Formy hliníku v acidifikovaných povrchových vodách - toxicita a trendy

• Název práce v češtině: Formy hliníku v acidifikovaných povrchových vodách - toxicita a trendy
• Název v anglickém jazyce: Al forms in acidified surface waters - toxicity and trends
• Klíčová slova: Al, pH, voda, toxicita, acidifikace, Jizerské hory
• Klíčová slova anglicky: Al, pH, water, toxicity, acidification, Jizera Mountains
• Akademický rok vypsání: 2010/2011
• Typ práce: diplomová práce
• Jazyk práce: čeština
• Ústav: Ústav geochemie, mineralogie a nerostných zdrojů (31-430)
• Vedoucí / školitel: prof. RNDr. Jakub Hruška, CSc.
• Řešitel: skrytý - zadáno vedoucím/školitelem, čeká na schválení garantem
• Datum přihlášení: 18.01.2011
• Datum zadání: 18.01.2011
• Datum odevzdání elektronické podoby: 29.07.2012
• Datum proběhlé obhajoby: 13.09.2012
• Oponenti: RNDr. Zuzana Hořická, Ph.D.

Předběžná náplň práce

Tato diplomová práce se zabývá formami hliníku, které se vyskytují v acidifikovaných povrchových vodách. Velká pozornost je věnována především zastoupení anorganického monomerického hliníku, tedy frakci, která na některé druhy vodní i suchozemské bioty působí toxickými účinky. Hlavní náplní práce je analýza chemismu povrchové, podzemní a půdní vody v rámci celoročního i dlouhodobého monitoringu. Práce probíhaly na experimentálním horském povodí Uhlířská, jehož území je odvodňováno tokem Černé Nisy. Povodí Uhlířská se nachází na území CHKO Jizerské hory a reprezentuje oblast, která byla ve 2. polovině 20. století významně zatížena kyselou atmosférickou depozicí. Dlouhodobá expozice vůči kyselým srážkám vyústila v rozsáhlou antropogenní acidifikaci, došlo ke značnému okyselení půd a vodních toků, k devastaci lesních porostů a k odlesnění velké části povodí. Pokles pH a vzestup koncentrace toxického hliníku zapříčinil i druhové ochuzení vodních ekosystémů.
Stanovení monomerických forem hliníku bylo provedeno spektrofotometricky, koncentrace celkového hliníku byla stanovena metodou plamenové atomové absorpční spektrometrie (FAAS), v případě nízkých koncentrací elektrotermickou atomovou absorpční spektrometrií (ETAAS). Ve výsledku bylo získáno 5 forem hliníku – Al_tot, Al_AS, Al_m, Al_o a potenciálně toxický Al_i. Kromě speciace hliníku byly v laboratorních podmínkách stanoveny další parametry - pH, alkalita, DOC, koncentrace bazických kationtů (Na⁺, K⁺, Mg²⁺ a Ca²⁺) a koncentrace aniontů (NO₃^-, SO₄^2-, Cl^- a F^-) a SiO₂.
První část práce je rešeršního charakteru a shrnuje poznatky o acidifikaci, formách hliníku, jejich toxicitě a vlivu na různé druhy rostlin a živočichů. Druhá část představuje samotný výzkum chemismu Černé Nisy zaměřený na výskyt výše uvedených forem hliníku v závislosti na změně srázkoodtokových poměrů, ke kterým během roku dochází. Během ročního monitoringu byly sledovány variace v zastoupení jednotlivých forem v přibližně týdenním intervalu, jarní tání sněhové pokrývky a srážkoodtokové epizody byly vzorkovány podrobněji. Další část je věnována chemismu půdní a podzemní vody, která byla odebírána z mělkých i hlubokých vrtů umístěných na různých místech povodí. V poslední části jsou prezentovány trendy dlouhodobého vývoje Černé Nisy, které byly vyhodnoceny na základě dat dostupných od roku 1993.
Nejvyšší obsahy celkového (Al_tot) i potenciálně toxického hliníku (Al_i) byly v povrchové vodě pozorovány v období jarního tání a během letních srážkoodtokových epizod, naproti tomu nejnižší hodnoty byly zaznamenány během letního sucha a v zimě, tedy v období se stabilně nízkými průtoky. S rostoucí koncentrací celkového hliníku roste zastoupení frakcí Al_AS a Al_i. Naopak při nízkých koncentracích celkového hliníku výrazně převládá Al_o, podíl Al_AS a Al_i je minimální.
Výsledky celoročního týdenního monitoringu a jarního tání 2012 byly statisticky porovnány s daty z let 2005 – 2006. U celoročního týdenního monitoringu byl pomocí ANOVA prokázán statisticky signifikantní vzrůst hodnoty pH a alkality, pokles koncentrace NO₃^-, Cl^- a DOC i pokles koncentrace celkového hliníku (Al_tot). Koncentrace potenciálně toxického anorganického hliníku Al_i se však statisticky významně nezměnila. Tyto skutečnosti svědčí o pokračující mírné regeneraci z acidifikace, důležitou roli zde může hrát i poměrně suché období na podzim roku 2011, které se promítlo do relativně nízkých průtoků, vyšších hodnot pH a nižších obsahů hliníku.
V případě jarního tání z let 2006 a 2012 nebyl v roce 2012 prokázán statisticky významný nárůst hodnoty pH oproti roku 2006, nicméně byl zaznamenán statisticky signifikantní pokles v koncentraci frakcí Al_m a Al_i, u Ca²⁺ a NO₃^-. Z hlediska toxicity tak bylo jarní tání 2012 pro organismy méně zatěžující než tání v roce 2006. Na základě statistické odlišnosti obou období jarního tání lze usuzovat o mírném ústupu acidifikace, což dokládá pokles v koncentraci Al_m i potenciálně toxické frakce Al_i. K tomuto rozdílu mohlo přispět i pomalé odtávání sněhové pokrývky bez větší oblevy v roce 2012. Pravdou však je, že povodí zůstává z hlediska zásoby bazických kationtů značně vyčerpané, množství Al_i se během celoročních monitoringů v letech 2005/2006 a 2011/2012 významně nezměnilo, nárůst hodnoty pH při jarním tání je pouze nepatrný, tudíž je možné konstatovat, že se úroveň acidifikace za uplynulých šest let příliš nezměnila. Dlouhodobý měsíční monitoring chemismu Černé Nisy však poukazuje na postupnou regeneraci ekosystémů, což je doloženo pozvolným vzestupem pH a klesající koncentrací Al_tot, aniontů silných kyselin, ale i nepříznivým poklesem bazických kationtů.

Předběžná náplň práce v anglickém jazyce

This thesis deals with forms of aluminium occurring in acidified surface waters. Special attention is paid to inorganic monomeric aluminium, fraction, which has toxic effect on some species of aquatic and terrestrial biota. The thesis primarily focuses on the analysis of surface water, groundwater and soil water chemistry in the year-round and long-term monitoring. The practical took place on an experimental mountain basin Uhlířská, which is drained by river Černá Nisa. Uhlířská basin is located in the Jizera Mountains and represents the area which was significantly exposed to the acid atmospheric deposition in the second half of the 20th century. Long-term exposure to acid precipitation caused the acidification of soil and watercourses, forest degradation and deforestation of large parts of the basin. Decrease in pH and an increase in concentration of toxic aluminium also caused species depletion of aquatic ecosystems.
Monomeric forms of aluminium were determined spectrophotometrically, the concentration of total aluminium was determined by the method of flame atomic absorption spectrometry (FAAS), in case of low concentration electrothermal atomic absorption spectrometry (ETAAS) was used. Five forms of aluminium were obtained - Al_tot, Al_AS, Al_m, Al_o and potentially toxic Al_i. Appart from aluminium speciation other parameters were also determined – pH, alkalinity, DOC, concentration of basic cations (Na⁺ , K⁺, Mg²⁺ and Ca²⁺) and the concentration of anions (NO₃^-, SO₄^2-, Cl^- a F^-) and SiO₂. First part of the thesis is research, which summarizes information about acidification, forms of aluminium and their toxic effects on different types of plants and animals. Second part presents the research of Černá Nisa chemistry, that is focused on the occurrence of the above mentioned forms of aluminium in relation to changes in rainfall-runoff conditions during the year. During the yearlong monitoring samples were taken at approximately weekly intervals. Spring snow melting and precipitation-runoff episodes were sampled in detail. Another part is devoted to soil and groundwater chemistry. The samples of this water were collected from shallow and deep drill wells located in different places of the basin area. In the final section, long-term development trends of Černá Nisa chemistry are presented and evaluated on the basis of data available since 1993.
The highest concentrations of total (Al_tot) and potentially toxic aluminium (Al_i) were observed in surface water during spring melting and rainfall episodes during the summer and the lowest values were recorded during the summer drought and winter, a period of steadily lower flow rates. With increasing concentration of total aluminium increases the representation of Al_AS and Al_i fractions. On other hand, low concentration of total aluminium means higher share of Al_o fraction, while the share of Al_AS and Al_i is minimal.
Full-year results of weekly monitoring and the spring melting 2012 were compared with data from 2005 - 2006. The year-long week monitoring executed by ANOVA demonstrated a statistically significant increase in pH and alkalinity, decrease in concentration of DOC, NO₃^-, Cl^- and total aluminium Al_tot. Concentrations of potentially toxic inorganic aluminium Al_i did not change significantly. These facts indicate a moderate recovery from acidification, an important role may play a relatively dry period in the autumn 2011, which reflected in relatively low flow rates, higher pH and lower aluminium content.
Statistically, the spring melting in 2006 and the one in 2012 were significantly different in Al_m and Al_i fractions, Ca²⁺ and NO₃^-. Statistically significant increase in pH, as compared to 2006 was not confirmed. In terms of toxicity, the spring melting in 2012 was more environmentally friendly for organisms than the one in 2006. The statistical difference between the two spring melting periods shows a slight retreat of acidification, as evidenced by a decrease in the concentration of Al_m and potentially toxic Al_i fraction. This difference might have been also partly caused by the slow melting of snow cover in 2012. As a matter of fact, in terms of supply of basic cations, the basin remains almost depleted, the concentration of Al_i during the year-round monitoring in 2005/2006 and 2011/2012 did not change significantly and the increase in pH during the spring melting is only slight. As a result it can be stated that the level of acidification in the past six years has not changed too much. Long-term monthly monitoring shows a gradual recovery of ecosystems, which is confirmed by the gradual rise of pH and decreasing concentration of Al_tot, strong acid anions but also averse decrease in base cations.