Понятие эксэргии и её применение в оценке состояния экосистем Е. А. Зилов, 2007 1 Эксэргия эксэргия (от греч. ek, ех - приставка, означающая высокую степень, и ergon - работа), максимальная работа, которую может совершить термодинамичесская система при переходе из данного состояния в состояние равновесия с окружающей средой. Эксэргия иногда называется работоспособностью системы. (Большой Российский энциклопедический словарь) Е. А. Зилов, 2007 2 Эксэргия Эксэргия определяется как разрыв между текущим состоянием системы и её состоянием в термодинамическом равновесии (гомеостазом) с окружающей средой. Е. А. Зилов, 2007 3 Эксэргия Эксэргия – мера отклонения экосистемы от равновесного состояния. Она указывает на количество работы, затраченной на создание данной системы из первичных компонентов (в случае экосистемы – из первичного органического «бульона»), и информации, использованной при этом. Е. А. Зилов, 2007 4 Кафедральный собор Многоклеточный организм Дом Эукариот Кирпичи, сложенные в куб Прокариот Кирпичи Вирус Глина Биомакромолекулы Молекулы глины “Первичный бульон” Е. А. Зилов, 2007 5 Эксэргия Эксэргия рассчитывается по формуле [Mejer , Jørgensen, 1978] : Ex RT [ci ln( ci / ci, eq ) (ci ci, eq )] Из которой выводится рабочая формула [Jørgensen, 1994, 1995, 1997, 1998, 2004] : N Ex / RT ci f i Ex RT [ci ln( ci / ci, eq ) (ci ci, eq )] i 1 Е. А. Зилов, 2007 6 Структурная эксэргия Эксэргия, отнесенная к общей биомассе (структурная эксэргия), отражает способность экосистемы усваивать поток энергии извне, служа, одновременно, индикатором степени развития экосистемы, её сложности и уровня эволюционного развития организмов, из которых она состоит [Jørgensen, 1997, 1999]. Ex RT [ci ln( ci / ci, eq ) (ci ci, eq )] Е. А. Зилов, 2007 7 Динамика отклонений (мкг л–1) величины эксэргии в летне–осенний период при моделировании токсификации и эвтрофирования на точечной модели. А 300 250 200 150 100 50 0 -50 0 10 20 30Е. А. Зилов, 40 2007 50 60 70 8 Динамика отклонений (мкг л–1) величины эксэргии в подледный период при моделировании токсификации и эвтрофирования на точечной модели В 600 400 200 0 -200 -400 -600 -800 0 10 20 30 40 2007 Е. А. Зилов, 50 60 70 9 Поведение эксэргии в реальных экосистемах Е. А. Зилов, 2007 10 Было прослежено поведение эксэргии в реальных модельных экосистемах – микро–, мезокосмах, экспериментальных прудах. В общей сложности рассмотрены результаты 50 экспериментальных исследований по, примерно, 300 литературным источникам. Был выполнен расчет изменений эксэргии и структурной эксэргии для работ, выполненных на 28 пресноводных и 22 морских экосистемах, 21 олиго–, 14 мезо– и 15 эвтрофных водоемах. Объемы экспериментальных систем варьировали от 1300 м3 до 3,8 л, продолжительность экспериментов – от 4 сут. до 16 мес. В большинстве случаев количество повторностей составляло 2–3, варьируя от 1 до 6. Е. А. Зилов, 2007 11 Б A 50 16 105 12 45 40000 40 10 12 105 35 30000 8 30 8 105 25 6 20000 20 4 4 15 10000 105 10 2 5 0 0 Контроль 0.5 0 0 Контроль 1.0 Эксперимент В B 80000 160 Ex 140 Ex/B 60000 120 100 40000 80 60 20000 40 20 0 0 1 10 100 1000 10000 Воздействие пестицидов на биомассу, эксэргию (мг м–3, левая шкала) и структурную эксэргию (правая шкала). A – диметиламиновая соль 2,4 – дихлорофеноксиуксусной кислоты, мг л–1 по [Boyle, 1980], Б – 20 nM Кепон по [Perez et al., 1991], В – Бифентрин по [Drenner al., 2007 1993] Е. А.et Зилов, 12 A B 120 7000 70 100 6000 60 5000 50 4000 40 3000 30 2000 20 1000 10 45000 40000 35000 -3 -3 80 60 20000 40 15000 10000 20 5000 0 0 4,5 5,5 7 В, Ех мг м 25000 Ех/В В, Ех мг м 30000 0 8 0 4,7 pH 12000 90 80 70 8000 60 50 6000 40 4000 30 20 2000 10 0 0 6,5 pH 8,5 Ех/В В, Ех, мг м -3 10000 5,5 5,5 5,9 6,3 pH C 4,5 5,1 Воздействие закисления на биомассу, эксэргию (левая шкала) и структурную эксэргию (правая шкала) озерного планктона. A – по Havens, De Costa [1987], B – по Barmuta et al. [1990], C – по Havens [1992] Е. А. Зилов, 2007 13 Ех/В 50000 Изменения эксэргии в лабораторных экспериментах Был проведен ряд экспериментов с лабораторными микрокосмами, содержавшими Daphnia magna и Chlorella vulgaris. Полученные результаты, демонстрируют снижение структурной эксэргии, пропорциональное стартовым концентрациям токсикантов. Примечательно, что биомасса модельного сообщества и его эксэргия далеко не так однозначно реагируют на стресс. Е. А. Зилов, 2007 14 Фенол Хлорид кобальта 30 12 гл 8 –1 20 4 Ех 0 0 К 10 мг л–1 Ех/В гл –1 В 25 мг л–1 10 Ех/В Ех 0 0 Сульфат меди 40 30 гл –1 20 10 Ех/В Ех 0 0 К 0,10 мг л–1 В 0,20 мг л–1 К В 0,05 мг л–1 0,10 мг л–1 Биомасса – В (г л–1), эксэргия – Ех, и структурная эксэргия – Ех/В в микрокосмах при добавлении токсикантов (исходные и после недельной экспозиции). 0 – исходное состояние, К – контроль. Е. А. Зилов, 2007 15 Динамика эксэргии в экспериментах с мезокосмами на оз. Байкал Сульфат натрия (10 мг л–1) 150 8 35 7 30 6 25 5 20 100 15 50 0 Контроль В, Ех, г м-3 В, Ех, г м -3 200 40 Ех/В 250 Подледный сезон 12 10 8 4 6 3 10 2 5 1 0 0 Эксперимент 4 2 0 Контроль Е. А. Зилов, 2007 Ех/В Летний сезон Эксперимент 17 Пептон (10 мг л–1) Подледный сезон Летний сезон 1000 25 60 14 50 Ех/В 10 10 12 40 10 8 30 6 20 4 5 1 0 Контроль 10 2 0 Эксперимент 0 Контроль Е. А. Зилов, 2007 Эксперимент 18 Ех/В 15 В, Ех, г м -3 100 В, Ех, г м -3 20 0,1 мг N л–1 и 0,01 мг Р л–1 Летний сезон 45 4 20 180 40 3,5 18 160 35 3 25 100 20 80 15 60 16 14 2,5 12 2 10 1,5 8 6 40 10 1 20 5 0,5 2 0 0 0 0 Контроль 4 Контроль Эксперимент Е. А. Зилов, 2007 Эксперимент 19 Ех/В 120 Ех/В 30 В, Ех, г м-3 200 140 В, Ех, г м-3 Подледный сезон Дизельное топливо (2,5 мг л–1) Летний сезон 40 60 35 100 25 50 20 80 25 60 20 15 40 Ех/В -3 В, Ех, г м В, Ех, г м-3 30 40 15 30 10 20 10 20 5 0 0 Контроль 5 10 0 Эксперимент 0 Контроль Е. А. Зилов, 2007 Эксперимент 20 Ех/В 120 Подледный сезон Пирокатехин (0,5 мг л–1) 9 18 45 8 16 40 7 14 35 6 12 5 10 4 8 3 6 10 2 4 5 1 2 0 0 0 30 100 25 20 15 10 1 Контроль Эксперимент В, Ех, г м-3 В, Ех, г м-3 1000 50 Ех/В 10000 Контроль Е. А. Зилов, 2007 Эксперимент 21 Ех/В Подледный сезон Летний сезон Хлорид кадмия (10 мкг л–1) Подледный сезон 40 14 35 6 12 20 15 10 1 Контроль 6 4 5 2 0 0 0 10 8 2 25 В, Ех, г м 4 -3 10 Ех/В В, Ех, г м-3 30 Контроль Эксперимент Е. А. Зилов, 2007 Эксперимент 22 Ех/В 100 8 Летний сезон Преимущества эксэргии по сравнению с другими индексами здоровья экосистем 1) её расчет относительно прост, 2) для его осуществления вполне достаточно данных, снимаемых в ходе обычного мониторинга, 3) она имеет глубокое теоретическое обоснование в термодинамике и теории информации 4) полностью соответствует критериям индекса здоровья экосистемы, который должен [Schaeffer et al., 1988]: не зависеть от состояния отдельных видов; иметь числовое, желательно лишенное размерности, выражение; быть приложим к экосистемам разного иерархического уровня организации; быть определяем по минимальному числу наблюдений. Е. А. Зилов, 2007 23 Показатели состояния сообщества бентоса в районе сброса очищенных сточных вод БЦБК и в фоновом районе для разных глубин На глубинах 50–70 м Ил Заиленный песок 800 30 1600 700 25 1200 20 1000 15 800 600 10 В, Ех, г м-2 600 Ех/В В, Ех, г м-2 1400 14 B Ex Ex/B 12 10 500 8 400 6 300 4 200 400 5 200 0 0 БЦБК 100 2 0 0 БЦБК Фон Е. А. Зилов, 2007 Фон 25 Ех/В 1800 На глубинах 20–50 м Ил Заиленный песок 35 1400 30 1200 25 1000 25 20 20 1000 15 В, Ех, г м-2 1500 Ех/В В, Ех, г м-2 2000 800 15 600 10 10 400 5 200 0 0 5 500 0 БЦБК 0 БЦБК Фон Е. А. Зилов, 2007 Фон 26 Ех/В 2500 На глубинах 0–20 м Заиленный песок Ил 35 3000 30 2500 2000 20 1000 15 10 500 0 БЦБК В, Ех, г м-2 1500 Ех/В В, Ех, г м-2 25 25 20 2000 15 1500 10 1000 5 500 0 0 Фон 5 0 БЦБК Е. А. Зилов, 2007 Фон 27 Ех/В 2500