Ekotoksykologia 12/9/2016. Testy ekotoksykologiczne (według Leona i Van Gestela, 1994) Trzy powody, dla których warto robić krótkotrwałe testy

Transkrypt

1 2/9/26 Ekotoksykologia Co mówią testy ekotoksykologiczne? Prof. dr hab. Ryszard Laskowski Instytut Nauk o Środowisku UJ Ul. Gronostajowa 7, Kraków pok /32 Testy ekotoksykologiczne (według Leona i Van Gestela, 99) przegląd testów z literatury naukowej z zakresu ekotoksykologii lądowej testów na mikroorganizmach: 2 dni 6 testów na roślinach: 5 9 dni 25 testów na bezkręgowcach: 2 63 dni 3 testy na kręgowcach: 8 5 dni 2/32 Trzy powody, dla których warto robić krótkotrwałe testy Szybkość błyskawiczna odpowiedź na postawione pytania, możliwość podjęcia natychmiastowych decyzji. Prostota mogą być rutynowo przeprowadzane przez pracowników technicznych w każdym laboratorium. Niskie koszty można testować dużą liczbę substancji chemicznych na wielu gatunkach. 3/32

2 2/9/26 Testy ekotoksykologiczne a długość życia organizmów Organizmy i czas trwania testów pasożytnicze błonkówki: 2-8 dni pszczoła: 2 dni dżdżownice: 2-8 tygodni. pająki: 2 - dni wazonkowce: - 9 tyg... równonogi: 8 tyg... skoczogonki: - 9 tyg. biegaczowate: 6 dni. kusakowate: 5 dni.. Długość życia 3 - tygodnie kilka tygodni kilka mies. kilka miesięcy kilka lat ok. rok ok. tygodni - 2 lat kilka miesięcy - 2 lat ok. rok /32 Kilka powodów, dla których nie powinno się robić testów krótkich Zaniedbują fakt, że niektóre substancje akumulują się w organizmach. Zaniedbują możliwość kumulacji efektów toksycznych z czasem. Zaniedbują występowanie skutków innych niż wzrost śmiertelności i spadek rozrodczości (np. zmiana tempa wzrostu, spadek konsumpcji itp.). Biorą pod uwagę tylko niewielki fragment historii życia organizmu. Nie pozwalają na wnioskowanie o skutkach na poziomie dynamiki populacji. 5/32 Niektóre substancje akumulują się w organizmach; co gorsza w różnym stopniu w różnych 5 ) g /k g ( m u 3 m d a k ie 2 n e ż tę S Pająk (Trochosa sp.) Wij (Lithobius mutabilis) Biegacz ( Poecilus cupreus) Czas (dni) (wg Kramarz, 2) 6/32 2

3 2/9/26 Efekty toksyczne mogą się z czasem kumulować prawdopodobieństwo przeżycia Przeżywalność mszyc 2 3 długość życia (dni) Zabieg kontrola imidachloprid Cd 7/32 Wyniki krótkiego i całożyciowego testu na toksyczność pestycydu dla mszyc są zbliżone przeżycia Przeżywalność mszyc Czas (dni) imidachloprid (g a.i./ha) dni: Test log-rank p=,6 przeżycia Przeżywalność mszyc 2 3 Czas (dni) imidachloprid (g a.i./ha) Całe życie: Test log-rank p=,3 8/32 Wyniki krótkiego i całożyciowego testu na toksyczność kadmu dla mszyc są różne przeżycia Przeżywalność mszyc Czas (dni) Cd 2 dni: Test log-rank p=,89 przeżycia Przeżywalność mszyc Czas (dni) Cd 2 Całe życie: Test log-rank p=,2 9/32 3

4 2/9/26 Wyniki dla mszyc stabilizują się po około 2 dniach Liczba potomstwa * Kontrola Cd mg/kg N.S. N.S. Cd 2 mg/kg NTN g/ha NTN g/ha * * * * * * N.S. * N.S. dni 2 dni Do końca życia Czas od początku doświadczenia Wpływ kadmu (Cd) i pestycydu (dimetoat NTN) na rozrodczość mszyc wyniki po i 2 dniach oraz całożyciowy sukces reprodukcyjny. Dostosowanie (lambda) p<.2 p<. NTN (g/ha) N.S. p<.2 2 Cd (mg/kg) Wpływ substancji toksycznych na dostosowanie mszyc podobny, jak zmierzony dla rozrodczości po 2 dniach doświadczenia (ok. 5-6% długości życia mszyc). /32 Uwzględnienie skutków innych niż tylko wzrost śmiertelności i spadek rozrodczości może diametralnie zmienić przewidywania Liczba osobników Kontrola Spadek płodności Spadek płodności + estywacja Czas (lata) Przewidywana dynamika populacji ślimaków Helix aspersa w środowisku, gdzie pokarm jest skażony mg Zn/kg suchej masy. Dwa różne scenariusze: przy uwzględnieniu wyłącznie spadku płodności oraz przy uwzględnieniu spadku płodności oraz straty jednego sezonu rozrodczego ze względu na opóźniony rozwój z powodu przedłużającej się estywacji. /32 Wnioski Krótkotrwałe testy (eko)toksykologiczne nie doceniają skutków działania substancji toksycznych trwałych o umiarkowanej toksyczności, ale mogą przeceniać efekty działania substancji silnie toksycznych lecz rozkładalnych. W wypadku umiarkowanie toksycznych substancji o skłonności do akumulacji w organizmie powinno się prowadzić testy długotrwałe. Testy ekotoksykologiczne powinny obejmować przynajmniej /2-2/3 czasu życia organizmu. 2/32

5 2/9/26 Czy można zbadać wpływ substancji toksycznych na populację przy pomocy krótkotrwałych testów? N ln N ri = t Chwilowe tempo wzrostu jako miara dynamiki populacji: Wewnętrzne Intrinsic rate tempo of increase wzrostu R 2 = After Walthall & Stark, 997 Chwilowe Instantaneous tempo rate of wzrostu increase Porównanie wewnętrznego i chwilowego tempa wzrostu w kohortach mszycy grochowej traktowanej pestycydami. t 3/32 Population increase rate (Lambda) Control Cd 2 mg/kg NTN g/ha p= p=.2. Lambda(intr) p= N.S. Lambda(inst) Porównanie efektów działania kadmu i dimetoatu na mszyce grochowe (Acyrthosiphon pisum) wyrażonych jako wewnętrzne i chwilowe tempo wzrostu (Laskowski i Stone). Intrinsic rate of increase as adults from birth Concentration of azadirachtin (mg/kg) Porównanie wpływu azadirachtinu na wewnętrzne tempo wzrostu mszyc grochowych w zależności od momentu rozpoczęcia ekspozycji (Stark i Wennergren, 995). /32 Wnioski Zmiany chwilowego tempa wzrostu (r i ) populacji pod wpływem substancji toksycznych są tylko przybliżeniem wpływu na wewnętrzne tempo wzrostu (r). Dane wskazują, że przy niskich wartościach r i oszacowania wpływu substancji toksycznych na r mogą być zaniżone. ALE: nawet pomiar wpływu na r nie daje pewności co do faktycznych zmian dynamiki populacji ważna jest struktura wiekowa badanej populacji. 5/32 5

6 2/9/26 Uwzględnienie struktury wiekowej wymaga zastosowania tabel życia i macierzy projekcji Lesliego projekcje macierzowe względem stabilnej kontrolnej populacji możliwość oszacowania czasu trwania populacji:. sporządź macierz Lesliego dla naturalnej populacji; 2. dopasuj wartości P, aby uzyskać stabilną populację; 3. sporządź nową macierz z P i F uwzględniającymi efekt substancji toksycznej;. wykonaj projekcję, aby obliczyć czas do ekstynkcji. 6/32 Przypominamy sobie tabele życia Przedział wiekowy Klasa wieku x dożycia do początku klasy x l x dożycia do połowy klasy x L x Przeżywalność między klasami wieku x i x+ P x Liczba samic potomnych rodzonych przez samicę w klasie x F x -,,9,72-2,8,65, ,5,35,29 3-3,2,, -5,, - - Przykładowa tabela przeżywania dla hipotetycznego organizmu, żyjącego do czterech lat, którego samice wydają w kolejnych klasach wieku, 2, i samice potomne. Wartości l x i F x pochodzą z obserwacji, wartości L x oblicza się z l x jako: L x = (l x +l x+ )/2. Wartości P x wylicza się z L x jako: P x = L x+ /L x. Tabela dla samic. 7/32 macierze Lesliego F P F P F 2 P n 2 F n P n Fn 8/32 6

7 2/9/26 oraz projekcję dynamiki populacji,72 2,5, = /32 Helix aspersa przybliżone wartości F i P dla naturalnej populacji F(i) P(i),,2,25,25,5 Wielkość Population populacji size (N) (N) λ =, Czas Time 2/32 Helix aspersa populacja kontrolna : deterministyczny model dynamiki F(i) P(i),52,2,25,25,5 Population size (N) λ =, Time 2/32 7

8 2/9/26 Jak przeliczyć dane z badań laboratoryjnych na efekty w prawdziwej populacji? 22/32 Helix aspersa 3 mg Zn kg - : deterministyczny model dynamiki F(i) P(i),52,2,25,25,5 Population size (N) % spadek płodności λ =,9 Przeżywalność bez zmian Time 23/32 Problem: nierealistyczne założenie o r = r = (w teorii) r = (w praktyce) 2/32 8

9 2/9/26 Jak jest w rzeczywistości? Organizmy są na ogół zorganizowane w metapopulacje, składające się z populacji źródłowych i ujściowych. Populacje źródłowe nadprodukcja potomstwa (r > ). Wielkość populacji jest regulowana m.in. przez czynniki zależne od zagęszczenia możliwość kompensacji wzrostu śmiertelności i spadku płodności. 25/32 Modele uwzględniające zależność od zagęszczenia Rickera skutkiem braku pożywienia lub innych zasobów jest nadkompensacja odpowiednik konkurencji eksploatacyjenj ( scramble ): nj( t + ) = a ij n ( t) e i cni ( t) Bevertona-Holta skutkiem wyczerpywania się zasobów jest kompensacja odpowiednik konkurencji interferencyjnej ( contest ): aijni ( t) n j ( t + ) = + cn ( t) i 26/32 Wprowadzamy zależność od zagęszczenia Projekcja macierzy dla modelu wykładniczego,72 2,5, = Projekcja macierzy dla populacji o liczebności regulowanej zgodnie z modelem Bevertona-Holta (c =.) ,72 5 = + = 8, 2,5 8 8, /32 9

10 2/9/26 Projekcja macierzy dla modelu wykładniczego Liczebność Czas Projekcja macierzy dla modelu Bevertona-Holta (c =,) Liczebność Czas 28/32 Przykład: kohorty mszyc traktowane pestycydem Wiek (dni) Klasa l i q i L i e i f i p i wiekowa i Kontrola -6,,5,93 23,38,, ,85,7,82 2,85 38,25, ,79,5,77 6,26 37,79,95 9-2,75,6,73, 6,9, ,7,59,5 5,7,8, ,29,,5 3,,, mg imidachlopridu kg - -6,,58,7 9,25,, ,2,3,35 2, 3,3, ,29,29,25 9,86,38,67 9-2,2,,7 6,6,5, ,3,,6 3,,, ,,, m 29/32 Projekcja dynamiki populacji mszyc w okresie sezonu wegetacyjnego model Bevertona-Holta 3/32

11 2/9/26 Czy faktycznie można zaobserwować takie skutki działania substancji toksycznych? Przykład: trojszyki żyjące w medium skażonym miedzią Wielkość Population populacji size (N) g medium; control 25 g medium; mg Cu 25 g medium; 5 mg Cu Czas Time (tygodnie) (weeks) 3/32 Wnioski Tabele życia i projekcje macierzowe są potężnym narzędziem w ręku ekologa i ekotoksykologa: umożliwiają uwzględnienie różnych efektów toksycznych na kolejnych etapach życia; dają możliwość zastosowania modeli zależnych od zagęszczenia wskazują, że być może najczęstszym skutkiem działania substancji toksycznych na populacje jest spadek jej wielkości równowagowej ( pojemności siedliska K) 32/32