Decrease of the total capacity of aquatic ecosystems and the application of hydrogen peroxide in the regulation of accelerated eutrophication and blooming of cyanobacteria

Abstract

Dugoročno rešenje problema povećanog ukupnog kapaciteta vodenih ekosistema, posledičnog ubraznja eutrofizacije i cvetanja potencijalno toksičnih cijanobakterija podrazumeva smanjenje priliva nutrijenata, kao i eliminaciju viška nutrijenata iz samog vodenog ekosistema, naročito azota i fosfora. Kao rešenje ovog  problema  se  predlaže  istovremena  upotreba  seta  poznatih  alternativnih  metoda,  označenih zajedničkim  nazivom  ekomanipulacija,  koji  uključuje:  mehaničko  uklanjanje  makrofita  i  biomase cijanobakterija, upotreba plutajućih ostrva, masovno izlovljavanje ribe. Izvršena  je  procena  mehaničkog  uklanjanja  trske  (Phragmites  australis)  u  kontekstu  zaštite  i prečišćavanja vodenih ekosistema i kao energetskog resursa na teritoriji Vojvodine. Procenjeno je da je oko 0,98% površine Vojvodine pokriveno trskom sa prosečnim prinosom od oko 2 kg/m 2 , odnosno oko 20 t/ha. Košenjem i uklanjanjem nadzemne biomase bi moglo da se ukloni do 333,20 kg/ha azota i 25,20 kg/ha  fosfora.  Pored  povoljnih  karakteristika  trske  kao  energetske  sirovine,  troškovi  obrade  biomase trenutno prevazilaze potencijalnu zaradu, zbog čega ova makrofita ima veći značaj na lokalnom nivou. Ispitivana  je  efikasnost  usvajanja  nutrijenata direktno  iz  vodenog  stuba putem  uklanjanja  nadzemne biomase trske iz PPES jedinica, kao i testiranje održivosti čitavog PPES sistema. Iako uklanjanje oko 800  g  nadzemne  biomase  trske  može  smanjiti  ukupni  kapacit  do  izvesne  mere,  dodatne  vrednosti upotrebe  PPES  sistema  poput usvajanja  toksičnih  materija,  korisne  upotrebe  plastičnog  otpadnog materijala, proizvodnje biljne biomase ovu metodu čini značajnim delom sistema ekomanipulacija. Korišćenjem  puferskog  sistema  ekoremedijacije  baziranog  na  iznošenju  biomaske  trske  se  takođe obezbeđuje smanjenje ukupnog kapaciteta. Na taj način se može postići kontrola ubrzane eutrofizacije na četiri funkcionalna nivoa u dinamici ekosistema, koji podrazumevaju: sprečavanje priliva materija u vodeni  ekosistem  iz  spoljašnje  sredine  izgradnjom  mokrih polja,  povećanje  procesa  razgradnje uvođenjem aeracije, prečišćavanje mulja ili efluenta i manipulacija trskom u priobalju. Procenjena  je  efikasnost  mehaničkog  uklanjanja  toksične  biomase  cijanobakterije  vrste Planktothrix rubescens iz  akumulacije  Vrutci. Rezultati  ukazuju  na  efikasnost  ove  metode  u  smanjenju  ukupnog kapaciteta,  međutim  samo  tokom  perioda  cvetanja.  Ispitivana  je  sposobnost  14  sojeva  bakterija, izolovanih iz sakupljenje površinske skrame P. rubescens, da degradiraju cijanotoksin mikrocistin-LR. Degradacija toksina posle devet dana nije detektovana, što je moglo da bude posledica dužeg perioda adaptacije (lag faze) koji je bio potreban da bi se aktivirali odgovarajući geni i enzimski putevi odgovorni za biodegradaciju. Ispitivana je efikasnost metode masovnog izlovljavanja babuške (Carassius gibelio) iz sektora IV jezera Palić. Na osnovu količine iznete biomase tokom probnog izlova 2016. godine i poznatog hemijskog sastava, procenjeno je da je masovnim izlovom moguće ukloniti značajnu količinu nutrijenata na nivou čitavog jezera. Uprkos efikasnosti i pratećim povoljnim promenama u ekosistemu, zbog složenosti lanca ishrane  i  uopšte  jezerskog  ekosistema  se  preporučuje  primena  pridruženih  metoda  biomanipulacije ribljom fondom, kao i drugih metoda ekomanipulacije. Ispitivani su cijanocidni efekti vodonik-peroksida, kao dodatne metode u procesu revitalizacije jezera. Uzorci  vode  iz  srpskih  jezera Bečmenska  bara (sektor  Bečmen  3) i jezera  Ludaš  i  finskog  jezera Köyliönjärvi su bili tretirani različiti koncentrcijama vodonik-peroksida. Analize sadržaja hlorofila a i intracelularnih  mikrocistina,  indeksa  vijabilnosti  pokretnih  grupa  necijanobakterijskog  fitoplanktona, zooplanktona i osetljivosti makroinvertebrata, ukazale su na mogućnost efikasne selektivne supresije cijanobakterija ravnomernim apliciranjem 2-5 mg/L vodonik-peroksida. Uočena je različita osetljivost kod ispitivanih grupa organizama na dejstvo agensa, zbog čega je u primeni ove metode neophodan dodatni oprez. Da bi se obezbedio uspešan proces revitalizacije jezera, važno je da se metode ekomanipulacije prilagode stanju i karakteristikama jezera, a da se vodonik-peroksid koristi samo u slučaju potrebe. Na takav načinmože  nesmetano  da  se  odvija  dugotrajan  proces  revitalizacije.  Zbog  složenosti  problema  povećanja ukupnog  kapaciteta,  ubrzane  eutrofizacije  i  procesa  revitalizacije,  neophodno  je  obezbediti multidisciplinarni  pristup,  pripremu  akcionog  plana  i  sprovođenje  metoda  pod  strogo  kontrolisanim uslovima.A long-term solution for the problem of increased total capacity in water ecosystems, and consequently accelerated eutrophication and potentially toxic cyanobacterial blooms, implies the restriction of nutrient inputs to the water bodies, as well as elimination of additional nutrients directly from water ecosystems,especially nitrogen and phosphorus. As a solution for this problem, it is proposed to simultaneously use a   set  of  alternative  methods,  entitled  as  ecomanipulation,  that  include:  mechanical   removal  of macrophytes and cyanobacterial biomass, floating islands, extensive fishing. Mechanical removal of Common reed (Phragmites australis) was estimated for the purpose of protection and  purification  of  water  ecosystems,  as  well  as  an energy  source  in  the  Vojvodina  region.  It  was estimated that about 0,98% of the Vojvodina region is covered with common reed, with an average yield of 2 kg/m2, eg about 20 t/ha. By harvesting and removing of above-ground biomass, it would be possible to  remove  up  to  333.20  kg/ha  of  nitrogen  and  25.20  kg/ha  of   phosphorus.  Besides  favorable characteristics as an energy source, the cost of biomass processing currently exceeds potential revenues, hence this macrophyte is more significant at the local level.  The efficiency of nutrient absorption directly from the  water column by removal of the reed biomass incorporated in the PPES unites was examined, as well as testing the  sustainability of the whole PPES system. Although  removal  of  about  800  g  of  the  above-ground  reed  biomass  can  decrease  the  total capacity up to a certain extent, additional values of PPES usage like the uptake of toxic compounds,useful use of plastic waste material, production of plant biomass makes this method important part  of ecomanipulation system. The use of a buffer system of ecoremediation based on the removal of reed biomass also provides a reduction in total capacity. In this way,  control of accelerated eutrophication can be achieved at four functional levels in ecosystem dynamics, which include: preventing the  inflow of matter into the aquatic ecosystem from the external environment by building artificial wetlands, increasing the decomposition process by introducing aeration, sludge or effluent treatment, and reed manipulation in the coastal area. The efficiency of mechanical removal of toxic biomass  of cyanobacteria Planktothrix rubescens from the Vrutci reservoir was estimated. The results indicate the effectiveness of this method in reducing the total capacity, but only during the blooming period. The ability of 14 bacterial strains, isolated from collected  P.   rubescens  surface  scum,  to  degrade  cyanotoxin  microcystin-LR  was  investigated. Degradation of toxin after nine days was not detected, which could be a consequence of a longer period of  adaptation  (lag  phase)  that  was  needed  for  activation  of  certain  genes  and  enzyme  pathways responsible for biodegradation. The efficiency of extensive fishing of Prussian carp (Carassius gibelio) from the sector IV of Lake Palić was investigated. Based on the amount of removed biomass during the trial catch in 2016, and the known chemical composition of fish, it was estimated that extensive fishing can remove a significant amount of nutrients at the level of the entire lake. Despite the efficiency and following favorable changes in the ecosystem,  due  to  the  complexity  of  the  food  chain  and  the  lake  ecosystem  in  general,  the  use  of associated methods of biomanipulation with fish stock, as well as other methods of ecomanipulation, is recommended. The potential of cyanocidal effects of hydrogen peroxide, as an auxiliary method in the  process of lake revitalization, was investigated. Water samples from Serbian lakes Bečmenska bara (sector Bečmen 3) and Lake Ludaš, as well as Finnish Lake Köyliönjärvi, were treated with different concentrations of hydrogen peroxide. Analysis of contents of chlorophyll a and intracellular microcystins, viability index of  non-cyanobacterial  moving  phytoplankton,  zooplankton,  and  sensitivity  of  macroinvertebrate indicated the possible efficiency of the selective suppression of cyanobacteria by uniform application of 2-5 mg/L of hydrogen peroxide in the water column. Examined groups of organisms expressed different sensitivity towards the applied concentrations of the agent, which is the reason for additional caution in the   application of this method.In order to provide successful lake revitalization, it is important to adjust methods of ecomanipulation to the condition and characteristics of the lake, and also to use hydrogen peroxide only when it is necessary.In this way, the long recovery process can proceed smoothly. Due to the complexity of the problem of increased total capacity, accelerated eutrophication, and the process of revitalization, it is necessary to provide a multidisciplinary approach, preparation of an action plan and implementation of methods under strictly controlled conditions