Понятие эксэргии и её применение в оценке состояния

Понятие эксэргии и её применение в оценке состояния экосистем Е. А. Зилов, 2007 1

Эксэргия n n 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 n Эксэргия определяется как разрыв между текущим состоянием системы и её состоянием в термодинамическом равновесии (гомеостазом) с окружающей средой. Е. А. Зилов, 2007 3

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 n n Эксэргия рассчитывается по формуле [Mejer , Jørgensen, 1978] : Из которой выводится рабочая формула [Jørgensen, 1994, 1995, 1997, 1998, 2004] : Е. А. Зилов, 2007 6

Структурная эксэргия n 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]. Е. А. Зилов, 2007 7

Динамика отклонений (мкг л– 1) величины эксэргии в летне–осенний период при моделировании токсификации и эвтрофирования на точечной модели. Е. А. Зилов, 2007 8

Динамика отклонений (мкг л– 1) величины эксэргии в подледный период при моделировании токсификации и эвтрофирования на точечной модели Е. А. Зилов, 2007 9

Поведение эксэргии в реальных экосистемах Е. А. Зилов, 2007 10

n 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 м 3 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 6 25 20000 20 4 15 10000 4 105 10 2 5 0 0 Контроль 0. 5 0 1. 0 Контроль В B 80000 160 Ex 140 Ex/B 60000 120 100 40000 80 60 20000 40 20 0 0 1 10 10000 Эксперимент 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 n. M Кепон по [Perez et al. , 1991], В – Бифентрин по [Drenner et 12 al. , Е. А. Зилов, 2007 1993]

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

Изменения эксэргии в лабораторных экспериментах n 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 10 25 мг л– 1 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 Е. А. Зилов, 2007 16

– 1) Сульфат натрия (10 мг л Летний сезон В, Ех, г м -3 6 25 150 7 30 5 20 100 15 6 4 2 1 0 Контроль 8 3 5 0 10 4 10 50 12 Ех/В 35 200 8 В, Ех, г м-3 40 Ех/В 250 Подледный сезон 0 Эксперимент 2 0 Контроль Е. А. Зилов, 2007 Эксперимент 17

– 1) Пептон (10 мг л Подледный сезон Летний сезон 1000 25 60 14 50 10 10 12 40 10 8 30 6 20 5 1 0 Контроль 4 10 2 0 Эксперимент 0 Контроль Е. А. Зилов, 2007 Эксперимент 18 Ех/В 15 В, Ех, г м-3 100 Ех/В В, Ех, г м -3 20

– 1 и 0, 01 мг Р л– 1 0, 1 мг N л Летний сезон Подледный сезон 45 4 20 180 40 3, 5 18 160 35 3 120 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 Контроль 4 Контроль Эксперимент Е. А. Зилов, 2007 Эксперимент 19 Ех/В 30 Ех/В В, Ех, г м-3 140 В, Ех, г м-3 200

Дизельное топливо (2, 5 – 1) мг л Подледный сезон Летний сезон 120 40 60 35 100 25 50 20 25 60 20 15 40 40 15 Ех/В 80 Ех/В В, Ех, г м-3 30 30 10 20 5 0 0 Контроль 5 10 0 Эксперимент 0 Контроль Е. А. Зилов, 2007 Эксперимент 20

– 1) Пирокатехин (0, 5 мг л Подледный сезон Летний сезон 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 Контроль Е. А. Зилов, 2007 Эксперимент 21 Ех/В 8 В, Ех, г м-3 18 45 1000 9 Ех/В 50 10000

– 1) Хлорид кадмия (10 мкг л Подледный сезон Летний сезон 40 14 8 35 12 15 10 6 8 6 4 2 20 В, Ех, г м 4 10 10 -3 25 Ех/В 5 0 1 Контроль 2 0 0 В, Ех, г м-3 30 Контроль Эксперимент Е. А. Зилов, 2007 Эксперимент 22 Ех/В 100

Преимущества эксэргии по сравнению с другими индексами здоровья экосистем 1) её расчет относительно прост, n n 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]: u u 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 Е. А. Зилов, 2007 24

На глубинах 50– 70 м Ил Заиленный песок 1600 700 25 1400 1200 20 1000 15 800 600 10 В, Ех, г м -2 600 Ех/В В, Ех, г м -2 800 30 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 1000 1500 20 1000 15 15 600 10 200 0 БЦБК 400 5 0 20 800 10 500 25 0 БЦБК Фон Е. А. Зилов, 2007 Фон 26 Ех/В 25 В, Ех, г м-2 1200 В, Ех, г м-2 30 2000 1400 Ех/В 35 2500

На глубинах 0– 20 м Заиленный песок Ил 35 30 2000 3000 2500 20 1000 15 10 500 В, Ех, г м-2 1500 Ех/В В, Ех, г м-2 25 15 1500 10 1000 5 500 0 БЦБК 20 2000 5 0 25 0 Фон 0 БЦБК Е. А. Зилов, 2007 Фон 27 Ех/В 2500