Ekosystémový přístup indikace
na úrovni společenstev
(Moderní metody v ekotoxikologii 2014)
Mgr. Karel Brabec, Ph.D.
TÉMATA
1. Ekosystém - společenstva
2. Systémy hodnocení odezvy společenstva na polutanty
3. Kombinace faktorů a směsi polutantů
4. Trofické vztahy – potravní sítě
5. Terénní experimenty
Holistický a redukcionistický přístup
• Holistický přístup – systém má vlastnosti, které nepoznáme studiem
jeho součástí
• Redukcionistický přístup – vlastnosti systému neexistují a je třeba se
soustředit na podrobné studium jeho součástí
1. Ekosystém - společenstva
Redukcionismus (z lat. reductio, přivedení nazpět) je výkladový postup a
myšlenkový směr, který se snaží vysvětlovat složité skutečnosti převedením na
jednoduché, zejména rozkladem na části a tvrzením, že celek není „nic než“ soubor
částí (Wikipedie).
EKOSYSTÉMOVÝ PŘÍSTUP
• zahrnuje komplexní procesy a vazby mezi složkami ŽP
• náročný na sběr dat
• většinou je složité odlišit vliv spolupůsobících faktorů
• tendence sbližující ekologické a ekotoxikologické postupy (SSD,
SPEAR)
1. Ekosystém - společenstva
Časové schéma působení toxické látky
1. Ekosystém - společenstva
Reprezentativnost-složitost-reprodukovatelnost
1. Ekosystém - společenstva
FUNKCE EKOSYSTÉMU
• toky energie (primární/sekundární produkce, produkce/respirace,
produkce/biomasa)
• koloběh živin (dekompozice, mobilizace/imobilizace živin)
• ekosystémové služby (biodegradace polutantů, opylení kulturních
plodin, živiny uvolněné při rozkladu rostlin)
1. Ekosystém - společenstva
Rhithron – podhorské potoky
Hynes, 1970: The Ecology of Running Waters
1. Ekosystém - společenstva
BIOINDIKACE
Bioindikátor, Biomonitor, Sentinelový organismus, Biomarker
2. Systémy hodnocení odezvy společenstva na polutanty
BIOINDIKACE
Bioindikátor
organismus (popř. jeho část či společenstvo organismů), který představuje kvantitativní či
kvalitativní informaci o stavu prostředí nebo jeho části.
Bioindicators are organisms or communities of organisms, which reactions are observed representatively to evaluate a situation, giving clues for the
condition of the whole ecosystem
Sentinelový organismus (biomonitor)
kumuluje ve svém těle polutanty z prostředí. Analýza tkání sentinelových organismů umožní
odhad koncentrace polutantu v prostředí. Bioindikátor, který zahrnuje informaci o kvantitativních
aspektech kvality prostředí.
time-integrated estimate of the environmentally available concentrations of pollutants
Biomarker
xenobiotiky navozená změna v buněčných nebo biochemických složkách, procesech, strukturách
nebo funkcích, která je měřitelná v biologickém systému či vzorku.
2. Systémy hodnocení odezvy společenstva na polutanty
Cílové druhy
2. Systémy hodnocení odezvy společenstva na polutanty
flagship species – „vlajkové“ druhy
(druhy atraktivní pro veřejnost, cílovou skupinu – cílem je vyvolat zájem o území, ochranu životního
prostředí)
“a species used as the focus of a broader conservation marketing campaign based on its possession of one or more traits that appeal to the target
audience.”
species that have the ability to capture the imagination of the public and induce people to support conservation action and/or to donate funds
popular, charismatic species that serve as symbols and rallying points to stimulate conservation awareness and action
surrogate species – zástupné druhy
(surrogate species or groups of species can be used as proxies for broader sets of species when the
number of species of concern is too great to allow each to be considered individually)
Conservation biologists have used surrogate species as a shortcut to monitor or solve conservation problems
keystone species – klíčové druhy
Jejich výskyt nebo ztráta je spojena se změnami výskytu nebo abundance alespoň
jednoho dalšího druhu – např. potravní vztahy
(ekosystémoví inženýři – druhy upravující podmínky prostředí)
Haemig PD (2012) Ecosystem Engineers: organisms that create, modify and maintain habitats.
Cílové druhy
2. Systémy hodnocení odezvy společenstva na polutanty
focal species - ohniskové druhy
(mohou se používat pro určení rozsahu a prostorového rozmístění biotopů, druhy nejvíce citlivé k
ohrožujícím činitelům); omezující plochu, zdroje, šíření a rozptylování (sensu dispersal) populace a
ekosystémové procesy
Pro lesní ekosystémy ve státu Maine na severovýchodě USA a v kanadském Novém Skotsku patří mezi ohniskové druhy vlk, puma (Puma concolor), rys
kanadský (Lynx canadensis), vydra severoamerická (Lutra canadensis), netopýr Pipistrellus subflavus, želva Clemmys insculpta, mlok Hemidactylium
scutatum, orel skalní (Aquila chrysaetos) a losos obecný (Salmo salar) – Beazley & Cardinal (2004).
umbrella species – „zastřešující“ druhy
(jejich ochrana se projevuje i na společně se vyskytujících druzích – „targeted beneficiary taxa“)
Its main premise is that the requirements of demanding species encapsulate those of many co-occurring, less demanding species (Lambeck 1997).
Umbrella species: species whose conservation confers a protective umbrella to numerous co-occurring species (Fleishman et al., 2000).
Co určuje strukturu
společenstva?
2. Systémy hodnocení odezvy společenstva na polutanty
Vlastnosti druhů - species traits
biologické vlastnosti druhů
maximální velikost těla
způsob dýchání
typ pohybu
potravní strategie
typ životního cyklu
akvatická vývojová stadia
způsob rozmnožování
ekologické vlastnosti druhů
vazba na zóny vodních toků
výskyt vůči nadmořské výšce
substrátové a proudové preference
2. Systémy hodnocení odezvy společenstva na polutanty
Indikátory ekologického stavu – biologické složky
Databáze autekologických informací
(www.freshwaterecology.info)
2. Systémy hodnocení odezvy společenstva na polutanty
Vlastnosti druhů - species traits
2. Systémy hodnocení odezvy společenstva na polutanty
Autekologické charakteristiky (traits)
2. Systémy hodnocení odezvy společenstva na polutanty
klasifikace vzorků
• toxické látky
• nutrienty
• vlastnosti druhů
2. Systémy hodnocení odezvy společenstva na polutanty
Vlastnosti druhů
2. Systémy hodnocení odezvy společenstva na polutanty
Autekologické charakteristiky (traits)
2. Systémy hodnocení odezvy společenstva na polutanty
Lethality is most common effect used in toxicology and used as an endpoint
for acute toxicity tests.
While conducting chronic toxicity tests sublethal effects are endpoints that
are looked at. These endpoints include behavioral, physiological,
biochemical, histological changes.
Indikační charakteristiky společenstev
S1 S2 S3 S4 …
TAX 1 15 0 0 6
TAX 2 0 8 0 0
TAX 3 3 1 0 2560
…
F1 F2 F3 Si …
TAX 1 10 40 50 2,8
TAX 2 - - - 1,1
TAX 3 30 40 30 3,4
…
vstupní data (abundance)
charakteristiky taxonů (species traits,
senzitivita)
S1 S2 S3 S4 …
F1% 20 80 50 10
F2% 50 10 30 15
F3% 30 10 20 75
Fx 1,365 0,765 2,789 2,012
SiCZ 2,4 1,8 1,9 1,4
…
výsledné charakteristiky společenstev
(indexy, metriky)
2. Systémy hodnocení odezvy společenstva na polutanty
Vlastnosti druhů půdních bezobratlých
Affinity percentage of recorded taxon to selected trait categories
Food has been split in 7 categories (f1: roots, f2: vegetative aerial tissues of plants, f3: fruit or seed, f4:
dead animals; f5: living animals; f6: plant detritus; f7: soil)
body sclerotization in two categories (b1 soft-body; b2 hard body)
2. Systémy hodnocení odezvy společenstva na polutanty
Saprobita
2. Systémy hodnocení odezvy společenstva na polutanty
Saprobita je biologický stav vody vyvolaný znečištěním rozložitelnými organickými látkami.
V rámci bioaktivity vod je
saprobita sumou všech
metabolických procesů,
které jsou v protikladu k
primární produkci.
Organismy znečištěných
vod jsou vystavovány
především nedostatku
kyslíku a jedům
vznikajících při hnilobném
rozkladu
ASPT index
(BMWP – BioMonitoring Working Party)
2. Systémy hodnocení odezvy společenstva na polutanty
Senzitivita na toxické látky
2. Systémy hodnocení odezvy společenstva na polutanty
SPEAR index
(Species At Risk)
www.systemecology.eu/SPEAR/index.php
2. Systémy hodnocení odezvy společenstva na polutanty
SPEARpesticides
Taxon Name Gen. Time
Gen. Time
Threshold
(SPEARpesti
cides)
Gen. Time
Coding
(SPEARpesti
cides)
Sensitivity* /
SPEARorganic
Classification
Sensitivity
Threshold
(SPEARpesti
cides)
Sensitivity
Coding
(SPEARpesti
cides) Migration
Migration
Coding
(SPEARpest
icides) Exposed
Exposed
Coding
(SPEARpest
icides)
SPEARpestic
ides
Classificatio
n
Antocha vitripennis{-#~#-}4331 3 0.5 1 -0.95986 -0.357 0 0 1 1 1
Aphelocheirus aestivalis{-#~#-}4335 1 0.5 1 -0.56061 -0.357 0 0 1 1 1
Apsectrotanypus trifascipennis{-#~#-}4338 0.5 0.5 1 -0.35 -0.357 1 0 1 1 1 1
Argulus foliaceus{-#~#-}4346 0.4 0.5 0 0.04139 -0.357 1 0 1 1 1
Asellus aquaticus{-#~#-}8691 0.33 0.5 0 -0.17455 -0.357 1 0 1 1 1
Atherix ibis{-#~#-}4363 1 0.5 1 -0.35 -0.357 1 0 1 1 1 1
Athripsodes albifrons{-#~#-}4366 1 0.5 1 -0.05811 -0.357 1 0 1 1 1 1
2. Systémy hodnocení odezvy společenstva na polutanty
1 2 3 4 5 6 7 8
ASPT
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
SPEARpesticides
20
25
30
35
40
45
50
55
60
65
Mean
Mean±SE
SPEARpesticides
≤2 %0 > AND 020% 4 %≤ > AND 040% 6 %≤ > 06 %
Agriculture land use within an upstream catchment
0-10
10-30
30-60
60-100
Vegetation within a buffer 2 km upstream (%)
0-10
10-30
30-60
60-100
0-10
10-30
30-60
60-100
0-10
10-30
30-60
60-100
KOMBINACE STRESORŮ A JEJICH INDIKACE
• analýza interakcí mezi působením stresorů
• experimentální testování (laboratorní, terénní)
• shromážděno značné množství autekologických informací o
taxonech → testování a výběr metrik
3. Kombinace faktorů a směsi polutantů
KOMBINACE STRESORŮ A JEJICH INDIKACE
3. Kombinace faktorů a směsi polutantů
• acidifikace
• těžké kovy
• pesticidy, POPs
• ropné látky
• tzv. prioritní látky zahrnuté v rámcové směrnici
Toxické stresory
Jiné stresory
• eutrofizace/organické znečištění
• hydromorfologická degradace
BODOVÉ ZDROJE ZNEČIŠTĚNÍ
• komunální zdroje, průmysl, ČOV
3. Kombinace faktorů a směsi polutantů
ZEMĚDĚLSTVÍ
• nutrienty, organická hmota, pesticidy, eroze - jemné částice,
meliorace, degradace habitatů, pobřežní vegetace, říční niva,
průtokový režim
3. Kombinace faktorů a směsi polutantů
biochemické změny - např. aktivita cholinesterázy (Ephemerella nebo
Hydropsyche při hodnocení vlivu organofosfát. insekticidů)
Interakce při působení kontaminantu
3. Kombinace faktorů a směsi polutantů
Hodnocení stavu útvarů povrchových vod
3. Kombinace faktorů a směsi polutantů
TROFICKÉ VZTAHY
• potravní strategie a trofické vztahy určují jak se polutant bude šířit ve
společenstvech
• Bioakumulace, biokoncentrace, biodostupnost
• Příklad – říční makrofyta a těžké kovy
4. Trofické vztahy – potravní sítě
4. Trofické vztahy – potravní sítě
4. Trofické vztahy – potravní sítě
Mikro-/mesokosmové experimenty
Terénní experimenty
Distribuce těžkých kovů v říčním ekosystému
• interakce s terestrickými ekosystémy
• spojení povrchových a podzemních vod
• transport látek v rozpuštěné formě, ve vazbě na suspendované
částice a na sedimenty
• transformace polutantů v závislosti na pH, redoxním potenciálu,
kyslíkových podmínkách
• prostorová distribuce polutantů v závislosti na hydraulických
parametrech (retence, eroze, sedimentace, přestup voda-sediment)
• biodostupnost a bioakumulace
• působení toxických látek na vodní organismy interaguje s parametry
říčních habitatů
Říční habitaty
Substráty
Svratka - lokality
SV1 SV2 SV3
SV6SV5SV4
SV7
Případová studie – akumulace těžkých kovů
F1 83.2%
F211.2%
kateg: W
kateg: R
kateg: CLC
kateg: CLB
kateg: CLR
kateg: CLS
kateg: MVB
kateg: MVR
kateg: MVC
kateg: MVS
kateg: PS
-3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 6 7
-2.5
-2.0
-1.5
-1.0
-0.5
0.0
0.5
1.0
1.5
2.0
W
MVB
CLB
MVR
CLR
R
CLS
MVC
CLC
MVSPS
Porovnání lokalit – podélný profil toku