EKOTOXIKOLOGIE, BIOINDIKACE A BIOMONITORING PETR ANDĚL
EVERNIA LIBEREC
2011
Ekotoxikologie, bioindikace a biomonitoring Autor: Doc. RNDr. Petr Anděl, CSc. Recenzenti: Doc. RNDr. Jakub Hofman, PhD. RNDr. Vojtěch Vyhnálek, CSc. Ing. Václav Přibáň © Petr Anděl, 2011 ISBN 978-80-903787-9-7
Obsah PŘEDMLUVA..........................................................................................................................................1
1. ÚVOD DO EKOTOXIKOLOGIE
5
1.1 Definice a vymezení oboru.............................................................................................................7 1.2 Základní teoretická východiska.................................................................................................. 10 1.2.1 Systémový přístup.................................................................................................................... 10 1.2.2 Vztah expozice a účinku.......................................................................................................... 18 1.2.3 Pravděpodobnostní charakter hodnocení rizika.................................................................... 20 1.2.4 Evoluční přístup........................................................................................................................ 21 1.3 Hodnocení ekologických rizik (EcoRA)........................................................................................ 23 1.4 Případová studie – Netopýři....................................................................................................... 25
2. ZÁKLADY METODIKY EKOTOXIKOLOGIE
27
3. TOXIKANT
47
2.1 Metodiky hodnocení expozice..................................................................................................... 28 2.1.1 Hodnocení pohybu a přeměn toxikantu v prostředí............................................................... 29 2.1.2 Hodnocení hladin a rozšíření toxikantu v prostředí............................................................... 29 2.2 Metodiky hodnocení účinku........................................................................................................ 31 2.2.1 Protichůdné požadavky na metodiky...................................................................................... 31 2.2.2 Základní typy metodik hodnocení účinku............................................................................... 32 2.2.3 Další kritéria pro klasifikaci metodik...................................................................................... 36 2.2.4 Matematické modely hodnocení účinku................................................................................ 36 2.3 Bioindikační metody.................................................................................................................... 37 2.3.1 Definice .................................................................................................................................... 37 2.3.2 Obecné metodické schéma bioindikace................................................................................ 39 2.4 Případová studie – Košetice....................................................................................................... 43 3.1 Základní charakteristika toxikantů............................................................................................. 48 3.2 Hierarchické uspořádání toxikantů............................................................................................ 49 3.3 Vlastnosti ovlivňující chování toxikantŮ......................................................................................51 3.3.1 Polarita látek.............................................................................................................................51 3.3.2 Formy výskytu kovů.................................................................................................................. 54 3.4 Přehled hlavních skupin toxikantů............................................................................................. 55 3.5 Případová studie – Toxafen a bavlna......................................................................................... 57
4. BIOSYSTÉM
61
5. EXPOZICE – OBECNÁ CHARAKTERISTIKA
79
6. EXPOZICE – OSUD LÁTEK V PROSTŘEDÍ
97
4.1 Obecné vlastnosti živých soustav............................................................................................... 63 4.2 Hierarchické uspořádání živých soustav.................................................................................... 64 4.3 Vlastnosti organismů ovlivňující chování k toxikantům............................................................ 69 4.3.1 Taxonomické zařazení.............................................................................................................. 69 4.3.2 Ekologická nika........................................................................................................................ 72 4.4 Vitalita biologického systému..................................................................................................... 72 4.5 Případová studie – Odumírání lesních porostů..........................................................................74
5.1 Model pro popis expozice........................................................................................................... 80 5.1.1 Kompartment........................................................................................................................... 81 5.1.2 Rozhraní.................................................................................................................................... 82 5.2 Bilance látkového toku................................................................................................................ 85 5.2.1 Definice veličin......................................................................................................................... 85 5.2.2 Základní bilanční rovnice......................................................................................................... 86 5.2.3 Doplnění základní bilanční rovnice......................................................................................... 87 5.2.4 Dávka toxikantu....................................................................................................................... 88 5.3 Prostorová specifikace látkové bilance...................................................................................... 89 5.4 Časová specifikace expozice...................................................................................................... 91 5.5 Případová studie – Geomon....................................................................................................... 92
6.1 Procesy při pohybu a přeměnách toxikantů v prostředí............................................................ 98 6.1.1 Difúze...................................................................................................................................... 100 6.1.2 Sorpce..................................................................................................................................... 101 6.1.3 Volatilizace.............................................................................................................................. 105 6.1.4 Fotolýza................................................................................................................................... 107 6.1.5 Hydrolýza................................................................................................................................. 107 6.1.6 Oxidace................................................................................................................................... 108 6.1.7 Biokoncentrace...................................................................................................................... 108 6.1.8 Biologická degradace............................................................................................................. 110 6.2 Osud látek v ekosystému.......................................................................................................... 111 6.2.1 Vstup toxikantu do prostředí – emise................................................................................... 111 6.2.2 Pohyb toxikantu v ovzduší..................................................................................................... 113 6.2.3 Pohyb toxikantu vodou........................................................................................................... 116 6.3 Cesty expozice na úrovni organismu........................................................................................ 119 6.3.1 Vyšší rostliny........................................................................................................................... 119 6.3.2 Obratlovci................................................................................................................................ 120 6.4 Akumulační bioindikátory......................................................................................................... 122 6.5 Případová studie – Bryomonitoring.......................................................................................... 124
7. ÚČINEK – OBECNÁ CHARAKTERISTIKA
129
7.1 Ekotoxikologický účinek............................................................................................................. 131 7.2 Projevy účinku............................................................................................................................ 132 7.3 Závislost mezi dávkou a účinkem............................................................................................. 133
7.3.1 Zákon tolerance...................................................................................................................... 133 7.3.2 Křivky dávka – odpověď........................................................................................................ 134 7.3.3 Komentáře k zákonu tolerance............................................................................................. 137 7.4 Časová specifikace účinku........................................................................................................ 143 7.5 Vyhodnocení účinků pro potřeby legislativní regulace............................................................ 145 7.5.1 Příprava odborných podkladů................................................................................................ 145 7.5.2 Legislativní stanovení limitu.................................................................................................. 147 7.6 Případová studie – Potkan........................................................................................................ 148
8. ÚČINKY NA ÚROVNI ORGANISMU
151
9. ÚČINKY NA ÚROVNI POPULACE
171
8.1 Genotoxicita............................................................................................................................... 152 8.2 Biochemické reakce.................................................................................................................. 154 8.3 Fyziologické reakce................................................................................................................... 156 8.3.1 Energetický metabolismus.................................................................................................... 156 8.3.2 Udržování integrity a řízení organismu................................................................................. 158 8.3.3 Imunitní systém...................................................................................................................... 158 8.3.4 Detoxikace organismu........................................................................................................... 160 8.3.5 Růst......................................................................................................................................... 160 8.3.6 Rozmnožování........................................................................................................................ 161 8.3.7 Hormonální regulace............................................................................................................. 162 8.4 Anatomicko-morfologické reakce............................................................................................. 164 8.5 Změny chování........................................................................................................................... 165 8.6 Rekapitulace základních scénářů působení toxikantu na úrovni organismu........................ 166 8.7 Případová studie – Ohrožení dravých ptáků pesticidy............................................................ 167
9.1 Populační dynamika.................................................................................................................. 173 9.1.1 Bilanční rovnice populační dynamiky.................................................................................... 173 9.1.2 Natalita....................................................................................................................................174 9.1.3 Mortalita..................................................................................................................................176 9.1.4 Emigrace a imigrace.............................................................................................................. 178 9.2 Genotypová variabilita populace.............................................................................................. 179 9.3 Velikost a hustota populace..................................................................................................... 180 9.4 Rekapitulace základních scénářů působení toxikantů na úrovni populace.......................... 184 9.5 Případová studie – Sýček obecný............................................................................................ 184
10. ÚČINEK NA ÚROVNI SPOLEČENSTVA A EKOSYSTÉMU 187 10.1 Vliv na strukturu ..................................................................................................................... 189 10.1.1 Druhové složení společenstva a biodiverzita..................................................................... 189 10.1.2 Bioindikační druhy............................................................................................................... 190 10.1.3 Kvantitativní parametry společenstva používané k bioindikaci........................................ 193 10.2 Vliv na tok energie................................................................................................................... 194 10.2.1 Obecné zákonitosti vlivu toxikantu na tok energie............................................................ 194 10.2.2 Vazby na bioindikační metody............................................................................................. 196 10.2.3 Zvýšená dotace UV záření................................................................................................... 197 10.3 Vliv na koloběh hmoty............................................................................................................. 198 10.4 Vliv na řízení ........................................................................................................................... 201
10.5 Vliv na vývoj ............................................................................................................................ 205 10.6 Rekapitulace scénářů působení toxikantů na úrovni společenstva a ekosystému............ 208 10.7 Případová studie – Bioindikace imisní zátěže pomocí lišejníků.......................................... 208
11. BIOINDIKACE V SUCHOZEMSKÉM EKOSYSTÉMU
215
12. BIOINDIKACE VE VODNÍM PROSTŘEDÍ
229
13. ZÁVĚR
243
11.1 Obecná charakteristika suchozemského ekosystému ve vazbě na bioindikaci................. 216 11.2 Půda . ...................................................................................................................................... 217 11.2.1 Hodnocení expozice............................................................................................................. 217 11.2.2 Hodnocení účinků................................................................................................................ 218 11.3 Les............................................................................................................................................ 219 11.3.1 Hodnocení zdravotního stavu porostů................................................................................ 219 11.3.2 Monitoring lesních porostů................................................................................................. 223 11.4 Přehled vybraných bioindikačních metod.............................................................................. 224 12.1 Obecná charakteristika vodního prostředí ve vztahu k bioindikaci..................................... 230 12.2 Kyslíkový režim vod................................................................................................................. 232 12.3 Hodnocení saprobity............................................................................................................... 233 12.4 Monitoring podle Rámcové směrnice o vodách.................................................................... 234 12.5 Biologické systémy včasného varování................................................................................. 236 12.6 Přehled vybraných bioindikačních metod.............................................................................. 237
Seznam zkratek Výsledky k vybraným otázkám a cvičením Literatura Rejstřík Seznam příkladů
245 247 252 261 264
PŘEDMLUVA Ropná katastrofa v Mexickém zálivu v roce 2010 nebo stovky ptáků otrávených návnadami na hlodavce jsou události, které obrátí pozornost veřejnosti k problematice chemických látek a životního prostředí. Ukazují ale pouze jednu stránku problému, tu, kdy důsledky jsou zcela evidentní a alarmující. Je tady ale ještě druhá stránka, která probíhá skrytě, ale přitom bude celkově pro člověka a přírodu nebezpečnější. Jsou to tisíce chemických látek uvolňovaných lidskou činností do životního prostředí, které se dostávají do kontaktu s přírodními ekosystémy a mají zde větší či menší negativní účinky. Ty nejsou na první pohled často vůbec pozorovatelné, postupně se kumulují a představují velké riziko do budoucna. Příklady freonů a ozonové díry, vedlejších účinků pesticidů či pozdě zjištěné toxicity polychlorovaných bifenylů jsou dostatečně známé. Věda, která se zabývá vztahem mezi toxickými látkami a živými organismy, se jmenuje ekotoxikologie. Jedná se o relativně mladý, rychle se rozvíjející obor, ale obecné povědomí o zákonitostech těchto vztahů není dosud příliš velké. Cílem předkládané učebnice je poskytnout základní přehled o struktuře ekotoxikologie, hlavních principech, používaných metodách a závěrech, které je třeba respektovat v praxi. Zvláštní důraz je přitom věnován té části ekotoxikologie, která se zabývá tzv. bioindikací. Bioindikační metody sledují reakce organismů na chemické látky a na jejich základě usuzují na intenzitu toxického vlivu nebo kontaminace prostředí. Velký význam bioindikačních metod spočívá ve včasném vyhledávání problémových situací, v testování nových chemických látek a systematické kontrole stavu životního prostředí pomocí biomonitoringu. V jejich praktickém využití jsou dosud velké rezervy a je cílem učebnice tyto metody více přiblížit odborné i široké veřejnosti. Učebnice je určena pro všechny vysokoškolské studenty, kteří se v rámci studia seznamují s problematikou vztahu chemických látek a živých organismů, tedy zvláště pro obory ekotoxikologie, ekologie a ochrana životního prostředí. Studenti pedagogických oborů biologie a chemie zde mohou nalézt řadu námětů pro výuku na středních i základních školách. V neposlední řadě může být vhodným úvodem do problematiky pro ty, kteří se jak z pozice pracovníků státní správy, tak i dalších organizací zabývají sledováním kvality životního prostředí. Struktura učebnice vychází ze základního členění ekotoxikologie. Kapitola 1 se zabývá definicí oboru a výchozími metodickými principy, jako jsou systémový přístup, pravděpodobnostní přístup, hodnocení expozice a rizika. Obecný přehled metodických postupů a jejich klasifikace je uveden v kapitole 2 a vytváří tak základní pracovní
2|
rámec, do kterého je možné zasadit konkrétní metodiky popisované v dalších kapitolách. V ekotoxikologii se jedná o vzájemný vztah dvou subjektů: toxické chemické látky (toxikantu) a živých organismů na různých hierarchických úrovních (biosystému). Charakteristice těchto subjektů jsou věnovány kapitoly 3 a 4. Při interakci chemické látky a organismu se rozlišují dvě základní fáze: expozice a účinek. Tomu odpovídají i dva následující oddíly. Oddíl expozice zahrnuje kapitoly 5 a 6 a zabývá se obecnými charakteristikami expozice a cestou chemické látky v prostředí od zdroje k ekosystému a potažmo ke konkrétnímu organismu. Oddíl účinku se skládá ze čtyř kapitol. Obecná charakteristika účinků látek je popsána v kapitole 7, na ni navazují popisy účinků od úrovně organismu (kap. 8) přes úroveň populace (kap. 9) k úrovni společenstva a ekosystému (kap. 10). Výše bylo uvedeno, že zvláštní pozornost je v učebnici věnována bioindikaci a biomonitoringu. Tyto metody jsou průběžně popisovány a diskutovány v celém textu, kapitoly 11 a 12 přinášejí jejich rekapitulaci pro terestrický a vodní ekosystém. Závěrečná kapitola 13 se zamýšlí nad perspektivou ekotoxikologie včetně využití bioindikačních postupů v ochraně životního prostředí v budoucnosti. Na závěr ještě metodická poznámka: Ekotoxikologie je obor velmi širokého zaměření, jak vyplývá z velkého množství chemických látek i organismů, které jsou s nimi ve vzájemném kontaktu. Současně má i multidisciplinární charakter. Prolínají se zde znalosti chemie, fyziky, matematiky, jednotlivých biologických oborů a mnoha dalších. To vše ztěžuje zpracování základního učebního textu, který by měl postihnout to podstatné na omezeném počtu stran. V učebnici byl zvolen postup, při kterém je kombinován (i) základní text zaměřený na obecné principy a zákonitosti a (ii) příklady a případové studie, které podrobně rozebírají dílčí vybranou část. Tyto příklady jsou pojaty komplexně, aby popisovaly problém v celé šíři, nejen z toho hlediska, které je probírané přímo na daném místě textu. Vztahují se k více tématům v učebnici, je na ně průběžně odkazováno a pracuje se s nimi i v rámci cvičení. Graficky jsou odlišeny, označeny symbolem P s číslem kapitoly a pořadím v kapitole např. (P4-5). Moje upřímné poděkování patří panu prof. RNDr. Ivanu Holoubkovi, CSc. a dalším kolegům a kolegyním z RECETOXU za inspiraci a cenné rady a dále všem, kteří se jakkoliv na přípravě učebnice podíleli. Petr Anděl
Struktura knihy definice, základní principy
1–úvod
metody práce
2–metodika
hlavní subjekty ekotoxikologie
3–toxikant
4–biosystém
EXPOZICE 5–obecné principy hlavní etapy ekotoxikologie
ÚČINEK
6–expozice ekosystému, organismu
7–obecné principy 8–úroveň organismu 9–úroveň populace 10–úroveň ekosystému
bioindikace
perspektivy
11–suchozemský ekosystém
12–vodní ekosystém
13–závěr
příklad kapitoly 8-7
166 |
8.6 Rekapitulace základních scénářů působení toxikantŮ na úrovni organismu Ze široké variability různých účinků na úrovni organismu (jedince) lze generalizovat 3 základní, nejčastěji se opakující scénáře: Akutní otrava – většinou jednorázové a krátkodobé působení toxikantu vede k narušení hlavních integrujících soustav (nervové a cévní) a k vážnému poškození organismu s častým následkem smrti. Chronická otrava – většinou opakované a dlouhodobé působení nižších dávek toxikantu vede k postupnému překročení únosné míry zátěže cílových orgánů (játra, ledviny atd.) a k vážnému poškození organismu s možným následkem smrti. Latentní snižování vitality – dlouhodobé působení nízkých podprahových dávek celé směsi toxikantů v prostředí vede k pomalému a skrytému snižování vitality organismu, poklesu energetických zásob, oslabení imunitního systému aj. Tento stav se sám o sobě navenek příliš neprojevuje. Teprve vlivem působení dalších faktorů (abiotických stresorů, parazitů aj.) dojde k závažnému poškození organismu s možným následkem smrti. Z hlediska celkového působení toxikantu na živé organismy je třetí scénář (latentní snižování vitality) nejnebezpečnější, protože se vlastně dotýká všech organismů.
8.7 Případová studie – Ohrožení dravých ptáků pesticidy DDT DDT je hlavním a nejznámějším zástupcem chlorovaných insekticidů. Jeho aplikace od 40. let 20. století byla průlomovým zlomem v chemickém boji proti škůdcům. DDT sehrálo velkou pozitivní roli v boji proti malárii a dalším chorobám přenášeným hmyzem, ale současně jeho aplikace upozornily na vedlejší negativní účinky pesticidů. DDT i produkt jeho rozkladu DDE se vyskytují ve dvou izomerech s odlišnými účinky (viz obr. 8-4). Ztenčování skořápek DDT má vzhledem ke svému lipofilnímu charakteru tendenci kumulovat se v potravním řetězci. U vrcholových predátorů mohou vysoké obsahy DDT a jeho metabolitů vyvolávat závažné fyziologické změny. Příkladem jsou někteří draví a vodní ptáci. U řady těchto druhů bylo zjištěno, že v místech kontaminovaných DDT dochází ke ztenčování a redukci vaječných skořápek, snížení jejich váhy a obsahu vápníku. Studie prokázaly, že metabolity DDT (především DDE) ovlivňují normální transport a metabolismus vápníku tím, že inhibují enzym Ca2+ – ATPázu v buňkách žlaznatého epitelu vaječné skořápky. Tím dochází k jejímu ztenčování, vajíčka se snadno v průběhu sezení rozbijí a počet odchovaných mláďat klesá. V konečném důsledku to ohrožuje existenci celé populace. Vztah k DDT byl prokázán korelací mezi tloušťkou skořápky a obsahem DDE (obr.8-5) a dále porovnáním vaječných skořápek z muzejních sbírek z doby před aplikací DDT, Ratcliffův index
8 ÚČINKY NA ÚROVNI ORGANISMU
167 Obr. 8-4: Izomery DDT a DDE
DDT p,p‘ DDT
o,p‘ DDT
hlavní insekticidní účinek neurotoxicita
xenoestrogenní aktivita 2 izomery
Cl Cl
Cl
Cl
Cl
Cl Cl
Cl
Cl
Cl
p,p‘ DDE
o,p‘ DDE
velká perzistence v životním prostředí
xenoestrogenní aktivita
Cl
metabolity
Cl
Cl
Cl
Cl
Cl
Cl
Cl
v průběhu aplikace a po zákazu používání. Hodnocen byl Ratcliffův index (R.I.). Ten je poměrem mezi váhou skořápky (mg) a součinem délky a šířky vajíčka (mm). R.I. = váha skořápky / (délka × šířka vajíčka)
Výsledky ukázaly na jasnou časovou souvztažnost mezi aplikací DDT a ztenčováním R.I. = Ratcliffe´s index = váha skořápky (mg) / délka * šířka (mm skořápek – viz obr. 8-5 a 8-6 (Newton 1979).
aplikace DDT
tloušťka skořápky (% stavu před DDT)
R.I. 100
maximum
2,0
minimum 50
0
1,0
1
10
100
1000 DDE (ppm)
Obr. 8-5: Závislost tlouštky skořápky na koncentraci DDE
0 1850
1900
1950
2000 rok
Obr. 8-6: Vývoj hodnot Ratcliffova indexu v závislosti na aplikaci DDT
168 |
Sokol stěhovavý K nejvíce postiženým druhům patřil sokol stěhovavý (Falco peregrinus), jehož celoevropská populace se v letech 1956–1965 skoro zhroutila a teprve po zákazu používání chlorovaných pesticidů došlo k postupnému zotavení. Mírně rostoucí tendence pokračuje i v současnosti. Situace v ČR byla následující: nejvyšší stavy byly prokázány v letech 1930–50, kdy sokol hnízdil ve všech lokalitách s vhodnými skalnatými partiemi. Po roce 1950 došlo k prudkému poklesu stavů a v letech 1973–77 nebylo prokázáno žádné hnízdění. V letech 1985–89 byla početnost odhadnuta na 0–5 párů, v roce 2001–2003 asi 20–25 párů. I přes tuto příznivou tendenci je u nás tento druh v Červeném seznamu stále v kategorii kriticky ohrožený (Šťastný, Bejček et Hudec sokol stěhovavý 2006). Vajíčka jako bioakumulátory Vajíčka ptáků a plazů lze využívat k bioindikaci nejen z hlediska ztenčení skořápky, ale i kumulace lipofilních toxikantů. Vajíčka obsahují velké množství tuku a bílkovin a mají pro kumulaci značný potenciál. Při produkci vajíček dochází v těle samic ke spotřebovávání tukových zásob, a tím i k mobilizaci toxikantů, které přecházejí do tuků produkovaných vajíček. Zvýšené obsahy PCB, DDT, DDE a dalších látek ve vajíčkách byly prokázány a je možné je využívat jako materiál pro bioindikaci kontaminace dotyčných ekosystémů. K monitoringu v Severní Americe se používají vajíčka např. těchto druhů: racek stříbřitý (Larus argentatus), papuchalk ploskozobý (Fratercula arctica), buřňáček (Oceanodroma leucorhoa) a želva kajmanka dravá (Chelidra serpentina). U některých chráněných druhů by byl sběr vajíček pro analýzu nevhodným papuchalk ploskozobý zásahem. Proto byla vyvinuta nedestruktivní metoda, která je založena na analýze zárodečných obalů chorionu a allantoisu, jejichž zbytky zůstávají ve vajíčku po vylíhnutí mláďat a které rovněž kumulují organické toxikanty (Portelli et Bishop 2000).
Kolonie mořských ptáků poskytují po vyhnízdění dostatek zbytků vajíček jako materiál pro bioakumulační monitoring perzistentních organických látek (na fotografii kolonie terejů).
8 ÚČINKY NA ÚROVNI ORGANISMU
? 169
Otázky a cvičení C8-1: Spalování všech druhů fosilních paliv a odpadů patří k nejdůležitějším zdrojům dioxinů v životním prostředí. Týká se to i domácích topenišť. V čem spočívají hlavní rizika expozice člověka dioxiny z domácích topenišť? C8-2: V příkladu P8-10 je uvedena koncentrace olova v listovém opadu a v těle stínky. Vypočítejte biokoncentrační faktor a porovnejte výsledky pro jednotlivá místa odběrů. C8-3: Široké spektrum navržených indikačních rostlin pro hodnocení genotoxicity prostředí in situ (příklad P8-2) umožňuje při volbě indikátoru respektovat řadu ekologických faktorů, jako je např. období pro odběr vzorků. Jaké druhy rostlin byste zvolili pro jarní a pro podzimní sledování? C8-4: Pří testování vlivu freonů na rostliny (P10-6) byla zjištěna řada účinků. Které to jsou a do jaké skupiny účinků na úrovni organismu je lze zařadit? C8-5: V příkladu P8-8 je uveden test reprodukční toxicity na ptácích. Uveďte příklady dalších testů, které hodnotí reprodukční toxicitu. Využijte přehledy v kap. 11.4 a 12.6.
Významným negativním vlivem pesticidů je jejich nespecifické působení, kdy je dotčena řada necílových druhů. Příkladem specifického využití jedu v přírodě je jehličnan tis červený (Taxus baccata). Celý strom (jehličí, kůra, semena) je prudce jedovatý kromě sladkého dužnatého červeného míšku, který obaluje semena. Ptáci, kteří rádi míšek konzumují se neotráví, semena projdou trávicím traktem neporušená a dochází tak k jejich šíření do okolí.
příklad kapitoly 10-2
194 |
hody jednotlivých indexů jsou závislé na podmínkách a předmětu hodnocení (Dušek 2002). Nejčastěji používaným indexem je Shannonův index diverzity (H): S
H = - Σ Pi ln Pi i=1
Pi – podíl počtu jedinců i-tého druhu na celkovém počtu jedinců S – celkový počet druhů
c) Hodnocení pomocí syntetizujících indexů kvality prostředí Jedná se o indexy, které strukturu společenstva přepočítávají na základě různé citlivosti jednotlivých druhů na modelovou hodnotu celkové zátěže prostředí. Tyto indexy mají tyto základní charakteristiky: ¾¾ Vychází ze skutečnosti, že citlivost jednotlivých druhů k toxikantu se liší, tyto druhy charakteristiky syntetizujících indexů se označují jako indikační. ¾¾ Citlivost indikačních druhů lze kvantifikovat – většinou za použití semikvantitativních stupnic, kde na jedné straně jsou druhy vysoce odolné a na druhé straně druhy vysoce citlivé. Každému druhu je tedy přiřazena určitá váha (w) z hlediska toxitolerance. ¾¾ U každého indikačního druhu lze stanovit parametr, který modeluje míru výskytu daného druhu na hodnoceném místě (frekvence výskytu, abundance, celková biomasa aj.). ¾¾ Je stanoven algoritmus, kterým se ze tří základních proměnných (počet indikačních druhů, jejich citlivost, hojnost jejich výskytu) vypočítá celková hodnota indexu. ¾¾ Indexy mohou být konstruovány tak, že jsou buď přímo, nebo nepřímo úměrné kontaminaci prostředí. Příklady těchto indexů: ¾¾ index saprobity (viz kap. 12) ¾¾ lišejníkové indexy čistoty ovzduší (viz případová studie v kap. 10.7)
10.2 Vliv na tok energie 10.2.1 Obecné zákonitosti vlivu toxikantu na tok energie Základním zdrojem energie pro ekosystémy je sluneční záření. Energie zde obsažená ve formě elektromagnetického záření je v rostlinách procesem fotosyntézy přeměňována do formy energie chemické vazby. Ta je potom dále využívána v potravních řetězcích a přeměňována do formy tepelné energie, v jejíž podobě odchází přes atmosféru do vesmírného prostoru. Chemické látky produkované člověkem ovlivňují všechny části tohoto řetězce (obr. 10-1): ¾¾ příjem slunečního záření – ovlivňován látkami působícími narušování ozonové tok energie v ekosystému vrstvy (např. freony) ¾¾ fotosyntéza – vliv herbicidů a jiných toxikantů ¾¾ potravní řetězec (producenti, konzumenti, destruenti) – vliv pesticidů a jiných toxikantů ¾¾ výdej tepla z atmosféry – ovlivňován látkami způsobujícími tzv. skleníkový efekt (např. oxid uhličitý, metan, oxid dusný) Z energetického hlediska je pro ekosystém zásadní vliv toxikantu na dominantní producenty. Jejich zasažení vede ke snížení produkce biomasy, což se odráží na všech
Vliv toxikantů na tok energie 10 ÚČINky NA ÚROVNI SPOLEČENSTVA A EKOSYSTÉMU
slunce
vesmír
energie elektromag. záření
fotosyntéza
látky narušující ozónovou vrstvu, freony
195 Obr. 10-1: Vliv toxikantů na tok energie
energie tepelná
energie chemické vazby
pesticidy + další chemické látky
dýchání
skleníkové plyny
dalších trofických úrovních. V krajních případech může dojít i k rozpadu celého ekosystému, např. ¾¾ rozpad horských smrkových lesů pod vlivem imisí ¾¾ destrukce tropických lesů herbicidy a defolianty ve Vietnamské válce (P10-3). Přitom vlastní pokles produkce nemá na ekosystém tak zásadní vliv jako rozpad prostorové struktury, kterou v lesích stromy jako dominantní producenti vytvářejí. Samotná produkce biomasy silně kolísá i v přirozených podmínkách pod vlivem dalších abiotických faktorů, především srážek. Působení toxikantu na dominantní druhy producentů může vést k rozpadu celého ekosystému. Likvidace prostorové a funkční struktury je přitom větším problémem než snížení produkce biomasy. Příklad P10-3: V průběhu Vietnamské války (1964–1973) používaly USA k podpoře svých vojenských akcí velkoplošné aplikace herbicidů a defoliantů (látky způsobující opadávání listů). Celkem bylo letecky shozeno cca 90 000 tun těchto látek. Jednalo se především o tři typy bojových látek: (1) Agent Orange – tvořený směsí kyseliny 2,4-D a 2,4,5-trichlorphenoxyoctové kyseliny. Jako vedlejší produkt výroby obsahovala tato látka významné množství 2,3,7,8-tetrachlorodibenzo-p-dioxinu, který patří k nejtoxičtějším dioxinům, (2) Agent White – tvořený kyselinou 2,4-D a picloramem, (3) Agent Blue – obsahující jako hlavní složku kyselinu kakodylovou. Postřiky bylo postiženo cca 10 % celkové rozlohy deštných pralesů, 35 % mandragových lesů a 3 % rozlohy obdělávané půdy. Důsledky těchto akcí jsou patrné dodnes a projevují se: (i) pomalou zpětnou regenerací, zvláště tam, kde byly postřiky opakovány 3–4krát, (ii) rapidním poklesem úrodnosti půdy tam, kde došlo k přeměně lesů na travnaté plochy a bambusové lesy. Poklesl obsah minerálních živin, dusíku, pH půdy, což komplikuje možnosti diverzifikované rekolonizace, (iii) poklesem počtu živočichů, (iv) dlouhodobým rizikem teratogenních a karcinogenních účinků na volně žijící živočichy a lidi. Množství dioxinů uvolněných přímo do prostředí patří k největším v celé historii. Celkově je daný příklad ukázkou, že klimaxové systémy jsou schopny velmi dobře vyrovnávat kolísání běžných abiotických faktorů, ale nejsou schopny zvládnout disturbance tak velkého rozsahu (Stellman et al. 2003, Dwernychuk et al. 2002).
Příklad P10-3: Vietnamská válka
velkoplošná aplikace herbicidů a defoliantů s dlouhodobými následky
196 |
Z hlediska vazeb mezi organismy v ekosystému jsou významné i zásahy do vedlejších producentů. Příkladem mohou být polní plevele a jejich likvidace pomocí herbicidů, která má často řadu vedlejších dopadů (viz příklad P10-4). Příklad P10-4: Křepelka polní je naším nejmenším ptákem z řádu hrabavých. Dříve byla hojně rozšířena na polích od nížin po pahorkatiny. S intenzifikací zemědělské výroby její stavy ve druhé polovině 20. století prudce poklesly. Kromě přímých vlivů (usmrcení pojezdem zemědělské mechanizace, otravy mořenými osivy) se jako významný faktor ukazuje nepřímé působení herbicidů. Kuřata křepelek se v raných stádiích života živí hmyzem, který je vázán na polní plevele. Aplikací herbicidů dochází k vyhubení plevelů, a tím i hmyzu, který na nich žije. Důsledkem je hladovění kuřat a jejich zvýšená úmrtnost. V současné době dochází na lokalitách, kde došlo k omezení zemědělské výroby a pole byla ponechána ladem, k opětovnému zvyšování početních stavů křepelek (Walker 2001).
Příklad P10-4: Křepelka plevele
herbicidy
vyhubení plevelů
vyhubení určitých druhů hmyzu - potrava pro mláďata křepelek
výrazný pokles početnosti křepelek
10.2.2 Vazby na bioindikační metody Při hodnocení energetické bilance se setkáváme se základními parametry, které se využívají jako diagnostický znak při bioindikaci: ¾¾ Primární produkce (P) – množství organické hmoty vyprodukované autotrofními parametry energetické organismy (tedy převážně rostlinami) za určitý časový interval. Může být vyjádřena bilance jako diagnostické ve váhových jednotkách nebo přepočtena na energetické jednotky. Počítá se, že znaky 1 g fytomasy odpovídá cca 18,5 kJ energie v ní chemicky vázané. ¾¾ Respirace (R) – dýchání – proces, při kterém dochází k uvolňování energie vázané v chemických vazbách a k jejímu dalšímu využití. V energetické bilanci představuje spotřebu chemické energie systémem za určitý časový interval. Je využívána v některých testech jako diagnostický znak. Závislost mezi dávkou toxikantu a intenzitou dýchání není obecně jednoznačná. Většinou v počátečních fázích působení toxikantu dochází ke stimulaci dýchání (organismus se brání a spotřebovává větší množství energie) a v dalších fázích s vyčerpáním organismu následuje pokles. ¾¾ Čistá primární produkce – množství organické hmoty vyprodukované autotrofními organismy po odečtení spotřeby (respirace). ¾¾ Biomasa (B) – množství organické hmoty jedinců nebo společenstva ve vymezeném prostoru v daném čase. Vyjadřuje se ve váhových nebo energetických jednotkách vztažených většinou na plochu území (např. g/m2) nebo na objem média (např. g/m3). Množství biomasy a její změny v čase jsou základním endpointem růstových testů. V energetické bilanci společenstva se pod vlivem toxikantu projevují obdobné základ- změny pod vlivem toxikantů ní tendence jako při působení jiných stresorů. Jedná se především o tyto jevy: a) Roste respirace společenstva. Působením toxikantu dochází ke škodám, na které reaguje společenstvo tím, že zavádí obranné a opravné prostředky. To ale vyžaduje spotřebu energie, která se projeví zvýšenou hodnotou respirace. Energie jinak využívaná pro růst se spotřebovává na zvýšenou údržbu systému. Nárůst respirace společenstva je často prvním varovným signálem působení stresoru.
10 ÚČINky NA ÚROVNI SPOLEČENSTVA A EKOSYSTÉMU
197
b) Nevyrovnaný poměr mezi produkcí a respirací. Teoretická ideální hodnota pro systém v rovnovážném stavu je P/R = 1. Ten ale není často dosahován ani v podmínkách bez působení stresoru a značně kolísá. Při tvorbě energetických zásob je P/R > 1, při jejich spotřebovávání je P/R < 1. Vlivem stresoru dochází k rozkolísání běžného poměru P/R. c) Poměr produkce k biomase (P/B) a respirace k biomase (R/B) má tendenci růst. To odpovídá snaze společenstva nahradit energii spotřebovanou na reparační procesy další produkcí. Toto navýšení má ale jen omezenou kapacitu, při dlouhodobém vlivu dochází k vyčerpání. Příklad P10-5: Tyto testy patří k velmi rozšířeným, neboť řasy jsou základním modelem Příklad P10-5: Řasové primárního producenta ve vodním ekosystému. Provedení testů je velmi rozmanité a kom- testy toxicity binují se zde jednotlivé druhy organismu, statická či průtočná provedení, jednodruhové nebo vícedruhové testy. Ze sladkovodních řas se používají např. Raphidocelis subcapitata, Desmodesmus sp., Chlorella sp., z mořských řas Skeletonema costatum. Analogické jsou testy se sladkovodními sinicemi (Microcystis aeruginosa, Anabena flosaquae). Standardizováno je složení kultivačního média, teplota roztoku a světelný režim. Doba testu je 3–5 dní, většinou 96 h. Měří se růstová křivka. Množství biomasy se hodnotí buď přímo (počítání buněk, gravimetricky), nebo nepřímo (stanovení množství chlorofylu, spektrometrie aj.). Výsledky se vyjadřují (i) jako integrál biomasy – plocha pod růstovou křivkou, (ii) pomocí růstových rychlostí μ. Růstová rychlost za časový interval od t0 do tn se vypočítá podle vzorce: μ = (ln Nn – ln No)/tn – to, kde Nn je počet buněk v čase tn, No je počet buněk v čase to. Výsledky se často vyjadřují jako inhibice růstu (v porovnání s kontrolou). Pro řasové testy existují i varianty v mikroprovedení v titračních destičkách. Analogické jako testy toxicity jsou testy trofického potenciálu vody, které hodnotí dostupnost živin ve vodě, a tím i riziko vzniku vodního květu. Hodnotí se stimulace růstu, růstová rychlost v eutrofizovaných vodách je vyšší než ve standardizované kontrole. Test trofického potenciálu (AGP – Algal Growth Potential) se provádí s chlorokokálními řasami a výsledná hodnota se stanovuje jako rozdíl sušiny biomasy řas v testovaném vzorku a v kontrole (mg/l). Na základě výsledků se vody kategorizují podle stupně trofie (ISO 8692).
10.2.3 Zvýšená dotace UV záření V širším pohledu na energetickou bilanci ekosystému by do hodnocení patřila i problematika vstupu slunečního záření na zemský povrch a odvádění tepla do vesmíru včetně změn, ke kterým donarušení chází v důsledku lidské činnosti: ozonové a) Emise plynů narušujících ozonovou vrstvu – důsledkem je vyšší dotace dopadajícího UV záření. b) Emise skleníkových plynů ovlivňujících výstup tepla do vesmíru – důsledkem jsou globální změny klimatu. Jedná se o rozsáhlé samostatné problematiky, které zde nebudou podrobně probírány. Pouze pro dokreslení provázanosti těchto témat s působením toxických látek na organismy je uveden příklad řetězce reakcí, které jsou iniciovány emisemi freonů. Freony reagují ve stratosféře s molekulami ozonu a narušují ozonovou vrstvu, která funguje jako filtr UV záření. V důsledku toho dopadají na
vrstvy
emise freonů
zvýšené dávky UV záření fotochemický smog
oslabení imunitního systému
negativní vlivy na organismus Obr. 10-2: Nepřímé vlivy freonů na organismy
198 |
zemský povrch větší dávky UV záření než dříve. UV záření, zvláště kratších vlnových délek (UV-B), je pro organismy nebezpečné. Prokazatelně narušuje imunitní systém a zeslabuje organismus ve vztahu k dalším stresorům včetně toxikantů. Kromě toho se UV záření podílí na vzniku fotochemického smogu, při kterém vznikají desítky toxikantů rizikových pro organismy (obr. 10-2). Příklad P10-6: Halogenované uhlovodíky (freony) jsou v ochraně životního prostředí známy Příklad P10-6: Halon především jako látky, které se podílejí na narušování ozonové vrstvy. Méně jsou již známé 1301 jejich přímé účinky na ekosystémy. Debus et Schröder (2000) studovali v laboratorních podmínkách vliv halonu 1301 (CBr3F, tribromofluorometan, používaný v hasicích přístrojích) na tři modelové druhy rostlin: řeřichu setou (Lepidium sativum), petunii (Petunia hybrida) a fazol obecný (Phaseolus vulgaris). U všech těchto rostlin se při pěstování v atmosféře obohacené halonem projevily vlivy na metabolismus. Jako příklad jsou uvedeny výsledky u fazolu. Po 45 dnech expozice koncentrací 1 ppbv halonu 1301 vykazovaly rostliny následující změny: (i) změny v obsahu fotosyntetických pigmentů, zvýšení obsahu chlorofylu a karotenů, (ii) snížení transpirace, (iii) snížení obsahu bílkovin v pletivech listů (o 18 %), (iv) zvýšení aktivity enzymu glutathione S-transferázy (GST), který je považován za enzym s detoxikačními účinky. Jeho zvýšení o cca 20 % proti kontrole na úkor syntézy bílkovin lze považovat za obrannou reakci organismu na působení polutantu. Celkově je třeba považovat halony za látky nebezpečné pro vegetaci, protože prokazatelně ovlivňují metabolické dráhy u rostlin. Při požárech a jejich hašení lze očekávat koncentrace, které mohou vést k poškození rostlin. To se sice nemusí projevovat přímým odumíráním, ale přispívá k celkovému zeslabení obranyschopnosti. V současné době je halon 1301 stanovitelný v ovzduší nad Evropou v koncentraci cca 2 ppt a nad Indickým oceánem 1,3 ppt, což potvrzuje jeho globální rozšíření.
Zvýšené dávky ultrafialového záření narušují imunitní systém organismů, snižují jejich odolnost proti ostatním abiotickým i biotickým stresorům. Mohou být iniciační příčinou řetězce reakcí vedoucích ke zhroucení biosystému.
10.3 Vliv na koloběh hmoty Tok energie a koloběh hmoty v ekosystému nelze od sebe oddělit a samostatný popis těchto jevů je pouze praktickým zjednodušením a abstrakcí. Všechny látky, ze kterých se skládá ekosystém, se stále pohybují, mění své místo i uspořádání. Tento pohyb není možný bez dodávání energie. U živých organismů, u kterých je energie vázána ve formě chemické vazby v organických sloučeninách, je dráha energie i živé hmoty stejná. Mezi oběma jevy jsou ale zásadní rozdíly: ¾¾ Energie – je charakterizována trvalým jednosměrným tokem v ekosystému. Přichází ve formě slunečního záření, prochází ekosystémem ve formě energie chemické vazby a vystupuje ze systému jako energie tepelná. Nelze ji tedy recyklovat a ekosystém je závislý na jejím stálém přísunu. ¾¾ Hmota – veškeré stavební kameny, ze kterých se skládá živá hmota, se nevyskytují v nekonečném, ale naopak limitovaném množství. Pro dlouhodobou existenci ekosystému je tedy nutná recyklace živin. Charakteristickým rysem je tedy koloběh hmoty v ekosystému. Spojením popisu toku energie a koloběhu hmoty vzniká základní pravidlo: Koloběh hmoty v ekosystému je poháněn jednosměrným tokem energie.
Ekotoxikologie, bioindikace a biomonitoring Doc. RNDr. Petr Anděl, CSc. Odborná redaktorka Ing. Helena Belková Technická redaktorka Ing. Ivana Gorčicová Grafická úprava a sazba BcA. Ondřej Horáček Jazyková korektura Mgr. Věra Vykoukalová Vydal Evernia s.r.o., 1. máje 97, 460 01 Liberec, www.evernia.cz Tisk Žaket, www.zaket.cz Autoři fotografií Petr Anděl: str. 22, 30, 43, 47, 50, 61, 62, 74, 75, 76, 79, 93, 97, 111, 115, 122, 123, 125, 128, 129, 133, 141, 164, 175, 187, 188, 191, 193, 201, 203, 209, 211, 215; Kateřina Benediktová (EMPLA AG, s.r.o.): str. 33, 46, 58, 161, 197; Anna Bláhová: str. 26, 91; Václav Hlaváč: str. 15, 17, 108, 119, 124, 151, 168, 171, 172, 184, 185, 186, 207; Jakub Hofman: str. 27, 219; Ondřej Horáček: str. 5; Ivana Gorčicová: str. 118, 229; Vydání 1. Počet stran 265 Náklad 400 ks © Petr Anděl, 2011 ISBN 978-80-903787-9-7
