Mechový archiv

Proč sledujeme atmosférické spady pomocí živých organizmů

Poválečná obnova průmyslu a hospodářská soutěž politicko-ekonomických bloků vedly k rychlému znečištění ovzduší nad pevninou, zvláště pak na severní polokouli. Výskyt kyselých dešťů, pevných aerosolů s jedovatými kovy a sloučeninami dusíku, přízemního ozonu s doprovodnými oxidanty a vytrvalých organických polutantů působily zdravotní, ekologické i ekonomické škody, často v krajinách velmi vzdálených od míst, kde stály emisní zdroje. ¹⁾ Roku 1979 byla podepsána Úmluva o dálkovém znečišťování ovzduší. ²⁾ Postupně byly ratifikovány další přidružené smlouvy, které zpřísnily emisní limity dominantních emisí a postupně zahrnuly další znečišťující látky (např. sloučeniny dusíku, těžké kovy, vytrvalé organické látky). Signatářské země se zavázaly na svém území nejen snížit emise, ale i podporovat sledování a zkoumat vlivy emisního spadu. ³⁾

Suchozemské mechy jako bioindikátory

Po svých prapředcích – zelených řasách – zdědily suchozemské mechy přijímání vody a všech potřebných živin nadzemními částmi, nikoli příchytnými rizoidy. Lupenité játrovky a mechy v polárních oblastech a mokřadech mohou přijímat dusík od epifytických mikroorganizmů, které poutají dusík z atmosféry. Atmosférický spad prvků ze sopečné činnosti, prašných bouří a požárů vegetace je odpradávna pro běžné druhy mechů přirozeným zdrojem potřebných makro- i mikroelementů. Současný atmosférický spad však obsahuje také látky pocházející z lidské činnosti (průmyslové emise, výfukové exhaláty, nestabilní radioizotopy, pesticidy, herbicidy, materiály ochranných štítů kosmických raket ad.). To vše se uloží v hustém mechovém porostu a po navlhčení dešťovou vodou nebo rosou se část zachyceného spadu rozpustí. Další podíl extrahují organické kyseliny, které vylučují mechové rostlinky do povrchového vodního filmu. Povrch těla mechu není kryt kutikulou ani není inkrustován, takže volné kationty snadno pronikají do pletiva lístků a lodyžek. Především v mezibuněčných prostorách se ionty vážou na funkční skupiny hojně přítomných pektinů. ⁴⁾ Schopnost mechu poutat jednotlivé kationty je veliká (např. z roztoku jednotlivých kationtů je 100 g mechu schopno adsorbovat 350–1750 mg lithia či 1–5 g vápníku, nebo dokonce 5–25 g olova) a udržuje si ji i uschlý odumřelý mech. Ustavení dynamické rovnováhy závisí na aktuálním obsahu a druhu kationtů a na jejich koncentraci v okolním roztoku. Celkové obsahy prvků v mechu těsně korelují s obsahem prvků v atmosférické depozici (výjimku mohou tvořit např. vysoké úrovně depozice sloučenin dusíku nad toleranční mezí bioindikátoru). Závislosti mezi koncentracemi prvků v mechu a atmosférických depozicích se zjišťovaly v nejrůznějších evropských oblastech.

Laboratorní a terénní pokusy ukázaly, že obsah prvků v meších odráží hlavně místní dlouhodobé složení atmosférických spadů (mluvíme o bioakumulaci prvků), koncentraci prvků však může ovlivnit složení spadů v posledním období, zvláště pokud se výrazněji změnilo. ⁵⁾

O aktuální koncentraci prvků v mechovém segmentu rozhoduje množství biomasy, které narostlo za dobu, po niž byl mech spadu vystaven, a podíl adsorbovaného prvku k jeho celkovému spadu. Produkce nejčastěji používaných bioindikátorů závisí na klimatické oblasti a příliš se nemění (u nás asi 130–160 gramů na metr čtvereční za rok). Účinnost adsorpce se však pro jednotlivé prvky může značně lišit. Závisí na převažující formě atmosférického spadu a na poměrném zastoupení jednotlivých sloučenin prvků v něm. U nás mechy například adsorbují z celkového ročního spadu téměř veškeré stříbro, rtuť, olovo a antimon, zatímco arzenu, síry nebo thoria jen 20–40 %. Pomocí převodních koeficientů lze ze zjištěného prvkového složení v mechovém segmentu známého stáří vypočítat průměrný roční spad analyzovaných prvků pro místo, kde mech roste.

Myšlenka využít analýzu obsahu některých prvků (kadmia, olova) v suchozemských meších pro bioindikaci spadu prvků vznikla v polovině šedesátých let minulého století ve Švédsku na univerzitě v Lundu. Jako indikátory úrovně atmosférického spadu (nejen prvků a jejich sloučenin, ale např. i nestabilních izotopů, organických znečišťujících látek, pesticidů ad.) se nejčastěji využívají: rokytník skvělý (Hylocomium splendens), travník Schreberův (Pleurozium schreberi) a lazec čistý (Scleropodium purum). Tyto druhy hromadí prvky v téměř stejném množství, takže výsledky jsou srovnatelné. Navíc se u prvních dvou druhů dobře rozeznají roční přírůstky lodyžek a obsahy prvků můžeme podle stáří analyzovaných mechových segmentů vztáhnout k ročnímu až tříletému období. ⁶⁾

Programy bioindikace atmosférického spadu

Ve Švédsku bylo r. 1975 vyzkoušeno první velkoplošné biomonitorování aktuální úrovně spadů vybraných prvků analýzou mechů z více než 1000 míst a na základě výsledků bylo doporučeno tuto poměrně levnou, rychlou a efektivní metodu využívat ve Švédsku každých 5 let. V následujícím programu (1980) byly analyzovány mechové vzorky ze Švédska i Dánska a o pět let později již ze všech skandinávských zemí, a to pro 15–45 prvků. První atlas rozložení aktuálního spadu odhalil ve Skandinávii rozložení zdrojů znečištění a dráhy jeho dálkového šíření. Byla to výzva pro ostatní evropské státy. První celoevropský biomonitorovací program proběhl r. 1990 pod vedením skandinávských odborníků a zúčastnilo se ho téměř 30 evropských zemí, které poskytly údaje o spadech nejméně 13 povinně sledovaných prvků. Podobně tomu bylo i r. 1995.

Následující celoevropský biomonitorovací program (2000) probíhal již v rámci integrovaného mezinárodního projektu ICP – Vegetace v Divizi pro prostředí a lidská sídla Evropské hospodářské komise OSN ⁷⁾ jako kontrola plnění úmluvy CLRTAP na téměř 7000 plochách. Ze všech celoevropských biomonitorovacích akcí vznikly atlasy rozložení aktuálních úrovní spadů 10–15 prvků v Evropě. Jednotlivé země vydávají pro svá území národní zprávy, interpolované izoliniové mapy aktuálních spadů, a komentují příslušné trendy. ⁸⁾

V České republice spad klesá

Velkoplošné bioindikace spadů vybraných prvků v naší volné krajině provádí v rámci mezinárodních programů oddělení biomonitoringu Výzkumného ústavu Silva Taroucy pro krajinu a okrasné zahradnictví v Průhonicích od r. 1991. V letech 1995 a 2000 byly již analyzovány mechové vzorky z trvalých odběrových míst zhruba v síti čtverců 15 × 15 km po celé republice. Kromě povinných 10–15 prvků byly r. 2000 stanoveny v mechu i koncentrace prvků dalších, celkem 35. Výsledky jsou k dispozici v národních zprávách České republiky z jednotlivých období. Opakované analýzy dokládají časový trend spadů sledovaných prvků, které od r. 1991 klesají. Názorným příkladem je podstatné zeslabení kumulace kadmia, železa, niklu, chromu a vanadu, hlavně pak v místech dřívějších „hot spotů“, např. na Kladensku, Plzeňsku a v severočeské hnědouhelné oblasti (v české části Černého trojúhelníku I) v letech 1991–1995, protože se zde zrušila většina provozů těžkého průmyslu a snížilo se množství spalovaného hnědého uhlí v tepelných elektrárnách a průmyslových topeništích. V následujícím období (1995–2000, viz obrázek tab. I a obrázek 1) se spad většiny sledovaných prvků snižoval, poněvadž dále zanikaly provozy těžkého průmyslu, realizoval se program odsíření elektráren ČEZ (1994–1998), zavedly se šetrnější technologie (např. v Kovohutích Příbram), snižovala se distribuce olovnatých benzinů a r. 2000 se úplně zastavila. Pokles spadů, hlavně toxických kovů, pokračoval na celém území ČR. Nejvýraznější byl v severočeské hnědouhelné pánvi, v oblasti Příbramska a Rokycanska, Frýdlantska a Jizerských hor (snížily se emise polské tepelné elektrárny Turów, Bogatynia), méně se projevil v oblasti ostravsko-beskydské (tzv. Černém trojúhelníku II). V příhraniční oblasti jižně od Uherského Brodu přetrvává mírně zvýšená kumulace chromu a niklu v mechu asi v důsledku doznívání imisí z okolí Nového Mesta nad Váhom (Myjava, Stará Turá).

Některé prvky se chovají podobně a můžeme je sestavit do skupin (např. skupiny Cd–Pb–Zn, Cr–Mo–Ni, Cu–N–S, Al–As–Fe–V). Pravděpodobně to znamená, že na našem území mají skoro stejné mechanizmy emise, rozptylu a ukládání i hromadění v živých organizmech, které se za posledních 10 let nezměnily.

Na ukládání sledovaných prvků mají vliv také mnohé krajinné parametry (nadmořská výška ve spojení s úhrnnými srážkami, míra odlesnění, urbanizace ad.). Obsah většiny sledovaných prvků v mechu klesá se stoupající nadmořskou výškou (neplatí to pro cezium a rubidium), což je snad v důsledku snižování koncentrace pevných aerosolů s výškou atmosféry nebo nižšího počtu antropogenních emisních zdrojů ve výše položených místech. Naopak tam, kde je více dešťových srážek, stoupá především koncentrace terigenních a chalkofilních prvků, snadněji vymývaných z ovzduší deštěm. Výjimku tvoří pouze mangan, který je snadno vyluhovatelný kyselými srážkami, a proto ho je v mechu na deštivějších místech méně. Potvrdili jsme, že větší lesní komplexy spad více filtrují. Proto mechy, které v nich rostou, obsahují vždy nižší koncentrace prvků. Matečné horniny ani skupiny chemicky příbuzných hornin obsah prvků v meších nijak významně neovlivňují. ⁹⁾

Speciální biomonitorovací studie

Pomocí analýz mechů můžeme dobře sledovat spad prvků v okolí místních emisních zdrojů nebo ukládání spadů prvků v podrobném mapovém měřítku. Velmi dobré výsledky dávají analýzy nenáročného mechu rokytu cypřišovitého (Hypnum cupressiforme). Pokud není mech na potřebných místech k dispozici, používá se metoda pasivního biomonitoringu (odebrané části mechových polštářů se přenesou na požadovaná místa), hrozí však riziko nekontrolované reakce rostlinek na změněné podmínky. Lepší je umístit na těchto místech vzorky suchého mechu v nylonových síťkách. Často je užíván některý druh rašeliníku (Sphagnum), který pochází z dané oblasti, ale rostl mimo dosah emisního zdroje, nebo se přiveze z oblasti čisté, popř. se z něj v roztoku kyseliny odstraní adsorbované kationty, jak to známe např. u iontoměničů v tzv. H-cyklu. Tak se v zahraničí zjišťoval spad prvků v městském prostředí, v okolí pozemních komunikací, tepelné elektrárny, spalovny komunálního odpadu, krematoria, hutních provozů, sopky a geotermálních vývěrů, tektonického zlomu, vojenského letiště ad.

Naše pracoviště dává přednost aktivnímu biomonitoringu v podrobném mapovém měřítku. Tak bylo zjištěno rozložení spadu rtuti na Tachovsku nebo v okolí Spolany Neratovice, rozložení úrovní spadu 36 prvků v okolí Kovohutě Příbram (obrázek) a drtírny kamení z odvalů bývalých uranových dolů, šíření i ukládání částic z erodovaných půdních pokryvů obsahujících větší množství lanthanoidů a doprovodných terigenních prvků na jižní Moravě aj.

Chemické analýzy opakovaně sbíraných vzorků travníku Schreberova, který je archivován v herbářových sbírkách, pomohou pro některé oblasti (okolí Prahy, Brna, Krkonoše, Českolipsko, Znojemsko, Moravský kras ad.) retrospektivně odhadnout vývoj atmosférického ukládání celkového dusíku a některých kovů již od konce devatenáctého století do r. 1980. Výsledky budou porovnány s údaji z Velké Británie a dalších západoevropských zemí.

Služby mechového archivu

Toto sledování aktuální úrovně atmosférického spadu prvků se v České republice používá na úrovni srovnatelné s ostatními evropskými státy. Naše výsledky z období 1991–2000 byly přijaty a zahrnuty do celoevropského zpracování dat. Praktické údaje o rozložení spadu prvků na území republiky, ve vybraných krajinných úsecích a v okolí zdrojů znečištění stejně jako poznatky o změnách ukládání spadu v naší krajině mohou odpovědět na mnohé environmentální a ekologické otázky.