ΜΕΘΟΔΟΛΟΓΙΑ ΟΙΚΟΤΟΞΙΚΟΛΟΓΙΚΩΝ ΕΡΕΥΝΩΝ

Transcript

1

2 ΜΕΘΟΔΟΛΟΓΙΑ ΟΙΚΟΤΟΞΙΚΟΛΟΓΙΚΩΝ ΕΡΕΥΝΩΝ Εισαγωγή : Μέθοδοι Οικοτοξικολογίας Οι οικοτοξικολογικές έρευνες έχουν αναπτυχθεί σε σημαντικό βαθμό τα τελευταία χρόνια, τόσο κάτω από την πίεση των κανονιστικών/νομοθετικών ρυθμίσεων σε διάφορες χώρες, όσο και από τις εμφανείς περιβαλλοντικές επιπτώσεις των βιομηχανικών και άλλων ανθρωπογενών δραστηριοτήτων σε ευαίσθητα οικοσυστήματα. Οι κυριότεροι τομείς οικοτοξικολογικών ερευνών περιλαμβάνουν τις παρακάτω ενότητες: Οικοτοξικολογικές έρευνες σε υδρόβιους οργανισμούς: οι υδρόβιοι οργανισμούς δέχονται πρώτοι την επίδραση των διαφόρων χημικών ρύπων με την έκπλυση ή απόρριψη χημικών γεωργικών ουσιών και αποβλήτων που καταλήγουν σε υδατικούς αποδέκτες, 1 Τοξικολογικές έρευνες σε είδη άγριας πανίδας και χλωρίδας: τα είδη αυτά αποτελούν ευαίσθητους αποδέκτες χημικών ρύπων. Πολλές χημικές ουσίες και απόβλητα επηρεάζουν άμεσα τους πληθυσμούς τους και πολλά είδη πουλιών, αμφίβιων και θηλαστικών έχουν φτάσει στα όρια εξαφάνισης, 2 Τοξικολογικές έρευνες σε ιζήματα: αρκετά είδη εξαρτώνται από την ποιότητα των ιζημάτων σε υδατικά συστήματα, 3 Οικοτοξικολογικές έρευνες εδάφους: το έδαφος παίζει σημαντικό ρόλο στην αποσύνθεση της οργανικής ύλης, στην ποιότητα τροφής των φυτών και στους διατροφικούς κύκλους, 4 Δοκιμασίες τοξικότητας σε φύκια (algae) και φυτά: τα είδη των φυκών και τα φυτά αποτελούν πτωτογενείς παραγωγούς τροφής για άλλα είδη, 5 245

3 Οικοτοξικολογικές έρευνες με δείκτες γεωλογικού τοπίου (landscapes): αλλαγές στο τοπίο μιας περιοχής αποτελούν ενδιαφέροντες δείκτες για οικοτοξικολογικές μελέτες. Τα νέα συστήματα GIS (Geographic Information Systems), χρήση ηλεκτρονικών υπολογιστών για την δημιουργία γεωγραφικών προσομειώσεων (Computer Simulation Models), μπορούν να δώσουν χρήσιμα αποτελέσματα, 6 Οικοτοξικολογικοί βιοδείκτες σε υδρόβιους και χερσαίους οργανισμούς: Οι βιοδείκτες αναφέρονται σε συγκεκριμένες βιολογικές παραμέτρους των υδρόβιων και χερσαίων οργανισμών Παράμετροι Οικοσυστημάτων και Μετρήσεις Οικοτοξικολογίας σε Υδρόβιους Οργανισμούς Σημαντικό τμήμα των ανθρωπογενών δραστηριοτήτων που καταλήγουν σε διάφορα είδη ρύπανσης με χημικούς παράγοντες έχει άμεση επίπτωση στα υδατικά συστήματα. Βιομηχανικά απόβλητα, οικιακά απορρίμματα, γεωργικές εκπλύσεις λιπασμάτων και γεωργικών φαρμάκων, ρύπανση θαλασσών με πετρελαιοειδή κλπ, καταλήγουν σε υδατικά συστήματα. Οι επιπτώσεις των χημικών ρύπων σε υδρόβιους οργανισμούς είναι άμεσης σημασίας για τις οικοτοξικολογικές έρευνες. Οι οικοτοξικολογικές έρευνες είναι πολύπλοκες διεργασίες και απαιτούν τον συνδυασμό πολλών ειδικοτήτων μεθοδολογικών αναλύσεων για να ολοκληρωθούν. 8 Τα τελευταία χρόνια οι εργαστηριακές μελέτες τοξικότητας έχουν επεκταθεί σε μελέτες ολόκληρων οικοσυστημάτων και μεγάλης ποικιλίας τελικών σημείων οικοτοξικότητας. Οι υποχρεώσεις των ερευνητών έχουν διευρυνθεί με τις νέες νομοθεσίες ( στις ΗΠΑ, η ιδιαίτερη άνθηση των οικοτοξικολογικών ερευνών ήταν αποτέλεσμα των νομοθεσιών: Clean Water 246

4 Act, the Federal Insencticide,Fungicide and Rodendicite Act, FIFRA, the Resource Conservation and Recovery Act, the Toxic Substances Control Act. Στην Ευρωπαϊκή Ένωση οι πολυάριθμες οδηγίες για την προστασία του περιβάλλοντος και των πλουτοπαραγωγικών πηγών έχουν προωθήσει σημαντικό αριθμό οικοτοξικολογικών ερευνών και προτάσεων για συστηματικές μελέτες. 9 Ο σχεδιασμός των ερευνών αυτών πρέπει να λαμβάνει υπόψη την πολυπλοκότητα των οικοσυστημάτων, ιδιαίτερα των υδροβίων, καθώς και τους διάφορους συγχυτικούς παράγοντες (ταχύτητα ανέμου, διαπερατότητα του φωτός, τροφικές αλυσίδες κλπ). Οι οικολογικές επιπτώσεις μπορούν να διερευνηθούν με ορθολογικό σχεδιασμό των βιοδοκιμασιών και ερμηνείας των αποτελεσμάτων. 10 Η μεθοδολογία των βιολογικών δοκιμασιών σε υδρόβια οικοσυστήματα πρέπει να είναι απλή, τεκμηριωμένη και να δείχνει τις άμεσες επιπτώσεις στην υδρόβια κοινότητα, να είναι οικονομική και γενικά αποδεκτή από τους άλλους επιστήμονες. Η μέθοδος πρέπει να εφαρμόζεται και για άλλες χημικές ουσίες ρύπους, ενώ τα αποτελέσματα να δίνονται με μαθηματικά και στατιστικά πρότυπα που να είναι κατανοητά. 11 Υπάρχουν ενδείξεις ότι απλές δοκιμασίες τοξικότητας σε εργαστηριακές συνθήκες μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την προστασία του περιβάλλοντος. Έχουν δημοσιευθεί τα αποτελέσματα περίπου δοκιμασιών σε 66 είδη ζώων που εκτέθηκαν σε 410 χημικές ουσίες. Το 88% των αποτελεσμάτων, σε τρία είδη: Daphnia sp., Gammarus fasciatus, Salmo gairdneri, έδωσαν τα χαμηλότερα όρια τοξικότητας. 12 Οι συγκεντρώσεις αυτές δοκιμασιών τοξικότητας μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως αντικειμενικοί δείκτες για περιβαλλοντική προστασία οικοσυστημάτων. Οι οικοτοξικολογικές έρευνες μπορούν εφαρμοσθούν κάτω από πραγματικές συνθήκες για τις επιπτώσεις σε οργανισμούς και τους πληθυσμούς τους

5 11.3. Δείκτες και Μετρήσεις Οικοτοξικότητας Τα τελευταία χρόνια γίνεται εμφανής η απουσία δείκτη για την δομή των κοινοτήτων σε οικοσυστήματα, που να είναι ευαίσθητος στις σύνθετες διεργασίες της χημικής και φυσικής διάσπασης ουσιών στο υδατικό περιβάλλον. Ερευνητές έχουν αναπτύξει πρόσφατα έναν δείκτη βιοτικής πληρότητας (Index of Biotic Integrity, IBI) ο οποίος σχεδιάσθηκε για να αποκαλύψει την ολοκληρωμένη φύση των κοινοτήτων ψαριών καθώς ανταποκρίνονται σε αλλαγές της ποιότητας του νερού. 14 Η προσέγγιση αυτή έχει εφαρμοσθεί με επιτυχία, μετά από τροποποίηση, και για κοινότητες ασπόνδυλων οργανισμών. 15 Ο αρχικός δείκτης ΙΒΙ για τα ψάρια επιλέχθηκε για να μετρήσει την κατάσταση κοινοτήτων ψαριών σε σχέση με "συγκρίσιμες, αμετάβλητες" κοινότητες ψαριών σε λεκάνες απορροής. Οι τιμές των μετρήσεων χωρίζονται σε τρεις διευρυμένες ομάδες: ταξινομική σύνθεση των ειδών και αφθονία, σύνθεση των ψαριών κατά κατηγορίες τροφικού επιπέδου και ολική αφθονία σε δείγματα και φυσική κατάσταση (ασθένειες, όγκοι, στρεβλώσεις του σκελετού κλπ). Οι τιμές των δεικτών ΙΒΙ ορίσθηκαν σε 5, 3 ή 1, ανάλογα με τον βαθμό της διαφοροποίησης από το δείγμα αναφοράς. (5 σημαίνει σχεδόν παρόμοια κατάσταση, 3 "μεσαία απόκλιση" και 1 " μεγάλη απόκλιση από το κανονικό"). Με τον τρόπο αυτό μπορούν οι ερευνητές να βαθμολογήσουν την κατάσταση κοινότητας ψαριών σε σχέση με κοινότητα που δεν έχει υποστεί αναστάτωση από ρύπους. 14 Παρόμοιες τιμές χρησιμοποιούνται και για τα ασπόνδυλα. 15 Στην περίπτωση των ερευνών για φυτοφάρμακα, χρησιμοποιούνται διάφορα οικοσυστήματα (μεσόκοσμοι και μικρόκοσμοι) που ανταποκρίνονται στις απαιτήσεις της νομοθεσίας FIFRA των ΗΠΑ. Τα συστήματα αυτά είναι κυρίως τεχνητές μικρές λίμνες ( μέχρι κυβικά μέτρα) και αρκετού βάθους για να υποστηρίξουν την διατήρηση ψαριών. Ο σκοπός των συστημάτων αυτών 248

6 είναι να ερευνήσουν πρότυπα έκθεσης και να προσδιορίσουν την δυνατότητα επιβλαβών δράσεων χημικών ουσιών που είναι διαλυτές στο νερό ή/και δεσμεύονται στα ιζήματα. 16 Τα πειράματα αυτά μεσοκόσμων και μικροκόσμων με τεχνητές μικρές λίμνες είναι αρκετά μεγάλης σημασίας για την μελέτη της οικοτοξικότητας φυτοφαρμάκων σε λίμνες, ποτάμια, και άλλα υδατικά συστήματα. 17,18 Πίνακας Οι βιολογικοί δείκτες (biological indicators) που χρησιμοποιούνται για την αξιολόγηση της κατάστασης υδρόβιων κοινοτήτων (Karr JR. Biological integrity: a long-neglected aspect of water resource management. Ecol Appl, 1: 66-72, 1991). Bioassay Single species test Multispecies (microcosm, mesocosm) tests Biosurvey Individual/species population Tissue analysis for bioaccumulation Biomarkers-genetic or physiology Bionass/yield Growth rates Gross morphology Behaviour Abundance/density Variation in population size Population age structure Disease or parasitism frequency Community/ecosystem Structure Species richness Relative abundance among species Indicator species (tolerance) Dominant species Community trophic structure Extinction Function Production/respiration ratio Production/biomass ratio Biogeochemical cycles nutrient leakage Decomposition Landscape Habitat fragmentation patch geometry Ligands Cumulative effects across landscapes Βιολογικές δοκιμασίες, τοξικότητας Δοκιμασίες τοξικότητας σε ένα είδος οργανισμού Δοκιμασίες σε πολλά είδη Βιοέρευνα Πληθυσμοί ατόμων/ειδών Ανάλυση ιστών για βιοσυσσώρευση Βιοδείκτες, γενετικοί ή φυσιολογίας Βιομάζα/απόδοση Συντελεστές ανάπτυξης Ολική μορφολογία Συμπεριφορά Αφθονία/πυκνότητα Ποικιλία στο μέγεθος του πληθυσμού Δομή ηλικιών του πληθυσμού Ασθένεια ή συχνότητα παρασιτισμού Δομή Κοινότητας/οικοσυστήματος Ποικιλία ειδών Σχετική αφθονία μεταξύ ειδών Χαρακτηριστικά είδη, ανοχή Επικρατούντα είδη Δομή τροφικής αλυσίδας κοινότητας Εξαφάνιση ειδών Λειτουργία Ρυθμός παραγωγής/αναπνοής Ρυθμός παραγωγής/βιομάζας Βιογεωχημικοί Κύκλοι Διαφυγή τροφής Αποσύνθεση Τοπίο Κατακερματισμός βιοτόπων Γεωμετρία κομματιών γης σύνδεσμοι μεταξύ μεμονωμένων κομματιών γης Συσωρευτικές επιπτώσεις σε τοπία 249

7 Πολλές όμως οικοτοξικολογικές έρευνες και μελέτες μεσοκόσμων είχαν ως αποτέλεσμα να συγκεντρωθούν πολλά και διάσπαρτα αποτελέσματα που δεν μπορούν να συγκριθούν ή να χρησιμοποιηθούν σε άλλες έρευνες. Για να μετριασθεί η κριτική και να γίνουν πιο συστηματικά τα οικοτοξικολογικά δεδομένα έχουν δημιουργηθεί κριτήρια μελέτης και δείκτες οικοσυστημάτων, τόσο για τις περιβαλλοντικές επιπτώσεις ρύπων όσο και για την επανόρθωση στην πρότερα κατάσταση. 19,20 Οι πρόσφατες νομοθετικές ρυθμίσεις για την προστασία του περιβάλλοντος, των βιοτόπων, της βιοποικιλότητας και των ευαίσθητων οικοσυστημάτων έχει προωθήσει συστηματοποίηση των οικοτοξικολογικών μεθόδων. 21 Με βάση τα οικοτοξικολογικά δεδομένα μπορούν να γίνουν μελέτες εκτίμησης του οικολογικού κινδύνου, που είναι χρήσιμες τόσο για την εμπορική άδεια νέων προϊόντων, όσο και για την κατάσταση οικοσυστημάτων από παλαιές και νέες εκπομπές χημικών ρύπων Αφθονία Ειδών, Ενδεικτικοί Οργανισμοί και Τροφικοί- Δυναμικοί Παράγοντες κατά την Έρευνα Ρύπανσης Υδρόβιων Οικοσυστημάτων Έχει αποδειχθεί ότι σε προγράμματα βιοελέγχου οικοσυστημάτων, η σχετική αφθονία και η ποικιλία των ειδών αντανακλούν τον βαθμό ρύπανσης ενός υδρόβιου βιότοπου. 23 Ο ρυθμός με τον οποίο αλλάζει η αφθονία των ειδών στην περίπτωση ρύπανσης από χημικούς παράγοντες είναι αποτέλεσμα και της φύσης των οργανισμών που εκτίθενται. Επιλογή των ανθεκτικών ειδών έχει επίσης αποδειχθεί σε οικοτοξικολογικά πειράματα. 24 Η χρήση των ενδεικτικών ειδών για τις έρευνες ευτροφισμού υδατικών συστημάτων αποδείχθηκε αρκετά χρήσιμη στις αρχικές έρευνες. 25 Η μέθοδος αυτή χρησιμοποιείται και σήμερα με τα προγράμματα "παρακολούθησης των οστρακοειδών" ("mussel watch") ή με τον έλεγχο της αφθονίας αμφίβιων σε μελέτες για την ποιότητα υδάτων. Επίσης, σε κοινότητες στις οποίες επικρατούν 250

8 ορισμένα "είδη κλειδιά", γίνεται παρακολούθηση και έλεγχος στα είδη αυτά, καθώς οι επιβλαβείς επιδράσεις θα έχουν ανταπόκριση και στην υπόλοιπη βιοτική κοινότητα. Πρόσφατα χρησιμοποιούνται διάφορες προσεγγίσεις στο θέμα αυτό. 26 Για μια ολοκληρωμένη μελέτη των επιδράσεων χημικών ρύπων, οι οικοτοξικολογικές έρευνες προσεγγίζουν και τα προβλήματα που αναφέρονται σε οργανισμούς που αποτελούν τμήμα υδρόβιας τροφικής αλυσίδας. Για παράδειγμα, τα αμφίβια δείχνουν να είναι ευαίσθητα σε ορισμένα συνθετικά πυρεθροειδή φυτοφάρμακα. Η ευαισθησία αυτή μπορεί να προέρχεται λόγω της τροφής τους με φύκια και μικροοργανισμούς του υδατικού βιοτόπου. 27 Επίσης, άλλα υδρόβια Mink ζώα, όπως τα κάστορες, βίδρες, μίνκ (mink, otter, raccoons) που εξαρτώνται για την τροφή τους σε ασπόνδυλα, μπορεί να βιοσυσσωρεύσουν λιποφιλικές ενώσεις που επηρεάζουν την αφθονία του πληθυσμού. Για κανονιστικούς/νομοθετικούς λόγους υπάρχει έμφαση στις διεργασίες διασκορπισμού και διαλυτότητας των χημικών ουσιών σε υδατικά και χερσαία οικοσυστήματα Πρότυπα Υδρόβια Οικοσυστήματα για Οικοτοξικολογικές Έρευνες Υπάρχουν πολλά πρότυπα (μοντέλα) υδρόβιων συστημάτων με διαφορετικό σχεδιασμό και πολυπλοκότητα, γνωστά ως μικρόκοσμοι και μεσόκοσμοι, που μελετούν την τύχη και επιπτώσεις χημικών ρύπων σε υδρόβια οικοσυστήματα

9 Σχήμα Διάφορα είδη φυκιών που χρησιμοποιούνται για την εκτίμηση των επιπέδων ρύπανσης των υδάτινων οικοσυστημάτων. Η διαφορά μεταξύ μικροκόσμων και μεσοκόσμων είναι παραδοσιακά υποκειμενική, όπου οι ερευνητές καθορίζουν τα δικά τους κριτήρια, αλλά έχει να κάνει κυρίως με το μέγεθος, αν και ορισμένοι ερευνητές με κάνουν διάκριση μεταξύ των δύο συστημάτων. Ο βαθμός οργανωτικής πολυπλοκότητας και 252

10 απομίμησης της πραγματικότητας ποικίλει ανάλογα με τους σκοπούς της έρευνας. 30 Ο πιο σύγχρονος ορισμός των μικροκόσμων είναι "τεχνητά υποσυστήματα φυσικού περιβάλλοντος που μπορούν να αναπαραχθούν, περιέχουν ορισμένα τροφικά επίπεδα και παρουσιάζουν ιδιότητες σε επίπεδο οικοσυστήματος". 31 Οι μεσόκοσμοι ορίζονται ως "φυσικά κλειστοί χώροι που αναπαριστούν ένα πραγματικό οικοσύστημα" ή "τεχνητές κατασκευές όπως μικρού μεγέθους λίμνες ή υδάτινα ρέοντα κανάλια". 32 Σχήμα Μικρού μεγέθους λίμνες που χρησιμοποιούνται σε οικοτοξικολογικές έρευνες. Οι οικοτοξικολογικές έρευνες που χρησιμοποιούν διάφορα πρότυπα συστήματα για υδρόβια οργανισμούς έχουν αυξηθεί σημαντικά τις τελευταίες δεκαετίες. Τα συστήματα αυτά είναι εξαιρετικής σημασίας για τις υδρόβιες έρευνες, προεκτείνουν και υποστηρίζουν τις τοξικολογικές δοκιμασίες σε απλούς οργανισμούς, ενώ συγχρόνως διατηρούν ένα είδος προσομοίωσης των περιβαλλοντικών συνθηκών και σε διάφορα τροφικά επίπεδα

11 H έννοια του μικροκόσμου εμφανίσθηκε στην οικολογική σκέψη από το 1887 με τις εργασίες του Forbes. Αρχικά, μικρόκοσμοι σε εργαστηριακό επίπεδο και για οικολογικές μελέτες, χρησιμοποιήθηκαν για έρευνες παραγωγικότητας, μεταβολισμού σε κοινότητες οργανισμών και δυναμικής πληθυσμών. 34 Ο Gause χρησιμοποίησε μικροκόσμους για τα κλασικά πειράματά του με πρωτόζωα (συναγωνισμός) από τα οποία καθιέρωσε την μαθηματική θεωρία του για την αρχή του ανταγωνιστικού αποκλεισμού. 35 Τα πιο συστηματικά πειράματα άρχισαν την δεκαετία του 60 για τα εντομοκτόνα που χρησιμοποιούνταν για την καταπολέμηση της ελονοσίας στην Καλιφόρνια. Χρησιμοποιήθηκαν τεχνητές εξωτερικές λίμνες για επιδράσεις σε πτηνά (πλατύρρυγχος νήσσα, Mallard duck αγριόπαπιες, mallard ducks). 36 Οι επιπτώσεις των οργανοφωσφορικών εντομοκτόνων εξετάσθηκαν στα ίδια συστήματα σε φυτοπλαγκτόν, ζωοπλαγκτόν, υδρόβια έντομα, ψάρια και πτηνά των λιμνών. 37 Οι μελέτες αυτές επέτρεψαν την ολοκληρωμένη έρευνα επιβλαβών χημικών ρύπων σε πραγματικές συνθήκες στο επίπεδο πληθυσμών και οικοσυστήματος, σε σχέση με εργαστηριακές δοκιμασίες τοξικότητας. 38 Στην ουσία οι διάφορες δοκιμασίες τοξικότητας χημικών ουσιών μπορούν να διαβαθμισθούν σε 4 επίπεδα: βιοδοκιμασίες τοξικότητας σε απλούς οργανισμούς, σε πολλαπλούς οργανισμούς, βιοέρευνες σε πληθυσμούς, κοινότητες (ανάλυση βιολογικών δεικτών, βιοδείκτες κλπ) και σε οικοσυστήματα. Το τέταρτο επίπεδο πρέπει να περιλαμβάνει μελέτες πεδίου που να αναπτύσσουν την δυνατότητα εκτίμησης οικολογικού κινδύνου. Μετά από τα πειράματα του πρώτου επιπέδου και ανάλογα με τα αποτελέσματα συνεχίζονται οι έρευνες στα άλλα απίπεδα. 39 Οι βασικές αρχές και η μεθοδολογία των οικοτοξικολογικών πειραμάτων με υδρόβιους μικρόκοσμους και μεσόκοσμους περιγράφονται σε πρόσφατες εκδόσεις, ανασκοπήσεις και συμπόσια

12 11.6. Γενική Περιγραφή Μικροκόσμων, Μεσοκόσμων και Παραδείγματα Οι έρευνες μικροκόσμων εφαρμόσθηκαν για την μελέτη επιδράσεων χημικών ρύπων στο επίπεδο δομής κοινοτήτων οργανισμών και της λειτουργίας τους. Είναι πειράματα που διεξάγονται σε εσωτερικούς ή εξωτερικούς χώρους, και τα οποία βρίσκονται ανάμεσα στις εργαστηριακές δοκιμασίες και μεγάληςκλίμακας πειράματα μεσοκόσμων. Οι μικρόκοσμοι σε εξωτερικούς χώρους γίνονται σε μικρές κλεισμένες λιμνούλες κοντά σε λίμνες, μικρά ενυδρεία που αιωρούνται μέσα σε λίμνες, μεγάλα δοχεία-δεξαμενές (από ενισχυμένο υαλοβάμβακα, ανοξείδωτες, τσιμεντένιες ή εκσκαφές μέσα στο έδαφος). 43,44 Περιφραγμένος χώρος λιμνών (Limnocorrals) είναι μεγάλης έκτασης κλειστά συστήματα κοντά σε ανοικτές λίμνες. Τα συστήματα αυτά χρησιμοποιήθηκαν ειδικά από Καναδούς επιστήμονες για να μελετηθούν επιδράσεις φυτοφαρμάκων στον πληθυσμό φυσικού πλαγκτόν υδατίνων συστημάτων. 45 Παράλιες περιφραγμένες ζώνες (Littoral enclosures) είναι τεχνητά συστήματα που συνορεύουν με τις όχθες λιμνών και αναπτύχθηκαν ειδικά από το ερευνητικό εργαστήριο της ΕΡΑ στο Duluth, Minnesota. Τα συστήματα αυτά, 5x10 μέτρα επιφανείας, χρησιμοποιούνται για την τύχη και επιδράσεις φυτοφαρμάκων στις παραμέτρους της ποιότητας των νερών, του φυτοπλαγκτόν, ζωοπλαγκτόν, μακροασπόνδυλα και ψάρια. 46 Απομιμήσεις μεσοκόσμων με μικρού μεγέθους λίμνες έχουν χρησιμοποιηθεί εκτεταμένα για την αξιολόγηση της τύχης φυτοφαρμάκων και των τοξικολογικών επιδράσεων σε οικοσυστήματα. Οι περισσότερες κατασκευές είναι εκσκαφές εδάφους και κυμαίνονται σε μέγεθος από 0,04 μέχρι 0,1 εκτάρια επιφάνειας. 47 Για το σχεδιασμό των πειραμάτων αυτών πρέπει να ληφθούν υπόψη διάφοροι παράμετροι και η ικανότητά τους να προσδιορίσουν τις επιπτώσεις με τις καλύτερες προϋποθέσεις

13 Εκτεταμένη ανασκόπηση παραδειγμάτων οικοτοξικολογικών πειραμάτων με συστήματα μικροκόσμων και μεσοκόσμων παρουσιάζονται σε πρόσφατη έκδοση. 29 Στα παραδείγματα αυτά δίνονται οι παράμετροι μεγέθους, ο σχεδιασμός του πειράματος, η χρονική διάρκεια, το είδος του χημικού ρύπου, η χρονική διάρκεια της έκθεσης, η συχνότητα δειγματοληψίας, οι δοκιμασίες τοξικότητας στους οργανισμούς και η στατιστική ανάλυση των αποτελεσμάτων. Άλλα παραδείγματα μεσοκόσμων και μικροκόσμων με λεπτομέρειες για τον σχεδιασμό, την μεθοδολογία και την ανάλυση των αποτελεσμάτων αναφέρονται στην βιβλιογραφία Παράμετροι Υδρόβιων Οικοτοξικολογικών Μεθόδων Οι παράμετροι που πρέπει να ληφθούν υπόψη για την επιτυχία των οικοτοξικολογικών ερευνών με μικροκόσμους και μεσοκόσμους είναι: 29 ποικιλότητα. ποικιλία δομής, φυσικοχημικών και βιοτικών παραγόντων (viariability, structural, physicochemical and biotic) μικροκόσμων και μεσοκόσμων, αποικισμός και εγκλιματισμός (colonization and acclimation), παρουσία μακροφύτων (presence of macrophytes), χρήση διαφόρων πληθυσμών και ειδών ψαριών (use of fish populations), επιπτώσεις κλιμάκωσης πειραματικών συστημάτων (scaling effects of artificial system research), δοσολογία, ποσότητα, συχνότητα δόσεων, και μέθοδος εφαρμογής (dosing, amount applied, dosing frequency and method of application), κατανομή και τύχη χημικών ρύπων (chemical fate considerations), 256

14 πειραματικός σχεδιασμός και στατιστική ανάλυση (experimental design and statistical analyses). Α) Τα βιολογικά συστήματα εμπεριέχουν μεγάλες ποικιλίες. Οι βασικές πηγές των ποικιλιών είναι δομικές, φυσικοχημικές ή βιοτικές. Η βιοτική ποικιλότητα μπορεί να συμβεί στα διάφορα επίπεδα του οικοσυστήματος. Η ποικιλότητα δυσκολεύει την συστηματοποίηση των οικοτοξικολογικών αποτελεσμάτων από την χρήση μικρόκοσμων και μεσοκόσμων. 54 Εναλλακτική λύση στο πρόβλημα της ποικιλότητας είναι να περιορισθεί ο αριθμός των ειδών και οι φυσικοχημικές παράμετροι, πράγμα που περιορίζει την πειραματική απομίμηση φυσικών συστημάτων. 55 Οι συγχυτικοί παράγοντες της ποικιλότητας έχουν αναγνωρισθεί εδώ και πολλά χρόνια σε οικοτοξικολογικές έρευνες, αλλά δεν έχει εφαρμοσθεί ενιαία προσέγγιση του προβλήματος. 56 Β) Η ωριμότητα ενός συστήματος και ο εγκλιματισμός των οργανισμών στο τεχνητό περιβάλλον των μικρόκοσμων και μεσοκόσμων παίζει σημαντικό ρόλο στις οικοτοξικολογικές έρευνες. Τα τροφικά επίπεδα πρέπει να αποκατασταθούν, οι οργανισμοί πρέπει να πετύχουν δυναμική ισορροπία με το περιβάλλον τους ώστε να αρχίσουν οι δόσεις των χημικών ρύπων και οι μετρήσεις. Υπάρχουν δύο βασικές προσεγγίσεις στο θέμα αυτό: ορισμένοι επιστήμονες συγκεντρώνουν τα στοιχεία του συστήματος από φυσικές πηγές υδρόβιων οργανισμών, ενώ άλλοι αναπτύσσουν κοινότητες μικρόκοσμων με υψηλό βαθμό ελέγχου, χρησιμοποιώντας πρότυπα σύνολα φυκιών και ασπόνδυλων (gnotobiotic approach). Oι πρότυποι υδρόβιοι οργανισμοί (Standardized Aquatic Microcosms, SAMs) έχουν συγκεκριμένης ποικιλίας ειδών, χημικής σύσταση υδατικού συστήματος και ιζήματος

15 Η περίοδος εγκλιματισμού στο περιβάλλον είναι επίσης σημαντική παράμετρος για την επιτυχία των πειραμάτων. Η περίοδος αυτή εξαρτάται από το είδος, το μέγεθος και την ποικιλότητα του συστήματος μικρόκοσμου και μεσόκοσμου (συνήθως 2-4 εβδομάδες για τα απλά μέχρι ένα χρόνο για τα πιο σύνθετα). 58 Γ) Η χρήση μακροφύτων, μακροφυτικά πολυκυτταρικά φύκη, και υδρόβια νευρώδη φυτά (macrophytic multicellular algae & aquatic vascular plants) σε τεχνητά οικοσυστήματα παίζει σημαντικό ρόλο. Τα φύκη και υδρόβια φυτά σε φυσικές λίμνες έχουν δυναμικούς ρόλους, τα μακρόφυτα επηρεάζουν την κατανομή των χημικών ουσιών. Ο πληθυσμός και η πυκνότητα των φυκιών και των υδρόβιων φυτών σε τεχνητά οικοσυστήματα είναι απαραίτητα στοιχεία προσομοίωσης των φυσικών συνθηκών. Μεγάλη ποικιλία χημικών, δομικών και βιοτικών αλληλεπιδράσεων εξαρτώνται από τον τύπο και πυκνότητα των μακρόφυτων. 59 Δ) Η χρήση διαφόρων πληθυσμών και ειδών ψαριών σε τεχνητά οικοσυστήματα για έρευνες είναι μια άλλη διάσταση του πειραματικού σχεδιασμού. Οι πληθυσμοί ψαριών, η αναπαραγωγή τους και η διατροφή τους έχουν άμεσες και έμμεσες επιδράσεις στα λειτουργούντα οικοσυστήματα. 60 Ε) Οι κλίμακες πειραματικών συστημάτων έχουν άμεσα επιπτώσεις στα αποτελέσματα οικοτοξικολογικών μεθόδων. Το μέγεθος των τεχνητών υδρόβιων συστημάτων, η ποικιλία των ειδών, η διάρκεια των πειραμάτων και δειγματοληψιών επηρεάζουν τις μετρήσεις στα τελικά σημεία των συστημάτων. 61 ΣΤ) Η δοσολογία και η μέθοδος εφαρμογής έχουν μεγάλη σημασία στις οικοτοξικολογικές έρευνες. Γνώση των παραγόντων που επηρεάζουν την έκθεση των οργανισμών και τις επιδράσεις στις κοινότητες των οικοσυστημάτων υπό μελέτη έχουν κρίσιμη σημασία στην εκτίμηση του περιβαλλοντικού κινδύνου 258

16 χημικών ρύπων. Η κατανομή και τύχη των χημικών ρύπων μετά την εφαρμογή των δόσεων στο σύστημα είναι σημαντικοί παράγοντες. 62 Ο τρόπος με τον οποίο είναι αναμιγμένες οι χημικές ουσίες παίζει επίσης σημαντικό ρόλο, ιδιαίτερα για τα φυτοφάρμακα. Η μέθοδος εφαρμογής των χημικών ουσιών ( ανάμιξη, τοποθέτηση μέσα στο ίζημα, μικρές ποσότητες διαλυμένες σε νερό, κλπ) παίζει μεγάλο ρόλο σε πολλά συστήματα. 63 Ζ) Ο τρόπος που οι χημικές ουσίες-ρύποι διαχέονται στο υδρόβιο σύστημα και η συσσώρευση, εξουδετέρωση ή διάσπαση κατά την διάρκεια των πειραμάτων είναι μεγάλης σημασίας. 64 Η) Ο πειραματικός σχεδιασμός και η στατιστική ανάλυση των αποτελεσμάτων πρέπει να προσαρμοσθούν στις ανάγκες και τις παραμέτρους των πειραματικών οικοσυστημάτων και το είδος των χημικών ρύπων. Η μέθοδος ΑΝOVA (Analysis of variance) είναι η πιο συχνά χρησιμοποιούμενη στατιστική ανάλυση αποτελεσμάτων σε οικοτοξικολογικά πειράματα από Αμερικανούς επιστήμονες. 65 Σχήμα Χρήση ψαριών και στρειδιών για το έλεγχο τοξικότητας χημικών ουσιών. 259

17 11.8. Βιβλιογραφία 1. Adams WJ. Aquatic toxicology testing methods. Ιπ :Hoffman DJ, Rattner ΒΑ, Burton GL, Cairns J, eds. Handbook of Ecotoxicology. Lewis Publs, Boca Raton, FL, 1995, pp Hoffman DJ. Wildlife toxicity testing. Ιn: ibid., 1995, pp ; Kendall RJ. Farming with agrochemicals: the response of Wildlife. Environ Sci Technol, 26: , Burton GA. Sediment toxicity testing issues and methods. Ιn: ibid., 1995, Beyer WN, Linder G. Making sense of soil ecotoxicology. Ιn: ibid., 1995, pp Klaine SJ, Lewis ΜΑ. Algal and plant toxicity testing. Ιn: ibid., 1995, pp Ηoll KD, Cairns J. Landscape indicators in ecotoxicology. Ιn : ibid., 1995, pp Melancon MJ. Bioindicators used in aquatic and terrestrial monitoring. Ιn : ibid., 1995, pp National Research Council. Testing for Effects of Chemicals οn Ecosystems. National Academy of Sciences, National Academy Press, Washington DC, Crossland NO,Heimbach F, Hill IR,Boudou Α, Leeuwangh P, Matthiessen Ρ, Persoone G. Summary and Recommendations of the European Workshop οη Freshwater Field Tests (EWOFFT), Potsdam, Germany, National Academy of Sciences. Ecological Knowledge and Environmental Problem Solving: Concepts and Case Studies. National Academy Press, Washington DC, Herricks ΕΕ, Cairns J. Biological monitoring.11l. Receiving system methodology based οn community structure. Water Res, 16: , Mayer FL, Ellersieck MR. Μanual of Acute Toxicity: Interpretation and Data Base of 410 Chemicals and 66 Species of Freshwater Animals. 260

18 Resource Publication 160, U.S. Department of Interior, U.S. Fish and Wildlife Service, Washington DC, Cairns J, Mount DI. Aquatic toxicology. Part 2 of α four-part series. Environ Sci Technol, 24 : , Karr JR. Biological integrity: α long-neglected aspect of water resource management. Ecol ΑppΙ, 1: 66-72, Plafkin JL, Barbour ΜΤ, Porter KD, Gross SK, Hughes RM. Rapid Bioassessment Protocols for Use in Streams and Rivers: Benthic Macroinvertebrates and Fish. U.S. Environmental Protection Agency, ΕΠΑ/444/ , Washington DC, Τouart LW, Slimak MW. Mesocosm approach for assessing the ecological risk of pesticides. In Voshell JR, ed. Using Mesocosms to Assess the Aquatic Ecological Risk of Pesticides: Theory and Practice. Misc. Publ. Νo 75. Entomological Society of America, Lanham, MD, 1989, pp Aquatic Effects Dialogue Group, World Wild Fund. Improving Aquatic Risk Assessment under FIFRA. Report of the AEDG, RESOLVE, Washington DC, Crossland ΝΟ, La Point TW. The design of mesocosm experiments. Environ Toxicol Chem, 11: 1-12, Levin SA. The problem of pattern and scale in ecology. Ecology, 73: , Kelly JR, Harwell ΜΑ. Indicators of ecosystem recovery. Environ Manage, 14: , Foster RB. Environmental legislation. Ιn: Rand GM, Petrocelli SR, eds. Fundamentals of Aquatic Toxicology. Hemisphere, Washington DC, 1985, pp Suter GW. Ecological Risk Assessment. Lewis Publishers, Chelsea, ΜΙ, Sheehan PJ. Effects οn community and ecosystem structure and dynamics. Ιn: Sheehan PJ, Miller DR, Butler GC, Bourdeau Ρ, eds. Effects of Pollutants at the Ecosystem Level. John Wiley & Sons, New York, 1984, pp Gillespie RB, Guttman SI. Effects of contaminants οn the frequencies of 261

19 allozymes in populations of stonerollers. Environ Toxicol Chem, 8: , Giesy JP, Allred ΡΜ. Replicability of aquatic mutlispecies test systems. Ιn: Cairns J, ed. Multispecies Toxicity Testing. Pergamon Press, Elmsford, New York, 1985, pp Hilsenhoff WL. Rapid field assessment of organic pollution with a family level biotic index. J Ν Am Bentholog Soc, 7: 65-69, Fairchild JF, La Point TW, Zajicek JL, Nelson ΜΚ, Dwyer FJ, Lovely ΡΑ. Population-, community- and ecosystem-level responses of aquatic mesocosms to pulsed doses of α pyrethroid insecticide. Envrion Toxicol Chem, 11: , Landis WG, Van der Schalie WH, eds. Aquatic Toxicology and Risk Assessment.vol 13, STP American Society of Testing and Materials, Philadelphia, ΡΑ, Kennedy JH, Johnson ΖΒ, Wise PD, Johnson PC. Model aquatic ecosystems in ecotoxicological research: considerations of design, implementation, and analysis. Ιη : Hoffman DJ, Rattner ΒΑ, Burton GL, Cairns J, eds. Handbook of Ecotoxicology. Lewis Publishers, Boca Raton, FL, 1995, pp Crow ΜΕ, Taub FB. Designing a microcosm bioassay to detect ecosystemlevel effects. Int J Environ Stud, 13: , Giesy JP, Odum ΕΡ. Microcosmology: introductory comments. Ιn : Giesy JP, ed. Microcosms in Ecological Research. Dpt of Energy Symposium Series, 52. National Technical Information Service, Springfield, VA, Voshell JR. Introduction and overview of mesocosms. Ιn: Experimental Ecosystems: Applications to Ecotoxicology. Technical Information Workshop, Virginia Polytechnic Institute and State University, Blacksburg, VA, Cairns J. Applied ecotoxicology and methodology. Ιn: Boudou Α, Ribeyre F, eds. Aquatic Ecotoxicology: Fundamental Concepts and Methodologies. CRC Press, Boca Raton, FL, 1989, pp

20 34. McConnell WJ. Relationship of herbivore growth to rate of gross photosynthesis in microcosms. Limnol Oceanogr, 10: , 1965; Copeland BJ. Evidence for regulation of community metabolism in α marine ecosystem. Ecology, 46 : , Gause GF. The Struggle for Existence. Hafner, New York (reprinted Dover, New York, 1971), ΜυΙΙα MS, Keith JO, Gunther FA. Persistence and biologic effects of parathion residues in waterfowl habitats. J Econ Entomol 59 : , Hurlbert SH, ΜυΠα MS, Keith JO, Westlake WE, Dusch ΜΕ. Biological effects and Persistence of Dursban in fresh water ponds. J Econ Entomol, 63 : 43-48, Kimball KD, Levin SA. Limitations of laboratory bioasays. The need for ecosystem-level testing. Bioscience 35 : , Aquatic Effects Dialogue Group. Improving Aquatic Risk Assessment under FIFRA. Report of the AEDG, World Wildlife Fund, Solomon ΚΡ, Liber Κ. Fate of pesticides in aquatic mesocosm studies - Αn Overview of Methodology. Proceedings of Brighton Crop Protection Conference-Pests and Diseases. Brighton, England, 1988, pp Grice GD, Reeve RR. Marine Mesocosms: Biological and Chemical Research in Experimental Ecosystems. Springer-Verlag, New York, Lalli CM, Enclosed Experimental Marine Ecosystems: Α Review and Recommendations. Springer-Verlag, New York, Heimbach F, Pflueger W, Ratte Η-Τ. Use of small arificial ponds for assessment of hazards to aquatic ecosystems. Environ Toxicol Chem, 11: 27-32, Yasuno Μ, Hanazato Τ, Iwakuna Τ, Takamura Κ, et αι. Effects of permethrin οn phytoplankton and zooplankton in an enclosure ecosystem in α pond. Hydrobiologia, 159: , Spephenson GL, Kaushik ΝΚ, Solomon KR, Day Κ. Impact of methoxychlor οn freshwater communities of plankton in limnocorrals. Environ Toxicol Chem, 5: ,

21 46. Brazner JC, Heinis LJ, Jensen DA. Α littoral enclosure for replicated field experiment. Environ Toxicol Chem, 8: , Touart LW, Slimak MW. Mesocosm approach for assessing the ecological risk of pesticides. Ιn: Voshell JR, ed. Using Mesocosms to Assess the Aquatic Ecological Risk of Pesticides: Theory and Practice. Miscellaneous Publications Νo. 75. Entomological Society of America, 1989, pp Maciorowski AF. Populations and communities: linking toxicology and ecology in α new synthesis. Environ Toxicol Chem, 7: , Franco PJ, Giddings JM, Herbes SE, Hook LA, Newbold JD, Roy WK, et al. Effects of chronic exposure to coal-derived oil on freshwater ecosystems.1. Microcosms. Environ Toxicol Chem, 3: , Wαyland Μ, Boag DA. Toxicity of carbofuran to selected macroinvertebrates in prairie ponds. Βull Environ Contam Toxicol, 45 : 74-80, Hermanutz RO, Allen ΚΝ, Roush ΤΗ, Hedtke SF. Effects of elevated selenium concentrations on bluegills (Leponis macrohirus) in outdoor experimental streams. Environ Toxicol Chem, 11: , Lay JP, Nerrmann Μ, Kotzias D, Parlar Η. Influence of chemicals upon plankton in freshwater systems, environmental pollution and its impact on life in the Mediterranean region Chemosphere, 50: , Johnson ΒΤ. Potential impact of selected agricultural chemical contaminants on a northern prairie wetland: a microcosm evaluation. Environ Toxicol Chem, 5 : , Pratt JR, Bowes NJ. Variability of community metrics: detecting changes in structure and function. Environ Toxicol Chem, 11 : , Maciorowski AF. Populations and communities: linking toxicology and ecology in α new synthesis. Environ Toxicol Chem, 7: , Dudzik Μ, Harte J, Jassby Α, Lapan Ε, Levy D, Rees J. Some considerations in design of aquatic microcosms for plankton studies. Int J Environ Stud, 13: , Taub FB. Standardized aquatic microcosms. Environ Sci Technol, 23: ,

22 58. Graney RL, Kennedy JH, Rodgers RH, eds. Simulated Field Studies in Aquatic Ecological Risk Assessment. Environ Toxicol Chem. Special Publication of the Society of Environmental Toxicology and Chemistry Dionne Μ, Folt CL. Αn experimental analysis of macrophyte growth form as fish foraging habitat. Can J Fish and Aquat Sci, 48: , Deutsch WG, Webber EC, Bayne DR, Reed CW. Effects of largemouth bass stocking rate on fish populations in aquatic mesocosms used for pesticide research. Environ Toxicol Chem, 11: 5-10, Frost ΤΜ, DeAngelis DL, Bartell SM, ΗαΙΙ DJ, Hurlbert SH. Scale in the design and interpretation of aquatic community research. In : Carpenter SR, ed. Complex Interactions in Lake Communities. Springer-Verlag, New York, 1988, pp Lehtinen Κ-J, Kierkegaard Α, Jakobsson Ε, Wandell Α. Physiological effects in fish exposed to effluents from mills with six different bleaching processes.ecotoxicol Environ Saf, 19: 33-39, Oviatt CA, Quinn JG, Maughan JT, Ellis JT, Sullivan ΒΚ, Gearing JN, et al. Fate and effects of sewage sludge in the coastal marine environment: a mesocosm experiment. Mar Ecol Prog Ser, 41: , Stay FS, Larsen DP, Katko Α, Rohm CM. Effects of atrazine οn community level responses in Taum microcosms. Ιn: Boyle ΤΡ, ed. Validation and Predictability of Laboratory Methods for Assessing the Fate of Contaminants in Aquatic Ecosystems. ASTM STP 865. American Society for Testing and Materials. Philadelphia, 1985, pp Zar JH. Biostatistical Analyses. 2nd ed, Prentice-Ηall, Englewood Cliffs, J, 1984; Liber Κ, Kaushik ΝΚ, Solomon KR, Carey JH. Experimental designs for aquatic mesocosm studies: α comparison of the "ANOVA" and "regression" design for assessing the impact of tetrachlorophenol on zooplankton populations in limnocorrals. Environ Toxicol Chem, 11: 61-68,