1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif 1212570_28446780.jpg logo_mu_cerne.gif Luděk Bláha, PřF MU Účinky látek na vyšších úrovních populace - společenstva - ekosystémy OPVK_MU_stred_2 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif Připomenutní - hodnocení ekotoxicity - biotesty •Ekotoxikologické biotesty –Nástroje pro hodnocení účinků: •nejběžnější, nejpoužívanější, nejvíce propracovaný systém –Standardní nástroje •Jednodruhové à jeden konkrétní kmen à standardní jedinci (uniformní věk, velikost apod.) •Zcela optimální podmínky –Potrava, teplota, pH, světlo –Bez dalšího biotického stresu (predátoři, infekce..) 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif ALE: … realita & cíl ekotoxikologie je à Chránit populace v ekosystémech BIOTA POPULACE SPOLEČENSTVA (interakce mezi populacemi) EKOSYSTÉMY 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif •Ekosystémy nejsou složitější než si myslíme •Ekosystémy jsou složitější než si vůbec dovedeme představit Ecosystems are NOT more complex than we think. They are more complex than we CAN think. 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif Přednáška by měla objasnit … •Co jsou … •Jaké známe účinky (příklady) … •Jak lze „prakticky“ studovat / hodnotit účinky… • •POPULACE •SPOLEČENSTVA •EKOSYSTÉMY 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif Účinky látek vs. POPULACE 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif Efekty na biochemické a organismální úrovni - relativně snadno popsatelné a stanovitelné - dobrá kvantifikace Efekty na úrovni populací a společenstev - obtížně studovatelné a kvantifikovatelné - komplexnost a variabilita - dobře prokazatelné až velké změny - pomalé projevy - organismální efekty nejsou vždy interpretovatelné - obtížně prokazatelná kauzalita "toxikant <-> efekt" - obtížně predikovatelné Fundamentální cíl ekotoxikologie studovat a chránit populace a společenstva 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif Populace - Jedinci téhož druhu, kteří obývají ve stejném čase stejné území (lokalitu) Základní „měřitelné“ PARAMETRY populací (demografické parametry) Primární parametry • natalita: počet jedinců za jednotku času (a nejčastěji jedince) • mortalita: počet jedinců kteří zemřou za jednotku času (a nejčastěji jedince) (JINAK: za jak dlouho zemře příslušný jedinec) • měřítko velikosti (performance) – úspěšnost – specifický parametr pro různé druhy (např. velikost, počet jedinců, počet semen, květů, množství biomasy aj.) Sekundární parametry - odvozené z primárních • závislost natality, mortality, performance na výchozí velikosti • frekvence (četnost / jak často?) přechodu z jedné velikostní třídy do druhé (~ rychlost růstu populace: oba uvedené body vyjadřují totéž, jen v pojetí kvantitativním a kvalitativním) 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif Vlastnosti na úrovni jedince, které jsou klíčové pro udržení/růst populací: - vyspělost k rozmnožování (rychlost dosažení / růst / pohlavní dospělost) - rozmnožování (produkce gamet – počty, kvalita…) Efekty toxických látek na úrovni jedince à projevy na úrovni populací - změny abundancí / počtů (snížení růstové kapacity) - změny natality / fekundity - změny demografie (př. stárnutí populace) EKOTOXIKOLOGIE V POPULACÍCH 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif Příklady: 1)selekce genů v populacích - antibiotika-rezistentní bakterie (viz jinde) - hmyz rezistentní na pesticidy (viz jinde) - znečištění vzduchu - drsnokřídlec v Británii: tmavé vs. Světlé varianty - rezistence (snížení citlivosti) k toxicitě kovů 2)změny v rozložení pohlaví v populacích („sex ratio“) - pohlaví u člověka - změny rozložení pohlaví u hmyzu 3)vliv toxických látek na velikost a rozmnožování - Hg vs. ryby EKOTOXIKOLOGIE V POPULACÍCH 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif E3 E3 Příklad – adaptace & přírodní selekce (drsnokřídlec březový) 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif E3 E3 Selekce rezistentních populací à Různě staré trávníky (psineček) v blízkosti průmyslu àNárůst „indexu rezistence k Cu“ 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif E3 Vliv benzenu a olova na vývojovou stabilitu u octomilky à Vyšší koncentrace à více F Biologické příčiny: Např. vyšší životaschopnost F- embryí (u člověka XX vs. XY) [potraty: častější jsou M] 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif E3 Živorodka (3 různé kmeny ryb = 3 různé genotypy) Vliv rtuti na velikost (horní obrázek) a fekunditu (spodní obr.) Různé kmeny stejného druhu à Podstatné rozdíly v citlivosti na toxikant http://www.erdingtonaquatics.com/tropfish/guppy.jpg 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif Citlivost různých vývojových stadií - zásadní význam pro demografii populace Mladší stadia (embrya) bývají citlivější k vlivům toxikantů - citlivost: rychle dělící se buňky u embryí a larev - viz embryotoxicita Důsledek - snížení fekundity à stárnutí populace Výjimky - - mechanická ochrana (povrchové vrstvy) • rezistence vajíček ryb (vs. vysoce citlivá embrya ryb) • semena rostlin, klidová stadia dalších organismů Životní cyklus druhu a populační ekotoxikologie 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif Full-size image (30 K) Citlivost různých stadií ryb – toxicita CuSO4 Fig. 2. Log LC50 variability for all available test results and for the five most frequently used fish life stages (larvae (LV), juvenile (JV), fry (FY), fingerling (FI), alevin (AL), eyed egg (EY) and adult (AD) life stage) for sulphuric acid, copper(2+) salt (1:1) (CAS 7758-98-7). Test results for all reported fish test species (A) and for Oncorhynchus mykiss (B) were compared. http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0273230009000956 Plůdek Aduit Plůdek Aduit 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif E3 Chrostíci Rozdíly v citlivosti s věkem Vyšší mortalita u starších … E3 https://encrypted-tbn1.gstatic.com/images?q=tbn:ANd9GcRYChodUkrCAl2UNhsTl-3oms-MBwBoPHQe4sauLwnU9HH rmSrg9A 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif 1)Experimentální studie reprodukční toxicity - D. magna – 21 denní reprodukční test - Žížaly – 4 týdenní reprodukční testy - chvostoskoci Folsomia candida - reprodukční testy 2)Testy s rannými vývojovými stadii - Embryonální testy (D. rerio, X. laevis) 3)Testy celoživotního cyklu - Např. pakomáři Chironomus (OECD guideline 233) 4) Modelování (např. DEB modely / viz dále) 1) Jak prostudovat účinky s dopady na populace ? 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif E3 Kontamince DDT à Tenčí a slabší skořápky vajec Obrázek – tloušťka skořápek Prázdné symboly - tloušťka před objevem DDT (1842 – 1942) Plné symboly - tloušťka v období 1970-74 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif Účinky látek vs. SPOLEČENSTVA 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif Společenstvo - biocenoza (Community) Soubor populací různých druhů, které spolu žijí v určitém prostředí (biotopu) a vzájemně spolu interagují (existence vazeb) Příklady vztahů (interakcí) mezi populacemi druhů •Kompetice (o potravu, o prostor, o světlo …) •Symbioza •Potravní vztahy / potravní řetězce • atd. atd. à důsledek: variabilita / přirozené kolísání počtů 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif E1 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif E2 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif Základní principy – ZPĚTNÉ VAZBY ZPĚTNÉ VAZBY pozitivní = nárůst „B“ způsobuje nárůst „A“ A+ B+ negativní = nárůst „B“ způsobuje pokles „A“ A- B+ Příklady: - propojené populační cykly králíka a rysa (predátor) + další součásti biocenozy à další strana 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif E3 Viz cyklus rysa 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif Jak lze společenstva popsat / parametrizovat ? •PARAMETRIZACE (měřitelné veličiny) •Působení stresorů à změny v měřitelných parametrech •Základní popis - parametry strukturní •(Parametry funkční – viz dále: ekosystémová úroveň) • •Bohatá struktura (bohatost vztahů / biodiverzita) à podmínka stability biocenozy i ekosystému 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif EKOTOXIKOLOGIE SPOLEČENSTEV - struktura - Strukturní parametry –parametry faunistické/floristické (druhové složení a zastoupení) –prostorové a časové cykly –vztahy ve společenstvu / společenstvo - prostředí • •Množství a abundance –počty jedinců –biomasa –chlorofyl-a –pokryvnost –parametry vztažené na plochu (terestr.) a objem (akvat.) 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif E3 Příklad 1 Floristický zápis: složení biocenózy stromů (5 společenstev … A-E) za různých podmínek prostředí (zde vlhkost) 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif EKOTOXIKOLOGIE SPOLEČENSTEV - struktura - Charakterizace DIVERZITY • •INDEXY –Shannon-Wiener (H´ = - S Ni/N ln (Ni/N) ) –Shannonův index vyrovnanosti (evenness) (E = H´ / lnS) –Maralefův index (D = (S-1) / lnN ) • •Poznámka: indexy jsou necitlivé na změny ve vzácných druzích … málo jedinců à malý vliv na celkový index Ni – počet jedinců druhu N – celkový počet jedinců S – počet druhů 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif Příklad – domácí úkol ? Kde je největší diverzita ? Které společenstvo je nejvyrovnanější H’ = 7/9 . ln (7/9) želvy + 1/9 . ln (1/9) oslové + 1/9 . ln (1/9) králíci = …… E = …. ? A B C 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif Posouzení podobnosti biocenóz • •INDEXY •Jaccardův index podobnosti = [C / (A + B - C)] x 100% •Sorenson’s = 2C / (A+B+2C) x 100% • •Poznámka 1: nejběžnější indexy jsou citlivé jen na kvalitativní změny v zastoupení (ANO / NE … nezohledňují početnost), ale existují i pokročilejší způsoby hodnocení • •Grafické vícerozměrné metody srovnání •PCA (Principle Component Analysis) •korespondenční analýza – C – počet společných druhů A – počet druhů na lok.A B – počet druhů na lok. B 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif Příklad – domácí úkol: ? Které dvě lokality jsou si nejpodobnější Jaccardův index podobnosti ? 1 vs. 2 = ….. 1 vs. 3 = ….. 2 vs. 3 = ….. C:\Users\ludek_blaha\AppData\Local\Microsoft\Windows\Temporary Internet Files\Content.IE5\ZIB9JPYT\MC900441407[1].wmf C:\Users\ludek_blaha\AppData\Local\Microsoft\Windows\Temporary Internet Files\Content.IE5\ZIB9JPYT\MC900441407[1].wmf C:\Users\ludek_blaha\AppData\Local\Microsoft\Windows\Temporary Internet Files\Content.IE5\ZIB9JPYT\MC900441407[1].wmf C:\Users\ludek_blaha\AppData\Local\Microsoft\Windows\Temporary Internet Files\Content.IE5\ZIB9JPYT\MC900441407[1].wmf C:\Users\ludek_blaha\AppData\Local\Microsoft\Windows\Temporary Internet Files\Content.IE5\ZIB9JPYT\MC900441407[1].wmf A B C 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif KLÍČOVÉ DRUHY (Key / Keystone species) •efekty na těchto druzích à dramatické změny celé biocenózy •Klíčové druhy •zpravidla „predátoři“ (kontrola spodních pater) • •Př. Mořské hvězdice na skalách a kamenech à pohyb a spásání biomasy / predátor •Likvidace hvězdic à přerůstání makrořas à přemnožení mlžů (slávky) • •Př. Sladkovodní ryby ovlivňují fertilitu rostlin v terestrickém ekosystému 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif nature03962-f1 Knight et al., NATURE (2005) 437: 880 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif •INDIKÁTOROVÉ DRUHY •Druhy, jejichž (ne)přítomnost indikuje určitou vlastnost ekosystému •citlivé druhy (např. pošvatky, horské ploštěnky, lišejníky) •oportunní druhy (např. pakomáři, pijavky ...) • •Různé organismy indikují různé typy stresu •Př. kontaminace živinami (dusičnany apod.) •Makrozoobentos – saprobita / řasy, rozsivky – trofie (viz dále) • •Kontaminace toxickými látkami •Lišejníky – čistota vzduchu • • 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif Příklady účinků a jejich vlivu na vztahy ve společenstvu (nejč. predátor - kořist) - působení insekticidů ve vodním prostředí à eradikace populací hmyzu (komáři) à likvidace zdroje potravy pro dravé ryby -> hmyz - rychlé rozmnožování - návrat -> ryby - pomalé rozmnožení ... dlouhodobý efekt - likvidace terminálních predátorů (bioakumulace tox. látek) -> vyhubení vlků v severní Americe -> přemnožení jelenů -> neřízené spásání vegetace luk a lesů -> vyhubení dravců (DDT) -> přemnožení hlodavců -> neřízené spásání vegetace luk a lesů Působení toxických látek à změny ekologických vztahů 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif Praktické hodnocení účinků na úrovni společenstev VÍCEDRUHOVÉ EXPERIMENTY MIKROKOSMY MEZOKOSMY 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif Vypracovány a standardizovány komplexní postupy testování - simulace přírodních podmínek - model ekologických vztahů mezi organismy (potravní řetězce) - hodnocení nepřímých efektů (likvidace producentů à další efekty v ekosystému) Experimentální uspořádání - podle velikosti (řada překryů / nejednoznačné hranice) : mikrokosmy voda - do 1 m3 stojaté, nebo 1 m tekoucí půda – experimenty s půdním jádrem : mezokosmy „větší než“ mikrokosmy - rozdělení podle uspořádání – laboratorní kontrolované podmínky - přírodní podmínky Vícedruhové hodnocení ekotoxicity https://encrypted-tbn1.gstatic.com/images?q=tbn:ANd9GcTB6r8rRIDT9LhUAxWj1Pihq609wnyqGvj6sKo0ZL0sRqm E0SwoRw 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif 1 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif Existují i standardizovaná doporučení: - mikrokosmy i mezokosmy - využívána nejčastěji při hodnocení rizik pesticidů (prostředky na ochranu rostlin) • US EPA Test Guidelines OPPTS 850.1900 Generic Freshwater Microcosm Test, Laboratory • OECD – draft dokumenty Postupy však obsahují spíše obecné požadavky - aklimatizace a příprava systému - obecné podmínky pro velikost - složení a počty organismů Každý výsledek z podobných studií je cenný - doposud relativně málo dostupných dat (ve srovnání s "klasickými biotesty") - ekonomicky i časově náročnější experimenty - realizace a interpretace vyžaduje kvalitní ekologické vzdělání - výsledky často nejsou veřejně dostupné (vlastnictví firem, které registrují pesticidy) Stále jen „model“ – řada nedostatků - Izolace od okolí (zamezení případné „rekolonizaci“) - Vnější stěny (mikrokosmy) – rychlé střídání teplot (vs. Přírodní nádrže: stabilní) atd. Standardizace mikro- a mezokosmových studií 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif http://www.oecd.org/fr/securitechimique/essaisdesproduitschimiques/32612239.pdf 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif Praktická realizace (principy stejné s biotesty) (1) Biologický systém - Příprava, osazení, aklimatizace - Kontrolní varianta - Jedna nebo více (více koncentrací) exponovaných variant - Definovaný počet opakování (replicates) - nutné – složitější systémy – větší variabilita (! i u kontrol) (2) Expozice - Dávkování - přímo do vodní fáze (vodní mikrokosmy), postřikem na povrch (simulace přirozené aplikace pesticidů), řada dalších možností, jednorázové opakované ...) - Doba expozice : podle typu mikro/mezokosmu – týdny až roky (3) Hodnocení parametrů / srovnání kontroly vs. expozice Vícedruhové hodnocení ekotoxicity 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif PŘÍKLADY MIKROKOSMY - laboratorní (indoor) - venkovní (outdoor) figure4 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif Příklad – laboratorní akvatický mikrokosmos 1 1 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif 1 Příklad - - požadavky na laboratorní mikrokosmos - model stojatého (lotického) ekosystému 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif 1 Příklad - - požadavky na laboratorní mikrokosmos - model stojatého (lotického) ekosystému 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif 1 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif Příklad 2 - - jednoduchý laboratorní akvatický mikrokosmos - simulace tekoucích vod 1 1 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif http://www.umich.edu/Images/Features/2011_12_22-features-001.jpg Simulované potoky (experimental stream) U of Michigan 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif Příklad – laboratorní terestrický mikrokosmos http://njwrri.rutgers.edu/images/microcosmexp.jpg 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif Příklad - - požadavky na terestrický mikrokosmos v půdním jádře 1 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif 1 Venkovní (outdoor) akvatický mikrokosmos s makrofyty 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif Příklad - - požadavky na venkovní mikrokosmos pro registraci pesticidů 1 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif Příklad (pokračování): požadavky na venkovní mikrokosmos pro registraci pesticidů 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif Příklad – akvatický mikrokosmos s makrofyty Lemming2.gif - 91214 Bytes 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif Příklady – venkovní mikrokosmy 1 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif Příklady – venkovní plovoucí mikrokosmy 1 1 Příklady – litorální (příbřežní) mikrokosmos 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif Venkovní experimentální mikrokosmy UFZ Leipzig http://www.ufz.de/export/data/1/24978_CMS_IMAGE.jpg 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif Příklady – venkovní mikro(mezo) kosmy – tekoucí voda UBA Německo 1 http://www.umweltbundesamt.de/wasser-und-gewaesserschutz/fsa/medien/fotos/aussenan.jpg Streams in the outdoor mesocosm © Umweltbundesamt Streams with integrated pools © Umweltbundesamt 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif Příklady – venkovní mikro(mezo) kosmy – tekoucí voda 1 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif Příklady – venkovní mezokosmy: U of North Texas 1 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif HODNOCENÉ PARAMETRY - hodnocení v rámci jednotlivých druhů - mortalita, růst - reprodukce - populační charakteristiky - hodnocení společenstva – ekologické efekty - strukturní parametry: taxonomie, indexy atd. (v praxi jsou hodnoceny častěji než funkční p.) - funkční parametry zásoby – živiny, energie procesy – produkce, respirace ... Vyhodnocení výsledků mikro / mesokosmů 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif E3 Příklad Sledování změn ve společenstvu ovlivněném 3 dávkami pesticidu (L-low, M-medium, H-high, VH = vehicle / kontrola rozpouštědla) Dvě různá uspořádání: Mikro vs. mezokosmos (malá nádrž vs. Jezero) 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif FUNKČNÍ PARAMETRY EKOSYSTÉMŮ 1) Zdroje a pohyb živin / energie (autochtonní – vnitřní / allochtonní – externí) •přenos energie = potravní sítě –pastevně kořistnický / parazitický / dekompoziční –producenti à konzumenti à destruenti/dekompozitoři • 2) Procesy v ekosystémech •Produkce Primární: CO2 + H2O + hv  (CH2O) + O2 Sekundární produkce (v potravním řetězci •Respirace / dekompozice Metriky sledování procesů: balance / výměny koncentrací plynů - O2, CO2, NOy atd. • 3) Resilience / Elasticita •jednotka [1/ time unit] •kapacita překonat stres & čas nutný k překonání stresu –vyšší: rychle rostoucí a rozmnožující se druhy (phytoplankton) –nižší: delší generační doba (bentické organismy, ryby) • 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif EKOTOXIKOLOGICKÉ BIOTESTY - PŘÍKLADY Mikroorganismy– - Vícedruhové testy - 1c 1 1b MICROBIAL ZOO DIRTLAND WATERWORLD 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif B) testy s komplexními společenstvy bakterií (1) Inhibice respirace aktivovaného kalu - stanovení efektu toxické látky na respirací bakterií - komplexní (nedefinované) společenstvo - zdroj – laboratorní kultivace, čistírny odpadních vod (biologické čištění) - expozice - Erlenmayerovy nádoby - vyhodnocení – stanovení spotřeby kyslíku (oxymetr, DO – dissolved oxygen) - modifikace – stanovení dalších parametrů – nitrifikace .... Mikrobiální ekotoxikologické biotesty 1 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif B) testy s komplexními společenstvy bakterií (2) testy kvality půdních mikrobiálních společenstev - uspořádání: A) srovnání kvality půd z různých lokalit B) umělá půda s externě přidávanými bakteriemi + testované vzorky - - komplexní (nedefinované) společenstvo - stanovení 1) biomasa – celkové množství bakterií 2) respirace a další metabolické parametry - - Mikrobiální ekotoxikologické biotesty figure4 1 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif Ekosystém: Heterogennní systém složený z biotické složky (biocenozy, biologický subsystém) a abiotické složky (ekotopu, subsystém prostředí) • Biota vs. prostředí – vztahy / zákonitosti - Klíčová zákonitost v ekosystémech z pohledu studia ekotoxikologie: „Zákonitost určujících abiotických faktorů (ekologická valence)“ 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif Klíčové zákonitosti v ekosystémech 1) Zákonitost určujících abiotických faktorů (autekologický přístup) Ekologická valence rozsah hodnot faktoru, za kterých je schopen druh (populace) existovat určující faktory – např. teplota, vlhkost, pH … koncentrace toxické látky1, 2…n 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif E3 Ekologická valence Příklad – dva faktory Valence nutno chápat „více-rozměrně“: Jedním z rozměrů - vliv toxické látky (resp. směsí chem. látek) à látky budou mít výraznější dopady (vyšší toxicitu) v podmínkách, které nejsou pro organismus optimální (např. nedostatek potravy, vyšší teplota – globální změny, změna optimální salinity, obsah O2 …) 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif 2) Zákonitosti vzájemného ovlivnění organismů (synekologický přístup - kompetice/inhibice/symbioza/parazitismus) - druh se vyskytuje nejen díky optimu environmentálních podmínek, ale i proto, že obstál v konkurenci - à Ekologická nika druhu / populace - mnohorozměrný podprostor definovaný jednotlivými ekologickými abiotickými faktory (teplota, vlhkost, sluneční záření…) a biotickými faktory (přítomnost potravy, přítomnost predátorů …). - „Fundamentální nika“ – prostor bez omezování ostatními druhy - „Realizovaná nika“ – skutečně obývaná nika - „Prázdná nika“ – druh vymře: Příklad vyhubení vlka à přemnožení jelenů, srnčí à nové obsazení niky rysem à regulace v ekosystému Klíčové zákonitosti v ekosystémech 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif 3) Zákonitosti zpětných vazeb 4) Zákonitosti časové posloupnosti - po určitých ekosystémech/společenstvech se vyskytují jen určitá další jiná společenstva (sukcese) 5) Zákonitosti prostorové - určité ekosystémy jsou obklopeny jen určitými dalšími ekotopy; mezi nimi existují charakteristické přechody (ekotony) 6) Zákonitosti biogeografie ostrovů ostrov = relativně izolované místo; např. paseka uprostřed lesa Klíčové zákonitosti v ekosystémech 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif 1212570_28446780.jpg logo_mu_cerne.gif Účinky toxických látek v ekosystémech OPVK_MU_stred_2 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif EKOSYSTÉMY a účinky toxických látek V ekosystémech lze sledovat (na rozdíl od manipulovaných biotestů) pouze retrospektivní efekty Posouzení vlivu na úrovni ekosystému -zpravidla nelze hodnotit vztahy dávka – odpověď: efekty mají kategoriální charakter (STRES +/-, EFEKT +/-) - -Při charakterizaci poškození je nutné vždy zajistit srovnání s "normálními" hodnotami. ? existuje normální stav nebo vývoj ekosystému ? - tovarna_i 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif Definice „Normálního stavu ekosystému“ není jednoduchá •STACIONÁRNÍ STAV –klidový stav, dlouhodobě ustálené hodnoty, –není běžný: ekosystémy jsou přirozeně „variabilní“ (hodnoty se dynamicky mění) •STABILNÍ STAV –stav, kdy okolní podmínky nemění podstatu věci (uvnitř může docházet ke změnám/kolísání hodnot) •DYNAMICKÁ stabilita / rovnováha: HOMEOSTÁZA –stav, kdy se prostřednictvím AKCE/REAKCE udržuje dlouhodobě stabilní stav • •! SUKCESE –ekosystémy nejsou nikdy „stacionární“ – prochází v čase vývojem: –Cílem by měla být ochrana „plynutí“ – udržování HOMEORHÉZY 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif SUKCESE EKOSYSTÉMU Sukcese je zákonitý sled změn druhového složení, který vyusťuje v náhradu jednoho ekosystému druhým - změna prostředí ekotopu rozhoduje zda, kdy a jak rychle sukcese probíhá, ALE samotný průběh je ovládán biocenozou - sukcese konční ustáleným ekosystémem (klimax), v němž je na jednotku dosažitelného toku energie produkováno nejvíce biomasy a nejvíce symbiotických vztahů mezi organismy (v klimaxu diverzita opět klesá) 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif E3 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif Změny v ekosystémech Teorie dopadů na ekosystémy vychází z předpokladu, že po ukončení působení podnětu se ekosystém vrací do původního stavu (odpovídá principům homeostázy) Současné ekosystémy jsou však spíše v nerovnovážných stavech, studovat jejich návrat do původního stavu (který v řadě případů neznáme) je tak značně obtížné E3 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif Hodnocení ekosystému - charakterizace abiotických a biotických složek - specifika akvatických a terestrických ekosystémů Možnosti studia účinků v ekosystémech - polní studie, biomonitoring - WHALE08A AKELK08 Akvatické ekosystémy Terestrické ekosystémy Charakteristiky (parametry) strukturní parametry - druhové složení, počty, abundance funkční parametry - toky energií a látek 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif Možnosti hodnocení působení stresu ! Pro posouzení stresu je nutné srovnání s "kontrolou" (1)srovnání "před a po" působení stresu kontrola = stav ekosystému před působením -předpokládá monitoring před působením stresu (sledování stavu abiotické a biotické složky ekosystému) -známe pozaďové hodnoty a "přirozený" stav (2) (2) srovnání exponovaného ekosystému s jiným nezasaženým ("kontrolním") ekosystémem klíčový je výběr kontrolního ekosystému: -oba ekosystémy mají srovnatelné vlastnosti abiotické (terén, geologie, nadmořská výška ...) -za normálního stavu se předpokládají podobné biologické vlastnosti (tj. shodná společenstva, potravní vztahy ...) -Odvození závěrů je v tomto případě vždy složité (neexistují dva stejné / stejně se vyvíjející ekosystémy) Polní studie, biomonitoring 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif Polní studie, biomonitoring Praktický postup při polní studii / biomonitoringu (1) (1)charakterizace lokality, průzkum přímo v terénu (2) (2)definice hodnocených parametrů příslušného ekosystému ve vztahu k působení stresu -abiotické složky -biotické složky – strukturní a funkční parametry (3) (3)definice odběrů (vzorkování, četnost, počty) -abiotických složek (voda, sedimenty, půda, vzduch) -biotických složek (producenti – konzumenti – destruenti) (4) (4)realizace odběrů / analýzy / hodnocení (5) (5)srovnání EXPOZICE vs. KONTROLA, závěry 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif Polní studie, biomonitoring (1)charakterizace lokality, rekognoskace terénu (2) - rozdílná charakterizace v závislosti na typu - terestrický ekosystém terénní vlivy - svažitost, vegetace ... - akvatický ekosystém tekoucí – stojatý, hloubka - plocha, rychlost toku, členitost (makrofyta ...) - další charakteristiky, které je třeba zaznamenat: - převládající počasí, směry větru, intenzita světla ... - specifické parametry (přítomnost antropogenních aktivit, zdroje znečištění ...) - mapový záznam 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif Příklad 1: Terestrické prostředí: vliv skládky http://i.idnes.cz/10/042/gal/TOM327093_MoravkaKanon12.jpg Příklad 2: Vodní prostředí à řeka 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif Polní studie, biomonitoring (2) definice parametrů ve vztahu k působení stresu (1) - abiotické složky - ve kterých složkách (voda, sediment, půda, vzduch) působí/il stresor ? - kde lze předpokládat rezidua toxických látek ? - biotické složky definice organismů, které budou sledovány pro posouzení působení stresu: - vztah k působení stresu (př. planktonní organismy – látky s tendencí zůstávat ve vodním sloupci, tj. hydrofilní vs. sedimenty-hydrofobní) - hodnocené skupiny (př. producenti – řasy; konzumenti – zooplankton, ryby; destruenti – planktonní bakterie) - klíčové druhy, bioindikátory ... - parametry hodnocení - strukturní (taxonomické parametry, biomasa, abundance ...) - funkční (produkce/respirace, potravní řetězce ...) 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif Parametrizace ekosystémů •Strukturní parametry •Složení a charakterizace abiotických částí •Složení a abundance biocenoz •Floristické a faunistické záznamy (viz jinde) • •Funkční parametry •Obecně významnější (komplexněji reflektují strukturu), ale •Komplikovanější stanovení •Méně prostudované •Základní funkční charakteristiky –velikost zásob látek a E (pool sizes) –procesy (pool processes) –elasticita / resilience 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif Polní studie, biomonitoring (3, 4) definice a realizace odběrů (vzorkování), analýzy definovaných parametrů - odběry a analýzy abiotické složky - návrh a rozložení vzorkovacích míst plošné, vertikální – hloubka, odběry vzduchu - spojování a vytváření směsných vzorků ("průměrný" vzorek z lokality) - hodnocení základních chemických parametrů (obsah uhlíku, pH …) - charakterizace a stanovení kontaminace - techniky analytické chemie a chemie životního prostředí - odběry a analýzy bioty - návrh a rozložení vzorkovacích míst - vzorkování – podle typů organismů .... - charakterizace a stanovení definovaných biotických parametrů - techniky botanických, zoologických, mikrobiologických a ekologických disciplin - charakterizace a stanovení kontaminace bioty - techniky analytické chemie a chemie životního prostředí 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif 1 Polní studie, biomonitoring Př: vzorkování – návrh rozložení vzorkovacích míst 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif Polní studie, biomonitoring Př. vzorkování – odběry abiotických vzorků figure4 Voda figure4 1 Sediment figure4 figure4 Eckmanův drapák 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif Polní studie, biomonitoring Př. vzorkování – odběry abiotických vzorků Vzduch figure4 1 Půda figure4 figure4 figure4 Půdní sonda - půdní jádro 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif figure4 Polní studie, biomonitoring AKVATICKÉ PROSTŘEDÍ – odběry biotických vzorků - Planktonní síťky figure4 figure4 figure4 Periphyton – nárosty, biofilmy figure4 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif Polní studie, biomonitoring AKVATICKÉ PROSTŘEDÍ – odběry biotických vzorků - Bentičtí bezobratlí figure4 figure4 Ryby figure4 figure4 figure4 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif Polní studie, biomonitoring TERESTRICKÉ PROSTŘEDÍ – odběry biotických vzorků - ROSTLINY Bezobratlí 1 figure4 figure4 figure4 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif Polní studie, biomonitoring TERESTRICKÉ PROSTŘEDÍ – odběry biotických vzorků - malí obratlovci figure4 figure4 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif Polní studie, biomonitoring (5) srovnání exponovaného a kontrolního ekosystému, vyhodnocení výsledků a) základní parametry srovnávaných systémů by měly být blízké (např. hodnoty pH, tvrdost vody, shodné geochemické parametry – podloží ...) - b) chemická kontaminace PROSTŘEDÍ / BIOTY v obou systémech ? existují rozdíly v koncentracích toxických látek ? existuje vztah mezi koncentrací v prostředí a v biotě (? bioakumulace) - c) srovnání biotických parametrů v obou ekosystémech ? existují rozdíly v taxonomickém složení společenstev ? existují rozdíly v pokryvnosti-abundanci-biomase ? srovnání potravních vztahů ? posouzení rezistence a resilince (jak dlouho stres působil a jak dlouho již nepůsobí)