1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif 1212570_28446780.jpg Adobe Systems logo_mu_cerne.gif Inovace tohoto předmětu je spolufinancována Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky Doc. RNDr. Petr Anděl, CSc. Ekotoxikologie terestrického ekosystému 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif 1212570_28446780.jpg Adobe Systems logo_mu_cerne.gif Inovace tohoto předmětu je spolufinancována Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky Posuzování vlivů na životní prostředí OPVK_MU.tif •Inovace tohoto předmětu je spolufinancována Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif 1212570_28446780.jpg Adobe Systems logo_mu_cerne.gif Inovace tohoto předmětu je spolufinancována Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky Ekotoxikologie terestrického ekosystému 1.Úvod do ekotoxikologie terestrického ekosystému 2.Toxikant v terestrickém ekosystému 3.Biosystém ve vztahu k toxikantu 4.Expozice terestrického ekosystému 5.Osud toxikantů v terestrickém ekosystému 6.Účinky toxikantu na úrovni organismu 7.Účinky toxikantů na úrovni populace 8.Účinky toxikantů na úrovni ekosystému – energie, hmota 9.Účinky toxikantů na úrovni ekosystému – řízení, vývoj 10.Metodika ekotoxikologického výzkumu • • 10. METODIKA EKOTOXIKOLOGIE Globální používání dusíkatých hnojiv 1961 - 2001 Globální používání fosforečných hnojiv 1961 - 2001 Depozice dusíků z atmosféry Produkce chemikálií vzhledem k HDP 1991 - 1999 10.1. HODNOCENÍ RIZIKA Základní etapy hodnocení rizika • • •Identifikace nebezpečnosti •Hodnocení expozice •Identifikace účinku(-ů) •Charakterizace rizika Limity •Limity: q dané jednou hodnotou • Limity •Limity: q dané jednou hodnotou q dané sérií hodnot A – pozadí B – sledování C – akce • Limity •Limity: q dané jednou hodnotou q dané sérií hodnot A – pozadí B – sledování C – akce q studiemi – hodnotí celkové riziko 10.2. ZÁKLADNÍ KLASIFIKACE METOD Základní etapy hodnocení rizika • • •Identifikace nebezpečnosti •Hodnocení expozice •Identifikace účinku(-ů) •Charakterizace rizika Klasifikace metod •Hlediska klasifikace metod: q taxonomické zařazení modelového organismu q biotická organizační úroveň q metody biologické disciplíny (biochemické, anatomické q místo provedení q časová náročnost q opakovatelnost q zařazení toxikantu q aj. q • Klasifikace metod • q • Rozdělení podle použití modelových nebo reálných systémů BIOSYSTÉM modelový přirozený TOXIKANT modelový A toxikologické testy B terénní pokusy přirozený C transplant. pokusy D terénní studie bioindikace 10.3. METODY HODNOCENÍ EXPOZICE KLASIFIKACE METOD HODNOCENÍ EXPOZICE Klasifikace metod hodnocení expozice • q chemické analýzy složek životního prostředí q experimentální hodnocení přestupu látek q matematické modely pohybu látek v prostředí q akumulační bioindikátory • • q • Akumulační bioindikátory • q mechorosty – bryomonitoring • • • q • DSC00446 Bryomonitoring - As As kopie Akumulační bioindikátory • q mechorosty – bryomonitoring q lišejníky – kumulace těžkých kovů a radionuklidů q jehličí – smrk, borovice kumulace těžkých kovů a persistentních org. látek q mořští mlži – slávka jedlá q žížaly q vajíčka ptáků • • • • q • Akumulační bioindikátory • vajíčka ptáků – analýzy skořápek a obalů po vylíhnutí • • • • q • kolonie_tereju •(foto V. Hlaváč) DSC00532 Kritické zátěže ekosystémů Koncept kritických zátěží DSC00639 •Imise •Ekosystém • Koncept kritických zátěží DSC00639 •Imise •Ekosystém • •Reakce ekosystému závisí na: q velikosti expozice q pufrační kapacitě ekosystému • • • • • • • • Koncept kritických zátěží DSC00639 •Imise •Ekosystém • •Reakce ekosystému závisí na: q velikosti expozice q pufrační kapacitě ekosystému q •Ekosystém má schopnost vyrovnat se s určitou dávku toxikantu. • •Tato kapacita závisí na abiotických i •biotických vlastnostech ekosystému. • • • • • • • • Koncept kritických zátěží DSC00639 •Imise •Ekosystém • •Reakce ekosystému závisí na: q velikosti expozice q pufrační kapacitě ekosystému q •Ekosystém má schopnost vyrovnat se s určitou dávku toxikantu. • •Tato kapacita závisí na abiotických i •biotických vlastnostech ekosystému. • •Maximální dávka toxikantu, která ještě •nezpůsobuje prokazatelné negativní •účinky se nazývá kritická zátěž. • •Kritická zátěž = kapacita daného ekosystému k vyrovnání se •s toxikantem. • • • • • • • Výpočet kritických zátěží • q matematický model založený na popisu osudu toxikantu v ekosystému (vstup – přeměny – výstup) • q pro každý toxikant musí být zpracován samostatně q při kvantifikaci parametrů je třeba přijímat řadu zjednodušení → reálný pohled na výsledky modelu • DSC00560 Výpočet kritických zátěží příklad: Jizerské hory + Krkonoše •Výsledky projektu VaV MŽP Hlavní zdroje emisí • • • situace_zdroje •Výsledky projektu VaV MŽP Model kritické zátěže síry • •Základní parametry modelu: q depozice síry – reprezentant kyselinotvorných složek • Průměrná roční celková depozice S depozice_síra_MEANabs_ Vývoj roční celkové depozice S 1995 - 2009 formátované_síraABS_1 formátované_síraABS_2 Vývoj roční celkové depozice S 1995 - 2010 formátované_síraABS_1 formátované_síraABS_2 formátované_síraABS_2 • Vývoj depozice síry v letech 1995 - 2010 Model kritické zátěže síry • •Základní parametry modelu: q depozice síry – reprezentant kyselinotvorných složek q depozice alkalických kationtů: Ca, Mg, K, Na • Depozice bazických kationtů cad BC Model kritické zátěže síry • •Základní parametry modelu: q depozice síry – reprezentant kyselinotvorných složek q depozice alkalických kationtů: Ca, Mg, K, Na q zvětrávání alkalických kationtů – závisí na typu horniny a klimatu (s nadmořskou výškou rychlost zvětrávání klesá) • DSC00547 Model kritické zátěže síry • •Základní parametry modelu: q depozice síry – reprezentant kyselinotvorných složek q depozice alkalických kationtů: Ca, Mg, K, Na q zvětrávání alkalických kationtů – závisí na typu horniny a klimatu (s nadmořskou výškou rychlost zvětrávání klesá) q příjem bazických kationtů stromy (s nadmořskou výškou význam tohoto parametru klesá) • DSC00495 Model kritické zátěže síry • •Základní parametry modelu: q depozice síry – reprezentant kyselinotvorných složek q depozice alkalických kationtů: Ca, Mg, K, Na q zvětrávání alkalických kationtů – závisí na typu horniny a klimatu (s nadmořskou výškou rychlost zvětrávání klesá) q příjem bazických kationtů stromy (s nadmořskou výškou význam tohoto parametru klesá) q odtokové poměry – vyšší úhrn srážek zvyšuje kapacitu (vyšší intenzita odplavování toxického kationtu hliníku) q • Odtokové poměry DSC00011 Model kritické zátěže síry • •Základní parametry modelu: q depozice síry – reprezentant kyselinotvorných složek q depozice alkalických kationtů: Ca, Mg, K, Na q zvětrávání alkalických kationtů – závisí na typu horniny a klimatu (s nadmořskou výškou rychlost zvětrávání klesá) q příjem bazických kationtů stromy (s nadmořskou výškou význam tohoto parametru klesá) q odtokové poměry – vyšší úhrn srážek zvyšuje kapacitu (vyšší intenzita odplavování toxického kationtu hliníku) q q kritické koncentrace vodíkových iontů a hliníkových kationtů pro kořenový systém stromů ( Hcrit 0,09 eq/m3, Alcrit 0,2 eq/m3) Toxicita kationtů hliníku DSC00535 Kritická zátěž síry (meq/m2/rok) critload S Překročení kritické zátěže S (%) 1995 a 2010 overcrit S rel overcrit S rel 95 Model kritické zátěže dusíku • •Základní parametry modelu: q depozice dusíku q q imobilizace dusíku v půdě q q spotřeba dusíku vegetací q q denitrifikační faktor • Vývoj depozice dusíku v letech 1995 - 2010 Průměrná depozice N v letech 1995 - 2010 depozice_dusík_MEANabs_ Kritická zátěž dusíku critload N Překročení kritické zátěže N (%) 1995 a 2010 overcrit N rel 95 overcrit N rel 10.4. METODY HODNOCENÍ ÚČINKU VZTAH DÁVKA X ÚČINEK Orel mořský a karbofuran • q • orel morsky 044 orel morsky Orel mořský a karbofuran • q • orel morsky 044 orel morsky Snímek 017a Křivka dávka - odpověď • 0 5 10 DÁVKA (mg/kg/den) • •KUMULATIVNÍ •ÚČINEK (%) •Základní metodický přístup – vyhodnocení křivek dávka - odpověď •100 • 0 • 50 •LD50 •LD = letální dávka •LD50 = dávka, při které uhyne 50 % exponovaných jedinců • •analogicky: •LC letální koncentrace Křivka dávka - odpověď • • •Další pojmy: •EC – efektivní koncentrace • NOEL No-observed-effect level NOAEL No-observed-adverse-effect-level •LOEC Lowest-observable effect-concentration KLASIFIKACE METOD HODNOCENÍ ÚČINKU Klasifikace metod hodnocení účinku • q ekotoxikologické testy • q baterie testů q mikrokosmy q transplantační pokusy q mesokosmy a polní studie q terénní studie • • q • •Roste proveditelnost •a reprodukovatelnost •Roste ekologická •relevantnost • • EKOTOXIKOLOGICKÉ TESTY Kurare Albert Vojtěch Frič (1882 – 1944) •Vynikající český botanik, etnograf a cestovatel •ZOO Lešná u Zlína, Neotropická oblast Šípový jed kurare •Řada receptur, mezi hlavní suroviny pro výrobu patří liána •Chondrodendron plstnatý (Chondrodendron tomentosum) Mechanismus účinku • Neurotoxický: ØBlokování přenosu nervového signálu na synapsích ØPříčinou smrti je udušení Testování účinnosti jedu •Příklad „testů toxicity“ Indiáni testovali účinnost jedu na opicích: Ø „jed jednoho skoku“ – prvotřídní kvalita Ø „jed dvou skoků“ – nižší kvalita, ale přijatelné Ø „jed tří skoků“ –podřadná kvalita, nevyhovující Růstový test s řasami • q • řasa a mikroskop 012 •(Foto Benediktová – EMPLA) •Endpoint: růstová rychlost Příklad standardizovaného testu • •Řasový test toxicity ISO 8692 (ČSN EN 28692) q metoda stanovení toxických účinků sloučenin na růst planktonních sladkovodních řas •Postup: q vzorek je po sterilizaci naočkován zkušebním organismem a potřebnou dobu kultivován q modelové organismy: Raphidocelis subcapita, Chlorella kessleri, Scenedesmus subspicatus, S. quadricauda, Chlamydomonas reinhardtii q testuje se koncentrační řada zkoumané látky a inokulum q inhibice se měří jako snížení růstu nebo růstové rychlosti v poměru ke kontrolní kultuře za stejných podmínek q s použitím probitové analýzy se stanoví hodnota EC50 • • • Testy trofie • q • •Endpoint: růstová rychlost • •Hodnotí se potenciál vody k eutrofizaci eutrof rybník Test se žížalami • q • 006 •(Foto: Hofman, RECETOX) •Endpoint: mortalita, reprodukční cyklus Test s chvostoskoky • q • chvostoskok - Folsomia candida 074 •(Foto Benediktová – EMPLA) •Endpoint: mortalita Test s hořčicí bílou • q • hořčice - Sinapis alba 006 •(Foto Benediktová – EMPLA) •Endpoint: klíčivost semen, růst kořene Test s perloočkami • q • •(Foto Benediktová – EMPLA) Daphnia magna 028 •Endpoint: imobilizace (mortalita) P4223411 Žábronožka Neziderské jezero - Rakousko •Významná ornitologická lokalita P4223413 Neziderské jezero •Husa divoká (Anser anser) P4223428 Neziderské jezero •Volavka bílá (Egretta alba) P4223426 Neziderské jezero •Slaniska – přirozený biotop slanomilných žábronožek DSC08428 Neziderské jezero •Slaniska – přirozený biotop slanomilných žábronožek DSC08432 Žábronožka slanisková (Artemia salina) •Kmen: Členovci •Podkmen: Korýši •Třída: Žábronožci •Řád: Žábronožky žábronožka •Foto Kateřina Benediktová Žábronožka slanisková (Artemia salina) - velikost 1 – 1,5 cm - snáší salinitu až 20 % - vyschlá vajíčka přežijí i 10 let žábronožka •Foto Kateřina Benediktová Žábronožka slanisková (Artemia salina) nazývaná také ž. solná. Kmen členovci, podkmen korýši (Crustacea), tř. žábronožci (Branchiopoda), ř. žábronožky (Anostraca). Do stejné třídy (žábronožců) patří i perloočky (Cladocera) s hrotnatkou obecnou (Daphnia pulex) Velikost cca 1 cm, rozšíření ve slaných jezerech a mořských salinách Evropy, Asie i Afriky. Vajíčka snáší vysušení a larvy se mohou líhnout i po 10 letech, žijí v periodicky vysychajících tůních Snáší salinitu až do 20 %, v příznivých podmínkách se rozmnožují partenogeneticky, vajíčka velmi drobná, 1g = 250 000 vajíček. Živí se prvoky a jinými mikroorganismy, samy jsou potravou vodních ptáků (plameňáci) a ryb (akvaristika) Na fotce jsou vidět na nohách žaberní přívěsky BATERIE TESTŮ Baterie testů •Baterie jednotlivých testů sestavená podle typu studie: q potravní řetězec:producenti – konzumenti – destruenti q typy prostředí: voda, sedimenty, souš, půda q • MIKROKOSMY Mikrokosmy • q • q voda – akvária q půda – půdní jádro (někdy včetně povrchové vegetace) • TRANSPLANTAČNÍ POKUSY Transplantační pokusy • •Toxikant – reálný •Biosystém – modelový • •Experimenty v přírodních podmínkách q přenesení organismů do prostředí s různou kontaminací q př. rostliny v květináčích – vliv ozonu (tabák) MESOKOSMY Mesokosmy, polní studie • q • q reálné podmínky, včetně klimatu q malé vodní nádrže q pokusná pole • TERÉNNÍ STUDIE Terénní studie • •Toxikant – reálný •Biosystém – reálný • •Analýza v přírodních podmínkách q sledování vlivu toxikantů v reálných podmínkách - chemické analýzy toxikantů v různém prostředí - vyhodnocení odpovídajících reakcí biosystémů q zvláštním význam mají bioindikační metody Sledování výskytu • •Modelové organismy: q mykorhitické houby q lišejníky q svraštělka javorová DSC07503 Sledování zdravotního stavu • •Modelové organismy: q hraboš polní q zajíc polní zajoch2 Plánování terénních studií • q • • q analýza území q odhad potenciálů území q návrh vzorkovacího plánu Analýza území •Mapa přírodních poměrů •SM-N •Akumulace •podzemních vod •Květnatá •bučina •Přírodní subsystém (N) • •Mapa využití území •SM-S •les •osídlení •pole •Ekonomický subsystém (S) Odhad potenciálů území • •Mapa odhadu expozice •K3 •K2 •K2 •K1 •K1 •SM-K •Odhad expozice (K) •Mapa odhadu účinků •SM-E •E3 •E2 •E1 •Odhad účinků (E) Vzorkovací plán • •Mapa odběrových míst •SM-A • • • • • • •SM-R •Mapa odhadu rizika •R3 •R2 •R1 •VZORKOVACÍ PLÁN •CHARAKTERIZACE RIZIKA PŘÍPADOVÁ STUDIE LIŠEJNÍKY •LIŠEJNÍKY •= •MODELOVÉ ORGANISMY •PRO HODNOCENÍ IMISNÍ ZÁTĚŽE Cladonia macilenta Parmelia caperata Graphis scripta CHARAKTERISTIKA MODELOVÉHO ORGANISMU • •fykobiont + mykobiont Parmelia acetabulum Průřez stélkou Lobaria scrobiculata PŘÍČINY CITLIVOSTI K IMISÍM •(1) Zvýšený přístup imisí •(2) Anatomická stavba stélky •(3) Vodní režim •(4) Intenzita metabolismu •(5) Symbiotická podstata lišejníků • • •(1) Zvýšený přístup imisí 203 204 PŘEDMĚT LIŠEJNÍKOVÉ ANALÝZY •= integrace imisní zátěže • a) látková b) koncentrační •c) časová Foto 6 HLAVNÍ METODICKÉ POSTUPY • 1)Metody fyziologické 2)Metody morfologicko – anatomické 3)Metody floristické – chorologické 4)Metody fytocenologické 5)Metody chemicko-analytické 1) Metody fyziologické (a)pokles intenzity fotosyntézy, dýchání a čisté produkce, (b)snížení obsahu chlorofylu a přítomnost feofytinu, (c)stanovení pH a vodivosti lišejníkové stélky, (d)redukce fosfatázové aktivity, (e)metabolismus aminokyselin. 2) Metody morfologicko - anatomické •VITALITA •1,0 stélky normálně vyvinuté •0,8 stélky zakrnělé, případně mírně poškozené •0,6 stélky s výraznými stopami poškození •0,4 stélky z velké části odumřelé 0,2 stélky zcela odumřelé • Parmelia sulcata Parmelia sulcata 3) Metody floristické – chorologické • mapování rozšíření indikačních druhů • stupnice citlivosti indikačních druhů Lecanora conizaeoides P1010027 Lecanora conizaeoides Lecanora conizaeoides Foto 5 Hypogymnia physodes Parmelia exasperulata Parmelia exasperulata Parmelia caperata Parmelia caperata Pseudevernia furfuracea Pseudevernia furfuracea Ramalina fraxinea Ramalina fraxinea Usnea sp. P1010027 Rozšíření druhů v Liberecké kotlině 4-2 •Hypogymnia physodes - značně toxitolerantní druh •Rozšíření indikačních druhů v Liberecké kotlině •Parmelia saxatilis – středně citlivý druh 4-4 •Rozšíření indikačních druhů v Liberecké kotlině •Pseudevernia furfuracea - velmi citlivý druh 4-3 4) Metody fytocenologické •výpočty syntetických indexů Foto 1 •(a) index IAP (Index of Atmospheric Purity) • • S1n (Q . f) •IAP = -------------- • 10 • • •n - celkový počet nalezených druhů lišejníků na daném stromě •Q - ekologický index každého druhu lišejníku, udávající průměrný počet doprovodných druhů na všech stanovištích, kde se nacházel •f - hodnota abundance nebo frekvence podle odhadové stupnice •(b) Index L •S1m q . f .v • • •m - počet indikačních druhů nalezených na daném stromě •q - ekologický index citlivosti druhu k imisím (vyšší q = vyšší citlivost) •f - kvantitativní zastoupení druhu podle odhadové stupnice •v - vitalita druhu podle odhadové stupnice • družicový snímek kopie • • • •30 - 90 •0 - 10 • •10 - 50 •0 - 30 • •30 - 50 •Index L •Rozsah indexu L v horských smrčinách v našich pohraničních pohořích v 80. letech 20. století. Foto 7 •c) indikační kapacity •C = S1m q . f . V •m - počet indikačních druhů na daném stromě •q - ekologický index citlivosti každého indikačního druhu k imisím •f - hodnota určující kvantitativní zastoupení druhu •v - hodnota určující vitalitu druhu • •Etapy ústupu: 1.snižování vitality v 2.snižování abundance f 3.snižování počtu druhů q •Definice jednotlivých lišejníkových indikačních kapacit Modelové příklady dynamiky ústupu lišejníků •rovnoměrný ústup •*současný ústup na úrovni druhů, abundance i vitality •dlouhodobý ústup •*převažuje ústup na úrovni druhů •*předpoklad dlouhodobého působení imisí Modelové příklady dynamiky ústupu lišejníků Modelové příklady dynamiky ústupu lišejníků •střednědobý ústup •*převažuje ústup na úrovni abundance Modelové příklady dynamiky ústupu lišejníků •krátkodobý ústup •*převažuje ústup na úrovni vitality •*předpoklad náhlého zvýšení imisní zátěže v nedávné době PA210498 •Krkonošský národní park Krkonoše • • • • •Zadní Plech •Přední Planina •Slunečné údolí •Rýchory •1982 •1987 •1993 •1997 ZADNÍ PLECH •1982 •1987 •1993 •1997 PŘEDNÍ PLANINA •1982 •1987 •1993 •1997 SLUNEČNÉ ÚDOLÍ •1982 •1987 •1993 •1997 RÝCHORY 5) Metody chemicko-analytické •lišejníky jako materiál pro chemickou analýzu P1010028 Koncentrace Pb (mg/kg suš.) v lišejníku Hypogymnia physodes Pb 1 Kamenec 2 Zadní Plech 3 Medvědín 4 Přední Žalý 5 Přední Planina 6 Rejdiště 7 Liščí jáma 8 Kulová hora 9 Prostřední hora 10 Černá hora 11 Kraví hora 12 Rýchory •LOKALITY •M 1:150 000 As Koncentrace As (mg/kg suš.) v lišejníku Hypogymnia physodes 1 Kamenec 2 Zadní Plech 3 Medvědín 4 Přední Žalý 5 Přední Planina 6 Rejdiště 7 Liščí jáma 8 Kulová hora 9 Prostřední hora 10 Černá hora 11 Kraví hora 12 Rýchory •LOKALITY •M 1:150 000 Fe Koncentrace Fe (mg/kg suš.) v lišejníku Hypogymnia physodes 1 Kamenec 2 Zadní Plech 3 Medvědín 4 Přední Žalý 5 Přední Planina 6 Rejdiště 7 Liščí jáma 8 Kulová hora 9 Prostřední hora 10 Černá hora 11 Kraví hora 12 Rýchory •LOKALITY •M 1:150 000 STANDARDIZACE PODMÍNEK •(1) Životní podmínky pro lišejníky a)substrát b)světelné poměry c)dostupnost vody •(2) Přístup imisí k lišejníkům Foto 2 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif 1212570_28446780.jpg Adobe Systems logo_mu_cerne.gif Inovace tohoto předmětu je spolufinancována Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky Ekotoxikologie terestrického ekosystému 1.Úvod do ekotoxikologie terestrického ekosystému 2.Toxikant v terestrickém ekosystému 3.Biosystém ve vztahu k toxikantu 4.Expozice terestrického ekosystému 5.Osud toxikantů v terestrickém ekosystému 6.Účinky toxikantu na úrovni organismu 7.Účinky toxikantů na úrovni populace 8.Účinky toxikantů na úrovni ekosystému – energie, hmota 9.Účinky toxikantů na úrovni ekosystému – řízení, vývoj 10.Metodika ekotoxikologického výzkumu • •