Понятие эксэргии и её применение в оценке состояния экосистем

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