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) a mohou se mezi sebou rozmnožovat Primární PARAMETRY populací („měřitelné“) (demografické parametry) • velikost (size, performance) – úspěšnost – specifický parametr pro různé druhy (např. počet jedinců, počet semen, květů, pokryvnost množství biomasy aj.) • 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) • další demografické parametry – věkové složení, podíl pohlaví atd. A close up of a map Description automatically generated Temporal variability in population of fish (due to overfishing) Capture of the Atlantic northwest cod stock in million tonnes, with Canadian capture in blue[8] [USEMAP] 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif E1 Variabilita v populacích … je přirozená 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 A picture containing text, map Description automatically generated 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 celoživotního cyklu - Např. pakomáři Chironomus (OECD guideline 233) 3) Modelování (např. DEB modely) 1) Jak prostudovat účinky s dopady na populace ? 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif E3 Příklad – ilustrační obrázek DDT à populační důsledky 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 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 Image result for louka Image result for rabbits A bird standing on a dry grass field Description automatically generated A fox standing in the grass Description automatically generated 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif E2 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 Figure 4. Ecotoxicity of glyphosate-based herbicide (GBH) to aquatic birds. Direct (continuous arrows) and indirect (dashed arrows) effects of GBH on birds. https://www.intechopen.com/books/biochemical-toxicology-heavy-metals-and-nanomaterials/ecotoxicolog y-of-glyphosate-based-herbicides-on-aquatic-environment 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) ) –Vyšší H´ à vyšší diverzita –Shannonův index vyrovnanosti (evenness) (E = H´ / lnS) –Vyšší E à vyšší vyrovnanost společenstva – –Margalefův index (D = (S-1) / lnN ) –... a celá řada dalších indexů • •Poznámka: indexy jsou necitlivé na změny ve vzácných druzích … málo jedinců à malý vliv na celkový index Ni – počet jedinců jednoho druhu N – celkový počet jedinců společenstva S – počet druhů 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif Příklad – domácí úkol ? Kde je největší diverzita ? Které společenstvo je nejvyrovnanější Příklad výpočtu H´pro lokalitu A H’ = - (6/9 . ln (6/9) želvy + 1/9 . ln (1/9) oslové + 2/9 . ln (2/9) králíci) = …… E = …. ? A B C DU09 – viz IS.MUNI.CZ 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif Posouzení podobnosti biocenóz • •INDEXY (vybrané příklady) •Jaccardův index podobnosti = [c / (A + B - c)] x 100% •Srovnává podobnost dvou společenstev •Čím vyšší J-index – tím jsou si srovnávaná společenstva podobnější • •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 • •Další možnosti zobrazení - grafické vícerozměrné metody •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 ? J (lokalita A vs B) = [3 / (3 + 4 - 3)] x 100 = ….. % J (A vs C) = ….. J (B vs C) = ….. 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 DU09 – viz IS.MUNI.CZ Výsledek obrázku pro sýkora Výsledek obrázku pro sýkora C:\Users\ludek_blaha\AppData\Local\Microsoft\Windows\Temporary Internet Files\Content.IE5\ZIB9JPYT\MC900441407[1].wmf 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif https://www.nature.com/articles/s41467-020-20192-2 Abstract Predicting ecological effects of contaminants remains challenging because of the sheer number of chemicals and their ambiguous role in biodiversity-ecosystem function relationships. We evaluate responses of experimental pond ecosystems to standardized concentrations of 12 pesticides, nested in four pesticide classes and two pesticide types. We show consistent effects of herbicides and insecticides on ecosystem function, and slightly less consistent effects on community composition. Effects of pesticides on ecosystem function are mediated by alterations in the abundance and community composition of functional groups. Through bottom-up effects, herbicides reduce respiration and primary productivity by decreasing the abundance of phytoplankton. The effects of insecticides on respiration and primary productivity of phytoplankton are driven by top-down effects on zooplankton composition and abundance, but not richness. By demonstrating consistent effects of pesticides on communities and ecosystem functions and linking pesticide-induced changes in functional groups of organisms to ecosystem functions, the study suggests that ecological risk assessment of registered chemicals could be simplified to synthetic chemical classes or types and groups of organisms with similar functions and chemical toxicities. 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif Fig. 1 figure2 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 INDICATOR SPECIES (bioindicators) • •Species for which (not)presence indicate certain parameter of the environment •Sensitive or tolerant species •Ocurrence in community à INDICES A screenshot of a social media post Description automatically generated https://doi.org/10.1016/j.envpol.2013.07.045 A close up of a map Description automatically generated LICHENS – air quality Dry deposition of nitrogenous pollutants across the UK overlaid with dots showing the value of the lichen-based Weighted Pollution Index A picture containing food Description automatically generated 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif Příklady účinků a jejich vlivu na vztahy ve společenstvu (predátor - kořist) - působení insekticidů ve vodním prostředí à eradikace populací hmyzu (komáři) à likvidace zdroje potravy pro dravé ryby à hmyz - rychlé rozmnožování - návrat à ryby - pomalé množení = dlouhodobý efekt -likvidace terminálních predátorů (bioakumulace tox. látek) à vyhubení vlků v severní Americe à přemnožení jelenů à neřízené spásání vegetace luk a lesů à vyhubení dravců (DDT) à přemnožení hlodavců à neřízené spásání úrody na polích Působení toxických látek à změny ekologických vztahů 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif 1212570_28446780.jpg logo_mu_cerne.gif Účinky toxických látek v ekosystémech 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 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 Praktické hodnocení účinků na úrovni společenstev VÍCEDRUHOVÉ EXPERIMENTY MIKROKOSMY MEZOKOSMY 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif Příklad – laboratorní akvatický mikrokosmos 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 – akvatické mikrokosmy Výsledek obrázku pro outdoor microcosm studies 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif 1212570_28446780.jpg logo_mu_cerne.gif Možnosti studia účinků látek v ekosystémech * Retrospektivní in situ pozorování * Modelování 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 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 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 (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)