Biosecurity of agroecosystems under technogenic and environmental risks

Abstract

The study aimed to establish the relationship between technogenic and environmental factors affecting the biosecurity of agroecosystems in Ukraine, with the development of adaptive monitoring and risk mitigation strategies through the integration of digital technologies. The research methodology was based on an interdisciplinary approach combining ecotoxicological analysis, biogeochemical modelling, and spatiotemporal assessment of anthropogenic impacts using geographic information systems, satellite observation, and algorithmic risk prediction based on Artificial Intelligence and big data analytics. The application of machine learning methods, spectral pollution analysis, and multi-level agroecosystem mapping revealed hidden patterns of agri-landscape degradation, assessed their ecological resilience, and formulated adaptive approaches to environmental management to reduce biological risks. The findings indicated an elevated chemical load on Ukrainian agroecosystems, manifested in exceedances of maximum permissible concentrations for ammonia (20–28 μg/m³ in air), nitrogen oxides (over 35 μg/m³), nitrates (over 50 mg/L in water), and pesticides (up to 0.05 mg/L). Humus content in chernozems decreased to 1.2–1.5%, accompanied by soil degradation. A correlational link was established between increased technogenic pressure and higher prevalence of oncological diseases, cardiovascular and respiratory pathologies, as well as reduced life expectancy (by 7–10 years) in highly polluted regions. Negative demographic trends were recorded, including rising child mortality, declining fertility, and increased environmentally driven migration. The results confirm the efficacy of digital technologies in enhancing the quality of monitoring, diagnostics, and risk management in agroecosystems undergoing transformational anthropogenic pressures.

Метою дослідження було встановлення зв'язку між техногенними та екологічними факторами, що впливають на біобезпеку агроекосистем в Україні, з розробкою адаптивного моніторингу та стратегій зменшення ризиків шляхом інтеграції цифрових технологій. Методологія дослідження базувалася на міждисциплінарному підході, що поєднує екотоксикологічний аналіз, біогеохімічне моделювання та просторово-часову оцінку антропогенного впливу з використанням геоінформаційних систем, супутникового спостереження та алгоритмічного прогнозування ризиків на основі штучного інтелекту та аналітики великих даних. Застосування методів машинного навчання, спектрального аналізу забруднення та багаторівневого картографування агроекосистем виявило приховані закономірності деградації агроландшафтів, оцінило їхню екологічну стійкість та сформулювало адаптивні підходи до управління навколишнім середовищем для зниження біологічних ризиків. Результати дослідження вказали на підвищене хімічне навантаження на українські агроекосистеми, що проявляється у перевищенні гранично допустимих концентрацій аміаку (20–28 мкг/м3 у повітрі), оксидів азоту (понад 35 мкг/м3), нітратів (понад 50 мг/л у воді) та пестицидів (до 0,05 мг/л). Вміст гумусу в чорноземах знизився до 1,2–1,5 %, що супроводжувалося деградацією ґрунту. Встановлено кореляційний зв'язок між підвищеним техногенним тиском та вищою поширеністю онкологічних захворювань, серцево-судинних та респіраторних патологій, а також скороченням тривалості життя (на 7–10 років) у регіонах із високим рівнем забруднення. Зафіксовано негативні демографічні тенденції, включаючи зростання дитячої смертності, зниження народжуваності та збільшення екологічно зумовленої міграції. Результати підтверджують ефективність цифрових технологій у підвищенні якості моніторингу, діагностики та управління ризиками в агроекосистемах, що зазнають трансформаційного антропогенного тиску.