Transcript In_situ-технология контроля природной среды на основе биоиндикации состояния экосистем: диагностика, нормирование, оценивание,I мониторинг Александр Петрович Левич Биологический факультет МГУ имени М.В.Ломоносова кафедра биофизики, кафедра общей экологии [email protected] (495) 939-5560

In_situ-технология контроля
природной среды на основе
биоиндикации состояния экосистем:
диагностика, нормирование,
оценивание,I мониторинг
Александр Петрович Левич
Биологический факультет МГУ имени М.В.Ломоносова
кафедра биофизики, кафедра общей экологии
[email protected]
(495) 939-5560
Роль in_situ-технологии в осуществлении
функций экологического контроля
• Экологическая диагностика: выявление и
ранжирование причин экологического неблагополучия.
• Экологическое нормирование: установление границ
классов качества среды по биологическим и физикохимическим показателям.
• Экологическое оценивание: оценка качества среды в
пунктах и районах наблюдения на количественной или
качественной шкале «благополучие – неблагополучие».
• Экологический мониторинг: оценка достаточности
программы наблюдений за факторами среды и
биоиндикационными показателями.
Существующие подходы к оценкам качества
среды
•Индексы химического загрязнения
•Классификаторы качества среды
по биологическим показателям
,
Индекс химического загрязнения
1 k
ИХЗ  i 1 Ci ПДК i
k
где Ci –концентрация i-го вещества, ПДКi – норматив
предельно допустимой концентрации этого
вещества, k – количество учитываемых при оценке
веществ.
Недостатки индекса химического
загрязнения
Ограниченный набор учитываемых
веществ.
Использование экологически
неэффективных показателей качества
среды – нормативов ПДК.
Неаддитивность воздействий.
Неравноценность слагаемых – долей от
ПДК.
Неэффективность нормативов ПДК
1) При использовании нормативов ПДК происходит
подмена понятий: границей между благополучными и
неблагополучными состояниями природного объекта
полагают величины ПДК, тогда как эта граница
соответствует неблагополучию тестовых лабораторных
организмов.
2) Границу нормы для биологического показателя в
лаборатории устанавливают либо экспертным, а не научно
обоснованным способом, либо сравнением с контролем,
каковой отсутствует для природных экосистем.
3) ПДК устанавливают при изолированном действии
отдельных веществ, а не их природных комплексов.
Неэффективность нормативов ПДК
4) ПДК применяют как единые нормативы для огромных
административных территорий без учета степени
адаптации отдельных популяций к окружающей среде в
своем регионе обитания. ПДК не учитывают специфику
функционирования экосистем в различных природноклиматических зонах (широтная и вертикальная
зональность, биогеохимические провинции с
естественными геохимическими аномалиями и различным
уровнем содержания природных соединений), а значит, и
их токсикорезистентность. ПДК не учитывают и
возможные изменения влияния факторов среды во
времени: биологические сезоны, накапливание эффектов,
отдалённые последствия…
Неэффективность нормативов ПДК
5) Установленные при лабораторном биотестировании
значения ПДК определенного вещества могут измениться
при взаимодействии с другими химическими компонентами и
физическими факторами при их попадании в реальный
природный объект. Кроме того, в результате химических
реакций в окружающей среде происходит образование
новых соединений, которые могут быть токсичнее или,
наоборот, безвреднее исходных ингредиентов.
6) Существующие методы определения ПДК
предусматривают расчет лишь максимально допустимых
нагрузок на испытуемые популяции. В то время как к
неблагополучию биоты могут приводить или слишком
низкие значения некоторых факторов или как высокие, так и
низкие значения.
Неэффективность нормативов ПДК
7) Кроме химических веществ, негативное влияние на биологические
организмы оказывают многие другие факторы, например, тепловое,
электромагнитное, шумовое или биологическое загрязнения, уровни
водности, характеристики климата...
В роли факторов, влияющих на показатели здоровья и демографии
населения, выступают требующие нормирования экологические
факторы, к которым в принципе не применимо понятие "допустимых
концентраций", например, общее количество и количество уловленных
и утилизированных выбросов в атмосферу; общее количество,
количество загрязненных или количество неочищенных загрязненных
сточных вод; количество твердых и жидких бытовых отходов, доля
переработанных твердых отходов, количество опасных медицинских и
биологических отходов, близость полигонов захоронения отходов,
число жителей в санитарно-защитных зонах; площадь зеленых
насаждений; количество автотранспорта, тип моторного топлива на
АЗС, доля электрического общественного транспорта; уровень
экологического образования и просвещения; площадь особо
охраняемых природных территорий и т.п.
Неэффективность нормативов ПДК
8) Установлены порядка 103 нормативов ПДК, в то время как в
биосфере циркулируют порядка 107-108 веществ антропогенного
происхождения. Очевидно, что темпы синтеза новых веществ
несоизмеримы с темпами нормирования их воздействий, что
ставит под сомнение возможность обеспечить качество среды
только на основе нормативов ПДК.
9) Превышение нормативов ПДК указывает на недопустимый
уровень нагрузок, но ничего не говорит о вкладе тех или иных
факторов в степень экологического неблагополучия и о
необходимой очерёдности мероприятий по улучшению
экологической обстановки.
10) Использование в экологическом контроле нормативов ПДК
оставляет открытым и вопрос о достаточности программ
наблюдений за потенциально опасными факторами среды – все
ли такие факторы учтены в системе мониторинга.
Классификатор Росгидромета качества воды водоемов
и водотоков по гидробиологическим показателям
По фитопланктону,
зоопланктону,
перифитону
По зообентосу
Менее 1,0
1,00-1,50
1,51-2,50
IV
V
Очень чистые
Чистые
Умеренно
загрязненные
Загрязненные
Грязные
Отношение
общей
численности
олигохет к
общей
численности
донных
организмов, %
1-2
21-35
2,51-3,50
3,51-4,0
VI
Очень грязные
Более 4,00
Класс
Степень
качества загрязненности
вод
воды
I
II
III
Индекс
сапробности
по Пантле и Бук
(в модификации
Сладечека), баллы
По бактериопланктону
Отношение
Биотический
общего
Общее
Количество
индекс
количества
количество сапрофитных
по
бактерий
бактерий, бактерий, 103
Вудивиссу,
к количеству
6
10
кл/мл
кл/мл
баллы
сапрофитных
бактерий
10
7-9
Менее 0,5
0,5-1,0
Менее 0,5
0,5-5,0
Более 10
3
Более 10
36-50
5-6
1,1-3,0
5,1-10,0
103-102
51-65
66-85
86-100 или
макробентос
отсутствует
4
2-3
3,1-5,0
5,1-10,0
10,1-50,0
50,1-100,0
Менее 10
2
Менее 10
0-1
Более 10
Более 100
Менее 10
3
2
2
Классификатор качества вод по химическим
показателям
Воды
Значения ИХЗ
Очень чистые
Чистые
Умеренно
загрязненные
Загрязненные
Грязные
Очень грязные
Чрезвычайно
грязные
до 0.2
0.2–1.0
Классы
качества вод
I
II
1.0–2.0
III
2.0–4.0
4.0–6.0
6.0–10.0
IV
V
VI
>10.0
VII
Существующие подходы к установлению
границ классов качества среды обитания
• По субъективным оценкам экспертов
• По лабораторным экспериментам
• По математическим аппроксимациям
биологических характеристик
Проблемы эффективности экологического
контроля
1) Правомерно ли отождествление природных экосистем с
лабораторными объектами при нормировании качества
среды?
2) Что может служить интегральным показателем качества
среды?
3) Как выбрать «правильный» биоиндикатор? (Существует ли
«градусник» для экосистем?)
4) Что такое норма для состояний природных экосистем и как
измерить ее нарушение? (Где расположена «красная черта» на
«градуснике» для экосистем?) Возможен ли не экспертный
(т.е. не субъективный) выбор, а научно обоснованный расчёт
границ классов качества среды?
5) Как согласовать границы классов качества среды по
биологическим и физико-химическим характеристикам?
6) Как планировать программы наблюдений за факторами
среды, достаточные для выявления причин экологического
неблагополучия?
Биотическая концепция экологического контроля
•
Оценку состояния природных экосистем следует
проводить не по уровням факторов среды, а по
характеристикам биологических компонент, причём in situ,
а не in vitro.
•
Реакция биологических систем на воздействия среды
представляет собой интегральный показатель качества
среды.
•
Для выбранных в качестве индикаторов состояния
характеристик биоты необходим строгий критерий для
расчета положения границы экологической нормы
(«красной черты»).
•
Границы нормы факторов среды следует вводить как
уровни, не нарушающие норму экологического состояния,
установленную по биологическим индикаторам.
Почему не реализована биотическая концепция
• Преобладание химического мониторинга над
биологическим.
• Необходимы компьютерные базы данных
экологического мониторинга. Имеющиеся базы
труднодоступны для исследователей.
• Отсутствует метод научного обоснования
границы экологической нормы (положения
«красной черты» на «градуснике»
биоиндикационного показателя).
• Методологические проблемы анализа
природных экологических данных из-за
нефункциональности зависимостей
биологических характеристик от физикохимических факторов среды.
Методические проблемы
анализа натурных данных
На биологические индикаторы одновременно влияет множество физико-химических
факторов среды, из-за чего зависимости индикаторов от факторов оказываются
неоднозначными и «размытыми».
Необходимо научиться отыскивать связи между экологическими переменными
природных объектов, с такими «плохо организованными» зависимостями друг
отдруга (в отличие от "хорошо организованных" зависимостей, обнаруживаемых в
лабораторных экспериментах, легко поддающихся корреляционному,
регрессионному и другим видам статистического анализа).
Для натурных данных не известна граница нормы индикаторной характеристики.
Без такой границы невозможно провести оценку состояния экосистемы на шкале
«благополучие-неблагополучие».
Пример зависимости между индикатором и
фактором in situ
Анализ нефункциональных зависимостей
Переход от поиска связей между количественными переменными
(корреляционный, регрессионный и т.п. виды статистического анализа) к
анализу сопряжённостей, т.е. к поиску связей между встречаемостью
наблюдений в качественных классах переменных
Таблица сопряженности для двух характеристик X и Y с двумя
классами значений каждой ("высокие значения " и "низкие
значения"). Символы na, nb, nc и nd обозначают количества
наблюдений в соответствующих ячейках таблицы
Низкие значения Высокие значения
характеристики X характеристики X
Высокие значения
характеристики Y
na
nb
Низкие
значения
характеристики Y
nc
nd
Анализ сопряжённостей
Проблема установления границ качественных
классов и идея максимизации силы связи.
Принцип максимизации силы связи между
характеристиками может быть обоснован тем, что
именно максимальная сила связи оказывается
определённой с наименьшими ошибками. На
аналогичном принципе основан расчёт уравнения
парной корреляции, при его поиске минимизируют
сумму квадратов отклонений точек распределения
от некоторой прямой, причем, чем меньше квадраты
отклонений, тем больше коэффициенты корреляции.
Что должна дать in_situ-технология
1. Метод выбора «правильного» биоиндикатора экологического
состояния природного объекта.
2. Метод установления границ нормы («красной черты») для
биоиндикатора. Эти границы смогут играть роль нормативных
показателей и границ классов качества при оценке экологического
состояния природных объектов по биологическим характеристикам.
3. Метод выявления факторов среды, приводящих к неблагополучным
значениям биоиндикационного показателя.
4. Метод установления границ нормы для факторов среды. Эти границы
смогут играть роль нормативных показателей и границ классов качества
при оценке экологического состояния природных объектов по физикохимическим характеристикам.
5. Метод оценивания качества среды обитания в пунктах и районах
экологических наблюдений.
6. Метод оценки достаточности программ наблюдений за потенциально
неблагоприятными факторами среды.
О методе локальных экологических норм
Идеальный случай
Реальные наблюдения
Метод ЛЭН: ранжирование воздействий и
выявление лакун в программах мониторинга
Критерий полноты:
где
– количество всех наблюдений с
неблагополучными значениями индикатора
Значимые для
неблагополучия факторы
могут быть
проранжированы по
полноте их вклада в
степень неблагополучия.
Низкая суммарная по всем
факторам полнота описания
позволяет обнаружить в
программе мониторинга
отсутствие значимых для
неблагополучия факторов.
Что даёт in_situ-технология
Главные результаты:
• Выявление факторов среды, приводящих к экологическому
неблагополучию.
• Согласованные между собой границы классов качества по
биологическим и физико-химическим показателям.
Дополнительные возможности:
• Метод оценки качества среды в пунктах и районах
экологических наблюдений.
• Метод ранжирования факторов среды по их вкладу в частоту
случаев экологического неблагополучия.
• Метод сопоставления биоиндикационного потенциала
различных биологических показателей состояния экосистем.
• Метод оценки достаточности программ экологического
мониторинга.
• Метод экологического прогноза качества среды по сценариям
планируемых воздействий.
• Метод управления качеством среды.
От границ нормы
к инструментам экологического контроля
Границы классов в классификаторах
качества сред как по биологическим,
так и по физико-химическим
характеристикам.
«Натурные» нормативы качества сред
как замена или дополнение к
лабораторным ПДК.
Целевые показатели качества среды.
Преимущества «натурных» нормативов (НН) перед лабораторными ПДК
•
•
•
•
•
•
НН локальны, а не универсальны в пространстве и во времени.
НН учитывают не изолированные вредные воздействия, а
реально сложившиеся в природе их полные комплексы.
НН учитывают многочисленные косвенные эффекты
воздействий, совокупное влияние которых может быть более
сильным, нежели прямое.
НН могут быть рассчитаны не только для загрязняющих
веществ, но и для факторов нехимической природы, например,
для тепловых, радиационных, гидрологических и т.д.
Для НН могут быть рассчитаны как верхние, так и нижние
значения.
Расчёт НН основан на анализе, в первую очередь, данных
государственного биологического и физико-химического
мониторинга. Эти ретроспективные и современные данные
существуют и будут накапливаться независимо от потребностей
предлагаемого подхода. Поэтому стоимость установления НН
определена только стоимостью компьютерных расчётов по
анализу данных, что рентабельнее экспериментов по
установлению нормативов ПДК в лабораториях.
Натурные нормативы и ПДК
В биосфере циркулируют около 5·107 веществ, тем или
иным образом воздействующих на биоту. Нормативы ПДК
установлены примерно для 103 веществ. В программах
физико-химического мониторинга в России предусмотрено
измерение около 102 характеристик. Соответственно,
анализ натурных данных может предложить уточнение в
пределах сотни нормативов ПДК (вместе с новыми
нормативами для факторов нехимической или химической
природы, для которых нормативы ПДК отсутствуют).
Однако, именно эти 102 характеристик существенны для
экологического благополучия в регионах, в силу чего они и
были включены в программы локального мониторинга.
Малое по сравнению с количеством установленных ПДК
число возможных "натурных" нормативов связано не с
ограничениями подхода, а с ограниченностью программ
мониторинга. Востребованность новых нормативов может
служить стимулом расширения этих программ.
Предпосылки in_situ-технологии
• Принятое понятие экологической нормы связано
только с предысторией природного объекта.
• Технология использует только первичные данные
наблюдений за экосистемами и не вносит в анализ
данных мониторинга никаких модельных предпосылок
или гипотез.
• Технология не использует никакие априорные
представления о благополучии и допустимости:
установление соответствующих границ – главный
результат работы подхода.
• Технология не требует, чтобы распределения исходных
данных удовлетворяли каким-либо статистическим
критериям. Анализ состоит исключительно в подсчёте
встречаемости благополучных и неблагополучных,
допустимых и недопустимых значений экологических
характеристик в предыстории природного объекта.
Ограничения in_situ-технологии
• Подход работоспособен только при наличии достаточного
набора данных как биологического, так и физикохимического мониторинга (достаточность понимается как
необходимость исключить случайные и недостоверные
конфигурации данных).
• Рассчитать границы нормы невозможно, если в
предыстории экосистемы не было влияния, приводящего к
экологическому неблагополучию (или наоборот, не было
благополучных состояний).
• При отсутствии подходящих натурных данных нормативы
ПДК оказываются безальтернативными критериями качества
природной среды.
• Нормативы ПДК имеют упреждающий характер – испытание
вновь появляющихся веществ в лаборатории возможно
задолго до накапливания необходимых данных в природе.
• Технология не работоспособна, если не найден адекватный
биоиндикатор состояния экосистемы.
О биоиндикаторах: принципы выбора
В in_situ-методологии биоиндикаторы оказываются востребованными
не в академических целях, а для включения методов их определения в
общегосударственную систему массового экологического контроля.
Подчеркнем три обстоятельства, которые среди прочих могут влиять
на выбор биоиндикаторов:
1) Принцип инструментальности: предпочтительны не "ручные", а
приборные методы анализа биологических данных. Примеры –
показатели размерной структуры фитопланктонных сообществ,
показатели флуоресценции.
2) Принцип ограниченных требований к биологической квалификации
персонала. Пример индикаторных свойств фитопланктона – от
индексов сапробности к инструментальным методам.
3) Принцип антропоцентризма: имея в виду цель обеспечения
экологической безопасности населения, не будет ли более
правильным использовать в качестве биоиндикаторов характеристики
популяции самого человека, например, показатели заболеваемости и
демографии населения ?
Примеры биоиндикаторных показателей
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Численность или биомасса выделенных популяций
организмов или их сообществ.
Показатели биологического разнообразия.
Относительные доли индикаторных организмов.
Индексы встречаемости индикаторных организмов в средах
с различным уровнем загрязнения (индексы сапробности).
Показатели патологии органов у индикаторных организмов.
Доля организмов с генными мутациями.
Показатели флуктуирующей асимметрии.
Размерная структура популяций и сообществ.
Уровень люминесценции или флуоресценции организмов.
Частота сердечного ритма индикаторных организмов.
Структура электрических сигналов, испускаемых
организмами.
Смертность и рождаемость в популяции.
Общая заболеваемость и заболеваемость отдельными
категориями болезней у возрастных групп и популяции в
целом.
Прогноз качества среды по сценариям воздействий
Управление качеством среды
Некоторые публикации
Левич А.П. Биотическая концепция контроля природной среды // Доклады Академии
наук. 1994. Т. 337. №2. С. 257-259.
Левич А.П., Булгаков Н.Г., Максимов В.Н., Рисник Д.В. In_situ-технология установления
локальных экологических норм // Вопросы экологического нормирования и
разработка системы оценки состояния водоемов. М.: Товарищество научных
изданий КМК, 2011. С. 32-57.
Левич А.П., Булгаков Н.Г., Максимов В.Н., Фурсова П.В. In situ-методология оценки
качества среды обитания: основные положения // Использование и охрана
природных ресурсов в России. 2012. № 6. С. 35-37.
Левич А.П., Булгаков Н.Г., Максимов В.Н. In_situ-методология оценки качества среды
обитания: биоиндикаторы // Доклады по экологическому почвоведению. 2013.
Вып. 18. № 1. С. 23-36.
Левич А.П., Булгаков Н.Г., Рисник Д.В., Милько Е.С. Методические проблемы анализа
экологических данных и пути их решения: метод локальных экологических
норм // Доклады по экологическому почвоведению. 2013. Вып. 18. № 1. С. 9-22.
Левич А.П., Забурдаева Е.А., Максимов В.Н., Булгаков Н.Г., Мамихин С.В. Поиск
целевых показателей качества для биоиндикаторов экологического состояния
и факторов окружающей среды (на примере водных объектов р. Дон) // Водные
ресурсы. 2009. Т. 36. № 6. С. 730-742.
Булгаков Н.Г., Рисник Д.В., Левич А.П., Милько Е.С. Анализ экологического состояния
вод для отдельных створов Нижней Волги на основе биоиндикации по
показателям видового разнообразия фитопланктона // Вода: химия и экология.
2010. № 12. С. 27-34.
Некоторые публикации
Максимов В.Н., Соловьев А.В., Левич А.П., Булгаков Н.Г., Абакумов В.А., Терехин А.Т. Методика
экологического нормирования воздействий на водоемы, не нормируемых методами
биотестирования (на примере водных объектов бассейна Дона) // Водные ресурсы,
2009. Т. 36. №2. С. 335-340.
Булгаков Н.Г., Рисник Д.В., Левич А.П., Милько Е.С. Границы нормы качества природных
экосистем, полученные в рамках in_situ-технологии контроля качества вод // Водное
хозяйство России. 2013. № 2. С. 26-41.
Левич А.П., Булгаков Н.Г., Рисник Д.В., Бикбулатов Э.С., Бикбулатова Е.М., Ершов Ю.В.,
Конюхов И.В., Корнева Л.Г., Лазарева В.И., Литвинов А.С., Максимов В.Н., Мамихин С.В.,
Осипов В.А. Отюкова Н.Г., Поддубный С.А. Фурсова П.В., Цельмович О.Л. Поиск связей
между биологическими и физико-химическими характеристиками экосистемы
Рыбинского водохранилища. Часть 3. Расчет границ классов качества вод //
Компьютерные исследования и моделирование. 2013. Т. 5. № 3. С. 451-471.
Булгаков Н.Г., Трофимов С.Я., Рябинкин А.В., Рисник Д.В., Левич А.П. Влияние нефтепродуктов
и других загрязнителей на зообентос водоемов, испытывающих воздействие
нефтегазового комплекса // Региональная экологическая политика в условиях
существующих приоритетов развития нефтегазодобычи: материалы III cъезда
экологов нефтяных регионов. Ханты-Мансийск: Профикс, 2013. С. 221-231.
Булгаков Н.Г., Левич А.П., Барабаш А.Л. Индикация экологического состояния в регионах
России по показателям демографии населения // Социальная политика и социология.
2012. №5 (83). С. 87-107.
Левич А.П., Булгаков Н.Г., Барабаш А.Л., Рисник Д.В., Фурсова П.В., Милько Е.С. Влияние
экологических факторов на показатели заболеваемости населения // Безопасность в
техносфере. 2014 (в печати).