Εκτίμηση της ποιότητας νερού σε λίμνες και ταμιιευτήρες πόσιμου νερού της Ελλάδας με τη χρήση οικολογικών και μοριακών δεικτών

Abstract

The present thesis aims at the assessment of the water quality of 21 freshwaters inGreece (13 lakes and 8 reservoirs) during the warm period 2007-2010 by using ecologicaland molecular markers.Within this study, in the 21 freshwaters: i) phytoplankton community structure(synthesis and species diversity-morphological and phylogenetic species, biovolume,cyanobacterial contribution) was examined ii) the importance of watershed land use typesand of zooplankton community structure as drivers of phytoplankton community wasevaluated iii) water quality was assessed by using phytoplankton metrics and indicesregarding a) synthesis (species number, taxonomic and functional groups, (%)cyanobacterial contribution) and b) biomass (blooms, total biovolume, cyanobacterialbiovolume). Moreover, phytoplankton indices used in Europe such as the Catalán indexand the Q index and the index of Nygaard that is used worldwide, were properly modifiedso as to be used in Greek freshwaters and finally, iv) a new phytoplankton index(Ρhytoplankton Community Index) was constructed for the assessment of the ecologicalwater quality. In this thesis, an integrated study on the water quality based onphytoplankton is presented for the first time, unifying the molecular approach from thebase to the top with the total ecosystem approach from the top to the base. Furthermore,data on the ecological quality of freshwaters of great importance (e.g. lake Megali Prespa,lake Ismarida and the drinking water reservoirs of Marathonas and Aisimis) are presentedfor the first time and a new phytoplankton index is proposed for water qualityassessment.During the study, a high diversity of phytoplankton species (307 species) wasrecorded in the 21 freshwaters. Their distribution was indicative of the characteristics ofeach freshwater (water retention time, trophic level, depth). A higher species diversitywas recorded in the majority of lakes in relation to the reservoirs, especially in theshallow ones like Ismarida, Kastorias and Doirani. Although, the higher species numberin the groups of chlorophytes and cyanobacteria (>50% of total species number) in themajority of freshwaters, is indicative of eutrophic conditions and consequently ofsubstandard water quality, that is shown also in Nygaard Index.Phytoplankton biovolume was lower in the majority of reservoirs differing fromthe lakes, which were also characterized by high cyanobacterial contribution (>80%). Phylogenetic analysis (16S rRNA) and analysis of functional genes (mcyA) ofcyanobacteria implicated in water blooms, revealed the presence of known toxic speciesin the reservoirs of Karla and Kerkini and in the lakes of Kastoria, Chimaditis, Doiraniand Pamvotis. The application of molecular methods (presence of genes implicated in thetoxin production, phylogenetic analysis) in the monitoring of freshwaters can contributein the detection of harmful phytolankton blooms and in the risk assessment of theirpresence.Watershed land use types and mainly the agricultural and artificial sites, werefound as important drivers of phytoplankton community structure (synthesis, diversity,biovolume). High biovolume values with a high cyanobacterial contribution wererecorded in freshwaters with agricultural and artificial sites >30% in their watershed. Thispercentage which is lower from the one corresponding to northern temperate freshwaters(40% only for agricultural sites) might show the critical transition threshold ineutrophication process from mesotrophic to highly eutrophic freshwaters underanthropogenic pressures in the Mediterranean landscape.The study of zooplankton community revealed the dominance of small-sizedspecies (mainly rotifers) and the absence of large-sized Daphnia in the majority of the 21freshwaters during the high phytoplankton increase. This is indicative of the poor controlof zooplankton on phytoplankton. Regarding the importance of zooplankton communityas a key factor in the function and management of lakes, it should be considered whenassessing the carrying capacity of the ecosystem for a sustainable restoration.The use of different phytoplankton parameters-metrics (phytoplankton biovolume,(%) cyanobacterial contribution, presence of toxicity genes, levels of cyanobacteriaaccording to WHO) and indices (Nygaard, Catalán, Q, PCI) to assess the water quality ofthe 21 freshwaters, showed that overall, the majority of them is not characterized by agood water quality, with lakes exhibiting worse quality than reservoirs. In particular,regarding the lakes only Yliki and Megali Prespa showed a good ecological water qualitywith the second being near the good-moderate boundary. Regarding the reservoirs, onlyKarla and Kerkini was characterized by a low water quality. The rest of the reservoirswere near the good-moderate boundary, except from Tavropos and Polyphytos.The multimetric phytoplankton community index PCI that is proposed in thisstudy to assess the ecological water quality of freshwaters, regards the anthropogeniceutrophication, the main pressure on Mediterranean lakes and large lakes in Europe. It isbased on the ecology of phytoplankton. It incorporates information on the phytoplankton122community structure from the lower level (gene) to the highest (ecosystem) by coveringdifferent individual levels of organization and giving different weights to the variables. Inthis way, it expresses a combined response of phytoplankton community toenvironmental changes and takes into account the natural variability due to seasonalperiodicity, by using data relating to the final stages of phytoplankton succession. It mayhave a widespread application in contrast to other phytoplankton indices used in Europewhich are related to specific ecoregions. That is due to the fact that its main variable,phytoplankton biovolume, is weighted according to the boundaries proposed for thespecific type and ecoregion that each freshwater belongs. Furthermore, the number ofvariables that it combines is greater than those of the rest indices used in Europe.The ‘weaknesses’ of the PCI index are that i) it requires the boundaries and thetype-specific conditions in order to give a score to the variables ‘phytoplankton biovolume’, ‘(%) cyanobacterial contribution’ and ‘Q index’ and ii) it has not been testedin the majority of the Greek lakes. However, the multimetric approach for assessing theecological quality of freshwaters is considered as the most appropriate, as it bridges thegaps between existing methodologies and prepares for future needs in the assessment ofecological water quality. In the future, this index will be tested in a larger number offreshwaters and may be modified by changes in the variables it includes (e.g. addition oftotal phosphorus, subtraction of toxicity genes).

Η παρούσα διδακτορική διατριβή στοχεύει στην εκτίμηση της ποιότητας νερού σε21 υδάτινα οικοσυστήματα (13 φυσικές λίμνες και 8 ταμιευτήρες) της Ελλάδας κατά τηθερμή περίοδο 2007-2010, με τη χρήση οικολογικών και μοριακών δεικτών.Στα πλαίσιά της ι) πραγματοποιήθηκε παρακολούθηση χαρακτηριστικών τηςκοινωνίας του φυτοπλαγκτού (σύνθεση και ποικιλότητα ειδών-μορφολογικά καιφυλογενετικά είδη, βιοόγκος, συμμετοχή κυανοβακτηρίων) ιι) διερευνήθηκε η επίδρασητων χρήσεων γης στη λεκάνη απορροής και της σύνθεσης της κοινωνίας τουζωοπλαγκτού, στη διαμόρφωση της κοινωνίας του φυτοπλαγκτού ιιι) εκτιμήθηκε ηποιότητα νερού των υδάτινων σωμάτων με τη χρήση παραμέτρων και δεικτώνφυτοπλαγκτού όπως α) σύνθεσης (αριθμός ειδών, ταξινομικές και λειτουργικές ομάδες,(%) συμμετοχή κυανοβακτηρίων) και β) βιομάζας (ανθίσεις, συνολικός βιοόγκος,βιοόγκος κυανοβακτηρίων). Επιπλέον, τροποποιήθηκαν κατάλληλα για εφαρμογή στιςελληνικές λίμνες δείκτες φυτοπλαγκτού που χρησιμοποιούνται σε ευρωπαϊκό επίπεδοόπως ο δείκτης Catalán στις μεσογειακές φραγμαλίμνες, ο δείκτης Q για λίμνες τηςΚεντρικής Ευρώπης και ο δείκτης Nygaard σε όλες τις λίμνες και ιν) δημιουργήθηκε μεστόχο την εκτίμηση της οικολογικής ποιότητας των υδάτινων σωμάτων έναςπολυμετρικός δείκτης κοινωνίας φυτοπλαγκτού (Ρhytoplankton Community Index).Συνολικά, παρουσιάζεται για πρώτη φορά μια ολοκληρωμένη έρευνα για την ποιότητατου νερού με βάση το φυτοπλαγκτό, ενοποιώντας την από τη βάση προς την κορυφήμοριακή προσέγγιση με την από την κορυφή προς τη βάση ολιστική προσέγγισηοικοσυστήματος, ενώ παραθέτονται τα πρώτα στοιχεία για την οικολογική ποιότηταυδάτινων οικοσυστημάτων μεγάλης σημασίας (π.χ. η λίμνη Μεγάλη Πρέσπα, η λίμνηΙσμαρίδα και οι ταμιευτήρες πόσιμου νερού του Μαραθώνα και της Αισύμης) καιπροτείνεται ένας νέος δείκτης εκτίμησης της οικολογικής ποιότητας.Ειδικότερα, η διερεύνηση της σύνθεσης και ποικιλότητας του φυτοπλαγκτούσυνολικά στα 21 υδάτινα οικοσυστήματα έδειξε έναν υψηλό αριθμό ειδών φυτοπλαγκτού(307 είδη), η κατανομή των οποίων ήταν ενδεικτική της ιδιαιτερότητας του κάθεσώματος (χρόνος παραμονής, τροφική κατάσταση, βάθος). Οι λίμνες στην πλειονότητάτους χαρακτηρίστηκαν από μεγαλύτερη ποικιλότητα ειδών από τους ταμιευτήρες,ιδιαίτερα οι ρηχές και εύτροφες όπως η Ισμαρίδα, η Καστοριάς και η Δοϊράνη. Ομεγάλος αριθμός ειδών ωστόσο στις ταξινομικές ομάδες των κυανοβακτηρίων και τωνχλωροφυκών (>50% του συνολικού αριθμού ειδών) στην πλειονότητα των υδάτινων117οικοσυστημάτων, είναι ενδεικτικός εύτροφων συνθηκών και συνεπώς υποβαθμισμένηςοικολογικής ποιότητας νερού, γεγονός που αντανακλάται και στον δείκτη «ευαίσθητωνστον ευτροφισμό» ομάδων φυτοπλαγκτού του Nygaard.Ο βιοόγκος φυτοπλαγκτού κυμάνθηκε σε χαμηλότερα επίπεδα στην πλειονότητατων ταμιευτήρων σε σχέση με τις φυσικές λίμνες, οι οποίες διαφοροποιήθηκαν από τουςταμιευτήρες και ως προς την υψηλή συμμετοχή κυανοβακτηρίων (>80%).Η φυλογενετική ανάλυση (αλληλούχιση 16S rRNA) και ανάλυση λειτουργικώνγονιδίων τοξικότητας (mcyA) των πληθυσμών των κυανοβακτηρίων που συμμετείχαν στοσχηματισμό ανθίσεων νερού, έδειξε την παρουσία γνωστών τοξικών ειδών σεταμιευτήρες όπως η Κάρλα, η Κερκίνη και λίμνες όπως η Καστοριάς, η Παμβώτιδα, ηΔοϊράνη και η Χειμαδίτιδα. Η εφαρμογή των συγκεκριμένων μοριακών μεθόδων(ανίχνευση γονιδίων τοξικότητας, φυλογενετικές αναλύσεις) στη βιοπαρακολούθησηυδάτινων οικοσυστημάτων μπορεί να αποτελέσει ένα εργαλείο πρόβλεψης επιβλαβώνανθίσεων φυτοπλαγκτού και εκτίμησης του κινδύνου από την παρουσία τους.Στη διαμόρφωση της κοινωνίας του φυτοπλαγκτού (σύνθεση, ποικιλότητα,βιοόγκος) και κατ’επέκταση στην επίδραση στην οικολογική ποιότητα των υδάτινωνσωμάτων, οι χρήσεις γης στη λεκάνη απορροής και κυρίως οι αγροτικές εκτάσεις και οιτεχνητές περιοχές, φαίνεται να αποτελούν σημαντικό παράγοντα. Ειδικότερα, υψηλέςτιμές βιοόγκου φυτοπλαγκτού με κυριαρχία κυανοβακτηρίων ήταν χαρακτηριστικές σευδάτινα σώματα στα οποία η κάλυψη στη λεκάνη απορροής σε αγροτικές εκτάσεις καιτεχνητές περιοχές ξεπερνά συνολικά το 30%. Το μικρότερο αυτό ποσοστό από τοκαθορισμένο όριο στα αντίστοιχα βορειότερα εύκρατα οικοσυστήματα (40% γιααγροτικές εκτάσεις στις βόρειες εύκρατες λίμνες) είναι πιθανό να δείχνει το χαμηλότεροσημείο μετάβασης κατά τον ανθρωπογενή ευτροφισμό από τα μεσότροφα στα εύτροφαμεσογειακά υδάτινα οικοσυστήματα.Επιπλέον, η διερεύνηση της δομής της κοινωνίας του ζωοπλαγκτού στηνπλειονότητα των υδάτινων οικοσυστημάτων κατά την περίοδο της έντονης αύξησης τουφυτοπλαγκτού, έδειξε ότι αυτή αποτελείται γενικά από μικρόσωμα είδη (κυρίωςτροχόζωα), ενώ τα μεγαλόσωμα διηθηματοφάγα είδη όπως είδη του γένους Daphniaπαρατηρήθηκαν σπανίως, με αποτέλεσμα το ζωοπλαγκτό να μην μπορεί να ελέγξει τηδιαθέσιμη φυτοπλαγκτική βιομάζα. Καθώς το ζωοπλαγκτό αποτελεί παράγοντα-κλειδίγια τη λειτουργία και διαχείρισή τους, θα πρέπει να λαμβάνεται υπόψη όσον αφορά τηνεκτίμηση της φέρουσας ικανότητας του οικοσυστήματος για βιώσιμη αποκατάσταση. Η χρήση διαφορετικών παραμέτρων-μετρικών (βιοόγκος φυτοπλαγκτού, (%)συμμετοχή κυανοβακτηρίων στο συνολικό βιοόγκο, παρουσία γονιδίων τοξικότητας,επίπεδα κυανοβακτηρίων σύμφωνα με τον Π.Ο.Υ) και δεικτών (Nygaard, Catalán, Q,PCI) για την εκτίμηση της οικολογικής ποιότητας νερού, έδειξε ότι συνολικά ηπλειονότητά των 21 υδάτινων οικοσυστημάτων χαρακτηρίζεται από οικολογική ποιότητανερού κατώτερη της καλής, με τις φυσικές λίμνες να εμφανίζουν πιο «επιβαρυμένη»κατάσταση από τους ταμιευτήρες. Ειδικότερα, από το σύνολο των φυσικών λιμνών μόνοοι λίμνες Υλίκη και Μεγάλη Πρέσπα παρουσίασαν καλή οικολογική ποιότητα νερού μετη δεύτερη να είναι στα όρια καλής-μέτριας, ενώ από τους ταμιευτήρες ποιότητα νερούκατώτερη της καλής παρουσιάζουν μόνο η Κάρλα και η Κερκίνη. Οι υπόλοιποιταμιευτήρες αν και παρουσίασαν καλή οικολογική ποιότητα είναι κοντά στο όριο καλής-μέτριας, πλην της Ταυρωπού και της Πολυφύτου.Ο πολυμετρικός δείκτης κοινωνίας φυτοπλαγκτού PCI που προτείνεται γιαεφαρμογή στην παρούσα έρευνα με στόχο την εκτίμηση της οικολογικής ποιότηταςνερού, αφορά τον ανθρωπογενή ευτροφισμό, την κύρια πίεση που υφίστανται οι μεσογειακέςλίμνες και γενικότερα οι λίμνες στην Ευρώπη. Οι αρχές ανάπτυξης του δείκτη θεμελιώθηκανστην οικολογία του φυτοπλαγκτού με αποτέλεσμα ο δείκτης να ενσωματώνει και ναενοποιεί τη χαμηλότερη (γονίδιο) με την υψηλότερη πληροφορία (οικοσύστημα) σχετικάμε τη δομή της κοινωνίας του φυτοπλαγκτού, καθώς καλύπτονται τα επιμέρους επίπεδαοργάνωσής του και όλες οι μεταβλητές αθροίζονται με διαφορετικούς συντελεστέςβαρύτητας. Έτσι ο ενιαίος δείκτης που προκύπτει εκφράζει μια συνδυασμένη απόκρισητης κοινωνίας στις περιβαλλοντικές αλλαγές και λαμβάνει υπόψη και τη φυσική μεταβλητότητα λόγω εποχικής περιοδικότητας, αφού εστιάζει σε δεδομένα που αφορούνστα τελευταία στάδια διαδοχής της κοινωνίας φυτοπλαγκτού. Μπορεί να έχειγενικευμένη εφαρμογή σε αντίθεση με άλλους δείκτες φυτοπλαγκτού πουχρησιμοποιούνται στην Ευρώπη και αφορούν συγκεκριμένες οικοπεριοχές, καθώς ηκύρια παράμετρός του -ο βιοόγκος φυτοπλαγκτού- βαθμολογείται με βάση τα όρια πουαφορούν τον τύπο και την οικοπεριοχή στην οποία ανήκει το εκάστοτε υδάτινοοικοσύστημα. Επιπλέον ο αριθμός των μεταβλητών που συνδυάζει είναι μεγαλύτεροςαπό τους αντίστοιχους των άλλων δεικτών που χρησιμοποιούνται στην Ευρώπη.Οι «αδυναμίες» του δείκτη PCI εντοπίζονται στο ότι ι) προϋποθέτει να είναιγνωστά τα όρια και οι τυποχαρακτηριστικές συνθήκες για τη βαθμολογία τωνμεταβλητών «βιοόγκος φυτοπλαγκτού», «(%) συμμετοχή κυανοβακτηρίων», «δείκτηςQ» και ιι) δεν έχει δοκιμαστεί στο σύνολο των ελληνικών λιμνών. Ωστόσο, η119πολυμετρική προσέγγιση όσον αφορά την εκτίμηση της οικολογικής ποιότητας υδάτινωνσωμάτων θεωρείται η πιο κατάλληλη, καθώς γεφυρώνει τα κενά ανάμεσα στιςυπάρχουσες μεθοδολογίες και προετοιμάζει για τις μελλοντικές ανάγκες ως προς την εκτίμηση της οικολογικής ποιότητας. Μελλοντικά, ο δείκτης αυτός θα δοκιμαστεί σεμεγαλύτερο αριθμό λιμνών και μπορεί να τροποιηθεί με μεταβολή των μεταβλητών πουπεριλαμβάνει (π.χ. προσθήκη ολικού φωσφόρου, αφαίρεση γονιδίων τοξικότητας).