Загальна проблема, яка на сьогодні не має свого вирішення: 1. Адекватна середовища.
оцінка
стану
екосистем
та
якості
2. Кількісна оцінка загального пошкоджуючого ефекту шкідливого чинника (чи комплексу чинників) на досліджувані системи (тобто мова йде не про якісну чи кількісну зміну окремого параметру або функції, а про системну втрату біологічної чи екологічної якості системи в цілому, що можна виразити у величині нанесеної їй шкоди).
«НІЩО НЕ ПОЗБАВЛЕНО ОТРУНОСТІ» Філіп Ауреол Теофраст Бомбаст фон Гогенгейм (Парацельс)
ПРОБЛЕМИ, ЩО РОЗГЛЯДАЮТЬСЯ: 1. КІЛЬКІСНА оцінка якості середовища. 2. Інтегральна кількісна оцінка стану екосистем. 3. Встановлення кількісних співвідношень між проявами токсичних ефектів на різних рівнях біо- та екосистем. 4. Кількісна оцінка негативних ефектів впливу токсикантів та інших несприятливих чинників на екосистему. 5. Коректне використання термінології (зокрема, “якість середовища”, “стан екосистем” тощо). 6. Продукційно-енергетичні проказники в системі оцінки стану екосистем. 7. Коливальні процеси в діагностиці стану екосистем.
НАЗВА ВИДУ Латинською мовою
Досліджено
Українською мовою
йонів
Lemna minor
Ряска мала
Pb2+, Ni2+
Lemna trisulca
Ряска тридольна
Pb2+, Ni2+
Elodea canadensis
Елодея канадська
Pb2+, Ni2+, Cr6+
Paramecium caudatum
Інфузорія туфелька
Cr6+, Pb2+
Pelmatohydra oligactis
Довгостебельчаста гідра
Pb2+, Ni2+, Cr6+
Daphnia magna
Дафнія
Pb2+, Ni2+, Cr6+
Ceriodaphnia affinis
Церіодафнія
Pb2+, Cr6+
Esox lucius
Щука
Pb2+, Ni2+
Silurus glanis
Сом
Pb2+, Ni2+
Xiphophorus helleri
Мечоносець
Pb2+, Cr6+
Poecilia reticulata
Гупі
Pb2+, Ni2+, Cr6+
Carassius auratus auratus
Золота рибка
Pb2+, Ni2+, Cr6+
Rutilus rutilus
Плітка
Cr6+
Tinca tinca
Лин
Cr6+
Perca fluviatilis
Окунь
Cr6+
Rana ridibunda
Озерна жаба
Cr6+, Pb2+, Cd
вплив
Питома швидкість росту у Lemna trisulca при різних концентраціях Pb2+ у воді залежно від інтенсивності освітлення (M±m; n = 8).
Питома швидкість росту Lemna trisulca зі різних концентрацій Ni2+ залежно від інтенсивності освітлення (M±m; n = 9).
Ріст Elodea canadensis за різного вмісту Pb2+ у воді при різній інтенсивності освітлення (M±m; n = 8)
Біопродукційні показники у Elodea canadensis на 14 добу експерименту за різної концентрації йонів Cr6+ у воді
Енергетичні витрати у личинок Rana ridibunda на стандартний (0), травний обмін при живленні досхочу (Cmax) і за раціону, що складає половину від максимального (0,5) за різних концентрацій Cr6+ у воді (M±m; n = 8).
Витрати енергії при голодуванні (C0), живленні досхочу (Cmax) і за раціону, що складає половину від максимального (C0,5) у пуголовків Rana ridibunda за різних концентрацій Pb2+ у воді (M±m; n = 9).
Зона толерантності Зона нормальної життєдіяльності
max
min
Зона оптимума
Зона песимуму
Зона песимуму
ІНТЕНСИВНІСТЬ ЧИННИКА
Базальний (основний) обмін Стандартни й Активний Травний Загальний
Енергетичні витрати (Дж/г маси тіла на добу) у личинок Rana ridibunda при різних значеннях величини добового раціону за різних концентрацій іонів хрому у воді (T = 250C)
Раціон, Енергетичні витрати (Дж/г маси тіла на добу) за різної частки від концентрації біхромату калію у воді максимального Контроль 0,001 0,010 0,100 1,000 10,000 мг Cr6+/л мг Cr6+/л
мг Cr6+/л
мг Cr6+/л
мг Cr6+/л
0 (R0)
295,4
933,8
1048,6
1352,4
995,4
877,8
0,5 (R0,5)
945,0
1134,0
1323,0
1814,4
1577,8
963,2
1 (R max)
1310,4
1481,2
1533,0
12695,0
2083,2
1323,0
(R max)/ (R0)
4,4
1,6
1,5
2,0
2,1
1,5
(R0,5)/(R0)
3,2
1,2
1,3
1,3
1,6
1,1
3,2
3,5
4,6
3,4
3,00
Ri0/R0contr.
КОЛИВАЛЬНІ ПРОЦЕСИ Дуже важливим показником токсичного впливу є різке зростання коливань значень всіх біопродукційних показників.
Динаміка росту Poecilia reticulata за різної концентрації Pb2+ у воді
Динаміка росту гупі Poecilia reticulata за різної концентрації хрому (мкгCr6+/л)
Відомо, що одна з характерних рис компенсаторно-пристосувальних реакцій організму полягає в тому, що посилення функції під впливом того чи іншого сильного чи надсильного подразника супроводжується посиленням споживання енергії й витрат відповідних структур. Саме тому встановлені нами закономірності зростання коливальних процесів в системі під впливом токсичного навантаження є одним з перших і найбільш інформативним сигналом системи на токсичний вплив. Нами встановлено, що амплітуда коливань біопродукційних показників істотна вже в перші дні токсичного навантаження. Саме тому поява флуктуацій певної амплітуди з достньою вірогідністю свідчить про розвиток токсичного ефекту і може ефективно використовуватися в системі екотоксикологічного моніторингу. Динаміка росту лина у контролі та за різного рівня хрому у воді, мг Cr6+/л, mt0 = 362±12 мг)
Показники росту лина Tinca tinca за різної концентрації хрому у воді Статисти чні показники
Середнє значення
Питома швидкість росту (% на добу) за різної концентрації хрому у воді, Контроль
0,0005 мг Cr6+/л
0,0100 мг Cr6+/л
10,0000 мг Cr6+/л
50,0000 мг Cr6+/л
7,312
7,416
7,502
2,786
1,596
0,13637
23,70083
13,18332
8,69953
13,02943
0,3096
3,6488
2,8056
2,1432
2,5232
Дисперсія Середнє відхилення
Для розуміння ролі коливальних процесів у екосистемах важливо згадати принцип нерівноважної динаміки Пригожина–Онсагера (даний принцип називається «Теоремою Пригожина»). Цей принцип обговорювався Л. Онсагером у 1931 р. і був розвинений в працях І. Пригожина (1947, 1986 та ін.). “Тут ми підходимо до одного з наших головних висновків: на всіх рівнях, будь то рівень макроскопічної фізики, рівень флуктуацій чи мікроскопічний рівень, джерелом порядку є нерівноважність. Нерівноважність є те, що породжує «порядок з хаосу» (курсив авторів)” (Пригожин, Стенгерс, 1986). “Якщо стійкі системи асоціюються з поняттям термодинамічного, симетричного часу, то нестійкі хаотичні системи асоціюються з поняттям ймовірнісного часу, що передбачає порушення симетрії між минулим і майбутнім” (Пригожин, Стенгерс, 1994). З позицій нерівноважної термодинаміки еволюція має задовольняти три основні вимоги: • незворотність, яка виражається в порушенні симетрії між минулим і майбутнім; • необхідність запровадження поняття «подія»; • деякі події повинні мати здатність змінювати хід еволюції. Умови формування нових структур: • відкритість системи; • її стан далекий від рівноваги; • наявність флуктуацій.
Дія фактору
первинна відповідь
біфуркація ( флуктуація)
РЕАКЦІЯ СИСТЕМИ е
F2
флуктуації F4 адаптація
F1
F3 F 0 - елімінація
F 3 -пригнічення
t, час
якість середовища – це ступінь відповідності (адекватності) його потребам (особливостям) системи, що розглядається (екосистема, біоценоз, популяція тощо). шкодочинність – здатність певного чинника, їх окремих груп чи всього комплексу в цілому знижувати стан благополуччя системи.
ШЧ = 100% – ЯС;
Зв’язок між якістю середовища, станом благополуччя системи і шкодочинністю
Таким чином, встановлено: 1.Кількісний зв’язок між станом біо- і екосистем і змінами ентропії цих систем. 2.Можливість допорогової діагностики токсичних ефектів за частотою і амплітудою коливань значень відповідних показників біосистем 3.Різні сценарії ефектів токсичного впливу у залежності від доступної біосистемі енергії. 4.Це практично вперше уможливило кількісну оцінку стану якості середовища для біосистем різного рівня та діагностику нормального і патологічного їх стану.
ЕНТРОПІЙНА ОЦІНКА ВПЛИВІВ ЧИННИКІВ dSе = dS0 + dSа де: dS0 – приріст ентропії, викликаний нерівноважними процесами всередині системи; dSа – внесок навколишнього середовища. Крім того, врахування термодинамічних характеристик середовища в ентропійних одиницях дозволяє також оцінити вплив як хімічних, так і фізичних чинників:
dSа = dSх + dSф, dSэ = dS0 + dSа де Sx, Sф – значення антропогенного навантаження відповідно хімічної й фізичної природи
ВИСНОВКИ 1. Адекватну оцінку якості середовища можна давати лише за станом благополуччя біосистем. 2. У токсичному середовищі істотно змінюється характер біопродукційних процесів, що обумовлено суттєвими зрушеннями структури енергетичного балансу біологічних систем, спрямованими на підтримання певного рівня їх функціональної активності. Зокрема, значно зростають енерговитрати на підтримання життєдіяльності та, відповідно, знижується ефективність трансформації речовини і енергії. Це уможливлює кількісну оцінку токсичних ефектів. 3. Енергоємність компенсаційних механізмів, які розвиваються за інтоксикації середовища важкими металами, перевищує величину стандартного обміну в 1,5 – 4,5 рази. При цьому енергоємність біологічних систем підтримується на певному рівні за рахунок зростання споживання ними енергії. Подальше зростання рівня токсичності середовища призводить до зниження енергоємності біосистем та рівня споживання ними енергії внаслідок згасання їх функціональної активності.
4. У залежності від рівня токсичності середовища встановлені три стадії розвитку токсичного ефекту: 1 – незначні відхилення середніх значень біопродукційних показників від контролю на тлі істотного зростання амплітуди їх коливань при суттєвому зростанні енерговитрат на підтримання життєдіяльності; 2 – затухання коливань і зниження значень біопродукційних показників, що пов’язано зі згасанням функціональної активності біосистем; 3 – різке зниження інтенсивності біопродукційного процесу до його припинення з наступним летальним завершенням. 5. Рівень токсичних ефектів істотно залежить від величини енергії, що доступна біосистемі. ЇЇ обмеження істотно підсилює токсичні ефекти (особливо на першій стадії їх розвитку), що пов’язано з суттєвим зростанням енерговитрат у токсичному середовищі. На другій, і, особливо, третій стадії розвитку токсичного ефекту величина доступної біосистемі енергії вже не відіграє важливої ролі, оскільки має місце згасання функціональної активності біосистем та відповідне суттєве зменшенням їх енерговитрат. Тому на цих стадіях токсикозу значно знижується споживання речовини і енергії. 6. Встановлені залежності уможливлюють оціку стану екосистем і якості середовища для біосистем, а також
ДЯКУЮ ЗА УВАГУ !