Equidosimetric approach in ecology and tools for its implementation

S. V. Mamikhin; Mamikhin S. V.; W. Qiu; Qiu W.; D. N. Lipatov; Lipatov D. N.; D. V. Manakhov; Manakhov D. V.; T. A. Paramonova; Paramonova T. A.; V. V. Stolbova; Stolbova V. V.; A. I. Shcheglov; Shcheglov A. I.

doi:10.18822/edgcc698394

Equidosimetric approach in ecology and tools for its implementation

Authors: Mamikhin S.V.¹, Qiu W.¹, Lipatov D.N.¹, Manakhov D.V.¹, Paramonova T.A.¹, Stolbova V.V.¹, Shcheglov A.I.¹
Affiliations:
1. Московский государственный университет им. Ломоносова
Issue: Vol 16, No 4 (2025)
Pages: 144-151
Section: Theoretical works
Published: 17.12.2025
URL: https://edgccjournal.org/EDGCC/article/view/698394
DOI: https://doi.org/10.18822/edgcc698394
ID: 698394

Cite item

Full Text

Abstract
Full Text
About the authors
References
Supplementary files
Statistics

Abstract

The article discusses the problem of combined anthropogenic environmental pollution and the possibility of a formalized representation of the impact of factors on biota. The application of the equidosimetric approach in ecology is considered as one of the options for assessing the danger of anthropogenic influence on the biosphere in conditions of insufficient knowledge about the features of the combined effects of factors. The implementation of the equidosimetric approach in the comparative analysis of the impact of various factors on ecosystems was clearly presented by G.G. Polikarpov in the form of a radio-ecological, as the author called it, conceptual model. The article presents a modified and supplemented modern version of the model, which is designed to compare and assess the impact of various anthropogenic factors not only on ecosystems, as it was in the original version, but also on any single living organism or their combination. As a digital tool for implementing the equidosimetric approach, it is proposed to create a network resource containing the necessary quantitative information. The information system “Factorial Ecology” is being developed at the Department of Radioecology and Ecotoxicology of the Faculty of Soil Science of Lomonosov Moscow State University, which includes a corresponding database “MonoData”. To date, the database has been created and is being actively updated, containing quantitative characteristics of the effects of factors on individual organisms or their communities. These can be numerical indicators, for example, LD50, LC50 or mathematical equations of the “dose – effect” type. Data is searched using paper and digital literary sources and online resources using various search engines and chatbots. The database includes the following fields: The object of influence; Habitat; The influence factor; The characteristic (parameter) of the object according to which the impact of the factor is being assessed; Quantitative assessment of the impact: An indicator or equation of the “dose – effect” type); Comment; The source of the information and the first and last name of the person responsible for the calculations, if they have been performed. The database “MonoData” is part of the Factorial Ecology information system we are developing and is designed to identify the most dangerous man-made factors affecting the environment, as well as identify the most vulnerable specific organisms, ecosystem components and ecosystems as a whole. The database is pre-arranged in the form of a spreadsheet, as the most convenient form for further creation of a network resource. The necessary calculations are performed using the specialized statistical software package “Stadia” and the R language. Currently, the number of entries in the MonoData database exceeds 500.

It is assumed that the information system will be open (freeware), and the system will also be implemented in English and Chinese. As the experience of creating and operating international environmental systems, such as the well-known radioecological information system ERICA (Environmental Risk from Ionising Pollutants: Assessment and Management), has shown, this contributes to the popularization of the resource and its further development.

The equidosimetric approach can also be used in the construction of dynamic simulation models. In this case, it will be necessary to monitor the dynamics of man-made pollution indicators, for example, the concentration of ecotoxicants, and, if necessary, change priorities and take into account the dominance of certain impact factors. The initial information for such calculations can be obtained by using the MonoData database we are creating. This database can also be useful for calculating risks with a known type of interaction of factors among themselves, for example, when summing effects.

Keywords

factorial ecology, equidosimetry, database

Full Text

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время биота нашей планеты подвергается все более массированному комбинированному воздействию разнообразных химических и физических антропогенных факторов. Это выдвигает особые требования к исследованиям в области факториальной экологии, связанным с изучением последствий техногенного загрязнения окружающей среды.

Используемые подходы к оценке комбинированного воздействия техногенных загрязнений на биоту определяются в первую очередь наличием необходимой количественной информации, в том числе математических уравнений, описывающих зависимость характеристик объекта от факторов влияния. Для экосистем эти характеристики – их экологическое состояние, для живых организмов – индивидуальные или коллективные жизненные показатели, например биомасса отдельной особи или численность популяции. При этом следует учитывать дополнительные аспекты данной проблемы, особенно специфичность воздействия факторов на объект и их возможное взаимодействие между собой, которые также необходимо будет охарактеризовать количественно.

Если воздействие факторов в графическом виде имеет линейный характер, то можно использовать метод множественного регрессионного анализа для получения уравнений зависимости интересующих нас эффектов от этих факторов. В том случае, когда характер воздействия иной, то для оценки и прогнозирования последствий наиболее эффективным методом будет имитационное моделирование. Это позволит использовать практически любые уравнения функций отклика и даже учитывать взаимодействие факторов влияния между собой [Mamikhin, 2023; Mamikhin et al, 2023]. Помимо этого, мы получаем возможность учитывать динамику состояния объекта и динамику воздействия разных факторов, что будет способствовать более адекватной итоговой оценке последствий воздействия. Однако следует отметить, что при комбинированном загрязнении может наблюдаться взаимодействие факторов, например наличие синергетического или антагонистического эффекта. Это чрезвычайно усложняет построение адекватной модели при трех и более факторах влияния. К тому же данный тип математического моделирования требует исчерпывающей исходной информации.

Что же делать в случае недостаточности информации – можно попытаться выявить доминирующий фактор и оценивать потенциальный ущерб биоте, исходя из уровня именно его воздействия. Сравнивать силу воздействия разных факторов можно используя так называемый «эквидозиметрический» подход. В свое время в ходе радиобиологических исследований было показано, что один и тот же результат облучения живого организма или его компонентов может наблюдаться при различных поглощенных дозах в том случае, когда на объект облучения воздействуют ионизирующие излучения различной природы. Этот феномен стал предметом интереса одного из разделов дозиметрии – эквидозиметрии [Keirim-Marcus, 1980]. В последнее время эквидозиметрический подход все чаще используется не только в радиобиологии, но и в экологии. Это позволяет сопоставлять силу воздействия факторов на живые организмы, их сообщества и экосистемы в целом, выделять наиболее значимые из них в каждой конкретной ситуации и на этой основе проводить оценку и прогноз последствий техногенного воздействия.

О таком подходе в экологии речь идет уже достаточно давно, он уже обсуждается на международном уровне. Так, например, в 2002 году проводилась международная встреча, специально посвященная вопросам применения принципов эквидозиметрии в экологии [Proceedings …, 2002].

До определенного момента обсуждение применимости эквидозиметрического подхода в экологии носило чисто умозрительный характер, но по мере накопления количественной информации оно приобретало все более конкретный характер. Так, в 2002 году были опубликованы материалы, которые могут быть примером по практическому применению эквидозиметрического подхода к оценке комбинированного радиационного и химического воздействия на природные популяции водных организмов [Tsytsugina, 2002;Tsytsugina V., 2005]. В частности, приводились данные по воздействию ионизирующего излучения и химических мутагенов (тяжелых металлов и хлорорганических соединений) на эмбрионы ракообразных и рыб. Для идентификации и эквидозиметрической оценки повреждающих факторов предлагалось использовать сравнение цитогенетических эффектов в эквивалентных мутагену дозах, распределение хромосомных аберраций в клетках и количество аберраций на аберрантную клетку.

Следует упомянуть здесь и другие работы, посвященные развитию этого направления и имеющие более предметный характер, которые появились в конце прошлого – начале нынешнего века [Fuma S. et al., 1998; Polikarpov, 2000; Tereshchenko, Vladimirov, 2005; Tereshchenko et al., 2014].

В теоретическом отношении наиболее активно в этом направлении в свое время работал Г.Г. Поликарпов со своими коллегами. Реализация эквидозиметрического подхода при сравнительном анализе воздействия разных факторов на экосистемы наглядно была представлена Г.Г. Поликарповым в виде радиохемоэкологической, как ее назвал автор, концептуальной модели [Поликарпов, 2000]. По замыслу автора модель была призвана сопоставить степень поражения морской экосистемы при воздействии ядерных и неядерных загрязнителей.

Для того чтобы сформировать более продвинутый, по сравнению с этой моделью, инструментарий, необходимо создать информационную базу данных, включающую в себя формализованные зависимости характеристик экосистемы и отдельных представителей биоты или их сообществ от техногенных факторов воздействия, в первую очередь ионизирующего излучения, тяжелых металлов, гербицидов, пестицидов и других техногенных загрязнителей. Именно с этой целью нами создана и активно пополняется база данных «MonoData», в которой содержатся количественные характеристики воздействия ионизирующего излучения и экотоксикантов на отдельные организмы или их сообщества.

ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ

Практическое применение эквидозиметрического метода при комбинированном воздействии нескольких техногенных факторов на объект (живой организм, сообщество, экосистему) на первом этапе осуществляется путем поиска в электронной таблице, содержащей базу данных «MonoData», необходимых зависимостей, относящихся к данному объекту, расчета эффектов воздействия факторов и сравнения их между собой. При реализации информационной системы в виде сетевого ресурса предполагается эту операцию автоматизировать.

Поиск данных для расчетов и заполнения базы данных ведется по бумажным и цифровым литературным источникам и сетевым ресурсам с помощью различных поисковых систем (поисковиков, встроенных в браузеры, в первую очередь «Яндекс» (преимущественно для русскоязычной литературы) и Google (преимущественно для англоязычной литературы), информационной системы «eLibrary», чат-ботов «Алиса» и «DeepSeek». Необходимые расчеты, а именно поиск регрессионных зависимостей, выполняются с помощью специализированного статистического программного пакета «Stadia» и языка R как наиболее доступного нам на данный момент программного обеспечения с набором необходимых для расчетов методов, в первую очередь метода регрессионного анализа. При расширении числа участников проекта возможно применение любых других статистических пакетов, которые будут в их распоряжении. Для оценки соответствия полученных уравнений регрессионных моделей реальным данным рассчитывается коэффициент детерминации, который приводится в базе данных.

РЕЗУЛЬТАТЫ

На рис. 1 представлена модифицированная и дополненная нами версия модели Поликарпова, которая предназначена для сопоставления и оценки воздействия различных техногенных факторов не только на экосистемы, как это было в первоначальном варианте, но и на любой единичный живой организм или их совокупность. Для экосистем – это так называемые зоны поражения экосистем (Y) в трактовке Г.Г. Поликарпова (I – уменьшение численности, II – уменьшение видов, III – обеднение, IV – деградация), для живых организмов – индивидуальные или коллективные жизненные показатели (Z), например биомасса отдельной особи или численность популяции.

Рис. 1. Модифицированная версия радиохемоэкологической концептуальной модели Поликарпова.

Fig. 1. A modified version of Polikarpov's radiochemoecological conceptual model.

Мы также дополнили модель подрисуночной таблицей. При использовании модели в таком варианте ячейки таблицы заполняются соответствующими значениями факторов F1, …, Fn, воздействующих на объект, причем уравнения функций зависимости переменных Y и Z от Fi могут быть разнообразными – линейными, экспоненциальными, параболическими, сигмоидальными, кусочными и т.д.

Отметим еще раз, что модель Поликарпова даже в модифицированном виде – это скорее наглядная форма представления применения эквидозиметрического подхода в экологии. В настоящее время актуально обращение к более продвинутому инструментарию – информационно-прогностическим системам, включающим в себя базы данных формализованных зависимостей характеристик экосистемы и отдельных представителей биоты или их сообществ от факторов воздействия. Отсутствие таких систем в открытом доступе является препятствием к реализации эквидозиметрического подхода в экологии. Над созданием такой системы мы работаем в настоящее время. Нами создана информационная система «Факториальная экология» (Рис. 2, 3), в которой представлена количественная информация о биологических эффектах у различных представителей биоты, обитающих в среде, подвергшейся негативному антропогенному воздействию, и начат процесс заполнения ее соответствующей информацией. Попытки создать нечто похожее уже предпринимались в нашей стране: в частности, в свое время была разработана база данных АРДЭКС, предназначенная для работы с информацией по вопросам миграции радионуклидов и тяжелых металлов и по действию ионизирующих излучений на растения, животных и микробиоценозы [Володин и др., 2018]. К сожалению, эта работа не получила должного развития и популяризации. Мы надеемся, что наши усилия в этой области будут более востребованными.

Рис. 2. Стартовая страница автономной версии информационной системы «Факториальная экология» версии 1.0.

Fig. 2. The home page of the autonomous version of the information system “Factorial Ecology” version 1.0.

Рис. 3. Форма выдачи информации по воздействию факторов на биоту в информационной системе «Факториальная экология» версии 1.0.

Fig. 3. The form of issuing information on the effects of factors on biota in the information system “Factorial Ecology” version 1.0.

База данных «MonoData», содержащая востребованную при использовании эквидозиметрического подхода информацию по воздействию одиночных факторов, включает в себя следующие поля:

объект воздействия;
среда обитания;
фактор влияния;
характеристика (параметр) объекта, по которой идет оценка воздействия фактора;
количественная оценка воздействия: показатель или уравнение зависимости типа «доза – эффект);
комментарий;
источник информации и ФИО ответственного за расчеты, если они были выполнены.

Предполагается, что информационная система будет открытой (freeware), а реализация системы будет осуществлена также на английском и китайском языках. Как показал опыт создания и эксплуатации международных экологических систем, например известной радиоэкологической ИС «ERICA» (Environmental Risk from Ionising Contaminants: Assessment and Management), это способствует популяризации ресурса и его дальнейшему развитию.

Информация для заполнения берется из открытых литературных источников, при необходимости для получения уравнений проводятся дополнительные расчеты с использованием статистических программ. В настоящее время число записей в базе данных «MonoData» превышает 500.

ОБСУЖДЕНИЕ

На основании приведенного выше мы приходим к следующему. При комбинированном техногенном загрязнении и недостатке количественной информации, необходимой для построения имитационных моделей, можно воспользоваться подходом, который применяется в радиобиологии для учета «качества» излучений разной природы путем приведения их к единому знаменателю эффектов. Напомним, что для этого было предложено понятие относительной биологической эффективности излучения (ОБЭ) и коэффициент ОБЭ, равный отношению поглощенной дозы образцового излучения к поглощенной дозе данного вида излучения, приводящей к тем же биологическим эффектам. Аналогично в экологии можно выбрать некий базовый фактор и сравнивать результат воздействия других факторов с эффектом его воздействия.

Такой подход в экологии получил название эквидозиметрический. Он может использоваться при отсутствии количественной информации о комбинированном воздействии и достаточного знания о закономерностях такого воздействия факторов на биоту при техногенном загрязнении окружающей среды. Воздействие факторов в этом случае описывается математическими уравнениями типа «доза – эффект» для каждого фактора в отдельности. В качестве единицы экологической опасности уже встречается использование так называемого экологического Гр/эквивалента (с размерностью, например, Гр/(мкмоль экотоксиканта/л) [Tereshchenko et al., 2014].

Надо иметь в виду, что и при эквидозиметрическом подходе есть неопределенности, которые обусловлены разнообразием среды обитания даже близкородственных представителей биоты. Это может быть причиной их неодинаковой чувствительности к одним и тем же факторам влияния. Так, например, биота почвы является чрезвычайно уязвимой в случае техногенного загрязнения. Почва аккумулирует в опасных количествах и концентрациях экотоксиканты, а использование организмами ее как среды обитания предполагает тесный контакт с тканями обитающих в ней представителей биоты. С другой стороны, почва как биокосное образование экранирует источники излучения и препятствует быстрому распространению загрязнений в силу своих свойств. Это обуславливает специфику воздействия факторов на биоту почвы.

Эквидозиметрический подход в принципе можно использовать и при построении динамических имитационных моделей. Правда, в этом случае придется отслеживать динамику показателей техногенного загрязнения, например концентрацию экотоксикантов, и при необходимости менять приоритеты, учитывать доминирование тех или других факторов воздействия. Исходную информацию для таких вычислений можно будет получить, привлекая создаваемую нами базу данных «MonoData». Эта база также может быть полезна для расчетов рисков при известном типе взаимодействия факторов между собой, например при суммировании эффектов.

Важным моментом в формировании базы данных является поиск целевой информации. Наш опыт показывает, что прямой информации по воздействию негативных факторов на биоту, достаточной для формализации зависимостей, очень мало, несмотря на большой интерес к проблеме техногенного загрязнения окружающей среды. Публикаций с уже найденными математическими уравнениями типа «доза – эффект» крайне мало. Объем данных, полученных в экспериментах, которые приводятся в источниках, зачастую недостаточен для получения достоверных регрессионных уравнений.

Поиск информации в Сети весьма затруднен. Нами был разработан набор ключевых слов для осуществления поиска. Следует избегать общих названий типа «тяжелый металл», «радионуклид», «пестицид» и т.д., это малопродуктивно. Основное правило – конкретизация тегов с прямым указанием экотоксиканта или вида воздействия, например «Свинец» или «Pb», «ионизирующее излучение», «гамма-изучение», название гербицида или пестицида и т.д. При использовании для поиска чат-ботов следует проверять источники, на которые даются ссылки. Отмечались случаи отсылки к непрофильным публикациям. Использование штатных поисковых программ оказалось более эффективным.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Эквидозиметрический подход в экологии при комбинированном техногенном загрязнении и недостатке информации о взаимодействии неблагоприятных факторов при воздействии на биоту может помочь в выделении и оценке последствий влияния наиболее опасных из них.

На кафедре радиоэкологии и экотоксикологии факультета почвоведения МГУ им. М.В. Ломоносова разрабатывается информационная система «Факториальная экология». Информационная система в автономном виде существует в виде приложения системы управления базами данных Access. Предполагается реализация ее компонентов (баз данных) или системы целиком в виде пополняемого сетевого информационного ресурса свободного доступа. Базы данных, предназначенные для включения в состав системы, предварительно оформляются в виде электронных таблиц – наиболее удобной формы для дальнейшего создания ресурса.

Созданная нами база данных «MonoData», которая входит в состав этой информационной системы, предназначена для того, чтобы, используя эквидозиметрический подход, оценивать экологические риски при комбинированном загрязнении, выделять наиболее опасные техногенные факторы, воздействующие на окружающую среду, а также определять наиболее уязвимые конкретные организмы, компоненты экосистем и экосистемы в целом.

Одним из дополнительных применений базы данных может быть использование ее в качестве источника информации при идентификации функций и их параметров в математических моделях прогнозирования антропогенного воздействия на биоту, экосистемы и их компоненты. В зависимости от наличия необходимых количественных закономерностей возможно использование в моделях подобного типа как прямых математических уравнений, отражающих сочетанное воздействие, так и рассмотренного в данной статье эквидозиметрического подхода с выделением наиболее опасных факторов.

БЛАГОДАРНОСТИ

Исследование проводилось в рамках НИОКТР № АААА-А21-121012290189-8, выполняемой по государственному заданию.