
0,198
0,033
-0,426
-0,377
-0,118
-0,322
0,061
0,429
0,397
0,407
-0,468
-0,168
0,461
-0,253
-0,098
-0,191
0,271
0,079
-0,232
0,270
0,233
0,113
-0,291
0,460
0,019
0,330
-0,453
0,400
0,649
-0,297
0,583
0,319
-0,245
-0,048
0,401
0,568
0,100
0,376
0,218
0,071
0,020
-0,103
0,266
-0,638
0,255
0,811
0,457
-0,071
-0,118
-0,241
-0,228
0,005
-0,423
-0,297
0,145
0,109
-0,033
0,053
0,034
-0,089
-0,243
0,077
0,125
0,104
-0,253
0,109
-0,470
-0,260
-0,299
-0,480
-0,280
-0,307
-0,508
-0,032
0,423
-0,171
-0,560
-0,422
-0,512
0,180
0,210
0,126
-0,252
-0,033
0,419
0,287
0,060
0,453
-0,649
-0,547
-0,364
-0,042
-0,043
-0,016
0,022
-0,162
( 1 x 2)
Tylko zmienne aktywne
Daphtox Daphtox
Ostracod Ostracod Daphtox Daphtox
Ostracod Ostracod
MARA Algaltox
MARA Algaltox
24
48
śm
wz
24
48
śm
wz
0,017
-0,003
0,284
0,076
-0,295
0,368
0,399
0,415
-0,065
0,515
0,327
-0,278
-0,142
0,038
0,660
0,317
0,463
0,097
0,088
0,321
0,465
0,093
0,554
0,801
0,369
0,498
0,804
0,367
0,430
-0,176
-0,440
0,522
0,586
0,546
0,506
0,121
0,349
0,169
0,334
0,328
0,017
-0,203
0,416
0,119
0,272
0,438
0,487
0,327
0,338
0,337
-0,144
0,800
Projekcja zmiennych na płaszczyznę czynników
Wartości własne (korelacje)
1,0
7
35,05%
6
0,5
5
ChZT
Czynn. 2 : 16,78%
Data
Stanowisko
Zestaw
skrócony
WYNIKI: przykładowe wykresy relacji między czynnikami w PCA
dla mikrobiotestu MARA (zrzuty obrazów ze Statistica)
Korelacje: wyniki ekotestów - wskaźniki fizykochemiczne:
międzystanowiskowe różnice toksyczności
okresowe różnice toksyczności
(scalone terminy):
(scalone stanowiskami)
Wartość własna
Pełny zestaw
WYNIKI
Korelacje
4
16,78%
3
13,02%
9,66%
8,07%
6,09%
3,76%
2,34%
2,21%
1,32%
,82%
,46%
,24%
,11%
,06%
,01%
2
1
0
przezro-czystość k.Secchiego
BZT5 ilocz Me Toks
C ogólny
Przewod-nictwo
ilocz Me Bio
0,0 Zawiesina Chlorofil
ogólna a
Odczyn
Fosfor ogólny rozp.
Azot/fosfor
TW MARA
[%]
termin ekot
-0,5
Stanowisko
Tw. Ogólna
Tempe-ratura powietrza
Azot całkowity
15
-1,0
-1
-2
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
-1,0
22
-0,5
Numer wart. własnej
0,0
0,5
1,0
Aktywn.
Czynn. 1 : 35,05%
Przypadki decydujące o relacjach
Rzut przypadków na płaszczyznę czynników
( 1 x 2)
Przypadki o sumie kwadratów cosinusów >= 0,00
Z-04
Z-01 Z-02 Z-03 = Z-07 Z-06 Z-05 Z-09 T-04 T-06
Z-08
MARA
5
4
2010-07-06
2
13
24
35
46
57
68
79
90
101
2010-08-10
3
14
25
36
47
58
69
80
91
102
2010-09-14
4
15
26
37
48
59
70
81
92
103
2010-10-20
5
16
27
38
49
60
71
82
93
104
2010-11-26
6
17
28
39
50
61
72
83
94
105
2011-04-27
7
18
29
40
51
62
73
84
95
106
-3
2011-05-23
8
19
30
41
52
63
74
85
96
107
-4
2011-06-08
9
20
31
42
53
64
75
86
97
108
2011-08-02 10
2011-10-05 11
21
32
43
54
65
76
87
98
109
22
33
44
55
66
77
88
99
110
73
75
3
2
Czynn. 2: 16,78%
DANE ANALIZOWANE
76
42
87
1
40
9
77
88
0
10
44
-1
7
11
38
-2
6
17
28
-5
-8
-6
-4
-2
0
2
4
6
8
Aktywn.
Czynn. 1: 35,05%
WYNIKI: zestawienie wskaźników PCA dla relacji między wynikami
biotestów a wynikami analiz fizykochemicznych wody
Nr czynnika
Czynnik 1
Czynnik 2
Czynnik 3
Czynnik 4
… itd
Kryterium
Cattela (test
osypiska)
dla 2 i 3 cz.
Dodatnio
skorelowane
Daphtox
24 h
24,3%
16,1%
13,3%
8,43%
… itd
C2 - 40,4%
C3 - 53,7%
Słabe
zależności
N całk., N/P,
Przeźrocz.
Ujemnie
ChZT, BZT,
skorelowane C og., MeBio,
MeTox, Chla,
Przewod.
Zależność od Dodatnia
terminu
- m-ce: VIII, IX,
X – brak
Zależność od Dodatnia kor.
stanowiska
Grupy
zwarty pas dla
przypadków stan. Z-04 (wg.
cz. 1 i 2)
Daphtox
48 h
25,8%
15,9%
11,4%
8,84%
C2 – 41,7%
C3 - 53,1%
Słabe
zależności
N całk., N/P,
Zasadowość
MARA
35,0%
16,8%
13,0%
9,7%
C2 – 51,8%
C3 - 64,8
Silne zależności
N całk.,
P og.rozp.
ChZT, MeTox,
Chla,
P og.rozp.,
Przewod.
Dodatnia
- m-ce: VIII, IX,
X – brak
Dodatnia kor.
ChZT, BZT,
T.pow., C og.,
Przewod.Chla,
MeBio.,MeTox,
zwarta grupa
dla stan. Z-09
zwarta grupa
dla stan. Z-01
Dodatnia kor.
Ostracodtox
Śmierć
27,5%
17,4%
11,6%
9,8%
Ostracodtox
Wzrost
28,5%
15,9%
12,7%
10,8%
C2 – 44,9%
C2 – 44,4%
C3 - 56,5
C3 - 57,1
Słabe
Słabe
zależności
zależności
ChZT, BZT,
P og.rozp.
C og., T.pow.,
Przewod., Chla,
MeBio,MeTox.
Przeźrocz.
N-całk., N/P,
Tw. og.
brak
brak
brak
brak
Algaltox
47,2%
16,8%
14,1%
9,0%
C2 - 64,0%
C3 - 68,1
Silne
zależności
N całk., N/P,
Przeźrocz.
ChZT, BZT,
C og., MeBio,
P og.rozp.,
zwarta grupa
dla stan. Z-01
WNIOSKI:
1. Wartości wskaźników fizykochemicznych i ekotoksyczności w stosowanych biotestach, które były danymi do analizy korelacji i analizy składowych głównych (PCA), wskazują na dobry stan higieniczno-toksykologiczny wód i osadów
zbiornika. 2. Wykazane korelacje: wskaźnik ekotoksykologiczny – własność fizyko-chemiczna, są w większości przypadków niskie, gdy zaś staja się istotne (r > 0,50 lub r > 0,65) winny być interpretowane jako efekt wtórnych relacji
przyczynowo-skutkowych (relacji miedzy objawami – nie zaś przyczyną i skutkiem). 3. W obserwowanych relacjach, ze względu na niskie nasilenie potencjalnych czynników sprawczych można prawdopodobnie obserwować efekty
niedoboru (hamowania) – tolerancji (stymulacji) – nadmiaru (hamowania), zgodnie z zasadą tolerancji Shelforda. 4. Uzyskanie jednoznacznych relacji przyczynowo-skutkowych w odniesieniu do wyników analiz fizykochemicznych i
wyników biotestów możliwe byłoby prawdopodobnie tylko w przypadku badania wód o dużym zakresie zmienności tych wskaźników i tym samym dużym zróżnicowaniu jakości higieniczno-toksykologicznej. 5. Można przypuszczać, że
dla wyników biotestów ekotoksykologicznych nie ma jednego stałego wzorca relacji przyczyna (własność fizykochemiczna) – skutek (ekotoksyczność), a relacje te są charakterystyczne dla zbiornika wodnego i okresu badań.
Praca wykonana w ramach projektu Zintegrowany system wspomagający zarządzaniem i ochroną zbiornika zaporowego ZIZOZap
i finansowana z funduszy POIG 01.01.02-24-078/09