Oddělení hydrochemie a ekologického modelování

Výzkum a odborné zaměření

Oddělení hydrochemie a ekosystémového modelování (HEM) Hydrobiologického ústavu Biologického centra AV ČR se zabývá studiem biogeochemických koloběhů a procesů, které řídí složení a kvalitu povrchových vod. Tento mezioborový výzkum je zaměřen na objasňování struktury, funkčních vztahů, problémů a řízení vodních ekosystémů zejména stojatých vod – umělých vodních nádrží, přírodních jezer a jejich povodí.

Pracovníci HEM rovněž zajišťují výuku ve vodních a environmentálních oborech na Jihočeské univerzitě v Českých Budějovicích i dalších univerzitách a angažují se v poradenských službách v oblasti vodního hospodářství a vodní politiky.

Hlavní výzkumná témata zahrnují:

  • zotavování ekosystémů horských jezer a jejich povodí po období silné atmosfériské acidifikace;
  • eutrofizace vodních ekosystémů jako výsledek vnějšího a vnitřního zatížení živinami a trofické struktury vodního ekosystému;
  • rekonstrukce a modelování trendů v biogeochemických kolobězích živin ve vodních ekosystémech;
  • fotochemické procesy probíhající během transportu makro- a mikroživin z povodí prostřednictvím rozpuštěných organických látek z půdy do vodního prostředí;
  • úloha sedimentů a organické hmoty ve vnitřních kolobězích živin v nádržích;
  • environmentální charakteristiky, které nejlépe vysvětlují a charakterizují odnos živin do povrchových vod ve složitých povodích.

Řešené výzkumné projekty

Pitná voda - připravenost na budoucnost

Číslo projektu: TO01000202

Řešitel: doc. Ing. Petr Porcal, Ph.D.

Zdroj financování: TAČR and Norway Grants

Doba řešení: 2021 - 2024

Nárůst koncentrace rozpuštěných organických látek (DOM) představuje velký problém pro úpravny vody upravující povrchovou vodu. Povrchová voda je v České republice zdrojem pitné vody z vice než 50%. V jižních Čechách je pitnou vodou z povrchových zdrojů zásobováno vice než 350 tisíc obyvatel. Hlavními zdroji jsou vodárenské nádrže (Římov, Husinec, Jordán) a řeka Otava. Povodí těchto zdrojů bude zmapováno z hlediska zdrojů DOM a jejich časové a prostorové variability a vznikne mapa zdrojů DOM s predikcí jejich budoucího vývoje. Bude vypracována metodika manipulace s odtoky z vodárenských nádrží pro minimalizaci vlivu zvýšených koncentrací DOM po přívalových deštích. Projekt bude profitovat ze spolupráce mezi správcem povodí, výrobci pitné vody a vědeckých partnerů z ČR a Norska.

Život na okraji: Limity výskytu larev hmyzu

Číslo projektu: 20-00892L

Řešitel: Evžen Stuchlík

Zdroj financování: Grantová Agentura ČR

Doba řešení: 2020 - 2022

Přežívání živočichů v extrémních podmínkách vždy upoutávalo zájem ekologů a fyziologů. Příkladem extrémního prostředí jsou horské toky vyznačující se různým stupněm nepříznivosti životních podmínek. Přesto jsou tyto vody osídleny početnými populacemi pakomárů (Diptera: Chironomidae), které lze nalézt i v těsné blízkosti tajících okrajů ledovců. Vycházíme z těchto hypotéz: i) různé metabolické dráhy jsou velmi nízkými teplotami ovlivněny různě, ii) metabolismus uhlovodíků může být pružnější než např. metabolismus lipidů, iii) pozorované rozdíly jsou dány vznikem poddruhů a nikoliv pouze metabolicky. Studijní lokality pro tento projekt, na kterých jsou vysokohorské toky s potřebným gradientem nepříznivých podmínek, se nacházejí v Alpách a Tatrách. Předpokládáme, že gradient podmínek, který by limitoval přítomnost larev pakomárů, musí být dostatečně extrémní a že energetické zásoby jedinců jsou vhodným proxy pro jejich fitness. Za účelem studia limitů přežití pakomárů vysokohorských toků v minulosti využijeme záznamů představovaných vrty jezerními sedimenty ze tří šumavských lokalit.

Cílem projektu je charakterizace gradientů extrémních podmínek; stanovení energetických zásob u jedinců z různých lokalit; sledování projevů vybraných genů od endokrinní po metabolickou regulaci; charakterizace genetické homogenity; paleolimnologický záznam odpovědí populací na deglaciaci v minulosti.

Paleoekologická rekonstrukce globálních environmentálních změn na počátku mladšího dryasu

Řešitel: Evžen Stuchlík

Zdroj financování: Ministerstvo školství, mládeže a tělovýchovy

Doba řešení: 2019 - 2022

Před 12900 roky došlo na naší planetě k dramatickým environmentálním změnám. Vyústily ve vymizení velkého počtu živočišných druhů (zejména velké čtvrtohorní fauny), v přestavby druhového složení v části biomů, v zánik některých lidských kultur (např. lovecko-sběračské kultury Clovis v Severní Americe) a v počátek asi 1200 let trvajícího suchého období. Tato náhlá klimatická změna zvaná mladší dryas byla na severní polokouli navíc doprovázena výrazným ochlazením. Přestože jde o současnosti nejbližší prudké zhoršení environmentálních podmínek na Zemi, víme o něm zatím poměrně málo. V posledních letech navíc vzrůstá počet dokladů, které naznačují, že spouštěčem těchto globálních změn byla kolize s vesmírným tělesem. Díky tomu nalézáme různá, charakteristická geochemická proxy (např. zvýšené koncentrace iridia či platiny) a částice odpovídající dějům, které probíhaly při velmi vysokých teplotách (vrstvy uhlíků, nano-diamanty, specifické mikro-sferule aj.). Jejich nálezy jsou známé zejména ze Severní Ameriky. Námi doložený výskyt části těchto markerů ve střední Evropě a další indicie naznačují, že tento event zanechal své stopy na několika kontinentech. Pro hlubší pochopení toho, co vedlo k počátku zmíněné klimatické změny a souběžným změnám v živé i neživé přírodě, je třeba studovat vhodné přírodní archívy na velké geografické škále. V rámci navrhovaného projektu k tomuto poslouží jezerní sedimenty odpovídajícího stáří z lokalit v ČR a na Aljašce. Nutným předpokladem k provedení výzkumu je spolupráce v rámci námi sestaveného interdisciplinární týmu složeného z českých odborníků (Přírodovědecká fakulta UK, Biologické centrum AV ČR) a specialistů z partnerské organizace v USA (University of Alaska Fairbanks), jakož i uplatnění moderních metod a multi-proxy přístupu. Naším cílem je rekonstrukce tehdejších jezerních ekosystémů a jejich povodí, u kterých budeme ve vysokém časovém rozlišení studovat reakci na prudký nástup mladšího dryasu. Zaměříme se na doklady impaktní události, rychlost přestavby společenstev, změny biodiverzity a úroveň kontaminace prostředí. Těsně před začátkem mladšího dryasu byla navíc střední Evropa postižena mimořádně silnou erupcí vulkánu Laacher See, který se dodnes nachází v německém Eifelu. Námi doložená prezence sopečného popela z tohoto výbuchu v sedimentu šumavských jezer umožní v rámci předkládaného projektu srovnat u části lokalit environmetální důsledky obou událostí. Výsledky plánovaného výzkumu tak přinesou doklady o důsledcích přírodních katastrof, kterým v historické době lidstvo zatím nečelilo. Opakování obdobných katastrof v budoucnosti je nicméně velmi reálné.

Paleo-záznamy událostí globálního rozsahu v sedimentarní sekvenci jezer

Číslo projektu: 20-08294S

Řešitel: Evžen Stuchlík

Zdroj financování: Grantová Agentura ČR

Doba řešení: 2020 - 2022

Početné doklady z narůstajícího počtu lokalit ukazují, že na konci pleistocénu došlo ke kolizi s větším vesmírným objektem. Tzv. Younger Dryas Boundary vrstva (YDB) podporuje hypotézu, že fragmentovaný kosmický objekt narazil do naší planety před asi 12800 roky, tedy zrovna v době nástupu chladného klimatického výkyvu – mladšího dryasu. Tato vrstva obsahuje charakteristické impaktní částice a má specifické prvkové složení. Pro stejné období jsou doloženy i extinkce velkých savců, změny vegetačního krytu, změny lidských kultur a rozsáhlé požáry. V Evropě jsou však záznamy YDB vzácné a většinou jen z fosilních půd. Náš tým se zaměřil na jezerní sedimenty a doložil přítomnost YDB v šumavských jezerech. Naše první výsledky ukazují na kontaminaci tehdejšího životního prostředí v této oblasti prostřednictvím dálkového atmosférického transportu polutantů. V rámci předkládaného projektu budeme studovat historii tří vybraných ekosystémů představovaných jezery a jejich povodími. Zaměříme se na změny během YDB a na nalezení pozdně glaciálních a časně holocénních vrstev vulkanického popela.

Cílem projektu je: 1) Testování unikátnosti YDB proxy v rámci studovaných postglaciálních sedimentárních záznamů. 2) Identifikace vrstev vulkanického popela (tefer) v jezerních sedimentech pozdně glaciálního a spodně holocénního stáří. 3) Rekonstrukce reakce ekosystémů na environmentální znečištění odpovídající YDB.

Biotické a abiotické faktory řídící ztráty fosforu z nevyvinutých alpinských půd

Číslo projektu: 20-19284S

Řešitel: Jiří Kaňa

Zdroj financování: Grantová Agentura ČR

Doba řešení: 2020 - 2022

Cílem projektu je určit hlavní environmentální faktory řídící vyplavování fosforu z antropogenně neovlivněných nevyvinutých půd. Budou studovány vlivy zotavování půd z acidifikace (zvyšování pH), rostoucí depozice prachu a fyzikálního zvětrávání hornin na chemické složení půd, schopnost mikroorganismů mobilizovat P z minerálních částic a schopnost půd tento P zadržovat. Největší růst koncentrací P se v současné době kromě USA objevil v alpinských jezerech ve Vysokých Tatrách, zejména v povodích s vysokým podílem suťových polí, na jejichž půdy se zaměříme. Pomocí hornin z povodí experimentálně ověříme vliv změn klimatu na jejich mechanické zvětrávání. Pomocí sorpčních experimentů ověříme vliv zvětrávání na změny chemismu půd a jejich schopnost P zadržovat. Dále se zaměříme na mikrobiální aktivitu alpinských půd, složení jejich mikrobiální komunity a úlohu jejích hlavních složek v mobilizaci P z hornin a prachu. S využitím dlouhodobých trendů chemismu a oživení tatranských jezer vyhodnotíme význam dílčích vlivů zotavování z acidifikace a změny klimatu na jejich měnící se složení.

Vyhodnotit vliv chemismu a mikrobiálního společenstva nevyvinutých půd suťových polích a alpinských luk na cyklus P. Vyhodnotit vliv změn klimatu (zvýšené fyzikální zvětrávání hornin a vyšší depozice prachu) a ústupu acidifikace na zvýšené vyplavování P z půd a změny trofie alpinských jezer.

Kvantifikace toků vody a fosforu v narušených a nepoškozených horských lesních povodích pomocí hydrologických, izotopových a hydrochemických metod

Číslo projektu: 19-22276Y

Řešitel: Yuliya Vystavna

Zdroj financování: Grantová Agentura ČR

Doba řešení: 2019 - 2021

Důsledkem změn hydrologie povodí mohou být ztráty živin z povodí s následným snížením úrodnosti půdy ale zvýšení primární produkce a eutrofizace vod. Pomocí hydrologického modelování, analýzy stabilních izotopů vody (O-18, H-2) a hydrochemických měření budeme sledovat a kvantifikovat toky fosforu ve dvojici lesních povodí - se zdravým porostem a s porostem v počátečním stádiu obnovy po odlesnění. Tato párová studie je zaměřena na (i) stanovení doplňování pozemních vod a vodní bilanci, včetně role tání sněhu a dešťového odtoku; interakce podzemních a povrchových vod; zjištění velikosti odparu a transpirace rostlin; odhad doby zdržení vody v povodí a (ii) kvantifikaci vyluhování fosforu různými složkami odtoku za kontrastních hydrologických podmínek. Výsledky těchto analýz budou demonstrovány na modelových scénářích zahrnujících toky vody a fosforu. Tento multidisciplinární projekt zaplní mezeru v poznatcích o komplexní aplikaci izotopové hydrologie, hydrologie a hydrochemie.

Cílem projektu je vyvinout a aplikovat multidisciplinární párovou studii pro kvantifikaci odnosu fosforu za kontrastovaných hydrologických podmínek a modelových scénářů pro předpovědi vlivů hydrologie na dynamiku živin v povodích.

Mezioborová studie cyklu prvků v horských jezerech a jejich lesních povodích zmlazujících se po odumření stromového patra

Číslo projektu: 19-16605S

Řešitel: Jiří Kopáček

Zdroj financování: Grantová Agentura ČR

Doba řešení: 2019 - 2021

Kůrovcový žír zabil značné množství dospělých smrků v neobhospodařovaných, acidifikovaných povodích šumavských jezer, s největším rozsahem poškození (>90% během 2004–2008) v povodí Plešného jezera. Odumření stromů významně ovlivnilo cykly prvků v půdách i vodách a jejich chemismus i oživení. V současnosti se lesní ekosystém rychle regeneruje. Náš více než dvacetiletý environmentální výzkum šumavských povodí (les, půda, voda, klima) nabízí světově unikátní možnost komplexní ekosystémové studie vlivů přirozeného rozpadu a regenerace stromového patra na jednotlivé složky horských ekosystémů. Navrhujeme integrované studie (laboratorní pokusy i terénní látkové bilance prvků) zaměřené na cykly C a N v půdách a jejich vliv na vyplavování dalších prvků (P, S, Ca, Mg, K, a Al) a na to, jak tyto změny ovlivňují regeneraci lesa a půdních mikroorganismů a chemické a biologické zotavování vod z acidifikace. Modelování nám umožní využít tyto výsledky i pro další podobně postižená horská území i pro odhad dopadů různých typů hospodaření na bilanci živin v lesích.

Studium změn zásob a toků ekologicky významných prvků (N, P, C, S, Ca, Mg, K a Al) v systému les-půda-voda zotavujícím se po přirozeném rozpadu smrkových porostů. Posoudit vztah mezi zásobami živin v půdách a mrtvé biomase a zmlazením a vliv růstu lesa na chemické složení a oživení půd a vod.

Život na pomezí: Biogeochemické faktory řídící změny mikrobiálních společenstev na rozhraní tekoucích a stojatých vod v pramenných oblastech

Číslo projektu: 19-00113S

Řešitel: Petr Porcal

Zdroj financování: Grantová Agentura ČR

Doba řešení: 2019 - 2021

Planktonní mikrobiální společenstva pomezí tekoucích a povrchových vod v pramenných oblastech se výrazně liší. Změna bakteriálních společenstev při přechodu z tekoucích do stojatých vod byla dosud málo známá a role původně potočních mikroorganismů na formování mikrobiálního společenstva stojatých vod je nejasná. Popis primárních mechanismů odpovědných za formování mikrobiálních společenstev stojatých vod je obtížný z důvodu dlouhé doby zdržení a velké různorodosti druhů. Malé stojaté vody pramenných oblastí s kratší dobou zdržení představují vhodné modelové systémy pro studium díky vyšší plasticitě měnících se tekoucích a stojatých společenstev v závislosti na hydrologických podmínkách a environmentálních (terestrických a vodních) chemických parametrech. V tomto projektu bychom rádi s využitím vhodného modelového systému studovali obecné mechanismy řídící přeměny a znovu utváření mikrobiálních společenstev, zvláště za měnících se hydrologických podmínek a fotochemickým změnám rozpuštěných přírodních organických látek.

Tento projekt bude sledovat mechanismy odpovědné za formování mikrobiálních společenstev ve stojatých vodách studiem: I) odpovídajících chemických a bakteriálních metabolických interakcí; II) klíčových environmentálních parametrů řídících změny společenstev; III) role inokulujících mikroorganismů.

KONTAKT

Biologické centrum AV ČR, v.v.i.
Hydrobiologický ústav
Na Sádkách 702/7
370 05 České Budějovice

NAJÍT PRACOVNÍKA