5.2: Популяційна екотоксикологія в лабораторних умовах

Last updated
Save as PDF

Page ID: 18612

Sylvia Moes, Kees van Gestel, & Gerco van Beek

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

5.2. Популяційна екотоксикологія в лабораторних умовах

Автор: Міхіл Краак

Рецензенти: Ніко ван ден Брінк та Маттіас Лісс

Цілі навчання:

Ви повинні вміти

· мотивувати важливість вивчення екотоксикології на рівні населення.

· назвати властивості популяцій, унікальні для цього рівня біологічної організації.

· пояснити наслідки вікової та стадії розвитку специфічної чутливості для реакції населення на вплив токсикантів.

Ключові слова: екотоксикологія населення, щільність, вікова структура, темпи приросту населення

Вступ

Мотивація до вивчення екотоксикологічних ефектів на рівні населення полягає в тому, що загалом цілями охорони навколишнього середовища є дійсно популяції, громади та екосистеми. Крім того, кілька явищ є унікальними для цього рівня, включаючи вікову чутливість та взаємодію між людьми. Вивчення популяційного рівня відрізняється від індивідуального рівня і нижче менш прямим зв'язком між хімічним впливом і спостережуваними ефектами, що обумовлено індивідуальною мінливістю і декількома петлями зворотного зв'язку, що послаблюють відносини доза-реакція. Таким чином, дослідження на рівні населення характеризуються зростаючим рівнем невизначеності, якщо ці процеси не вирішуються належним чином, а також збільшенням часу та зусиль. Отже, не дивно, що ефекти на населення недостатньо вивчені. Це ще більше стосується досліджень на більш високих рівнях, таких як метапопуляції, спільноти та екосистеми (див. Розділи про метапопуляції, спільноти та екосистеми). Тому дуже важливо отримувати дані та аналізувати механізми, що призводять до впливу на рівні населення, маючи на увазі відповідну взаємодію з нижчим та вищим рівнями організації.

Властивості популяцій є унікальними для цього рівня біологічної організації і включають соціальну структуру (див. Розділ про екотоксикологію безхребетних спільнот), генетичний склад (див. Розділ про генетичну варіацію), щільність і вікову структуру. Це дає простір для віку та стадії розвитку специфічної чутливості до хімічних речовин. Майже для всіх видів молоді особини, такі як новонароджені або перші зірочки, помітно чутливіші, ніж дорослі особини або личинки пізніх зірок. Ця різниця може досягати трьох порядків величини, і, отже, специфічні чутливості до зірок можуть відрізнятися стільки ж, скільки чутливість до специфічних видів (рис. 1). Також повідомлялося про специфічні чутливості стадії розвитку населення. Експоненціально зростаючі популяції дафнідів, що піддаються впливу інсектициду фенвалерату, відновлюються набагато швидше, ніж популяції, які досягли несучої здатності (Pieters and Liess, 2006). Враховуючи специфічні чутливості до віку та стадії розвитку, терміни впливу токсикантів стосовно критичної життєвої стадії організму можуть серйозно впливати на ступінь несприятливих наслідків, особливо в сезонно синхронізованих популяціях.

альт — Малюнок 1. 48h LC50 значення інсектициду діазинон для комах, ракоподібних та черевоногих, ранжованих відповідно до чутливості (відповідно до Stuijfzand et al., 2000), показуючи, що специфічні чутливості instar можуть відрізнятися стільки ж, скільки чутливість до специфічних видів. Намальований Вільма Айзерман. Примітка: ця цифра - чернетка, яка ще потребує корекції

Складним питанням, пов'язаним з екотоксикологією населення, є те, коли населення вважається стабільним або в стійкому стані. Незважаючи на різні типи коливань, всі популяції, зображені на малюнку 2, можна вважати стабільними. Можна навіть стверджувати, що будь-яка популяція, яка не вимерла, може вважатися стабільною. Отже, одна популяція може значно змінюватися за щільністю з плином часу, потенційно сильно впливаючи на вплив впливу токсикантів.

Коли населення страждає від голоду та скупченості через високу щільність та внутрішньовидову конкуренцію, вони помітно більш чутливі до токсикантів, іноді навіть до 100 разів (Liess et al., 2016). Це може призвести навіть до непередбачених, непрямих наслідків. Відносний темп зростання популяції (індивідуальний/індивідуальний/день) популяцій хірономід високої щільності фактично збільшився при впливі Cd, оскільки смертність, індукована Cd, зменшила дефіцит їжі для вижили личинок (рис. 3). Тільки при найвищій експозиції Cd темпи приросту населення знову знизилися. Для популяцій з низькою щільністю спостерігалося передбачуване зниження темпів приросту населення зі збільшенням концентрації Cd. Тим не менш, на всіх рівнях експозиції Cd темпи зростання низької щільності населення були помітно вищими, ніж у популяцій високої щільності.

Тести на екотоксичність населення

У дослідженнях хронічної екотоксичності переважно вибираються когорти особин однакового розміру та віку, щоб мінімізувати коливання результату тесту, тоді як в популяційній екотоксикології враховується природний гетерогенний склад населення. Це ускладнює інтерпретацію отриманих експериментальних даних. Особливо при вивченні популяцій вищих організмів в дикій природі, збільшення часу на завершення досліджень у зв'язку з тривалим терміном життя цих організмів накладає практичні обмеження (див. Розділ про екотоксикологію популяцій дикої природи). У лабораторії це можна обійти, вибравши тестові види з відносно короткими життєвими циклами, такі як водорості, бактерії та зоопланктон. Для водоростей три-чотириденний тест можна розглядати як багатопоколінний експеримент, і протягом 21 дня самки дафнідів можуть випустити до трьох кладок новонароджених. Ці тести екотоксичності населення пропонують унікальну можливість обчислити кінцевий параметр популяції, темпи приросту населення (r). Це демографічний параметр популяції, що інтегрує виживання, час зрілості та відтворення (див. Розділ про моделювання населення). Тим не менш, такі хронічні експерименти зазвичай проводяться з когортами, а не з природними популяціями, що робить ці експерименти швидше продовженням тестів на хронічну токсичність, ніж істинні тести екотоксичності населення.

Посилання

Кнілманн С., Стампфлі Н.К., Бекетов М.А., Лісс, М. Внутрішньовидова конкуренція збільшує токсикантну дію у зовнішніх мікрокосмах. Екотоксикологія 21, 1857-1866.

Лісс М., Фойт, К., Кнілманн С., Шефер, Р.Б., Лісс, Х.-Д. Прогнозування синергії множинних стресових ефектів. Наукові доповіді 6, 32965.

Пітерс, Б.Дж., Лісс, М. Стадія розвитку населення визначає потенціал відновлення популяцій Daphnia magna після застосування фенвалерату. Екологічна наука і технологія 40, 6157-6162.

5.2. Питання 1

Мотивувати важливість вивчення екотоксикології на рівні населення і вище.

5.2. Питання 2

Назвіть властивості популяцій, які є унікальними для цього рівня біологічної організації.

5.2. Питання 3

Чому важливо розуміти наслідки чутливості до віку та стадії розвитку для реакції населення на вплив токсикантів?

5.2. Питання 4

Поясніть результати, що спостерігаються на малюнку 3.