Зависимость «доза — эффект» на уровне наземных биогеоценозов

С развитием экологической токсикологии была высказана идея о необходимости построения зависимостей «доза — эффект» для отдельных биоценозов. В них «дозой» выступает величина поступления поллютантов в экосистему или их депонирования, а «эффектом» — параметры биоцентрического уровня.

Рис. 1.3. Содержание токсических элементов в природных популяциях животных в зависимости от интенсивности химического загрязнения среды (по: Безель, 2006):

С_крит — критический уровень токсикантов в организмах половозрелых и неполовозрелых животных; заштрихованная площадь соответствует количеству.

«пораженных» особей Несмотря на важность анализа дозовых зависимостей на экосистемном уровне, на настоящий момент имеется немного попыток их построения.

Сложность перехода к анализу дозовых зависимостей экологических систем надорганизменного уровня связана с практической нереализуемостью активных экспериментов с дозируемыми нагрузками на природные биогеоценозы. Другая трудность связана с неопределенностью дозы токсической нагрузки в реальной ситуации. Выбросы реальных источников загрязнения, как правило, многокомпонентны, и не всегда удается выделить один или два ведущих токсиканта. Наконец, трудность анализа зависимостей «доза — эффект» на уровне экосистем связана со значительно большей пространственно-временной вариабельностью параметров по сравнению с другими уровнями организации. Она определяется как естественной мозаичностью экологических факторов, так и пространственной неоднородностью распределения дозы токсической нагрузки.

В качестве примера приведем зависимости «доза — эффект» на экосистемном уровне, представленные в исследованиях Е. Л. Воробейчика (2003). При построении дозовых зависимостей были использованы данные по трем районам, подверженным загрязнению природной среды тяжелыми металлами. Во всех случаях были использованы интегральные параметры состояния отдельных компонентов: для древостоя — запас и густота, сомкнутость полога, доля сухостоя по запасу, плотность всходов и подроста; для травяно-кустарничкового яруса и луговой растительности — общая фитомасса, видовое богатство, видовая насыщенность, сходство с фоновым сообществом по видовой структуре и др.

В большинстве случаев дозовые зависимости для реакции компонентов наземных экосистем имели «классическую» форму S-образной кривой (рис. 1.4). Это было справедливо для всех рассмотренных районов и большинства показателей.

Рис. 1.4. Примеры зависимостей «доза — эффект» для параметров состояния наземных экосистем в районе Среднеуральского и Кировградского медеплавильных заводов (по: Воробейник, 2003).

Один из важнейших результатов анализа дозовых зависимостей заключается в их ярко выраженной ступенчатости: для большинства экосистемных параметров реакция на нагрузку нелинейна — существуют два относительно стабильных уровня, соответствующих фоновому и импактному состояниям, с очень резким переходом между ними.

Таким образом, в современных условиях глобального загрязнения внешней среды диагностировать наличие неспецифических признаков поражения даже для значительных выборок — очень трудоемкая зо задача. Видимо, одним из путей решения этой проблемы является постановка соответствующих токсикологических экспериментов в вивариях, климатических камерах, мезокосмах со строгим дозированием уровня и длительности воздействия токсиканта. Однако при этом возникает другая трудность, связанная с последующей необходимостью экстраполяции полученных в эксперименте данных, прежде всего критических значений, на условия существования природных популяций. Возникают проблемы адекватного учета особенностей обмена токсикантов в природных средах, оценка их количеств, поступающих в животные и растительные организмы, и, наконец, прогнозируемой реакции популяции на изъятие части «пораженных» особей. Все эти проблемы относятся к фундаментальным закономерностям экологической науки.

Оценочные средства

Вопросы для подготовки студентов к семинарскому занятию.

• 1. Что такое действующая доза?
• 2. Зачем исследователи оперируют зависимостью «доза — эффект»?
• 3. Какие показатели характеризуют дозовую зависимость популяционных эффектов?
• 4. Дайте характеристику популяционного подхода к оценке токсических эффектов.
• 5. Какие показатели характеризуют дозовую зависимость биоценотических эффектов?
• 6. Что такое полулетальная доза LD₅₀? Кем и в каком году впервые была сформулирована концепция определения LD₅₀ веществ?
• 7. Что такое порог вредного действия?
• 8. Что необходимо учитывать при оценке хронической экотоксичности вещества?
• 9. Какие эффекты токсического поражения регистрируются на разных уровнях организации биологических систем? Каковы их общие закономерности?
• 10. Что должен учитывать популяционный характер зависимости «доза — эффект»?
• 11. В чем заключается сложность оценки зависимости «доза — эффект» на уровне наземных биогеоценозов?

Типовые задания для текущего контроля успеваемости СК-1:

• 1. Сравните градированный и альтернативный характер зависимости «доза — эффект».
• 2. Охарактеризуйте эпидемиологический подход к характеристике зависимости «доза — эффект».
• 3. Объясните, что отражает дозовая зависимость, дайте ее общую характеристику.
• 4. Примените закон статистического распределения к оценке критического уровня (С_кр).

СК-5:

• 5. Изобразите дозовую зависимость, отражающую изменения численности особей в популяции животных при увеличении действия токсического фактора.
• 6. Предложите методы, которые можно использовать при изучении дозовой зависимости.

7. Рассчитайте гибель 1000 молодых крыс, которым однократно орально ввели метанол в концентрациях LD₅₀, LD₅, LD₉₅. Предположите, будет ли различаться количество погибших в выборках из молодых и взрослых особей?

СК-8:

• 8. Изобразите графически градированный и альтернативный характер зависимости токсических эффектов от уровня токсической нагрузки. Выскажете возможность спрогнозировать наличие или отсутствие поражения в биологической системе в первом и втором случаях.
• 9. Объясните, почему критическое значение концентрации поллютанта, вызывающего нарушения в сообществах, выше, чем концентрация соответствующего поллютанта, вызывающая нарушения в популяциях.
• 10. Металлургическим предприятием, расположенным около соснового леса, осуществлен выброс полиметаллической пыли и оксидов серы, в несколько десятков раз превышающий допустимые нормативы. Сделайте прогноз возможных изменений на популяционном и биоценотическом уровнях, основываясь на поливариантности исходных ситуаций.
• 11. Объясните, почему нельзя однозначно экстраполировать результаты лабораторных токсикологических экспериментов на природные популяции и биоценозы, которые подвержены токсическому воздействию.