AUTOREFERAT ROZPRAWY DOKTORSKIEJ:

Transkrypt

1 mgr Tomasz Adam Karasek Zakład Hydrobiologii, Instytut Zoologii, Wydział Biologii, Uniwersytet Warszawski AUTOREFERAT ROZPRAWY DOKTORSKIEJ: Opracowanie i testowanie nowej metody oceny stanu ekologicznego środowisk słodkowodnych na podstawie przyżyciowej analizy bentosu Promotor: Recenzenci: dr hab. Paweł Koperski Zakład Hydrobiologii, Instytut Zoologii, Wydział Biologii, Uniwersytet Warszawski dr hab. Wojciech Fiałkowski Instytut Nauk o Środowisku, Uniwersytet Jagielloński prof. dr hab. Ryszard Kornijów Zakładu Oceanografii Rybackiej i Ekologii Morza, Morski Instytut Rybacki Państwowy Instytut Badawczy Spadek różnorodności biologicznej spowodowany działaniem człowieka niesie ze sobą poważne konsekwencje dla środowiska na różnych poziomach organizacji. Efekt widoczny jest zarówno na poziomie obiegu pierwiastków (np. węgla), jak również interakcji międzygatunkowych (np. wypieranie rodzimych gatunków przez inwazyjne). Co więcej, odczuwa je również społeczeństwo, z uwagi na zmiany obserwowane w dostarczanych przez środowisko usługach ekosystemalnych, co determinuje konieczność zmniejszenia presji i podjęcie działań ochronnych. Nie dziwi zatem duże zainteresowanie monitoringiem biologicznym, który jest stosowany w celu określenia czy dany element zasobów przyrodniczych osiąga swój potencjał biologiczny, rozumiany jako stan, który społeczeństwo postanowiło chronić. W myśl Ramowej Dyrektywy Wodnej Unii Europejskiej można posłużyć się w tym celu terminem stan ekologiczny wód powierzchniowych, który odzwierciedla ogólną degradację badanego środowiska. Monitoring biologiczny środowiska stanowi bardzo obszerny fragment badań aplikacyjnych w dziedzinie ekologii a zagadnienie to już od wielu lat jest poruszane przez badaczy. Spośród wielu organizmów wykorzystywanych w monitoringu powierzchniowych wód słodkich, makrobezkręgowce bentosowe są niewątpliwie jedną z popularniejszych grup. Przynajmniej część spośród metod opartych o makrobezkręgowce spełnia większość kryteriów idealnego narzędzia biomonitoringowego. Makrobezkręgowce bentosowe są najczęściej stosowane w przypadku monitoringu cieków i, nieco rzadziej w przypadku jezior. W przeciwieństwie do obu wyżej wymienionych środowisk, drobne zbiorniki

2 cieszyły się dotychczas niewielkim zainteresowaniem decydentów oraz twórców metod monitoringu biologicznego. Pomimo bardzo dużej liczby stosowanych w praktyce metod monitoringu biologicznego wód słodkich, większość procedur opartych o bezkręgowce bentosowe składa się z podobnych, kolejno następujących po sobie etapów: (a) pobór prób, (b) konserwacja, (c) określanie przynależności taksonomicznej, (d) interpretacja uzyskanych surowych danych. Ostatni etap, oparty jest przeważnie na wykorzystaniu wskaźników biotycznych pozwalających na przedstawienie w wyniku w postaci wartości liczbowej. Wykorzystanie makrobezkręgowców w ocenie cieków oraz drobnych zbiorników wiąże się z pobieraniem obfitych prób zwierząt i konserwowaniem ich w celu określenia przynależności taksonomicznej. Prowadzi to do śmierci wszystkich zwierząt w próbie. W pewnym sensie, takie podejście stoi w sprzeczności z wieloma krajowymi oraz międzynarodowymi regulacjami prawnymi, porozumieniami oraz dokumentami, które zakazują działań negatywnie wpływających na rzadkie i zagrożone gatunki zwierząt lub różnorodność biologiczną samą w sobie. Skala tego problemu staje się jasna, gdy uwzględnione zostaną informacje na temat obfitości prób. Przykładowo, w takcie tylko jednego poboru próby zgodnie z polską modyfikacją procedury BMWP oraz procedurą STAR/AQEM śmierć ponosić może nawet ponad, odpowiednio, 2500 i 5000 osobników. Ponadto, w przypadku wielu metod, jeżeli próba jest bardzo obfita zalecane jest aby oceny dokonywać jedynie na podstawie reprezentatywnej podpróby (np lub 350 osobników, odpowiednio w procedurach BMWP-PL oraz STAR/AQEM). Co więcej, w przypadku niektórych metod ocena jest dokonywana jedynie w oparciu o wybrane taksony a pozostałe osobniki są wyłączane z dalszych etapów. W efekcie, tradycyjne procedury prowadzą do masowego uśmiercania wszystkich zwierząt obecnych w próbie, także tych, które nie są wykorzystywane we właściwej ocenie stanu środowiska. W ten sposób, nie chronią one w sposób właściwy zasobów przyrodniczych, jak również pozostają wątpliwe z etycznego punktu widzenia. Alternatywą dla masowego uśmiercania zwierząt bezkręgowych jest rozwijanie metod przyżyciowych. Pomimo długiej historii opracowywania i wdrażania rozmaitych metod oceny, nadal brak jest takich procedur bazujących na makrobezkręgowcach bentosowych. Szansę na ich wykorzystywanie w badaniach przyrodniczych daje rozwój nowych technologii. Jasnym jest, że etapami kluczowymi dla zredukowania lub wręcz uniknięcia śmiertelności zwierząt są: konserwacja oraz określanie przynależności taksonomicznej; zwłaszcza, że liczba uśmierconych zwierząt i skuteczność oceny są od siebie niezależne. Proponowana w niniejszej pracy metoda opiera się na wykorzystaniu technologii trójwymiarowej fotografii cyfrowej, za pomocą której możliwe

3 jest utrwalenie cyfrowego wizerunku prób zwierząt, a następnie przyżyciowe określenie ich przynależności taksonomicznej. Celem mojej pracy było przetestowanie założenia, że poprawnej oceny stanu ekologicznego środowisk słodkowodnych można dokonać stosując przyżyciowe metody poboru oraz analizy składu taksonomicznego makrobentosu. Zakres badań obejmował opracowanie procedury przyżyciowej oraz testowanie jej skuteczności w ocenie stanu ekologicznego (rozumianego jako stopień ogólnej degradacji środowiska) cieków i drobnych zbiorników. Opracowana na potrzeby niniejszej pracy procedura przyżyciowa NoMBSI (Nonlethal Method of Benthos Sampling and Identification) porównywana była z procedurami wymagającymi uśmiercania pobranych prób zwierząt (procedura kontrolna dla NoMBSI oraz w przypadku cieków tradycyjna procedura oparta na wielosiedliskowej metodyce BMWP-PL), pod względem uzyskania informacji na temat: stanu ekologicznego (ogólnego stopnia degradacji), bogactwa taksonomicznego, wpływu czynników środowiskowych na występowanie taksonów oraz podobieństwa macierzy danych. Ponadto W przypadku drobnych zbiorników, przetestowałem ponadto wykorzystanie zmodyfikowanej procedury NoMBSI, w której wybierałem podpróbę 100 osobników, co miało na celu zwiększenie rozpoznawalności taksonów w próbie. Procedura NoMBSI składa się z trzech etapów: 1) pobór prób za pomocą sztucznych podłoży (cieki) lub kasarka siatki ręcznej (drobne zbiorniki); 2) cyfrowe utrwalanie wizerunku całej próby z wykorzystaniem przenośnego studia fotograficznego; 3) określanie przynależności taksonomicznej z dokładnością do poziomu rodziny oraz liczebności makrobezkręgowców na podstawie trójwymiarowych zdjęć całej próby. Cyfrowo utrwalone próby zostały następnie zakonserwowane w 75% alkoholu etylowym i przetransportowane do laboratorium. Następnie przynależność taksonomiczna (z dokładnością do poziomu rodziny) i liczebność makrobezkręgowców była określana z wykorzystaniem mikroskopu stereoskopowego. Pozwoliło mi to na uzyskanie procedury kontrolnej dla NoMBSI. Ponadto, w celu ułatwienia interpretacji uzyskanych informacji, zarówno dla NoMBSI, jak i procedury kontrolnej dla NoMBSI opracowałem wskaźniki wielometryczne pozwalające na liczbowe wyrażenie stopnia degradacji środowiska. Wyniki wskazują na selektywność NoMBSI w kwestii uzyskiwanych danych (średnio 48% i 53% taksonów w próbie było poprawnie rozpoznanych, odpowiednio, dla cieków i drobnych zbiorników), co pozwala twierdzić, iż stosując tą metodę wnioskowanie na temat ogólnego stopnia degradacji nie powinno być oparte na całości bentosu, a jedynie na wybranych grupach taksonomicznych posiadających wartość indykacyjną. Macierze podobieństw

4 uzyskane na podstawie NoMBSI nie różniły się przy tym istotnie od tych uzyskanych zgodnie z procedurą kontrolną. Wykorzystując procedurę przyżyciową, większość z badanych stanowisk (94,8% i 92%, odpowiednio, dla cieków i drobnych zbiorników), niezależnie od rodzaju wód słodkich, została poprawnie zaklasyfikowana względem stanu ekologicznego. Pozwala to wnioskować, iż NoMBSI stanowi skuteczną alternatywę dla metod obarczonych wysoką śmiertelnością makrobezkręgowców bentosowych. Z drugiej jednak strony, wykorzystanie NoMBSI do uzyskania bardzo szczegółowych informacji na temat wpływu czynników środowiskowych na poszczególne taksony jest w obecnej formie mocno ograniczone. Wyniki wskazują, iż tylko dla części z taksonów obecnych w próbie procedura NoMBSI pozwoliła na odwzorowane relacji z czynnikami środowiskowymi. Ponadto, procedura przyżyciowa przeważnie wskazywała na niższe bogactwo taksonomiczne niż procedura kontrolna, co wskazuje na ograniczone możliwości wykorzystania NoMBSI również w tego typu analizach. Niezbędna jest zatem dalsza modyfikacja procedury w kierunku zwiększenia rozpoznawalności. Wstępne wyniki dotyczące modyfikacji sposobu poboru próby NoMBSI (wybieranie podpróby 100 osobników), przetestowanej dla drobnych zbiorników wskazują na możliwość znacznego zwiększenia rozpoznawalności taksonów w próbie (wzrost do 83%, w porównaniu do 53% dla procedury niezmodyfikowanej), a więc kluczowego parametru dla procedury przyżyciowej. W efekcie, wpływa to pozytywnie również na pozostałe parametry. Niemniej jednak, wydaje się, że przynajmniej w przypadku drobnych zbiorników podpróba licząca 100 osobników jest zbyt mała aby w pełni odwzorować całość próby. Potwierdza to słuszność kontynuowania badań nad rozwojem NoMBSI. Zatem, ograniczenia jakie posiada NoMBSI, w dużej mierze można wyeliminować wprowadzając odpowiednie modyfikacje. Moim zdaniem najwłaściwszym działaniem byłyby: dalsze modyfikowanie metody poboru (wybór reprezentatywnej podpróby przed utrwaleniem wizerunku cyfrowego, skuteczniejsze wykorzystanie sztucznych podłoży także w drobnych zbiornikach) i poprawa jakości zdjęć a następnie przetestowanie na dużą skalę. NoMBSI może również stanowić alternatywę dla tradycyjnych metod pod względem nakładu czasu i pieniędzy. Generalnie, metoda wykorzystująca cyfrowe utrwalanie wizerunków zwierząt jest bardziej czasochłonna na etapach pobierania oraz konserwacji próby, niezależnie od wybranej procedury poboru. Wynika to głównie z dodatkowego czasu poświęconego na przygotowanie próbki przed wykonaniem zdjęcia. Natomiast analiza prób zakonserwowanych w alkoholu, od dostarczenia ich do laboratorium, aż do uzyskania listy taksonów zajmuje więcej czasu niż analiza cyfrowego obrazu. W konsekwencji cyfryzacja może zmniejszyć koszty, nawet jeśli tradycyjna procedura pozwala na przetwarzanie tylko pod-próby. Ponadto, w przypadku tradycyjnych

5 procedur, konieczny jest zakup płynów służących do konserwacji i utrzymanie laboratorium w którym prowadzone jest sortowanie i identyfikacja zwierząt. Warto również zauważyć, że cyfrowe utrwalanie wizerunku zwierząt w próbie ułatwia wysyłanie próbek między instytucjami odpowiedzialnymi za monitoring biologiczny (np. w celu weryfikacji identyfikacji taksonów). Podsumowując, proponowana procedura przyżyciowa (NoMBSI), pomimo pewnych ograniczeń, może z powodzeniem stanowić alternatywę dla metod wymagających masowego uśmiercania zwierząt, względem oceny ogólnej degradacji cieków oraz drobnych zbiorników.