Dusíkový paradox

Fosfor a dusík jsou nejdůležitější živiny, jejichž koncentrace a dostupnost ve vodních ekosystémech podmiňuje primární produkci řas a sinic, tedy eutrofizaci. V posledních 50 letech našeho století se v Evropě významně změnilo chemické složení říční vody. Způsobil to přísun splachů, odpadních vod a znečištěných srážek spojený s rozvojem měst, průmyslu a zemědělství. Zároveň byly intenzivní regulací řek silně redukovány přirozené biotopy říčních údolních niv, slepých ramen, meandrů, zatápěných lužních lesů aj. Tím zanikla místa, kde mohly probíhat některé přirozené procesy koloběhu prvků.

Jednou z důležitých změn chemického složení je vzrůst koncentrace solí. V řekách České republiky se za posledních čtyřicet let jejich celkové koncentrace zdvojnásobily. Zatímco u kationtů byl vzrůst zhruba vyvážený, u aniontů se zvýšily hlavně koncentrace síranů, chloridů a dusičnanů. V důsledku toho se dvoj- až trojnásobně zvýšil poměr aniontů těchto silných kyselin k aniontu slabé kyseliny hydrogenuhličité a “průměrná evropská říční voda″ přestala být vodou “uhličitanového″ typu, jak byla klasifikována r. 1924.

Koncentrace dusičnanů v našich řekách postupně narůstají a za posledních třicet let se zvýšily na pětinásobek. Zvyšování jejich koncentrace jde ruku v ruce s vyšším hnojením zemědělské půdy v povodí, ale závisí také na meteorologických podmínkách – v suchých letech jsou koncentrace dusičnanů nižší než v letech s vyššími srážkami. Koncentrace dusičnanů v různých řekách pak jsou přímo úměrné podílu zemědělsky obhospodařované půdy v jejich povodí. Typ závislosti koncentrace dusičnanů na změnách průtoku odpovídá plošnému, rozptýlenému zdroji znečištění ze splachů. Ve většině našich řek se vázaný dusík vyskytuje právě v dusičnanech (až 70 %). Celkový přísun sloučenin dusíku do řek však ze čtyřiceti až padesáti procent způsobují bodové zdroje – odpadní vody ze sídlišť, průmyslových závodů a živočišné výroby, které obsahují dusík hlavně ve formě amoniaku a organicky vázaný.

Ve sladkých vodách dusík limituje eutrofizaci jen výjimečně, poněvadž jeho koncentrace několikanásobně převyšují koncentrace fosforu. Růst koncentrací sloučenin dusíku tedy nevyvolává zvýšenou produkci organické hmoty, jako je tomu u fosforu (např. tvorba vodních květů v nádržích vltavské kaskády). Zvýšená koncentrace dusičnanů je však nežádoucí tehdy, když se voda upravuje na pitnou.

Naproti tomu v moři jsou poměry dvou hlavních živin – dusíku a fosforu – opačné: limitující živinou je ve většině případů dusík. Přísun dusíku řekami vyvolává eutrofizaci a nárůst vodních květů v příbřežních zónách Severního a Baltického moře. Odtud tedy pramení i požadavek, aby náš stát snížil odnos dusíku řekou Labe.

Celkový přísun dusíku do řeky z různých zdrojů je možno odhadnout na základě velikosti jejího povodí, plochy půd různého typu, počtu obyvatel a průmyslu v povodí. Takovou kalkulaci provedl Billen (1990) pro řeky, které ústí do Severního moře (tabulka I.). Podíl dusíku ze sídlištních splašků je ve všech řekách pod 30 % (v Labi pod 20 %) a podíl z průmyslových odpadů 25 až 53 % (v Labi 31 %). Bodové zdroje tedy dodávají 43 až 70 % celkového přísunu. Značnou část přísunu tvoří splachy z půdy – tedy plošné či difuzní zdroje (v Labi 49 %). Lze počítat s tím, že zdroje dusíku ze sídlišť a průmyslu (bodové zdroje) se omezí čištěním odpadních vod (toto snížení není zahrnuto při kalkulaci přísunu v tabulce I.). Avšak snížení obsahu dusíku při konvenčním čištění odpadních vod je poměrně malé, zhruba o 13 %, neboť hlavní efekt čistíren spočívá ve snížení organického zatížení. Čistírny se zvýšeným odstraňováním dusíku jsou zatím v celkové bilanci zanedbatelné a čištění v nich je daleko dražší než čištění konvenční. V tabulce I. jsou uvedeny i naše odhady pro Vltavu, které jsou již korigovány na čištění odpadních vod.

Srovnáme-li vypočtené celkové přísuny do řek s odnosem dusíku při jejich ústí (tabulka I.), je zřejmé, že značná část z celkového přísunu dusíku je z řeky během toku vyloučena. V různých řekách se podíl dusíku, který v řece zůstává až k ústí, značně liší, od 19 % ve Vezeře do 66 % v Rýnu (v Labi 41 %). Po korekci na čištění odpadních vod je to 20 až 71 % (tabulka II.). Zčásti je možno různou schopnost řeky zbavit se dusíku vztáhnout k jejímu specifickému odtoku vody: čím větší je odtok vody na jednotku plochy povodí řeky, tím menší je podíl eliminovaného dusíku. Nicméně u některých řek s poměrně vysokým specifickým odtokem je podíl eliminace dusíku vyšší než např. v Labi (např. Šelda a Séna se srovnatelnými nebo vyššími specifickými odtoky). Naopak podíl eliminace dusíku ve Vltavě je jen nepatrně vyšší než v Rýnu, který má více než dvojnásobný specifický odtok.

Je tedy zřejmé, že přirozené procesy v řekách jsou odpovědné za hlavní úbytek dusíku dodávaného lidskou činností. Jsou to procesy denitrifikace, tj. redukce dusičnanů na plynný dusík, které provádí řada bakterií za určitých podmínek. Tyto rozhodující podmínky jsou: vysoké koncentrace dusičnanů, jemné sedimenty s vysokým obsahem lehce rozložitelných organických látek, vysoký podíl styčné plochy sedimentů a vody (mokřady, meandry, periodicky zalévané plochy) a lokální snížení koncentrace kyslíku (např. v zárostech vegetace). Pokud je dobrý styk vody se sedimentem (např. turbulentní proudění) nebo možnost průniku vody s dusičnany do hloubky sedimentu (klidná místa s rozvojem benthických, tj. na dně žijících, organizmů nebo vodního rostlinstva), je denitrifikace obvykle intenzivnější než v hlubší vodě, kde je sice nižší koncentrace kyslíku, ale denitrifikační procesy jsou omezeny jen na tenkou horní vrstvu sedimentu. Denitrifikační bakterie oxidují organické látky bez vzdušného kyslíku a jako terminálního akceptoru elektronů využívají dusičnanů, které přitom redukují na plynný dusík. Je to jediný přírodní proces, při němž dochází k odstraňování vázaného dusíku z vodního prostředí.

Rychlosti denitrifikace v říčních sedimentech se udávají v různých řekách, v ústích řek a v mělkých nádržích od 0,5 do 60 mg dusíku na m2 sedimentu za hodinu. Pro povodí velkých řek v Evropě lze podle geomorfologických dat počítat, že plocha říčního dna činí zhruba 5 promile plochy povodí. Pokud uvažujeme rychlost denitrifikace 50 mg dusíku na m2 za hodinu, pak pro evropské řeky v povodí Severního moře může dosahovat denitrifikace rychlosti 6 kg dusíku na km2 za den a tato rychlost by zhruba vysvětlovala úbytek dusíku z celkového přísunu, vypočtený podle tab I. Nízký úbytek dusíku ve Vltavě je vysvětlitelný morfologií jejího současného koryta. Zvláště střední část toku, která je přeměněna v souvislou kaskádu nádrží, neposkytuje svými příkrými břehy bez příbřežní vegetace vhodné podmínky pro denitrifikaci. K mírně zvýšenému úbytku dusíku dochází teprve v dolní části toku pod Prahou.

Z uvedených podkladů vyplývá, že při snaze o snížení odnosu dusíku řekami je třeba nejenom snižovat přísun z bodových zdrojů v čistírnách odpadních vod (tento proces je pro snížení dusíku málo efektivní a jeho zefektivnění by bylo finančně náročné), ale podporovat přirozené procesy denitrifikace v řekách vhodnými úpravami koryta a povodí.

"Dusíkový paradox"

spočívá ve faktu, že

• během posledních 30 let se odnos dusíku do Severního moře zvyšuje, přestože se za tuto dobu podstatně nezvýšil jeho přísun do řek (počet obyvatelstva, aplikace hnojiv i kapacita průmyslu v povodí zůstávaly na stejné úrovni),
• v posledním desetiletí v povodí Severního moře vzrostl počet čistíren odpadních vod, v důsledku čehož se zmenšila zátěž toků organickými látkami a zlepšily se kyslíkové poměry v řekách,
• v posledním desetiletí došlo k rozsáhlým úpravám na tocích, vedoucím ke zvýšení průtoků, regulaci břehů, prohloubení řečiště a snížení počtu meandrů i mokřadních a zatápěných ploch.

Druhé dvě aktivity, z hlediska lidských potřeb na první pohled velmi žádoucí, vedly k drastickému snížení možností denitrifikace v evropských řekách. Kapacita řek redukovat dusíkovou zátěž přirozenými procesy je snížena, přitom podstatná část dusíku pochází z plošných zdrojů, které nelze zachytit v čistírnách.

Měření rychlosti denitrifikace v říčním sedimentu je metodicky náročné a ještě obtížnější je vyčíslit vliv těchto procesů na bilanci dusíku v určitém říčním úseku. Z výše uvedených dat však dostatečně jasně vyplývá, že přirozené procesy denitrifikace v řekách jsou důležité jakožto jediná možnost snižování obsahu dusíku z plošných zdrojů, u kterých nemůžeme v blízké budoucnosti počítat s významným snížením. Při hospodaření na řece a jakýchkoli úpravách koryta, okolí řeky, hloubky a rychlosti proudu je třeba uvážit i možný vliv na tyto procesy. Odstranění určitých biotopů v bezprostředním okolí řeky a v jejím korytě nelze posuzovat pouze z hlediska ochrany rostlinných a živočišných druhů či společenstev, ale je nutno zvážit i možnosti vymizení, urychlení či oslabení procesů, které v těchto specifických biotopech probíhají. Měření procesů denitrifikace v říčních biotopech a jejich vlivu na celkovou dusíkovou bilanci toku by měla být věnována větší pozornost – dosavadní znalosti dovolují pouze hrubý celkový odhad, nikoli lokalizaci na určitých říčních úsecích.