15: Екологічні стресори
- Page ID
- 30078
Цілі навчання
Після завершення цієї глави ви зможете
- Опишіть фактори стресу навколишнього середовища, їх причини та те, як екосистеми реагують на зміни їх інтенсивності.
- Поясніть відмінності між забрудненням і забрудненням.
- Наведіть приклади природних стресорів і поясніть, як знання про них може допомогти нам зрозуміти антропогенні стресори.
- Визначте відмінності між токсикологією, екологічною токсикологією та екотоксикологією.
- Поясніть відмінності між добровільними і мимовільними ризиками.
- Визначте, як проводиться оцінка ризику прогнозованого впливу токсичної хімічної речовини.
Екологічні стресори
Екологічні стресори (стресори) - це фактори, вплив яких полягає в обмеженні продуктивності, репродуктивного успіху та розвитку екосистем (див. Розділ 9). Певною мірою стресори впливають на всі організми, а також на їх популяції, спільноти та еколандшафти (ландшафти та морські пейзажі). Стресори можуть бути природними за походженням, пов'язані з такими впливами навколишнього середовища, як:
- конкуренція, хижацтво, хвороби та інші взаємодії між організмами
- обмеження, пов'язані з кліматом або недостатніми або надмірними поживними речовинами, вологою або простором
- порушення, такі як лісова пожежа та бурі
Вплив природних стресорів не завжди негативний. Деякі особи, населення та громади можуть отримати вигоду від наслідків природного стресу, навіть тоді як інші зазнають певної шкоди.
Однак все частіше стресори, пов'язані з діяльністю людини, є найбільш критичним впливом на види та екосистеми. У занадто багатьох випадках антропогенні стресові фактори завдають важливої шкоди ресурсам, які необхідні для підтримки людей та їх економіки, а також природному біорізноманіття та екосистемам.
Екологічні стресори можуть виникати як інтенсивне, короткочасне подія руйнування, також відоме як порушення. Крім того, стресори можуть надавати свій вплив протягом тривалого періоду часу - тобто хронічним способом. Взаємодія організмів зі стресором в конкретному місці і часі називається експозицією. Вплив може бути миттєвим або може накопичуватися з часом. Якщо вплив буде досить інтенсивним, це спричинить якісь біологічні чи екологічні зміни, які називаються реакцією. Однак важливо розуміти, що індивіди, населення та громади здатні переносити діапазон інтенсивності стресових факторів, не зазнаючи значної шкоди. Іншими словами, певні пороги біологічної або екологічної толерантності повинні бути перевищені до заподіяння шкоди (Зображення 15.2).
Зображення 15.2. Стресори - це фактори навколишнього середовища, що впливають на організми та екосистеми. Вони можуть існувати при різній інтенсивності впливу, як це підказує метафора водопровідного крана, циферблат якого, якщо повернути вправо, збільшить потік води, або зменшить або зупинити його, якщо повернути в іншу сторону. Для фактичних стресорів, якщо перевищено поріг біологічної або екологічної толерантності, то відбудеться відповідна реакція. Джерело: Б.Фрідман.
Пошкодження виникає, коли один або кілька стресорів викликають відповіді, які можна інтерпретувати як погіршення якості навколишнього середовища. Такі відповіді можуть включати хвороби або смерть, спричинені впливом диких тварин пестицидами, або як зниження продуктивності екосистем, або загроза вразливих елементів біорізноманіття. У цьому розділі ми розглядаємо концептуальну основу дослідження шкоди, спричиненої стресорами. У наступних 11 розділах ми маємо справу з конкретними видами стресорів та вивчаємо тематичні дослідження виду шкоди, яку вони можуть спричинити.
види стресорів
Різноманітні види стресорів навколишнього середовища групуються в класи, хоча вони не є повністю виключними.
- Фізичне навантаження - це порушення, при якому відбувається інтенсивний вплив кінетичної енергії, що завдає шкоди середовищам існування та екосистемам. Приклади включають такі руйнівні події, як ураган або торнадо, сейсмічна морська хвиля (цунамі), вибух виверження вулкана, вибух або топтання важкою технікою або туристами.
- Лісова пожежа - це ще одне порушення, яке передбачає неконтрольоване спалювання біомаси екосистеми. Лісова пожежа може запалюватися людьми або, природно, блискавкою. Сильна пожежа споживає більшу частину біомаси екосистеми, але навіть менш сильна пожежа може вбити багато організмів шляхом випалювання та отруєння токсичними газами.
- Хімічне забруднення відбувається, коли одна або кілька речовин відбуваються в концентрації, досить високій, щоб викликати фізіологічні реакції в організмах, потенційно спричиняючи токсичність та екологічні зміни. Хімічні стресори включають пестициди, гази, такі як озон і діоксид сірки, і токсичні елементи, такі як миш'як і ртуть. Забруднення також може бути викликано надмірною кількістю поживних речовин, які можуть спотворювати продуктивність та інші екологічні функції. Зверніть увагу, що сама наявність потенційно токсичного агента не обов'язково викликає забруднення. (Різниця між забрудненням та забрудненням розглядається далі в цьому розділі.)
- Теплове забруднення викликається виділенням тепла (теплової енергії) у навколишнє середовище, що призводить до екологічного стресу, оскільки види змінюються за своєю переносимістю перепадів температур. Теплове напруження може виникати на природних джерелах і підводних отворах, де викидається геологічно нагріта вода. Він також пов'язаний зі скидами гарячої води з електростанцій.
- Радіаційний стрес викликається надмірним впливом іонізуючої енергії. Випромінювання може випромінюватися ядерними відходами або вибухами, або це можуть бути діагностичні рентгенівські промені або сонячна ультрафіолетова енергія.
- Кліматичний стрес пов'язаний з недостатніми або надмірними режимами температури, вологи, сонячної радіації, вітру або їх комбінацій.
- Біологічні стресові фактори пов'язані з взаємодіями, що відбуваються між організмами, такими як конкуренція, травоїдна хвороба, хижацтво, паразитизм та хвороби. Наприклад, особини одного або різних видів можуть конкурувати за необхідні ресурси, які обмежені в пропозиції. Травоїдна, хижацтво, паразитизм та хвороби - це трофічні взаємодії, при яких один вид експлуатує інший. Експлуатація може бути антропогенною, як коли люди збирають диких тварин або дерев, або це може бути природним, можливо, пов'язаним з знебарвленням комах або хвороботворними патогенами.
- Біологічне забруднення відбувається, коли люди випускають організми за межі свого природного ареалу. Це може включати впровадження чужорідних видів, які вторгаються та змінюють природні середовища існування, або це може бути викид патогенних мікроорганізмів у навколишнє середовище через скиди сирих стічних вод.
Зображення 15.3. Біологічне «забруднення» викликається, коли види впроваджуються в місця проживання за межами їх природного ареалу, де вони можуть завдати екологічної шкоди. Цей некорінний люпин (Lupinus polyphyllus) був завезений до східної Канади, де він процвітає в садах та узбіччях доріг. Хоча привабливий дикий квітка, він витісняє корінні рослини. Джерело: Б.Фрідман.
Екологічні відповіді
Екосистема, яка постраждала від порушення, зазвичай страждає від смертності серед своїх видів, а також пошкодження її структурних властивостей (таких як видовий склад та розподіл біомаси) та функціональних ознак (таких як продуктивність та циклічність поживних речовин). Після того, як подія порушення закінчиться, починається процес відновлення через спадкоємство. Якщо спадкоємність триватиме досить довго, вона відновить іншу зрілу екосистему, можливо, таку, що існувала до порушення.
Хронічні стресори діють протягом більш тривалих періодів часу (а не як події), і вони включають кліматичні фактори та багато видів хімічного та теплового забруднення. Залежно від інтенсивності впливу, організми можуть зазнати гострої токсичності, що призводить до пошкодження тканин або навіть смерті, або менш очевидного хронічного пошкодження, що призводить до зниження продуктивності.
Вплив більшої інтенсивності стресових факторів навколишнього середовища може призвести до еволюційних змін, якщо окремі організми змінюються за своєю толерантністю, і ці відмінності генетично засновані. За таких умов природний відбір на користь толерантних осіб врешті-решт призведе до підвищення толерантності на рівні населення. На рівні громади відносно вразливі види будуть скорочені або усунені з середовища існування, якщо інтенсивність стресу помітно зросте. Ніші цих видів можуть бути зайняті більш толерантними членами громади або вторгненням видів, які здатні експлуатувати стресове, але слабо конкурентне середовище проживання.
Тривале посилення стресу призведе до довгострокових екологічних змін. Розглянемо, наприклад, випадок, коли новий металургійний завод будується в лісовому ландшафті. Якщо плавильний завод виділяє токсичний газ діоксиду сірки, токсичний стрес пошкодить рослини лісу розміром з дерева і зрештою змусить їх поступитися місцем чагарникової та трав'янистої рослинності. Якщо тривалий стрес буде надзвичайно сильним, ландшафт може повністю втратити свою рослинність. Такий збиток фактично стався навколо ряду канадських плавильних заводів, таких як поблизу Садбері (глава 16).
Цей вид екологічної шкоди передбачає зміни складу та домінування видів у громадах, у просторовому розподілі біомаси та в таких функціях, як продуктивність, розкладання посліду та циклічність поживних речовин. Оскільки плавильний завод є дискретним точковим джерелом екологічного стресу, екологічні реакції врешті-решт стабілізуються як градієнти зміни громади, які випромінюють назовні, у напрямку вниз за вітром або вниз за течією від джерела забруднення.
Інтенсивність стресору також може зменшуватися в часі і просторі. Коли це відбувається, екологічні реакції багато в чому є зворотним пошкодженням, що виникає при посиленні стресу. Ці зміни представляють собою процес відновлення через спадкоємство. У випадку з металургійними заводами в Садбері викиди забруднюючих речовин значно зменшилися через встановлення технологій контролю забруднення. Це призвело до набагато менш токсичного стресу в навколишньому середовищі, що дозволило статися деяке екологічне відновлення (глави 16 та 18).
Екологи описали загальні ознаки екосистем, які протягом певного періоду часу піддавалися сильному стресу. Загалом, оскільки стрес навколишнього середовища значно посилюється (наприклад, при збільшенні забруднення), спостерігаються такі зміни:
- смертність зростає, особливо серед найбільш вразливих видів
- видове багатство зменшується
- запаси поживних речовин і біомаси виснажуються
- швидкість дихання громади перевищує рівень виробництва, тому чисте виробництво стає негативним.
- чутливі види замінюються більш толерантними
- топові хижаки та великотілі види можуть бути втрачені з екосистеми
- раніше самопідтримувані екосистеми можуть вимагати активного управління для підтримки своїх бажаних ознак, наприклад, для підтримки скорочуваних популяцій рідкісних або економічно цінних видів, які опинилися під загрозою
Екосистеми, які хронічно піддаються інтенсивному стресу (наприклад, тундра, напружена кліматом), врешті-решт стабілізуються. Як правило, стабільні екосистеми мають низьке видове багатство, прості за структурою та функцією, і переважають відносно невеликі довгоживучі види. Крім того, вони мають низькі показники продуктивності, розкладання та циклічності поживних речовин.
Якщо збільшення екологічного стресу має антропогенну причинну причину, то отримані екологічні зміни часто розглядаються як пошкодження і розглядаються як погіршення якості навколишнього середовища та екологічної цілісності (ці терміни розглядаються в розділі 27).
Забруднення та забруднення
Забруднення викликається впливом хімічних речовин або енергії з інтенсивністю, яка перевищує переносимість організмів. Таким чином, вважається, що забруднення відбулося, коли можна показати, що організми зазнали токсичності, або можуть бути продемонстровані інші види екологічної шкоди. Забруднення може впливати на людину та інші види, а також громади та еколандшафти. Забруднення часто викликається впливом хімічних речовин у досить великих концентраціях, щоб отруїти принаймні деякі організми. Однак забруднення також може бути спричинене нетоксичними впливами, такими як надмірне запліднення водойми, викид відпрацьованого тепла в навколишнє середовище або скидання сирих стічних вод, що містять патогенні мікроорганізми.
Забруднення відноситься до тих набагато більш поширених ситуацій, коли потенційно шкідливі стресові фактори присутні в навколишньому середовищі, але при занадто низькій інтенсивності, щоб завдати вимірюваної шкоди. Наприклад, певна хімічна речовина може відбуватися в більш високій концентрації, ніж зазвичай зустрічається в навколишньому середовищі. Однак, якщо його концентрація занадто низька, щоб викликати вимірну токсичність принаймні для деяких організмів або впливати на інші екологічні компоненти або процеси, хімічна речовина є забруднювачем, а не забруднювачем.
Насправді такі метали, як алюміній, кадмій, свинець, ртуть та цинк, присутні у всіх частинок навколишнього середовища, включаючи всі організми, принаймні в слідовій концентрації. Якщо межі виявлення наявної аналітичної хімії досить чутливі, це «універсальне забруднення» металами можна легко продемонструвати. Хоча всі метали (і будь-які інші хімічні речовини) потенційно токсичні, вони повинні бути присутніми в досить високій концентрації протягом досить тривалого періоду часу, щоб фактично отруїти організми і завдати екологічної шкоди. Іншими словами, експозиція повинна перевищувати біологічні допуски до того, як буде завдано шкоди, і можна сказати, що відбудеться забруднення.
Забруднення та забруднення часто оцінюються з орієнтованим на людину ухилом. Люди вирішують, чи спричиняє забруднення «шкоду» у певному місці та час, і наскільки важливими можуть бути наслідки. Цей антропоцентричний ухил, цілком природно, сприяє людям та тим видам, спільнотам та функціям екосистем, які визнаються підтримуючими людську економіку або можуть бути оцінені з інших причин, таких як естетика.
Цікаво, що певні види, спільноти та екологічні процеси насправді виграють від більшості видів забруднення. Наприклад, конкретні види можуть скористатися екологічними можливостями, доступними, коли забруднення зменшує чисельність раніше домінуючого виду. Багато тематичних досліджень, описаних у наступних розділах, стосуються ситуацій, коли умовно-патогенні види рослин, тварин та мікроорганізмів отримали користь від екологічних змін, спричинених забрудненням.
Забруднення може бути природним
Забруднення викликане не тільки діяльністю людини — в деяких випадках це чисто природне явище. «Природні» джерела забруднення включають викиди твердих частинок і газів, таких як діоксид сірки з вулканів, просочування нафти на дно океану, високі концентрації металів у певних грунтах і гірських породах, а також тепло геотермальних джерел. Природне забруднення може спричинити серйозні екологічні зміни (які люди можуть вважати своєрідною шкодою). Ефекти можуть бути настільки ж інтенсивними, як і ті, що спричинені антропогенним забрудненням Проте, хоча факт природного забруднення цікавий і добре визнаний, він не виправдовує діяльність людини, яка завдає подібного роду шкоди.
Дослідження екологічного впливу природного забруднення можуть дати уявлення про потенційні довгострокові наслідки антропогенних викидів. Це пов'язано з тим, що багато прикладів природного забруднення є давніми, і результуючі закономірності екологічних змін можуть бути схожі на ті, що спричинені більш пізніми антропогенними викидами.
Один цікавий приклад трапляється на пагорбах для куріння на Північно-Західних територіях. Це віддалена пустеля, і на неї мало впливають люди. У декількох місцях уздовж морського узбережжя і прилеглих річок ерозії оголили поклади бітумних сланців. Ці багаті вуглецем родовища спонтанно запалювалися в різних місцях і протягом століть тліли і обкурювали довколишню тундру діоксидом сірки. SO2 токсичний для рослин, а також призводить до того, що ґрунт і вода стають сильнокислими. Природне забруднення сильно пошкодило наземні та водні середовища існування тундри на пагорбах для куріння (див. Розділ 16).
Інший приклад природного забруднення відбувається, коли багаті металами мінерали потрапляють близько до поверхні землі, що призводить до токсичних умов для рослинності. Наприклад, екологи рослин вивчили грунт, що містить мінерали «серпантин», які багаті нікелем і кобальтом. Коли вони відбуваються у високій концентрації, ці метали токсичні для більшості рослин. Місця проживання, що містять зміїні мінерали, розвивають характерну рослинну спільноту, в якій переважають низькорослі види, які можуть переносити токсичний стрес багатого металами ґрунту (див. Розділ 18).
Додатковий випадок природного забруднення включає певні види морського фітопланктону, які зрідка стають рясними і завдають екологічної шкоди. У подіях, які називаються токсичним цвітінням, ці водорості виділяють біохімічні речовини, отруйні для широкого кола тварин, які піддаються впливу через харчову павутину. У деяких випадках горбаті кити гинули в морі після поїдання риби, забрудненої сакситоксином, потужним нейротоксином, синтезованим водоростями динофлагелатів. Токсини водоростей також є ризиком для людей, які їдять рибу, забруднену цим та іншими хімічними речовинами, такими як домашня кислота.
Дослідження та обговорення природних забруднень є корисними та інформативними в екологічній науці. Однак у цій книзі ми наголошуємо на забрудненні, спричиненому діяльністю людини, та її наслідком шкоди. Цей фокус є розумним, оскільки антропогенне забруднення швидко зростає у багатьох країнах, включаючи Канаду. Отже, існує нагальна потреба уникати або керувати шкодою, яку забруднення може завдати людям, а також природним екосистемам.
Антропогенне забруднення
У сучасному світі величезна кількість забруднень пов'язано з діяльністю людини. Це завдало важливої шкоди здоров'ю людини та керованим та природним екосистемам. Люди спричиняють забруднення різними способами, і ми розглядаємо їх у наступних розділах. Найчастіше антропогенне забруднення пов'язане з такими видами діяльності:
- випадкові або навмисні викиди хімічних речовин у навколишнє середовище, таких як діоксид сірки, метали, пестициди та нафта
- викиди речовин, які реагують у навколишньому середовищі для синтезу хімічних речовин більшої токсичності - це відоме як вторинне забруднення (як відбувається, коли озон створюється фотохімічними реакціями в атмосфері)
- викиди хімічних речовин, які руйнують стратосферний озон, таких як хлорфторуглеродів
- викиди відпрацьованого промислового тепла, як коли електростанція скидає гарячу воду в річку або озеро
- скиди навантажених поживними речовинами стічних вод або добрив у водойми
- викиди парникових газів, що загрожують глобальному клімату
- випуски чужорідних видів, які завдають шкоди, коли вони вторгаються в керовані або природні середовища існування, або є збудниками людей, сільськогосподарських культур або місцевих видів
Зображення 15.5. Багато видів діяльності людини призводять до викидів забруднюючих речовин у навколишнє середовище. На цьому зображенні показана 380-метрова димова труба на металургійному заводі поблизу Садбері, Онтаріо. Джерело: Б.Фрідман.
Порушення
Порушення - це епізодичне, але інтенсивне порушення, яке завдає серйозної біологічної та екологічної шкоди. Подія порушення супроводжується іноді тривалим періодом екологічного відновлення через процес, відомий як послідовність. Існує два широких типи порушень: порушення, що замінюють громаду, і мікропорушення.
- Обурення, що замінює громаду, має великий масштаб і призводить до катастрофічного руйнування однієї або декількох оригінальних громад. Природні приклади спричинені пожежею, вітром, лавиною та заледенінням, тоді як антропогенні - чітке різання та оранка. Ці масштабні порушення можуть супроводжуватися послідовним відновленням, яке врешті-решт відновлює громаду, подібну до того, що було знищено. Молодші спільноти в послідовній послідовності (або сере) відносно динамічні за своїми структурно-функціональними властивостями. У них, як правило, переважають види, які рясні лише на початкових етапах одужання, коли конкуренція не така інтенсивна. Зміни спільноти на пізніх стадіях дещо менш динамічні, поки спільнота на пізній стадії не буде відновлена.
- Мікропорушення включає локальне порушення, яке впливає лише на невелику територію в іншому випадку неушкодженому співтоваристві. Антропогенні мікропорушення включають селективний збір окремих великих дерев або конкретних тварин, залишаючи громаду в іншому випадку недоторканими. Екологічні зміни відбуваються відносно швидко в межах місця проживання, який постраждав від недавнього мікропорушення, але на рівні стенду громада стабільна. Так звана динаміка послідовної фази або розриву відбувається у всіх природних лісах, але особливо важливі на пізніх стадіях спадкоємства. Особливо це стосується лісу старшого зросту, де окремі дерева можуть загинути від хвороб, нападу комах або удару блискавки, створюючи щілину в іншому випадку непошкодженому навісі.
Природні порушення
Порушення - це природна сила, яка впливає на всі екосистеми. Наприклад, лісова пожежа може вбити зрілі дерева на великій площі, але ця подія руйнування супроводжується регенерацією через послідовність. Вогонь поширений у бореальному лісі та в схильних до посухи екосистемах, таких як прерії та савани. В середньому в Канаді щорічно горить близько 2 мільйонів гектарів лісу, здебільшого в пожежах, розпочатих блискавкою. Лісова пожежа перетворює умови проживання, а також спричиняє сильне забруднення викидом твердих частинок та газів, таких як вуглекислий газ та оксиди азоту, в атмосферу.
Інші природні агенти збудження включають урагани, смерчі, повені і навіть заледеніння (протягом геологічного часу). Вони також завдають масштабної екологічної шкоди, яка супроводжується послідовним відновленням. Після зледеніння, яке передбачає тривале поховання та стирання землі величезною масою льоду, відновлення після танення ініціюється іммігруючими організмами, які колонізують сирої ландшафт.
Виверження вулкана або землетрус може генерувати одну або кілька руйнівних океанічних хвиль, або цунамі. У 1883 році катаклізмічне виверження вулканічного острова Кракатау в Індонезії створило 30-метрову хвилю цунамі, яка вбила близько 36 тисяч чоловік. У 2004 році від цунамі в Індійському океані загинуло понад 225 тисяч осіб (див. Global Focus 3.1). У 2011 році підводний землетрус спричинив цунамі довжиною до 40,5 м, що спустошило прибережні райони, проїхало до 10 км углиб низинної місцевості, спричинило щонайменше 18 тисяч смертей, знищило сотні тисяч будівель та створило технологічну кризу, коли повені зробили непрацездатним контроль систем великої атомної електростанції.
Вибух і спека виверження вулкана також можуть пошкодити екосистеми, як це сталося в 1980 році, коли гора Сент-Хеленс у Вашингтоні вибухнула більш-менш боковим вибухом. Вибух підірвав 21 тис. га хвойного лісу, загинув ще 10 тис. га внаслідок теплової травми, а в іншому випадку пошкодив додаткові 30 тис. га. Були також руйнівні селі, і величезна територія була покрита викидами твердих частинок (відомої як тефра), які осіли з атмосфери глибиною 50 см або більше.
Виверження вулкана також може виділяти величезну кількість діоксиду сірки, твердих частинок та інших забруднюючих речовин високо в атмосферу. Близько 2-5 мільйонів тонн SO2 (виражений як вміст сірки, або SO2-S) викидаються вулканами в типовий рік, і індивідуальне виверження може викинути понад 1 млн тонн. Цей природний SO2 сприяє підкисленню опадів та іншій шкоди навколишньому середовищу (глава 19).
Природні спалахи (розриви) травоїдних, хижаків або патогенних мікроорганізмів також можуть призвести до інтенсивної шкоди природним середовищам існування. Наприклад, ялиновий бруньок (Choristoneura fumiferana) періодично знеособлює величезні площі хвойних лісів на сході Канади (понад 55 мільйонів гектарів у 1975 році). Це спричиняє велику смертність ялиць та ялин та інші екологічні збитки (Глава 22). Нещодавній спалах гірського соснового жука (Dendroctonus ponderosae) завдав подібної великої шкоди сосновим лісам на заході Канади та північно-західній частині США, постраждавши близько 36 мільйонів га. Морський приклад - зелений морський їжак (Strongylocentrotus droebachiensis), який іноді розривається в скелястих субприливних місцях проживання біля Нової Шотландії. Ці безхребетні можуть надмірно пасти зрілий «ліс» ламінарії та агарума, в результаті чого утворюється «безплідна земля» з набагато меншою продуктивністю та біомасою. Після того як популяція морських їжаків обвалиться, ліс ламінарії швидко відновлюється.
Мікропорушення також є загальною рисою природних екосистем. Приклади цих порушень меншого масштабу включають загибель окремих великих дерев в іншому неушкодженому лісі, можливо, спричинене хворобою або аварією (наприклад, ударом блискавки). Це створює природний розрив у навісі, під яким відбувається мікропослідовність, коли рослини конкурують, щоб скористатися можливостями тимчасових ресурсів, такими як додаткове світло. Листя зрілих дерев з часом заповнює щілину. Аналогічно, загибель окремої коралової голови в іншому випадку неушкодженому рифі ініціює мікропослідовність всередині цієї морської екосистеми.
Екологи намагаються зрозуміти наслідки природних порушень та застосувати ці знання для проектування систем управління, які дозволяють збирати ресурси або іншим чином використовувати під час контролю за отриманим екологічним збитком. Наприклад, розуміння характеристик розривів фазових порушень у лісі старого зросту може допомогти у розробці системи селективного збору врожаю, яка імітує режим природних порушень. Використання такої системи залишить фізичну та екологічну цілісність лісу суттєво недоторканими, навіть якщо окремі дерева періодично збирають для комерційного використання. Ці особи будуть замінені природною регенерацією. З огляду на природну динаміку збурень фази застарілого лісу, чітке зрізання з подальшим висадженням саджанців дерев може вважатися менш «природною» системою управління. Однак чітке різання може бути доцільною практикою, яку слід використовувати при заготівлі лісу, пристосованого до порушень, що замінюють громаду, такі як пожежа або спалахи комах (див. Глави 22 та 23).
Антропогенні порушення
Люди також порушують екосистеми різними способами, багато прикладів яких описані в наступних розділах. Антропогенні порушення пов'язані з багатьма видами діяльності, такими як перетворення екосистем, заготівля природних ресурсів, впровадження чужорідних видів, будівництво доріг і будівель та ведення війни.
Збирання як відновлюваних, так і невідновлюваних ресурсів завжди спричиняє порушення екосистем. Так само відбувається і післязбиральне управління відновлюваними ресурсами. Наприклад, інтенсивне порушення викликане стрічковим видобутком поверхні для вугілля або нафти - піску. Аналогічно, заготівля лісу шляхом чіткого різання являє собою порушення, що замінює громаду, за яким слідує регенерація через послідовність. Додаткові порушення можуть бути пов'язані з лісогосподарським господарством, такими як скарифікація для підготовки землі під посадку саджанців дерев та обприскування гербіцидами для зменшення кількості бур'янів. Збір врожаю також може бути вибірковим, як коли конкретні види або розміри дерев або риби призначені для збирання врожаю. Це може являти собою своєрідне розриво-фазове порушення.
Перетворення природних екосистем у сільськогосподарські або урбанізовані землекористування також є серйозним порушенням. У цих випадках послідовне відновлення тісно вдається сприяти розвитку антропогенної екосистеми. Зазвичай в місцях проживання переважають чужорідні види рослин і тварин, а іноді - цегла і бетон побудованої середовища. Ці перетворення витісняють майже всі оригінальні місцеві види та природні спільноти.
Люди навмисно або випадково представили багато видів за межі свого природного ареалу. Нерідко інтродуковані інопланетяни стають інвазивними до природних середовищ існування, в сенсі витіснення місцевих видів і нанесення інших видів екологічної шкоди. Північноамериканські приклади включають введення мідій зебри (Dreissena polymorpha) у Великі озера, вербейника фіолетового (Lythrum salicaria) у водно-болотні угіддя та шпаків (Sturnus vulgaris) та домашніх голубів (гірські голуби, Columba livia) у міські райони.
Війна також виробляє широкий спектр заміщають громади і мікроперешкоди через вибухи, прохід важких транспортних засобів над ландшафтом, розливи палива та інших токсичних хімічних речовин, полювання на забезпечення продовольством для великої кількості солдатів і навіть (як це сталося під час війни у В'єтнамі) велике розпилення гербіцид на лісові та сільськогосподарські території.
Антропогенні стресори в контексті
Підводячи підсумок, забруднення і порушення можуть бути природними явищами. З початку життя обидва ці екологічні стресори вплинули на структуру та функцію екосистем. Однак у сучасний час забруднення та порушення, пов'язані з діяльністю людини, стають все більш важливими причинами шкоди. Запобігання антропогенному забрудненню та порушенням, а також відновлення вже заподіяної шкоди є одними з найважливіших викликів світової екологічної кризи.
Екотоксикологія
Токсикологія - наука про вивчення отрут. Досліджується їх хімічна природа і вплив на фізіологію організмів. Якщо доза (експозиція) досить велика, будь-яка хімічна речовина, навіть вода, може викликати токсичність.
Екологічна токсикологія є більш широкою сферою, ніж звичайна токсикологія. Крім вивчення біології отруєння, він також вивчає фактори навколишнього середовища, що впливають на вплив організмів потенційно токсичними хімічними речовинами. Важливими темами екологічної токсикології є наступні:
- їзда на велосипеді та транспортування потенційно токсичних хімічних речовин
- їх перетворення в інші речовини (які можуть бути більш або менш отруйними, ніж їх попередники)
- визначення раковин, де хімічні речовини можуть накопичуватися в особливо високих концентраціях, в тому числі в тілах організмів
Екотоксикологія має ще ширшу сферу, оскільки вивчає як прямі отруйні впливи хімічних речовин, так і непрямі. Приклади непрямих екологічних впливів включають зміни в середовищі існування або в достатку їжі. Наприклад, використання гербіциду в лісовому або сільському господарстві вплине на біомасу та видовий склад рослинності на оброблюваній території. Це важливі зміни в місцях проживання тварин. Навіть якщо гербіцид не отруює тварин, які піддаються впливу спрею, на них можуть вплинути зміни в середовищі їх проживання. Комплекс факторів впливає на екотоксикологічні ризики, пов'язані з впливом хімічних речовин в навколишнє середовище. Найважливішими факторами є: (1) біологічна чутливість, (2) властива токсичність розглянутої хімічної речовини, (3) інтенсивність впливу та (4) будь-які непрямі ефекти, які можуть бути спричинені. Ці міркування розглядаються нижче:
Детально 15.1. Що таке токсичність? У біологічному сенсі хімічна речовина може отруїти організм, якщо воно згубно впливає на якийсь аспект його метаболізму. Такий ефект називається токсичністю. Токсична хімічна речовина може, наприклад, порушувати роботу ферментної системи або перешкоджати клітинному поділу. Однак юридичне визначення токсичної речовини, як зазначено Канадським законом про охорону навколишнього середовища, полягає в наступному: «Речовина визначається як токсична, якщо вона потрапляє або може потрапляти в навколишнє середовище в кількості або концентрації або за умов, які: (1) мають або можуть мати негайний або довгостроковий шкідливий ефект на навколишнє середовище; (2) становлять або можуть становити небезпеку для навколишнього середовища, від якого залежить життя людини; або (3) становлять або можуть становити небезпеку в Канаді для життя або здоров'я людини».
Це визначення має юридичну позицію в Канаді, і воно використовується в управлінні та регулюванні найрізноманітніших хімічних речовин.
Однак це визначення є недостатнім у деяких важливих аспектах, особливо тому, що воно стосується лише надзвичайно токсичних хімічних речовин, в умовах, в яких вони відбуваються у високих концентраціях. Речовини, гостра токсичність яких менша, можуть завдати тонкої, тривалої шкоди людям, іншим видам та важливим екологічним цінностям. Ці види впливу не розглядаються цим визначенням.
1. Біологічна чутливість
Чутливість до хімічного впливу сильно різниться у окремих організмів і видів. Дослідження в токсикології, які зазвичай проводяться в контрольованих лабораторних умовах, часто порівнюють сприйнятливість різних організмів до токсичних речовин. Гостра токсичність визначається як виникає, коли короткочасний вплив хімічної речовини у високій концентрації призводить до біохімічних або анатомічних пошкоджень або навіть смерті (загальна гостра кінцева точка). Хронічна токсичність передбачає більш тривалий вплив низьких до помірних концентрацій хімічної речовини. З часом хронічне опромінення може спричинити біохімічні або анатомічні пошкодження або, можливо, летальний стан, такий як рак.
Дані в таблиці 15.1 ілюструють чутливість ряду видів до надзвичайно токсичної хімічної речовини TCDD (2,3,7,8-тетрахлордибензо-п-діоксину). TCDD не має промислового чи лікарського використання, але він, до речі, синтезується під час високотемпературних горінь на спалювальних установках, під час лісових пожеж, у процесі відбілювання хлорного відбілювача для деревної целюлози та при виробництві деяких промислових хімічних речовин, зокрема трихлорфенолу, який використовується для виробляють гербіцид 2,4,5-Т і антибактеріальний засіб гексахлорофен. Ці синтези можуть призвести до викиду TCDD в навколишнє середовище, де можуть піддаватися впливу людини та інших організмів. Через свою токсикологічну популярність TCDD та його хімічні родичі є відносно добре вивченими речовинами.
Дані в таблиці 15.1 свідчать про те, що види сильно відрізняються своєю чутливістю до TCDD. Серед видів, для яких є дані, морська свинка особливо вразлива до TCDD, тоді як хом'яки і жаби менш. Чутливість до хімічних речовин також змінюється залежно від способу впливу та статі та віку тварин.
Ілюстрації даних, що показують гостру і хронічну токсичність, представлені в таблиці 15.2. Хімічна речовина, проілюстрована тут, - гліфосат, гербіцид, який широко використовується в сільському, лісовому господарстві та садівництві (див. Розділ 22). Дані говорять про те, що, якщо концентрація гліфосату досить велика, це викличе гостру токсичність. Однак тривалі тести на хронічну токсичність не продемонстрували спостережуваних ефектів на досліджуваних рівнях впливу. Зауважте також, що експериментальні дози, необхідні для спричинення гострої токсичності, та ті, що перевірені на хронічну токсичність, набагато вищі, ніж експозиції, які можуть виникнути під час звичайного використання гліфосату як гербіциду.
2. властива токсичність
Хімічні речовини надзвичайно різняться за своєю внутрішньою або відносною токсичністю. Деякі хімічні речовини надзвичайно токсичні в дрібних дозах, тоді як інші спричинять отруєння лише при набагато більшій інтенсивності впливу. Це ілюструється даними таблиці 15.3, в якій порівнюється гостра токсичність широкого спектру хімічних речовин. Є два центральних повідомлення:
- хімічні речовини надзвичайно відрізняються відносною токсичністю
- при досить великій дозі будь-яка хімічна речовина може виявитися токсичним
3. Експозиція
Експозиція має фундаментальний вплив на токсичність. Це може бути визначена як доза хімічної речовини, яку отримує будь-яка людина або група організмів за одиницю часу. На вплив будь-якого потенційно токсичного хімічного речовини впливає безліч факторів, включаючи вплив навколишнього середовища. Наприклад, на вплив миші в сільськогосподарському полі, розпорошеному інсектицидом, можуть впливати такі фактори, як швидкість розпилення, вид використовуваного обладнання, погода, стійкість хімічної речовини (як довго він залишається активним), а також поведінка та вибір їжі та середовища проживання миші. Якщо токсиколог оцінює вплив людей потенційно токсичними речовинами, буде розглянуто кількість, що вживається з твердою та рідкою їжею, споживання під час дихання та кількості, присутній як у робочому, так і в навколишньому (або непрофесійному) середовищі.
4. непрямі ефекти
Також важливими в екотоксикології є непрямий вплив токсичних хімічних речовин, або наслідки, відмінні від прямого отруєння організмів. Непрямі ефекти найчастіше пов'язані зі змінами середовища проживання або стану імунної системи організму. У деяких випадках непрямі пошкодження гірше прямого токсичного впливу хімічних речовин. Наприклад, використання гербіциду в лісовому господарстві спричиняє зміни рослинності, що впливає на тварин, які живуть у середовищі існування, навіть якщо сам гербіцид не є для них безпосередньо токсичним.
Всі хімічні речовини токсичні
Вищезазначене обговорення говорить про те, що якщо вплив досить інтенсивний, навіть регулярно зустрічаються хімічні речовини можуть бути отруйними. Насправді навіть вода може бути токсичною, якщо людина випиває достатньо за короткий проміжок часу. Це відбувається тому, що фізіологічна здатність регулювати солі в плазмі крові може бути переповнена, занадто швидко випиваючи занадто багато води, викликаючи токсичний синдром, який називається гіпонатріємією. Залежно від маси тіла смертельна доза для дорослої людини становить 5-10 л, приймається протягом години або менше. Аналогічно, якщо доза досить велика, вуглекислий газ, столовий цукор (сахароза), кухонна сіль (хлорид натрію), аспірин (ацетилсаліцилова кислота), вживання алкоголю (етанол) та інші регулярно вживаються хімічні речовини можуть викликати отруєння (табл. 15.3).
Це фундаментальне правило біології вперше підкреслив Філіп фон Парацельс (1493-1541), швейцарський лікар і алхімік, якого вважають батьком «сучасної» токсикології. Один з найвідоміших його висновків можна перефразувати як «Дозування визначає отруєння».
Мабуть, у всіх випадках існують пороги толерантності до потенційно токсичних хімічних речовин. Толерантність виникає тому, що організми мають фізіологічні механізми для виведення токсинів з організму, метаболізму їх у менш токсичні речовини або секвеструвати (зберігати) їх у певних тканині організму, де вони не завдадуть шкоди. Організми також мають механізми відновлення пошкоджень, заподіяних тканинам або біохімічним системам, за умови, що хімічний вплив не надто високий і надмірно пошкоджуючий. Щоб хімічна речовина спричинила токсичність, потужності цих фізіологічних систем повинні бути перевантажені.
Тлумачення шкоди
Поняття фізіологічних порогів толерантності допомагає визначити різницю між забрудненням і забрудненням, яке ми розглянули раніше. Ідея порогів також вказує, чому найкраще обрамляти дискусію з точки зору «потенційно» токсичного впливу хімічних речовин. Особливо це стосується випадків, коли фактичні екологічні концентрації невідомі, і коли біологічні ризики вкрай малих доз недостатньо зрозумілі. Однак поняття біологічних порогів толерантності є дещо суперечливим, і не всі токсикологи погодяться з щойно наведеним поясненням. Ці вчені вважають, що вплив навіть однієї або декількох молекул деяких видів хімічних речовин може мати токсикологічне значення. Особливо це стосується хімічних речовин, які, як вважають, є канцерогенними при надзвичайно малих впливах, а також радіонуклідів та високоенергетичних форм іонізуючої енергії, таких як рентгенівські промені та гамма-випромінювання.
Часто ризики для людей, що піддаються впливу хімічних речовин, інтерпретуються інакше, ніж ризики інших видів, особливо диких тварин та рослин. Це пояснюється тим, що переважаючі культурні установки надають набагато більшу цінність життю та здоров'ю окремих людей, ніж для інших видів. Таким чином, існує особливе небажання, як соціальне, так і регуляторне, дозволяти впливу на людину багатьох видів потенційно токсичних хімічних речовин.
Однак правила та вказівки, як правило, значно менш суворі щодо впливу на людину, що відбувається на робочому місці, порівняно з непрофесійним впливом. При цьому визнається той факт, що значні ризики притаманні діяльності і екологічні умови багатьох професій. Особливо значними небезпеками протистоять пожежники, поліцейські, військовослужбовці збройних сил, оператори важкої техніки, працівники хімічної промисловості. У межах хімічні впливи, пов'язані із заробітком на життя, зазвичай трактуються як «вартість ведення бізнесу», і тому можуть бути визнані прийнятними.
Однак таке ставлення може помітно змінитися з плином часу. Деякі професійні шкідливості, які колись вважалися рутинними і терпимими, зараз розглядаються як неприйнятні. Наприклад, коли синтетичні органічні інсектициди, такі як ДДТ, були вперше введені в середині 1940-х і 1950-х років, люди були надзвичайно випадкові щодо їх використання. Працівники часто застосовували ці інсектициди лише з мінімальною увагою, щоб уникнути впливу на себе та оточуючих. Таке погано контрольоване використання було б немислимим сьогодні, особливо у відносно добре регульованих країнах, таких як Канада.
Крім того, багато людей охоче вибирають піддавати себе токсикологічно значущим дозам певних хімічних речовин. Ці варіанти включають прийняття небезпечних професій, куріння сигарет, і вживання ліків і рекреаційних наркотиків. Наслідки такого роду «добровільних» впливів інтерпретуються за допомогою критеріїв, відмінних від тих, що застосовуються до «мимовільних».
Якщо хімічні речовини викликають токсичність для видів, відмінних від людини, важливість цього ефекту інтерпретується на основі наступних міркувань:
- Чи помітні зміни спостерігаються в популяціях уражених видів? З екологічної точки зору шкода на рівні населення є найважливішим фактором, навіть якщо визнається, що смерть окремого організму прикро. Популяції всіх видів мають певний ступінь стійкості і можуть переносити деяку смертність, спричинену токсичними хімічними речовинами, не зазнаючи загального зниження.
- Чи важливі уражені види для підтримки цілісності своєї громади? Екологічні філософії говорять про те, що всі види мають внутрішню цінність. Тим не менш, види дуже різняться за своїм внеском у функціонування та структуру своєї громади. Так звані види трапецеїдальних каменів мають домінуючим впливом (Глава 9). Істотні зміни в їх чисельності слід вважати відносно важливими порівняно з шкодою, нанесеною більш незначним видам.
- Чи має шкода економічне значення? Цей розгляд передбачає шкоду ресурсам, які потрібні людині і тому мають економічну цінність. У цьому сенсі шкода вважається відносно важливою, якщо вона завдана мисливським тваринам, таким як олень або форель, деревам, які можна зібрати для виробництва м'якоті або пиломатеріалів, або життєво важливим екологічним службам, таким як забезпечення чистою водою та повітрям. З чисто утилітарної точки зору шкода, заподіяна неекономічним цінностям, як видам, так і послугам, може розглядатися як менш важлива.
- Інші міркування, менш відчутні, ніж щойно згадані, включають оцінку шкоди в естетичному чи етичному плані. Ці міркування також важливі, але їх важко інтерпретувати з точки зору ризиків або користі для добробуту людини. Як результат, естетичні або етичні міркування рідко відображаються в регуляторних критеріях або в управлінні потенційно токсичними хімічними речовинами в навколишньому середовищі.
Екологічні ризики
Широко інтерпретовані екологічні ризики є небезпекою - ймовірність зазнати шкоди або нещастя внаслідок впливу біологічних або екологічних обставин. Ризики пов'язані з керуванням автомобілем, польотом в літаку, заняттям спортом, походами в пустелі, впливом токсичних хімічних речовин і вставанням з ліжка вранці. Екологічні ризики взаємодіють з біологічними факторами, щоб визначити ймовірність виникнення певної шкоди, наприклад, розвитку раку або отримання травми.
Статистики призначають значення ймовірності багатьом видам ризиків, використовуючи дані, засновані на попередньому досвіді, такі як частота автомобільних аварій або випадки отруєння хімічною речовиною, такою як конкретний препарат. Цей підхід проілюстрований у таблиці 15.4, де узагальнено останні причини смертності в Канаді. Ці дані свідчать про те, що середній канадський має річний ризик смерті близько 0,7% (обчислюється як загальна річна смертність, поділена на національне населення).
Дані, що стосуються менш поширених екологічних ризиків, отримати складніше. Зазвичай вони повинні розроблятися на основі прогнозних моделей, заснованих на знаннях медичної науки та ймовірному впливі впливу навколишнього середовища. Однак обидва ці види інформації недосконалі, оскільки вони засновані на неповному розумінні взаємодії між впливами навколишнього середовища та біологічними реакціями. Отже, розраховані фактори ризику є неточними, а іноді і суперечливими. Ці питання особливо важливі для захворювань, таких як рак, які мають тривалий період затримки (часто кілька десятиліть) між впливом та розвитком.
Раки є провідною причиною смертності в Канаді та інших відносно багатих країнах. Надзвичайно мало відомо, однак, про конкретні екологічні та біологічні фактори, які привертають організми до розвитку різних видів раку. Таблиця 15.5 узагальнює дані дослідження, яке оцінювало ризики смерті від раку, які пов'язані з декількома потенційно сприяючими факторами. З приблизно 0,5 мільйона смертей від раку, які трапляються щороку в Сполучених Штатах, вважаються найважливішим фактором, що сприяє харчуванню, на який припадає близько 35% смертності, а потім куріння тютюну (30%), інфекції (10%) та репродуктивна та сексуальна поведінка (7%). З різних ризиків куріння найлегше запобігти: це добровільне опромінення є причиною близько 86% раку легенів, а також інших захворювань (Канадське товариство раку, 2005). Близько половини канадських курців помруть від недуги, пов'язаної з курінням, більшість у віці до 70 років.
Населення Канади становить 10,8% населення США, тоді як кількість смертності від раку становить 11,3% від Сполучених Штатів. Ці подібні пропорції поряд з порівнянним способом життя канадців і американців говорять про те, що оцінені ризики в таблиці 15.5 також актуальні для канадців.
Зображення 15.6. Куріння тягне за собою добровільне вплив широкого спектру хімічних речовин, які, як відомо, токсичні. Крім того, некурящі мимоволі піддаються бічному диму, ділячи простір з курцями в громадських місцях або їхньому будинку. Джерело: Б.Фрідман.
Незважаючи на відмінні дані (і здоровий глузд) про відомі ризики багатьох видів діяльності, люди часто вирішують піддавати себе очевидним ризикам травми або захворювання. Приклади ризикованих занять включають катання на лижах по крутому схилу, банджі-джампінг, куріння сигарет та вживання алкоголю. Більше того, люди також піддаються небезпекам, над якими вони мало контролюють - тобто до мимовільних ризиків, таких як злочинність, забруднене зовнішнє повітря та пестициди в продуктах харчування. Сприйняття ризику є важливим фактором. Одне опитування канадців показало, що люди усвідомлюють і стурбовані широким спектром ризиків для свого здоров'я та благополуччя (табл. 15.6). Люди особливо стурбовані ризиками, пов'язаними зі здоров'ям, пов'язаними з вибором способу життя, такими як куріння сигарет, вживання рекреаційних наркотиків або алкоголю, а також поведінку, пов'язану з впливом СНІДу (вірусу ВІЛ). Люди також стурбовані впливом потенційно токсичних рівнів хімічних речовин в атмосфері, питної води та продуктів харчування.
Зрозуміло, що люди розуміють, що фактори навколишнього середовища становлять небезпеку для здоров'я людини. Однак часто вони мало розуміють фактичні ризики, на відміну від сприйнятих ризиків. Іноді люди вважають певні високі ризики несуттєвими, розглядаючи набагато менші ризики як надмірно важливі. Тим не менш, суспільне сприйняття ризиків має надзвичайно важливий вплив на політиків, політиків та бюрократів у уряді та промисловості, а також на їхні рішення щодо управління та регулювання небезпек для навколишнього середовища та здоров'я.
Оцінка екологічних ризиків
Оцінка екологічних ризиків - це оцінка ризиків, пов'язаних з небезпекою в навколишньому середовищі. Оцінка ризику може кількісно оцінити загрози для людей, а також для інших видів та більш широких екологічних цінностей. Оцінка ризику вимагає знання трьох факторів:
- ймовірність зіткнутися з небезпекою
- ймовірна інтенсивність небезпеки
- біологічний збиток, який може бути наслідком прогнозованого впливу
Метеоролог, наприклад, може передбачити ймовірність того, що в конкретне місце вдарить блискавка при різних погодних умовах. Імовірність набагато більша під час грози, ніж під сонячними умовами, і більша під великим деревом у відкритому грунті, ніж біля чагарнику в канаві. Також відомий енергетичний вміст типового удару блискавки, як і біологічна шкода людині, яка може бути вражена. За допомогою цієї інформації відносно просто змоделювати ризики травми, спричиненої блискавкою, пов'язаної із стоянням посеред відкритого поля або під деревом у тому самому полі, у сонячний день або під час грози. Це простий приклад оцінки екологічних ризиків. Оцінка ризику потенційно токсичного впливу хімічних речовин може проводитися для окремих організмів, для популяцій або для екологічних функцій, таких як продуктивність, розкладання та циклічність поживних речовин. Щоб оцінити ризики, пов'язані з впливом хімічних речовин, потрібно знати два фактори: інтенсивність впливу (очікувана доза) та біологічний збиток, який, ймовірно, може бути спричинений прогнозованою експозицією. Інтеграція цих двох типів інформації відома як зв'язок доза-відповідь (рис. 15.1).
Співвідношення доза-відповідь можна визначити шляхом проведення експериментів, в яких, наприклад, популяції організмів піддаються впливу різних кількостей хімічної речовини. Результати простих експериментів «доза-відповідь» за участю декількох гербіцидів наведені на малюнку 15.2.
Іноді можна зробити висновок про співвідношення доза-відповідь, вивчаючи закономірності пошкодження в реальному світі. Наприклад, інтенсивність забруднення може бути визначена на різних відстанях від великого точкового джерела викидів, такого як електростанція або плавильний завод. Потім вплив забруднення може бути пов'язаний із схемою екологічної шкоди, яка може спостерігатися вздовж градієнта токсичного стресу. Закономірності забруднення та екологічної шкоди навколо великого плавильного заводу поблизу Садбері є одним із прикладів такого взаємозв'язку (див. Глави 16 та 18).
Оцінка впливу досліджує всі способи, за допомогою яких організми можуть зіткнутися з потенційно токсичним рівнем хімічної речовини. Наприклад, людина може піддаватися впливу ртуті різними шляхами, кожен з яких може бути кількісно оцінений (або виміряний, або розрахований за допомогою прогнозної моделі). Основні шляхи впливу включають: вдихання парів ртуті, присутніх в атмосфері, вживання ртуті, розчиненої в питній воді, і споживання металу в харчових продуктах, особливо в деяких видах риб і органів тварин. Серед основних способів впливу також включені різні джерела, такі як певні пігменти, що використовуються в кераміці та фарбах, і ртутно-амальгамні зубні пломби.
Швидкість засвоєння хімічної речовини в кров і органи сильно варіюється між шляхами впливу. Засвоєння залежить від декількох факторів, включаючи метаболічні характеристики органу, в який всмоктується хімічна речовина, таких як легені, шлунково-кишковий тракт або шкіра. Фізико-хімічна форма речовини також впливає на динаміку його поглинання. Наприклад, ртуть може виникати як елементна пара або рідина, як неорганічні сполуки, такі як хлорид ртуті, і як органомеркуріальні комплекси, такі як метилртуть (особливо біодоступне та отруйна сполука). Загальна експозиція для людини - це сума хімічних речовин, засвоюваних усіма шляхами, які, як правило, сильно різняться за своєю дією.
Відносне значення різних джерел хімічної речовини залежить в тій чи іншій мірі від способу життя людини і роду занять. Вони впливають на те, як часто і в якій мірі зустрічаються різні джерела. Стоматологічні працівники, наприклад, можуть контактувати з парами ртуті, оскільки цей метал іноді використовується для виготовлення пломб. Крім того, раціон, багатий певними видами великих океанічних риб, таких як палтус, акула, риба-меч і тунець, відносно багата ртуттю (див. Розділ 18). Тому як стоматологічні працівники, так і великі споживачі риби можуть мати більш високий ризик впливу ртуті.
Після проведення оцінки впливу біологічні небезпеки можна передбачити на основі відомих взаємозв'язків доза-реакція. На жаль, інформація про дозу-відповідь часто неповна або навіть відсутня. Наприклад, більшість гіпотез про потенційні відносини доза-відповідь у людини фактично випливають з досліджень, проведених в лабораторіях з використанням інших ссавців, таких як собаки, миші, мавпи, свині та щури. Ці види мають фізіологічні, анатомічні та поведінкові характеристики, які широко схожі на людські, але вони також відрізняються важливими аспектами. Отже, більшість оцінок впливу на людину слідових рівнів хімічних речовин навколишнього середовища є неточними.
Крім того, інформація про взаємозв'язки доза-реакція майже не існує для диких видів та для екологічних функцій, таких як продуктивність та циклічність поживних речовин. Як і у випадку з оцінками, орієнтованими на людину, прийнято використовувати дані для сурогатних (або проксі) видів, які, як вважають, є типовими у відповідях на дозу.
Наприклад, може бути проведено дослідження для прогнозування потенційного впливу надходжень певних хімічних речовин до певного озера. Малоймовірно, що відповідні дані про дозу-відповідь будуть доступні для видів риб в екосистемі. Отже, прогнози, як правило, робляться з використанням інформації для проксі-видів, таких як райдужна форель (Salvelinus gairdneri) або пістоголова (Pimephales promelas). Ці риби добре вивчені в токсикологічних лабораторіях і широко використовуються в якості індикаторів. Аналогічно, потенційний вплив на зоопланктону спільноту можна передбачити, використовуючи інформацію, доступну для добре вивчених видів, таких як водяні блохи Daphnia magna та Ceriodaphnia dubia, тоді як оцінка ризику фітопланктону може використовувати дані для одноклітинних водоростей Selenastrum capricornutum та Хлорела звичайна.
Результати оцінки ризику для екосистеми або її частини (наприклад, спільноти), якщо ґрунтуються на лабораторних дослідженнях сурогатних видів, завжди невизначені. Це особливо вірно, якщо прогнозуються потенційні наслідки хімічного впливу в природному екологічному контексті. Однак такі оцінки ризиків є найкращими, що можна зробити за більшості обставин, оскільки рідко вистачає фінансування або часу для проведення більш комплексних досліджень. Проте, оскільки ці методи свідомо переоцінюють потенційні ризики, вони дають консервативне керівництво для цілей управління.
Детально 15.2. Мутагени, тератогени та гормони, що імітують Мутагени, тератогени та гормонально активні речовини - це мікрохімічні речовини та інші агенти, які присутні в навколишньому середовищі та мають потенціал впливати на генетику або метаболізм тварин, коли вони присутні в хвилинних концентраціях. Вони можуть бути присутніми природним шляхом або пов'язані з антропогенними викидами. Відносно інтенсивний вплив диких тварин цих агентів може відбуватися у водних середовищах існування, на які впливають стоки заводів, стічних вод або поля, оброблені пестицидами. Людський вплив пов'язаний з курінням (включаючи мимовільне опромінення), вживанням жирного м'яса (особливо якщо барбекю) та деякими іншими продуктами харчування, а також життям у міському середовищі, яке, як правило, забруднене низкою речовин.
Мутаген - це речовина або агент, який індукує генетичну мутацію, що означає зміну послідовності кодування нуклеїнових кислот в ДНК або РНК. Вплив мутагенів може призвести до «нешкідливих» мутацій, тобто генетичні зміни, як відомо, призводять до серйозних біохімічних наслідків. Однак в інших випадках мутація може призвести до деформації або захворювання, наприклад, багатьох видів раку. Рак може бути кінцевою точкою мутацій, що відбуваються в (соматичних) клітині організму, тоді як мутації сперматозоїдів та яйцеклітин можуть призвести до спадкових змін, які можуть бути передані потомству. Екологічний мутаген - це той, який зустрічається в навколишньому середовищі. Інциденти генотоксичності спостерігалися у диких тварин, такі як виникнення пухлин риб та жаб, народжених із зайвими кінцівками. У людини генотоксичність може бути пов'язана з деякими видами раку і з вродженими вродженими вадами, які зазвичай зустрічаються приблизно у 3% народжених. Генотоксичность може бути викликана впливом різних хімічних речовин та інших агентів. До сильнодіючих мутагенів, які використовуються в біомедичних дослідженнях, відносяться етилметансульфонат і нітрозогуанідин. Інші джерела лабораторної та екологічної генотоксичності включають наступне:
- високоенергетичне (іонізуюче) випромінювання, пов'язане з ультрафіолетом-B, рентгенівським і гамма-випромінюванням
- поліциклічні ароматичні вуглеводні (ПАУ), такі як бензо (а) пірен
- поліхлоровані біфеніли (ПХБ) та деякі пестициди
- метилртуть і деякі інші метали
- афлатоксин присутній у цвілі горіхи і зерна
- диметилнітрозамін присутній у харчових продуктах, оброблених нітритами
- дизельний вихлоп
- стічні води з целюлозних заводів
- тютюновий і шашличний дим
Тератоген - це агент, який викликає аномальний розвиток ембріона або плода. Він може діяти через мутагенність або якимось іншим способом, наприклад, фізичним подразненням клітин або тканин. Відомий приклад тератогенного пошкодження був викликаний талідомідом - медикаментом, який призначався як заспокійливий засіб вагітним жінкам з 1950-1961 років. Талідомід виявився здатним перетинати плаценту і викликав руйнівні аномалії кінцівок (крайнє вкорочення або відсутність кінцівок) у плода, а його медичне застосування призвело до епідемії серйозно деформованих дітей. Ще одним відомим тератогеном є етиловий спирт (алкоголь в напоях), який при надмірному прийомі під час вагітності може викликати алкогольний синдром плода. Вплив вірусу краснухи під час вагітності також може призвести до важкої деформації плода. У навколишньому середовищі зустрічається тератоген навколишнього середовища, і це вплив, можливо, збільшило частоту деформацій диких тварин, включаючи молюсків, риб та земноводних.
Гормонально активна речовина - гормон або інша хімічна речовина, що надає подібний вплив на регуляцію біохімії. Гормони - це хімічні посланці, які подорожують по кровоносній системі, поки не досягнуть специфічних рецепторних клітин в органів-мішенях, де вони регулюють фізіологію Вони виробляються в ендокринній системі, яка складається з різних залоз, таких як наднирники, яєчники, підшлункова залоза, гіпофіз, яєчка, щитовидна залоза. Гормони допомагають регулювати ріст, розвиток, обмін речовин, відкладення жиру, підтримання електролітного балансу в рідинях, сексуальність та поведінкові реакції на зовнішні подразники (такі як збудження та переляк). Приклади гормонів включають наступне:
- адреналін (адреналін) та норадреналін (норадреналін), які є гормонами надниркових залоз, які стимулюють організм реагувати на стресовий стан шляхом підвищення артеріального тиску, цукру в крові та частоти серцевих скорочень (це іноді називають реакцією «політ або боротьба»)
- естроген, жіночий статевий гормон, що виробляється яєчниками, і андрогени, чоловічі гормони, що виробляються яєчками
- інсулін, що утворюється підшлунковою залозою для регулювання вживання і зберігання вуглеводів (в тому числі цукру в крові)
- гормон щитовидної залози, який впливає на ріст і обмін речовин практично всіх клітин організму
Оскільки гормони необхідні для здорової фізіології, розвитку та поведінки, будь-яке серйозне порушення їх діяльності може мати важкі наслідки для організмів. Деякі хімічні речовини, присутні в навколишньому середовищі, включаючи природні та інші, які є антропогенними, можуть викликати такі перешкоди і відомі як гормон міміки. Наприклад, деякі рослини містять так звані фітоестрогени, які можуть впливати на гормональну фізіологію тварин, що харчуються ними. Прикладами рослин з відносно високим рівнем фітоестрогенів є соя (Glycine max), червона конюшина (Trifolium pratense), льон (Linum vulgare) та чорний кохош (Cimicifuga racemosa). Деякі жінки використовують рослинні збори цих рослин для зняття симптомів клімаксу. Інші природні фітоестрогени були використані в протизаплідних таблетках для контролю фертильності людини.
Багато інших речовин, присутніх у навколишньому середовищі, також є гормонально активними, включаючи широкий спектр хімічних речовин, що виділяються людською діяльністю. Навіть при вкрай малих впливах вони можуть імітувати або блокувати дію певних гормонів, в результаті чого відбуваються фізіологічні зміни. Це може мати згубний вплив на диких і домашніх тварин, а також на людей. Вважається, що наступні антропогенні хімічні речовини є гормонально активними через вплив навколишнього середовища:
- хлорганіли, включаючи діоксини (такі як TCDD), поліхлоровані біфеніли (ПХБ) та інсектициди ДДТ, діелдрін та ліндан
- інші види пестицидів, включаючи атразин, перметрин та трифлуралін
- трибутилотин, який використовується як морський протиобрахуючий засіб
- алкілфеноли, що використовуються як поверхнево-активні речовини, такі як нонілфенол
- певні пластифікатори, такі як дибутилфталат та бутилбензилфталат
- природні гормони та синтетичні стероїди від контрацептивів, які виділяються в навколишнє середовище в стічних водах або виникають у вигляді залишків їжі, включаючи естрадіол, естрон, і тестостерон
- фітоестрогени в стоках целюлозного млина, включаючи куместани, ізофлавони та лігнани
Біологічні ефекти екологічних мутагенів, тератогенів та гормонально-активних речовин ще недостатньо вивчені. Хоча присутність багатьох цих агентів в навколишньому середовищі широко відзначено, вчені поки не знають рівня забруднення, при якому може призвести неприпустима кількість біологічної шкоди. Це призвело до суперечок щодо потенційного впливу цих біологічно активних хімічних речовин на диких тварин та людей: деякі люди рекомендують вкрай запобіжний підхід, а інші вважають, що перед впровадженням суворих методів контролю потрібно більше доказів наслідкового збитку. Хоча існують спостереження за деякими місцевими популяціями диких тварин, які зазнають значної шкоди, поки немає переконливих доказів впливу на людей від впливу цих агентів на навколишнє середовище. Звичайно, будь-який значний рівень генетичних пошкоджень або пошкоджень розвитку людини буде вважатися неприйнятним.
Посилання: Філліпс і Венітт (1995), Мачахлан і Гілле (2002), Сервос та ін. (2008)
Висновки
Екологічні стресори - це фактори, які можуть обмежувати продуктивність і розмноження організмів або розвиток екосистем. Стресори можуть бути природними або антропогенними і можуть діяти протягом короткострокової (гострої) або довгострокової (хронічної). Стресові фактори можуть спричинити фізичне порушення, наприклад, коли ліс постраждав від пожежі, бурі або врожаю деревини. Інші стресові фактори діють, викликаючи токсичність, наприклад, коли організми піддаються впливу сонячного ультрафіолетового випромінювання або пестицидів. Екологічні ризики пов'язані з впливом найрізноманітніших факторів в навколишньому середовищі. Основною діяльністю в екологічній науці є вивчення цих ризиків та прогнозування їх впливу на людей, інші види та екосистеми.
Питання для рецензування
- Які існують різні види стресових факторів навколишнього середовища? Наведіть приклад кожного.
- Поясніть різницю між забрудненням і забрудненням?
- Чим відрізняються токсикологія, екологічна токсикологія та екотоксикологія?
- Використовуйте дані таблиці 15.4 як основу короткого есе про ризики смерті. Переконайтеся, що ви пов'язуєте ризики з впливом навколишнього середовища, де це доречно.
Питання для обговорення
- Визначте приклади природного забруднення та порушення в регіоні, де ви живете. Які міркування визначають, як суспільство оцінює важливість природних і антропогенних джерел?
- Порівняйте екологічні наслідки порушення, що замінює громаду, та мікропорушення фази розриву. Чим знання цих ефектів корисно для розробки екологічно доцільних практик збирання та управління ресурсами? Скористайтеся лісом старого зросту як приклад.
- Що ви вважаєте п'ятьма найважливішими ризиками для вашого здоров'я? Порівняйте свій список з даними в таблицях 15.4 і 15.5. У чому схожість і відмінності? Навіщо вони існують?
- Якщо всі хімічні речовини є потенційно токсичними, чи повинно суспільство дозволити будь-який вплив цих потенційних ризиків для здоров'я? Обговоріть це твердження і його концептуальну помилковість.
Вивчення проблем
- Як можна використовувати дані, представлені в таблиці 15.2 для гербіциду гліфосату, для оцінки ймовірності того, що люди або тварини страждають токсичністю, коли ця хімічна речовина використовується в сільському, лісовому господарстві або навколо будинку (це все загальне використання)? Яка додаткова інформація вам потрібна для проведення комплексної оцінки ризику для цієї хімічної речовини? А як щодо врахування непрямого впливу на диких тварин, спричинених змінами рослинності на оброблюваних територіях?
Цитуються посилання та подальше читання
Бегон, М., Р.В. Ховорт, і К.Р. Таунсенд. 2014. Основи екології. 4-е изд. Wiley, Кембридж, Великобританія.
Канадське товариство раку. 2014 рік. Інформація про рак. Канадське товариство раку, Регіна, СК. http://www.cancer.ca/en/?region=ns Доступ до грудня 2014 року.
Кларк, Л.Б., 1991. Прийнятний ризик? Прийняття рішень в токсичному середовищі. Університет Каліфорнії Преса, Берклі, Каліфорнія.
Коте, Р.П. і П.Г. Уеллс. 1991. Контроль хімічних небезпек: основи поводження з токсичними хімічними речовинами. Унвін Хайман, Лондон, Великобританія.
Есток, Д., Фрідман, і Д. Бойл. 1989. Вплив гербіцидів 2,4-D, гліфосату, гексазинону та триклопіру на ріст трьох видів ектомікоризних грибів. Бюлетень забруднення навколишнього середовища та токсикології, 42:835-839.
Флетчер, К. і Б.Фрідман. 1986 рік. Вплив кількох гербіцидів, що використовуються в лісовому господарстві, на розкладання посліду. Канадський журнал досліджень лісу, 16:6-10. Форбс, В.Е. і Т.Л. Форбс. 1994. Екотоксикологія в теорії та практиці. Чепмен і Холл, Нью-Йорк, Нью-Йорк.
Фрідман, р. 1991 р. Суперечки щодо використання гербіцидів у лісовому господарстві, з особливим посиланням на використання гліфосату. Журнал екологічних наук та здоров'я, C8:277-286.
Фрідман, Б. 1995 р. Екологія навколишнього середовища. 2-е изд. Академічна преса, Сан-Дієго, Каліфорнія.
Гоф, М. 1989. Оцінка смертності від раку. Екологічна наука і технологія, 23:925-930.
Ходж, Р.А., П.Р. Вест, і Р.Грегорі-Івз. 1996. Токсичні речовини. Розділ у Звіті про стан навколишнього середовища 1996 року для Канади. Навколишнє середовище Канада, Оттава, ON.
Гофман, Д.Дж., Б.А. Раттнер, Г.А. Бертон, і Дж. Кернс. (Ред.). 2003 рік. Довідник з екотоксикології, 2-е изд. CRC Прес, Бока-Ратон, Флорида.
Йоргенсен, Е. 2010. Екотоксикологія. Академічна преса, Ден Дієго, Каліфорнія.
Коллуру, Р.В., С.М. Бартелл, Р.М. Пітбальдо та С.Стрикофф (ред.). 1996. Посібник з оцінки ризиків та управління для фахівців з охорони навколишнього середовища, охорони здоров'я та безпеки. Макгроу-Хілл, Нью-Йорк, Нью-Йорк.
Кревскі, Д., Л.Лемір, М.К. Тернер, Л.Е.К. Лі, Даллер, Л. Бушар, К.Бранд, і П. Мерсьє. 2006. Суспільне сприйняття ризиків для здоров'я населення в Канаді: небезпеки для здоров'я та джерела інформації. Оцінка людського та екологічного ризику, 12:626-644.
Лендіс, В.Г. і М.-Х. Ю. 2004 р. Вступ до екологічної токсикології: вплив хімічних речовин на екологічні системи. 3-е изд. CRC Прес, Бока Ротан, Флорида.
Маклахлан, Дж. А. та Л.Дж. Гіллетт (редактори). 2002 рік. Гормони навколишнього середовища: наукові основи ендокринних порушень. Літописи Нью-Йоркської академії наук, 948, 142 с.
Мораш, Р. і Б.Фрідман. 1989 рік. Вплив декількох гербіцидів на проростання насіння в лісовій підстилці. Канадський журнал досліджень лісу, 19:347-350.
Моріарті, Ф. 1999. Екотоксикологія: Вивчення забруднюючих речовин в екосистемах. 3-е изд. Академічна преса, Сан-Дієго, Каліфорнія.
Ньюман, М.К. і В.Х. Клементс. 2008 рік. Екотоксикологія: комплексне лікування. Тейлор і Френсіс, Бока-Ратон, Флорида.
Одум, Е.П. 1985. Тенденції очікуються в стресових екосистемах Біонаука, 35:419-422.
Одум, Е.П. і Г.В. Барретт. 2004. Основи екології. Брукс Коул, Флоренція, Кентуккі. Філліпс, Д.Х. і С.Венітт (редактори). 1995 рік. Екологічний мутагенез. Академічна преса, Сан-Дієго, Каліфорнія.
Ромбке, Дж. і Дж. Ф. Молтманн. 1995. Прикладна екотоксикологія. CRC Прес, Бока-Ратон, Флорида.
Шуурман, Г. і Б.Маркерт (ред.). 1998 р. Екотоксикологія: екологічні основи, хімічний вплив та біологічні ефекти. Вілі та сини, Нью-Йорк.
Шиндлер, Д.В. 1987. Виявлення реакції екосистеми на антропогенний стрес. Канадський журнал рибного господарства та водної науки, 44:6-25.
Сервос, М., Делорм, Г. Фокс, Р. Саткліфф, і М. Вейд. 2008. Ендокринні порушують речовини. В: Загрози джерелам питної води та здоров'ю водних екосистем Канади, Навколишнє середовище Канади, Оттава, ON. http://publications.gc.ca/pub?id=9.558191&sl=0
Сміт, W.H. 1984. Екосистемна патологія: нова перспектива фітопатології. Екологія та управління лісами, 9:193-219.
Статистика Канади. 2014 рік. Провідні причини смерті, за статевими ознаками. CANSIM Таблиця 102-0561, Статистика Канади, Оттава, ON. http://www.statcan.gc.ca/tables-tableaux/sum-som/l01/cst01/hlth36a-eng.htm Доступ до листопада 2014 року.
Сутер, Г. (ред.). 2007 р. Оцінка екологічного ризику, 2-е видання. Тейлор і Френсіс, Бока-Ратон, Флорида. Томас, С.П. і С.Е. Грудей. 1997. Ризик смерті в Канаді: що ми знаємо і як це знаємо. Університет Альберти Прес, Едмонтон, AB.
Чирлі, Ф.Х. 1986. Діоксин. Американський науковий, 254 (2): 29-35.