Nový případ Sherlocka Holmese: Tajemné změny pod hladinou

Když slavný detektiv Sherlock Holmes pátral po stopách, často šlo o maličkosti, které se zdály bezvýznamné, a přesto právě ony nakonec odhalily celý složitý řetězec událostí. Podobně mikroplasty zanechávají ve sladkovodních ekosystémech své stopy. Na první pohled se může zdát, že se nic neděje, ale účinky se postupně kumulují a ve svém důsledku mohou narušit citlivou rovnováhu celého ekosystému. Na tento případ hodný detektivního románu se podíváme očima vědy, systematického pozorování a analýzou dat.

V nedávno publikované studii Microplastic pollution induces algae blooms in experimental ponds but bioplastics are less harmful si vědci položili otázku, jak malé sladkovodní prostředí reaguje na dlouhodobou expozici mikroplastům v koncentracích od setin po desetiny gramu na litr. Namísto zjednodušených laboratorních testů použili tříměsíční experiment v soustavě malých jezírek, což umožnilo sledovat nejen jednotlivé organismy, ale i celý ekosystém včetně vzájemného působení řas, drobných živočichů, mikroorganismů a chemických parametrů vody. Tento přístup poskytl detailní pohled na vliv plastových částic na vnitřní rovnováhu sladkovodního ekosystému.

Autoři experimentu použili tři typy mikroplastů ze skupiny termoplastických polyuretanů (TPU), které se běžně používají v průmyslu i spotřebitelských výrobcích. Jako zástupce klasických plastů z ropy vybrali Elastollan, materiál navržený tak, aby byl co nejstabilnější a odolný vůči biologickému rozkladu, chemickým reakcím, ultrafialovému záření i hydrolýze (rozpadu vodou). Pro srovnání byly použity dva biologicky odbouratelné bioplasty, TPU 181 a TPU FC2.1, které v kompostovacích podmínkách dokážou během přibližně 50 dnů ztratit až 75 procent své hmotnosti. Tato odlišnost v chování materiálů naznačuje, že jejich dopad na živé organismy v přírodě může být zásadně odlišný a že ne všechny plasty mají stejný vliv na ekosystém.

Experiment probíhal na deseti různých koncentracích mikroplastů od 0,000 do 0,385 gramů na litr vody. Pro každý typ plastu byla použita samostatná sada nádrží. Tento široký rozsah umožnil simulovat jak nízké, tak relativně vysoké znečištění a sledovat, zda se účinky plastů objevují postupně s rostoucí koncentrací nebo zda dochází k náhlým změnám. Nádrže byly osazeny přirozenými společenstvy organismů a vědci pravidelně měřili chemické, biologické a fyzikální parametry vody. Díky tomu mohli zachytit nejen okamžité reakce organismů, ale i postupné změny, které se projevují napříč potravními řetězci, a nepřímé účinky, které se v systému kumulují.

Jedním z hlavních ukazatelů byla koncentrace chlorofylu alfa, který slouží jako zástupný parametr množství řas a jejich fotosyntetické aktivity, tedy schopnosti přeměňovat světelnou energii na organickou hmotu. Analýza dat pomocí generalizovaného aditivního modelu ukázala, že typ plastu, jeho koncentrace a čas společně vysvětlují přibližně 57 procent variability naměřených hodnot chlorofylu alfa (upravené R² ≈ 0,547). To znamená, že typ plastu měl zásadní vliv na rychlost a intenzitu růstu řas.

Nádrže obsahující fosilní TPU vykazovaly již při velmi nízkých koncentracích od přibližně 0,013 gramů na litr výrazně vyšší množství řas než nádrže s bioplasty. Tento rozdíl se postupně zvětšoval během experimentu a od třetího týdne se stabilizoval. V nádržích s bioplasty se řasy krátkodobě rozrůstaly, ale tyto nárůsty byly slabší a často rychle mizely, což ukazuje, že jejich růst nebyl podporován konstantně a systém se dokázal částečně adaptovat na přítomnost bioplastů.

Vedle množství řas se výzkumníci zaměřili i na celkovou aktivitu metabolismu v nádržích, tedy na množství organické hmoty vytvořené řasami a na spotřebu kyslíku, kterou vyprodukovaly jak řasy, tak všechny ostatní organismy v nádrži. Měřili čistou primární produkci, což je množství organické hmoty vytvořené řasami po odečtení jejich vlastní spotřeby kyslíku, a také celkovou spotřebu kyslíku systému (respiraci všech organismů).

Výsledky ukázaly, že v nádržích s fosilním plastem Elastollan probíhala tvorba organické hmoty a spotřeba kyslíku rychleji a intenzivněji než u bioplastů. To znamená, že systém fungoval „na vyšší obrátky“, produkoval více organické hmoty, ale zároveň byl méně stabilní. Takové chování je srovnatelné s přetíženými rybníky s nadbytkem živin, což je proces zvaný eutrofizace. Eutrofizace znamená, že se řasy rychle množí a koncentrace kyslíku ve vodě kolísá, což může ohrozit život dalších organismů.

Klíčovou roli sehrál zooplankton, tedy drobní živočichové, kteří přirozeně regulují množství řas. V nádržích s fosilním plastem Elastollan došlo k dramatickému poklesu biomasy zooplanktonu. Již 36. den experimentu byla jeho biomasa o 65 až 69 procent nižší než v nádržích s bioplasty, 56. den rozdíly vzrostly na 71 až 79 procent a i 97. den zůstávaly 71 až 73 procent nižší. Poklesy se objevily i při velmi nízkých koncentracích mikroplastů (0,008 gramů na litr vody), zatímco u bioplastů byly negativní účinky výrazně slabší a projevovaly se pouze při vyšších koncentracích mikroplastů. Prakticky to znamená, že oslabení zooplanktonu snižuje schopnost ekosystému kontrolovat růst řas prostřednictvím jeho přirozených ekologických funkcí.

Oslabení této přirozené kontroly vedlo k situaci, kdy se řasy mohly množit téměř bez omezení. Takový proces připomíná eutrofizaci, která se běžně spojuje s nadbytkem živin ve vodě. V tomto případě však spouštěčem nebyly živiny, ale nepřímý vliv mikroplastů na vztahy mezi organismy. Plastové částice působí jako aktivní ekologický faktor, který mění rovnováhu mezi složkami ekosystému a spouští řetězovou reakci vedoucí k nadměrnému růstu řas.

Další důležitou součástí studie byla analýza mikrobiálních společenstev, tedy bakterií, archeí a eukaryotních mikroorganismů, které zajišťují rozklad organické hmoty a koloběh živin. Díky genetickým markerům, což jsou specifické úseky DNA umožňující identifikovat různé mikroorganismy, a statistické metodě PERMANOVA, která umožňuje vyhodnotit rozdíly mezi složením komunit, vědci zjistili, že typ plastu má relativně malý, ale statisticky významný vliv na mikrobiální společenstva, přibližně 3 procenta variability u bakterií a 4,2 procenta u eukaryot. Rozdíly byly nejzřetelnější mezi 36. a 94. dnem experimentu. Například u Elastollanu byl vyšší podíl řasových a mixotrofních skupin, zatímco bioplasty podporovaly větší zastoupení predátorských mikroorganismů, například heterotrofních protistů, kteří konzumují řasy a drobné eukaryotní mikroorganismy. Různé typy plastů tak mohou jemně, ale systematicky měnit strukturu mikrobiálních komunit a vzájemné interakce mezi jejich členy, což ovlivňuje tok energie a koloběh živin v ekosystému.

Když se všechny výsledky experimentu spojí, vzniká jasný a velmi zajímavý mechanismus. Mikroplasty nejprve zasahují zooplankton, drobné organismy regulující růst řas. Jeho oslabení umožní řasám rychlejší růst, což vede k vyšší tvorbě organické hmoty a zvýšené spotřebě kyslíku. Mikroorganismy reagují sekundárně, mění svou strukturu a funkce, a celý ekosystém se tak posouvá do méně stabilního režimu, aniž by došlo k okamžitému kolapsu. Významné je, že tyto změny se projevují při koncentracích mikroplastů, které odpovídají reálným podmínkám ve sladkovodních ekosystémech. Mikroplasty proto nelze považovat za pasivní kontaminanty, ale za aktivní ekologický faktor, který ovlivňuje fungování celého ekosystému. Bioplasty mají rovněž vliv, ale jejich dopady jsou méně intenzivní, méně konzistentní a méně destabilizující, což zdůrazňuje ekologický význam volby materiálu.

Když se všechny stopy spojí, sled událostí ekosystému je zřejmý. Mikroplasty zasahují nejen řasy a zooplankton, ale i složitou strukturu mikrobiálních společenstev, metabolismus celého ekosystému a tok živin. Tyto změny fungují jako skrytá indície, které postupně narušují rovnováhu vodních společenstev a zvyšují riziko eutrofizace a nedostatku kyslíku.