билет-4

КВАЛИФИКАЦИОННОЕ ЗАДАНИЕ № 4

Аутэкология и синэкология.

ГИС в экологии. Какие основные аналитические возможности обычно присутствуют в современных ГИС.

Методы биотестирования для обнаружения токсического загрязнения поверхностных вод суши.

Перспективное экологическое планирование. Исходные данные и их анализ.

Приоритетные химические загрязнители в современной экологии и меры по их детоксикации в природе.

1.Аутэкология — раздел экологии, изучающий влияние факторов окружающей среды на отдельные организмы, популяции и виды (растений, животных, грибов, бактерий). Задача А. — выявление физиологических, морфологических и прочих приспособлений (адаптаций) видов к различным экологическим условиям: режиму увлажнения, высоким и низким температурам, засолению почвы (для растений). В последние годы у А. появилась новая задача — изучение механизмов реагирования организмов на различные варианты химического и физического загрязнения (включая радиоактивное загрязнение) среды.Теоретическая основа А. — ее законы.Первый закон А. — закон оптимума: по любому экологическому фактору любой организм имеет определенные пределы распространения (пределы толерантности). Как правило, в центре ряда значений фактора, ограниченного пределами толерантности, лежит область наиболее благоприятных условий жизни организма, при которых формируется самая большая биомасса и высокая плотность популяции. Напротив, у границ толерантности расположены зоны угнетения организмов, когда падает плотность их популяций и виды становятся наиболее уязвимыми к действию неблагоприятных экологических факторов, включая и влияние человека. Второй закон А. — индивидуальность экологии видов: каждый вид по каждому экологическому фактору распределен по-своему, кривые распределений разных видов перекрываются, но их оптимумы различаютс. По этой причине при изменении условий среды в пространстве (например, от сухой вершины холма к влажному логу) или во времени (при пересыхании озера, при усилении выпаса, при зарастании скал) состав экосистем изменяется постепенно. Известный российский эколог Л. Г. Раменский сформулировал этот закон образно: . Третий закон А. — закон лимитирующих (ограничивающих) факторов: наиболее важным для распределения вида является тот фактор, значения которого находятся в минимуме или максимуме. Например, в степной зоне лимитирующим фактором развития растений является увлажнение (значение находится в минимуме) или засоление почвы (значение находится в максимуме), а в лесной — ее обеспеченность питательными элементами (значения находятся в минимуме).  Законы А. широко используются в сельскохозяйственной практике, например, при выборе сортов растений и пород животных, которые наиболее целесообразно выращивать или разводить в конкретном районе.

Синэкология — раздел экологии, изучающий взаимоотношения организмов различных видов внутри сообщества организмов. Часто синэкологию рассматривают как науку о жизни биоценозов, то есть многовидовых сообществ животных, растений и микроорганизмов.В настоящее время является одним из 3 главных разделов общей экологии (наряду с аутэкологией и демэкологией). Изначально термин использовался преимущественно в ботанике. Синэкология или учение о растительных формациях, распадается на следующие отделы: 1.Физиономическая синэкология.- имеет задачей описание растительных формаций с точки зрения их состава и «физиономии» («жизненных форм»).2. Географическая синэкология - изучает географическое распределение формаций по областям, по горным поясам и по геологическим системам представляющим из себя субстрат для растительности.3.  Экологическая синэкология- изучает условия жизни данного местообитания; отдельные экологические группы, входящие в состав данной формации; происхождение формаций, условия поддержания их в равновесии и изменения, претерпеваемые формациями. 4. Историческая синэкология.- исследует флористические элементы отдельных формаций и историю их иммиграции.СИНЭКОЛОГИЯ — раздел экологии, изучающий ассоциации популяций разных видов растений, животных и микроорганизмов (биоценозов), пути их формирования, их взаимодействие с внешней средой. СИНЭКОЛОГИЯ — (от греч. syn — вместе и экология), раздел экологии, изучающий сообщества организмов (биоценозы). Термин «СИНЭКОЛОГИЯ» был предложен швейцарским ботаником К. Шрётером (1902) и принят Брюссельским международным ботаническим конгрессом (1910) для обозначения учения о растительных сообществах — фитоценозах. Таким образом, СИНЭКОЛОГИЯ в первоначальном смысле — синоним современной фитоценологии, в дальнейшем большинство фитоценологов стали считать синэкологию лишь частью фитоценологии, охватывающей экологические стороны изучения фитоценоза. 

2. Географические информационные системы (ГИС) появились в 60-х годах XX века как инструменты для отображения географии Земли и расположенных на ее поверхности объектов. Сейчас ГИС представляют собой сложные и многофункциональные инструменты для работы с данными о Земле.

Возможности, предоставляемые пользователю ГИС: — работа с картой (перемещение и масштабирование, удаление и добавление объектов); — печать в заданном виде любых объектов территории; — вывод на экран объектов определенного класса; — вывод атрибутивной информации об объекте; — обработка информации статистическими методами и отображение результатов такого анализа непосредственным наложением на карту.

Так, с помощью ГИС специалисты могут оперативно спрогнозировать возможные места разрывов трубопроводы, проследить на карте пути распространения загрязнений и оценить вероятный ущерб для природной среды, вычислить объем средств, необходимых для устранения последствий аварии. С помощью ГИС можно отобрать промышленные предприятия, осуществляющие выбросы вредных веществ, отобразить розу ветров и грунтовые воды в окружающей их местности и смоделировать распространение выбросов в окружающей среде.

В 2004г. президиумом Российской академии наук было принято решение о проведении работ по программе «Электронная Земля», суть которой заключается в создании многопрофильной геоинформационной системы, характеризующей нашу планету, практически — цифровой модели Земли.

Деятельность человека постоянно связана с накоплением информации об окружающей среде, ее отбором и хранением. Информационные системы, основное назначение которых — информационное обеспечение пользователя, то есть предоставление ему необходимых сведений по конкретной проблеме или вопросу, помогают человеку решать задачи быстрее и качественнее. При этом одни и те же данные могут использоваться при решении разных задач и наоборот. Любая информационная система предназначена для решения некоторого класса задач и включает в себя как хранилище данных, так и средства для реализации различных процедур.

Информационное обеспечение экологических исследований реализуется главным образом за счет двух информационных потоков: 1) информация, возникшая при проведении экологических исследований; 2) научно-техническая информация по мировому опыту разработки экологических проблем по различным направлениям.

Общей целью информационного обеспечения экологических исследований является изучение информационных потоков и подготовка материалов для принятия решений на всех уровнях управления в вопросах выполнения экологических исследований, обоснования отдельных научно-исследовательских работ, а также распределения финансирования.

Поскольку объектом описания и изучения является планета Земля, и экологическая информация имеет общие черты с геологической, то перспективно построение географических информационных систем для сбора, хранения и обработки фактографической и картографической информации: — о характере и степени экологических нарушений естественного и техногенного происхождения; — об общих экологических нарушениях естественного и техногенного происхождения; — об общих экологических нарушениях в определенной сфере человеческой деятельности; — о недроиспользовании; — об экономическом управлении определенной территорией.

Географические информационные системы рассчитаны, как правило, на установку и подключение большого количества автоматизированных рабочих мест, располагающих собственными базами данных и средствами вывода результатов. Экологи на автоматизированном рабочем месте на основе пространственно привязанной информации может решить задачи различного спектра: — анализ изменения окружающей среды под влиянием природных и техногенных факторов; — рациональное использование и охрана водных, земельных, атмосферных, минеральных и энергетических ресурсов; — снижение ущерба и предотвращение техногенных катастроф; — обеспечение безопасного проживания людей, охрана их здоровья.

Современную геоинформационную систему можно определить как совокупность аппаратно-программных средств, географических и семантических данных, предназначенную для получения, хранения, обработки, анализа и визуализации пространственно-распределенной информации. Экологические геоинформационные системы позволяют работать с картами различных экологических слоев и автоматически строить аномальную зону по заданному химическому элементу. Это достаточно удобно, так как эксперту-экологу не нужно в ручную рассчитывать аномальные зоны и производить их построение. Однако, для полного анализа экологической обстановки эксперту-экологу требуется распечатывать карты всех экологических слоев и карты аномальных зон для каждого химического элемента. В геоинформационной системе построение аномальных зон производилось для тридцати четырех химических элементов.

3.   Необходимость ввести в практику мониторинга качества поверхностных вод методы оценки токсикологического состояния водных объектов связана с резким ухудшением экологической обстановки в ряде регионов страны. Активно проявляется влияние ранее совершенно не рассматривавшихся факторов загрязнения природных вод токсическими веществами. Объем сточных вод, сбрасываемых в водоемы и водотоки, в настоящее время достаточно велик, тогда как химический контроль за сбросом токсичных компонентов недостаточен. Последнее обусловлено постоянным увеличением числа загрязняющих веществ, трудностями аналитического определения и нормирования, принципиальной невозможностью учета суммарных эффектов и процессов преобразования, загрязняющих веществ. Наиболее приемлемым выходом из создавшейся ситуации является внедрение в практику мониторинга поверхностных вод методов биотестирования токсичности.

Методы определения токсичности вод в помощью биотестирования по целям можно разделить на две группы: методы оценки общей токсичности вод и методы индикации в воде определенных загрязнителей, например, фенолов, ряда тяжелых металлов и т. п.

Биотестирование поверхностных вод суши проводят в режимных наблюдениях и для решения оперативных задач с целью проверки соответствия качества вод отдельных проб установленным нормам. В режимных наблюдениях на основе систематических данных биотестирования оценивают токсикологическое состояние водных объектов или их участков. В ходе решения оперативных задач оценивают токсичность отдельных проб воды с целью выяснения чрезвычайных экологических ситуаций.

Биотестирование токсичности поверхностных вод суши позволяет:  - оценить токсичность пробы воды; - оценить влияние источников загрязнения на состояние водной составляющей водного объекта; - оценить в целом уровень токсического загрязнения экосистемы водного объекта;- оценить эколого-токсикологическое состояние водного объекта в комплексе с методами биоиндикационных и физико-химических исследований.

Объективную оценку токсического загрязнения получают путем: — использования набора биотестов с различными тест-объектами, желательно, представителями разного трофического и систематического уровня, например, микроводоросли, дафнии, рыбы, инфузории, коловратки и т.д.; - использования набора биотестов на основе различных тест-реакций одного тест-объекта, например, пищевая активность, гибель, плодовитость коловраток, или, например, фотосинтез, концентрация хлорофилла, интенсивность прироста микроводорослей. Наиболее точную оценку получают по комплексу показателей гибели и плодовитости тест-объекта в зависимости от экспозиции.

Методы биотестирования природных вод имеют ряд общих принципов с методами биотестирования сточных вод, однако имеют и существенные особенности: - все процедуры и технологические приемы биотестирования должны быть более жесткими по сравнению с таковыми для сточных вод из-за относительно низких концентраций загрязняющих веществ;- необходимость четких стандартных условий и процедуры биотестирования в связи с относительно низкими концентрациями загрязняющих веществ и влиянием естественных физико-химических параметров водной среды;- использование двух контрольных серий (на дехлорированной водопроводной воде исследуемого региона и на воде фонового створа);- обязательное наличие данных о параметрах гидрохимического режима водного объекта и использование испытываемой воды без их изменения (например, температуры, рН);- биотестирование проводят на нефильтрованной воде, при наличии взвешенных частиц — на нефильтрованной и фильтрованной;- преимущественное использование методов непрерывного биотестировния (без постановки отдельных экспериментов по установлению острого и хронического токсического действия, т.е. отсутствие острого токсического действия в кратковременном опыте позволяет продолжить тот же опыт без замены среды и популяций тест-объектов в длительный эксперимент по определению хронического токсического действия).

Основные для всех методов биотестирования, этапы и порядок их соблюдения для получения надежной информации включают четыре этапа: предварительный, общий, специализированный и заключительный.На предварительном этапе используют методику в соответствии с областью ее применения.На общем этапе получают для биотестирования пробы воды из исследуемого (опытного) и контрольного (фонового) створов, включая регламентацию способов отбора, хранения и подготовки проб для биотестирования.

На специализированном этапе устанавливают следующее:

1) Стандартные условия содержания маточной культуры тест-объекта на основе требований к тест-объектам. Требования к тест-объектам включают:- полное название вида и точное указание его систематической принадлежности (результаты биотестирования на одном виде не распространяются на другие виды, чувствительность к токсическому воздействию у разных видов существенно отличаются);-морфо-функциональные и возрастные показатели;-способы получения;- физико-химические условия, режим кормления содержания маточной культуры тест-объекта.2) Пригодность тест-объекта к биологическому анализу. В биотестировании используют синхронизированные культуры. Способы синхронизации представителей микрозоопланктона приведены в рекомендациях Р 52.24.566.     

3) Требования к чувствительности и точности методики биотестирования. Параметры чувствительности (порог чувствительности и диапазон реагирования) и точности (сходимость и воспроизводимость результатов) устанавливают в ходе токсикологических экспериментов.     Порог чувствительности и диапазон реагирования тест-объекта определяется экспериментально с помощью эталонного токсиканта по величине того параметра, который принят за критерий токсичности в биотесте. Например, при биотестировании острого токсического действия диапазон реагирования тест-объектов устанавливают по интервалу концентраций бихромата калия, в пределах которого находится LC.      Порог чувствительности представляет собой нижнюю границу диапазона реагирования.     Характеристика точности биотеста — гарантируемые значения показателей точности методики, выполняемой при всех допускаемых вариациях влияющих факторов и характеризующих точность любого результата биотестирования, который может быть получен по данной методике при ее строгом соблюдении. Нормы точности устанавливают в ходе токсикологических экспериментов, проводимых в одной (сходимости) или нескольких лабораториях (воспроизводимости).Требования к процедуре выполнения методики биотестирования, включающие:- требования к числу повторностей, емкостям для биотестирования, объему воды и плотности посадки тест-объектов, соблюдение оптимальных условий жизнедеятельности тест-объектов (температура, концентрация растворенного кислорода, жесткость воды, рН), содержанию взвешенных веществ в испытываемой воде, и др.;- требования к регламентации факторов, влияющих на точность результатов. Указание допустимых колебаний значений факторов среды и условий выполнения биотеста, соблюдение которых позволяет считать результаты правильными. Допустимый количественный диапазон колебаний факторов среды и условий биотестирования устанавливают по данным литературы и исследованиям разработчиков методик о биологических особенностях гидробионтов, используемых в качестве тест-объектов.Требования к регистрации тест-показателей. Учет тест-показателей проводят визуально или с помощью приборов. Особенно важным является соблюдение срока экспозиции и временного интервала учета тест-показателей.

Требования к контрольной серии. Для анализа результатов биотестирования необходимо выбрать один из двух используемых контролей (вода из условно чистого фонового участка, профильтрованная через планктонный газ высоких номеров, и дехлорированная водопроводная вода местного региона) согласно Р 52.24.566.

На заключительном этапе проводят следующее:1) Оценивают результаты биотестирования, включающие либо статистическую обработку, либо оценку по шкалам токсичности согласно Р 52.24.566.2) Определяют способ выражения результатов — словесное выражение степени токсического действия от острого до хронического.3) Устанавливают требования к документации, представляемой по результатам биотестирования, обеспечивающей возможность контроля качества информации.

4.