Наземные. Определение биологический мониторинг (биомониторинг)

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ и науки РФ

Федеральное государственное образовательное автономное учреждение

высшего образования

«Южный федеральный УНИВЕРСИТЕТ»

Академия биологии и биотехнологии

Биологический мониторинг и биоиндикация

Учебное пособие

для студентов биоэкологов

Ростов-на-Дону

Пособие разработано по программе и утверждена на заседании кафедры экологии и природопользования биолого-почвенного факультета, протокол № от «______» _______________ 2007 г.

д.г.н., профессор кафедры экологии и природопользования Южного федерального университета К.Ш. Казеев.

ЭКОЛОГИЧЕСКИЙ МОНИТОРИНГ

В конце 60-х гг. двадцатого века многие страны осознали, что необходима координация усилий по сбору, хранению и переработке данных о состоянии окружающей среды. В 1972 г. в Стокгольме прошла конференция по охране окружающей среды под эгидой ООН, где впервые возникла необходимость договориться об определении понятия “мониторинг”. Решено было под мониторингом окружающей среды понимать комплексную систему наблюдений, оценки и прогноза изменений состояния окружающей среды под влиянием антропогенных факторов. Термин появился как дополнение к термину “контроль состояния окружающей среды”.

В настоящее время под мониторингом понимают совокупность наблюдений за определенными компонентами биосферы, специальным образом организованными в пространстве и во времени, а также адекватный комплекс методов экологического прогнозирования.

Основные задачи экологического мониторинга: наблюдение за состоянием биосферы, оценка и прогноз ее состояния, определение степени антропогенного воздействия на окружающую среду, выявление факторов и источников воздействия.

В конечном счете целью экологического мониторинга является оптимизация отношений человека с природой, экологическая ориентация хозяйственной деятельности.

Экологический мониторинг возник на стыке экологии, биологии, географии, геофизики, геологии и других наук.

Выделяют различные виды мониторинга в зависимости от критериев:

Биоэкологический (санитарно-гигиенический);

Геоэкологический (природо-хозяйственный);

Биосферный (глобальный);

Геофизический;

Климатический;

Биологический;

Здоровья населения и др.

Особую роль в системе экологического мониторинга играет биологический мониторинг, т. е. мониторинг биотической составляющей экосистем (биоты).

Биологический мониторинг - это контроль состояния окружающей природной среды с помощью живых организмов. Главный метод биологического мониторинга - биоиндикация, которая заключается в регистрации любых изменений в биоте, вызванных антропогенными факторами. В биологическом мониторинге могут быть использованы не только биологические, но и любые другие методы, например химический анализ содержания загрязняющих веществ в живых организмах.

В России мониторинг природной среды осуществляется многими ведомствами, в рамках деятельности которых имеются соответствующие задачи, уровни и составляющие подсистемы мониторинга. Так, например, в системе мониторинга, осуществляемого Росгидрометом, различают три уровня экологического мониторинга окружающей природной среды: глобальный, региональный и локальный. Цели, методические подходы и практика мониторинга на разных уровнях отличаются.

Наиболее отчетливо критерии качества окружающей природной среды определены на локальном (импактном) уровне. Цель регулирования здесь - обеспечение такой стратегии, которая не выводит концентрации определенных приоритетных антропогенных загрязняющих веществ за допустимый диапазон, который является своего рода стандартом. Он представляет собой величины предельно допустимых концентраций (ПДК).

ПДК в России закреплены законодательно. Соответствие качества окружающей природной среды этим стандартам контролируется соответствующими органами надзора. Также для оценки допустимого интенсивности источника загрязнений используются величины ПДВ - предельно допустимые выбросы и ПДЭН - предельно допустимая нагрузка, для оценки допустимой экологической нагрузки на отдельную экосистему или в рамках целого региона. Для выработки ПДЭН необходимо учитывать возможность комбинированного и комплексного воздействия на экосистему. Например, ртуть попадая в водные объекты путем вымывания из почвы переходит в высокотоксичную форму, что делает проблему загрязнения ртутью чрезвычайно серьезной (даже при первичных количествах ртути в воздухе в пределах ПДК).

Задачей мониторинга на локальном уровне является определение параметров моделей “поле выбросов - поле концентраций”. Объектом воздействия на локальном уровне является человек.

На региональном уровне подход к мониторингу основан на том, что загрязняющие вещества, попадая в окружающую среду, рассеиваются, включаются в круговорот веществ в биосфере, изменяют состояние абиотической составляющей и, как следствие, вызывают изменения в биоте (экзогенные сукцессии).

Любое хозяйственное мероприятие, проводимое в масштабе региона, сказывается на региональном фоне - изменяет состояние равновесия абиотической и биотической компоненты. Так, например, состояние растительного покрова, в первую очередь лесов, существенно влияет на климатические условия региона.

Биомониторинг

Поскольку оценка качества почвы, воды и воздуха приобретает в настоящее время жизненно важное значение, необходимо определять как реально существующую, так и возможную в будущем степень нарушения окружающей среды. Для этой цели используют два принципиально разных подхода: физико-химический и биологический. Биологический подход развивается в рамках направления, которое получило название биоиндикации и биомониторинга.

Биомониторинг является составной частью экологического мониторинга - слежения за состоянием окружающей среды по физическим, химическим и биологическим показателям. В задачи биомониторинга входит регулярно проводимая оценка качества окружающей среды с помощью специально выбранных для этой цели живых объектов.

Лучше других отработана система биомониторинга водной среды. Госгидромет использует классификатор качества вод, включающий шесть классов. Оценивают показатели донных беспозвоночных, перифитона (обитатели водных растений), фито-, зоо- и бактериопланктона.

3. Классификация качества вод суши по биопоказателям

Класс вод	Воды	Относительная численность олигохет от общего количества зообентоса, %	Биотический индекс Вудивисса (расчетом, ниже)
	Очень чистые	1-20	10-8
	Чистые	21-35	7-5
	Умеренно загрязненные	36-50	4-3
	Загрязненные	51-65	2-1
	Грязные	66-85	1-0
	Очень грязные	86-100 или макробентос отсутствует

В 1990 г. экономическая комиссия Европы под эгидой ООН приняла программу интефированного мониторинга (1М) окружающей среды по следующим группам показателей (в скобках указано их количество): общая метеорология (6), химизм воздуха (3), химизм почвенных и подземных вод (4), химизм поверхностных вод (4), почва (6), биологические показатели (11).

Среди отслеживаемых показателей видное место заняли биологические индикаторы: эпифитные лишайники, напочвенная растительность, кустарниковая и древесная растительность, проективное покрытие деревьев, биомасса деревьев, химический состав хвойных игл, микроэлементы в хвое, почвенные ферменты, микориза, скорость разложения растительных остатков и один из прочих методов биомониторинга по выбору.

На территории бывшего СССР было намечено шесть площадей для проведения регионального мониторинга по перечисленным выше биологическим показателям.

Наиболее развиты системы регионального мониторинга в Германии и Нидерландах.

Для примера рассмотрим одну из систем биомониторинга, принятую в Германии (земля Баден-Вюртемберг). Она предполагает оценку следующих показателей:

Степени дефолиации (преждевременной потери листвы) бука, ели и пихты;

Состава поллютантов в листьях и хвое;

Сукцессии (закономерной смены) травянистой растительности;

Жизненности травостоя и содержания в нем поллютантов;

Площади покрытия эпифитных лишайников;

Численности коллембол (мелких почвенных членистоногих) и наземных моллюсков;

Аккумуляции поллютантов в дождевых червях.

Результаты мониторинга представляют в виде таблиц и графиков. К числу удачных способов относится метод «Амебы». Рисуют круг, который делят линиями на равные секторы по числу измеряемых показателей. Линия окружности означает их нормальные значения. Показатели могут быть химическими (содержание тяжелых металлов, фосфора и т.д.), физическими (уровень фунтовых вод, мутность и пр.) и биологическими (численность, разнообразие и другие характеристики биоиндикаторов). Далее в каждом секторе закрашивают площадь, пропорциональную значениям соответствующего показателя. Линии могут выходить за пределы круга, если значения «зашкаливают», тогда у «Амебы» появляются «выросты-ложноножки». Результаты мониторинга, представленные в виде ряда таких рисунков, наглядно выявляют направление «движения Амебы» и, соответственно, направление изменений в экосистеме.

Биоиндикация

Биоиндикация - это оценка состояния среды с помощью живых объектов. Живые объекты (или системы) - это клетки, организмы, популяции, сообщества. С их помощью может проводиться оценка как абиотических факторов (температура, влажность, кислотность, соленость, содержание поллютантов и т.д.), так и биотических (благополучие организмов, их популяций и сообществ). Термин «биоиндикация» чаще используется в европейской научной литературе, а в американской его обычно заменяют аналогичным по смыслу названием «экотоксикология».

Существуют по крайней мере три случая, когда биоиндикация становится незаменимой.

1. Фактор не может быть измерен. Это особенно характерно для попыток реконструкции климата прошлых эпох. Так, анализ пыльцы растений в Северной Америке за длительным период показал смену теплого влажного климата сухим прохладным и далее замету лесных сообществ на травяные. В другом случае остатки диатомовых водорослей (соотношение ацидофильных и базофильных видов) позволили утверждать, что в прошлом вода в озерах Швеции имела кислую реакцию по вполне естественным причинам.

2. Фактор трудно измерить. Некоторые пестициды так быстро разлагаются, что не позволяют выявить их исходную концентрацию в почве. Например, инсектицид дельтаметрин активен лишь несколько часов после его распыления, в то время как его действие на фауну (жуков и пауков) прослеживается в течение нескольких недель.

3. Фактор легко измерить, но трудно интерпретировать. Данные о концентрации в окружающей среде различных поллютантов (если их концентрация не запредельно высока) не содержат ответа на вопрос, насколько ситуация опасна для живой природы. Показатели предельно допустимой концентрации (ПДК) различных веществ разработаны лишь для человека. Однако, очевидно, эти показатели не могут быть распространены на другие живые существа. Есть более чувствительные виды, и они могут оказаться ключевыми для поддержания экосистем. С точки зрения охраны природы, важнее получить ответ на вопрос, к каким последствиям приведет та или иная концентрация загрязнителя в среде. Эту задачу и решает биоиндикация, позволяя оценить- биологические последствия антропогенного изменения среды. Физические и химические методы дают качественные и количественные характеристики фактора, но лишь косвенно судят о его биологическом действии. Биоиндикация, наоборот, позволяет получить информацию о биологических последствиях изменения среды и сделать лишь кос венные выводы об особенностях самого фактора. Таким образом, при оценке состояния среды желательно сочетать физико-химические методы с биологическими.

Актуальность биоиндикации обусловлена также простотой, скоростью и дешевизной определения качества среды. Например, при засолении почвы в городе листья липы по краям желтеют еще до наступления осени. Выявить такие участки можно, просто осматривая деревья. В таких случаях биоиндикация позволяет быстро обнаружить наиболее загрязненные местообитания.

Аккумуляция вредных веществ

Хорошим показателем загрязнения среды может служить повышенная концентрация поллютантов в клетках живых организмов. Так, обнаружена корреляция между содержанием свинца в листьях тиса и интенсивностью движения в городах.

Накопление ртути в перьях птиц позволило с помощью чучел проследить динамику загрязнений ртутью. Обнаружено, что с начала 40-х годов XX века содержание ртути в перьях фазана, куропаток, сапсана и других увеличилось в 10-20 раз, по сравнению с 1840-1940 гг.

Изменение размеров клеток

Показано, что при газодымном загрязнении:

Увеличиваются клетки смоляных ходов у хвойных деревьев;

Уменьшаются клетки эпидермиса листьев.

Нарушение физиологических процессов в клетке

Плазмолиз. В клетках растений под действием кислот и SO 2 цитоплазма отслаивается от клеточной стенки.

Организменный уровень

Еще в древности некоторые виды растений использовали для поиска руд и других полезных ископаемых. Повреждения растений дымом были отмечены в середине XIX века вокруг содовых фабрик Англии и Бельгии.

Преимущества биоиндикации на этом уровне - это небольшие затраты труда и относительная дешевизна, поскольку не требуются специальные лаборатории и высокая квалификация персонала.

Морфологические изменения растений, используемые в биоиндикации:

1. Изменения окраски листьев (неспецифическая, реже специфическая, реакция на различные поллютанты):

Хлороз - бледная окраска листьев между жилками. Отмечали при избытке в почве тяжелых металлов и при газодымовом загрязнении воздуха.

Пожелтение участков листьев. Характерно для лиственных деревьев при засолении почвы хлоридами.

Покраснение, связанное с накоплением антоциана. Возникает под действием сернистого газа.

Побурение или побронзовение. Часто означает начальную стадию некротических повреждений.

Листья как бы пропитаны водой (как при морозных повреждениях).

Возникает под действием ряда окислителей, например, пероксиацетил-нитрата.

Серебристая окраска листьев. Возникает под действием озона на листьях табака.

2. Некрозы - отмирание участков ткани листа, их форма иногда специфична.

Точечные и пятнистые. Серебристые пятна на листьях табака сорта | Bel W3 возникают под действием озона.

Межжилковые - некроз тканей между боковыми жилками 1 порядка. Часто отмечаются при воздействии сернистого газа.

Краевые. На листьях липы под влиянием соли (хлорида натрия), которой зимой посыпают городские улицы для таяния льда.

«Рыбий скелет»- сочетание межжилковых и краевых некрозов.

Верхушечные некрозы. У однодольных покрытосеменных и хвойных растений. Например, хвоинки пихты и сосны после действия сернистого газа становятся на вершине бурыми, верхушки листьев гладиолусов после окуривания фтористым водородом становятся белыми.

3. Преждевременное увядание. Под действием этилена в теплицах не раскрываются цветки у гвоздики, увядают лепестки орхидей. Сернистый газ вызывает обратимое увядание листьев малины.

4. Дефолиация - опадание листвы. Обычно наблюдается после некрозов и хлорозов. Например, осыпание хвои у ели и сосны при газодымовом зафязнении воздуха, листьев лип и конских каштанов - от соли для таяния льда, крыжовника и смородины - под действием сернистого газа.

5. Изменения размеров органов обычно неспецифичны. Например, хвоя сосны вблизи заводов удобрений удлиняется от нитратов и укорачивается от сернистого газа. У ягодных кустарников дым вызывает уменьшение размеров листьев.

6. Изменения формы, количества и положения органов. Аномальную форму листьев отмечали после радиоактивного облучения. В результате локальных некрозов возникает вздувание или искривление листьев, 1 сращение или расщепление отдельных органов, увеличение или уменьшение частей цветка.

7. Изменение жизненной формы растения. Кустовидная или подушечная форма роста свойственна деревьям, особенно липе, при сильном устойчивом загрязнении воздуха (HCI, SO 2).

8. Изменение жизненности. В присутствии многих поллютантов бонитет деревьев понижается от 1-2 класса до 4-5. Обычно это сопровождается изреживанием кроны и уменьшением прироста. Изменения прироста неспецифичны, но широко применяются, так как чувствительнее, чем некрозы. Измеряют радиальный прирост стволов, прирост в длину побегов и листьев, корней, диаметр таллома лишайника.

9. Изменение плодовитости. Обнаружено у многих растений. Например, при действии поллютантов уменьшается образование плодовых тел у грибов, снижается продуктивность у черники и ели. Некоторые виды лишайников не образуют плодовых тел в сильно загрязненном воздухе, но способны размножаться вегетативно.

Примеры биоиндикации на организменном уровне

Растения

1. Мониторинг озона по табаку BEL W3. Этот сорт табака специально выведен для биоиндикации. Уже при слабом воздействии озона через несколько дней на всей листовой пластинке образуются некротические пятна серебристого цвета. Для сравнения одновременно высаживают устойчивый к озону сорт BEL В.

2. Мониторинг загрязнения почвы и воздуха с помощью кресс-салата. Семена проращивают в чашках Петри на фильтрах или исследуемой почве. Наблюдение длится 10 дней. При наличии вредных веществ снижается процент всхожести семян и уменьшается скорость роста зародышевых корешков. У растений, высаженных в открытом грунте в городских центрах с интенсивным движением транспорта, под влиянием газовых выбросов отчетливо снижается длина проростков.

3. Индикация соли (применяемой для таяния льда) по листве липы. Сначала возникают ярко-желтые неравномерно расположенные краевые зоны, затем край листа отмирает, а желтая зона передвигается к середине и основанию листа. Разработана бонитировочная шкала, позволяющая по степени нарушения листовых пластинок оценить уровень засоления почвы. Метод ограничен во времени второй половиной лета.

4. Индикация общего газодымового загрязнения по продолжительности жизни хвои. Для определения у 25 взрослых деревьев ели из средней части кроны вырезают по 1 ветви. Определяют среднее количество хвоинок на побегах разного возраста. Поскольку хвоинки живут в норме 4 года, то четырехлетние побеги должны быть покрыты хвоинками. При загрязнении продолжительность жизни хвои сокращается вплоть до одного года, соответственно большая часть ветвей оголена, а хвоинки остаются лишь на концах ветвей. Бонитировочная шкала некрозов и продолжительности жизни хвои позволяет количественно оценить степени загрязнения среды.

Животные

Наблюдать за изменениями животных в нарушенной среде значительно сложнее, чем за неподвижными растениями. Более доступны насекомые и моллюски. Эти группы чаще других и используют в целях биоиндикации.

1. Морфологические изменения (размеров, пропорций, покровов, окраски, уродства):

а) размеры и пропорции тела на загрязненных участках достоверно отличаются:

У ряда тлей (ширина головы, длина бедра и голени, усиков, хвостика и сифона);

Некоторых брюхоногих моллюсков в почве (размеры раковинок);

На загрязненном корме размеры личинок и имаго насекомых обычно уменьшаются;

б) покровы. У тли (Aphis fabae ) после добавления к пище сульфит-ионов существенно изменялись полигоны и зернистость кутикулы у потомков;

в) окраска. Явление промышленного меланизма (более темной окраски) в загрязненных районах отмечено у:

Бабочки пяденицы березовой;

Двухточечной божьей коровки (доля черных форм обычно 2-3%, а в загрязненных районах много выше);

Коллемболы (Orchesella villosa );

г) уродства. Под действием ксенобиотиков (дизельного топлива, ДДТ и др.) возникают нарушения формообразующих процессов в онтогенезе насекомых. В опытах доля аномальных бабочек огневки выросла от 5 до 35% при добавлении в пищу РbО.

д) изменение толщины скорлупы яиц у птиц. Индекс Ратклифра отражает зависимость толщины скорлупы яиц от концентрации ДДТ.

2. Физиологические изменения . Следующие примеры покажут принцип использования физиологических показателей в целях биоиндикации:

а) у личинок водных насекомых имеются хлоридные клетки, способные активно поглощать анионы, особенно хлорид-ионы, обеспечивая постоянство их концентрации в гемолимфе. Эти клетки обычно расположены на жабрах (личинки поденок) или на брюшке (личинки ручейников). Число этих клеток обратно пропорционально уровню солености. При каждой линьке их число приводится в соответствие с соленостью среды. От линьки к линьке можно определить тенденции в изменении солености водоема;

б) общее физиологическое состояние организма насекомого может быть охарактеризовано общим количеством гемоцитов (клеток гемолимфы) в единице объема и соотношением их основных типов. Например, в зоне загрязнения сернистым газом количество гемоцитов у гусениц сосновой пяденицы падает вдвое, при этом возрастает количество фагоцитов с 5 до 32%;

в) неспецифическая биоиндикация индустриальных загрязнений возможна по содержанию гемоглобина в крови обыкновенной полевки;

г) в тканях моллюсков при загрязнении водоемов возрастает удельное содержание каротиноидов.

3. Размножение . Плодовитость обычно падает, например:

У тлей и непарного шелкопряда при окуривании их сернистым газом;

У птиц при действии тяжелых металлов и ДДТ уменьшается кладка;

повышается смертность зародышей и птенцов. Иногда плодовитость повышается, например:

У коллембол (Onychiurus armatus, Orchesella cincta ) на участках, загрязненных тяжелыми металлами.

В лабораторных условиях в качестве тест-организмов могут быть использованы саранчовые (Acrotylus patruelis, Aiolopus thalassinus ). При действии хлорида ртути у этих видов возрастает число яиц в кладке, при действии мочевины (>0,055 г/кг почвы) уменьшается число яиц в кладке и количество кладок.

4. Онтогенез и продолжительность жизни:

а) нарушение течения линек у насекомых:

При загрязнении у бабочек снижается доля окукливающихся гусениц и процент вылета имаго;

Удлинение личиночной стадии у совки (Scotia segetum ) при интоксикации медью и у непарного шелкопряда при фумигации фтористым водородом (HF) и метилмеркаптаном;

б) сокращение сроков развития:

У совки (Scotia segetum ) на 4-7 дней при добавлении хлорида кадмия (CdCl);

У коллембол (Isotoma notabilis, Onychiurus armatus ) при загрязнении тяжелыми металлами;

в) изменение срока жизни. Обычно он сокращается, например:

У кобылки (Acrotylus patruelis ) при увеличении концентрации HgCl;

У гусениц (особенно младших возрастов) непарного, тутового и соснового шелкопрядов, сосновой пяденицы и многих других при питании загрязненным кормом и фумигации промышленными выбросами;

У личинок мухи (Calliphora vicina ) пропорционально концентрации сернистого газа.

Реже наблюдают удлинение срока жизни, например, у дрозофилы при добавлении в пищу 0,3% антиоксиданта гаропилгаллата срок жизни возрастает на треть.

5. Поведение - это чувствительный индикатор нарушений в среде:

а) изменение циркадного (суточного) ритма рыб в рыборазводных прудах - пример неспецифической биоиндикации. Двигательная активность рыб отражает условия содержания, реагируя на обеспеченность кислородом и органическое загрязнение;

б) у крабов (Pachygrapsus ) после воздействия масляного экстракта (результат утечки горючего) нарушается половое поведение: самцы не реагируют на самок.

Примеры биоиндикации на популяционно-видовом уровне

Популяция - естественная пространственная группировка особей одного вида. Характеризуется плотностью, структурой (половозрастной, экологической и пр.), особенностями динамики. Отклонения этих показателей от нормы и положены в основу биоиндикации с помощью популяций.

Растения

1. Плотность - количество особей вида на единицу площади или объема (величины которых выбираются в зависимости от размера организмов и среды обитания: 1м 2 , 1 км 2 , 1 га, 1 см 3 и т.д.).

В целом, под влиянием антропогенного вмешательства у большинства видов, особенно чувствительных, плотность, популяций падает. Биоиндикация основана на учете плотности популяции чувствительных к нарушениям видов, например, площади, покрытой лишайником леканора (Lecanora conizaeoides ). Этот относительно дымостойкий лишайник встречается в Европе на всех древесно-кустарниковых породах, что позволяет произвести первую оценку интенсивности многолетнего загрязнения воздуха на данной территории. Площадь покрытия лишайника хорошо коррелирует с концентрацией сернистого газа в воздухе, причем в безлесных ландшафтах влияние последнего намного сильнее, чем в лесных.

Увеличивать плотность могут популяции сорняков, галофитов и других устойчивых к антропогенному прессу видов, что также может служить целям биоиндикации.

2. Возрастная структура популяций . При антропогенном вмешательстве нарушается соотношение между молодыми, размножающимися и старыми особями в популяции:

а) популяция омолаживается, если смертность возрастает, а стадии развития укорачиваются. Это отмечено на сенокосных лугах, по сравнению с некосимыми, на городских газонах, в напочвенной растительности после прореживания лесов;

б) популяция стареет, если нарушается возобновление. Например, загрязнение сернистым газом нарушает возобновление в букняках.

3. Экологическая структура популяций . Природные популяции обычно состоят из нескольких экотипов - групп особей, приспособленных к разным условиям среды. Экотипы способствуют выживанию популяции при изменении условий местообитания. Популяции многих видов включают экотипы с высокой устойчивостью к определенным антропогенным воздействиям. Распространение устойчивых, вытеснение ими чувствительных экотипов происходит иногда очень быстро. Например, химизация и механизация сельского хозяйства привела к сильному сужению спектра изменчивости у мака-самосейки, что обнаружено при сравнении данных за 1950 и 1980гг.

Известно много случаев отбора экотипов в природе, способствующих выживанию видов в нарушенной среде. Злак полевица побегоносная растет по морским побережьям и выносит засоление почвы, а полевица тонкая, у которой такие экотипы не обнаружены, избегает засоленных участков.

Сернистого газа в природе много вблизи вулканов, растущие здесь растения относительно устойчивы к этому газу. Например, японская лиственница, по сравнению с европейской, лучше переносит высокую концентрацию SO 2 в воздухе.

Популяции многих видов (ежа сборная, овсяница красная) из областей с сильным загрязнением SO 2 ; устойчивее к нему и к кислотным дождям, чем растущие в чистых районах. У подорожника ланцетолистного обнаружены экотипы, устойчивые к мышьяку, у полевицы тонкой - к меди.

4. Изменение ареалов видов растений под влиянием антропогенного вмешательства

В глобальном масштабе:

Сокращение ареала лесных видов, особенно в тропиках;

Распространение сорных рудеральных видов и галофитов. Засоление почвы происходит при орошении почвы в отсутствии достаточного дренажа. Например, Месопотамская низменность сейчас представляет собой огромные солончаки. Вместо природных лесов здесь галофитная растительность, а также ивы и тополя.

Животные

1. Плотность популяций. Для биоиндикации важен выход этого показателя за пределы нормы:

а) сокращение популяций:

Многочисленные примеры редких и вымирающих видов;

Хлорорганические соединения (ДДТ) привели к сокращению популяций дневных хищных птиц;

Тяжелые металлы в сочетании с SO 2 ; приводят к резкому сокращению численности дождевых червей - начало уменьшения численности наблюдается, когда фоновое загрязнение превышено в 2,0-2,3 раза, при 4,0,4,5-кратном превышении черви исчезают;

Активный мониторинг: почвообитающих клещей-орибатидов (Humerobates rostrolamellatus ) выдерживают в специальных камерах в течение недели в разных районах города. Существует корреляция между смертностью клещей и концентрацией в воздухе сернистого газа;

б) рост популяций:

Озерных чаек в Средней Европе обусловлен эвтрофизацией культурных ландшафтов;

Короеда-типографа при действии газодымовых выбросов;

Сосущих растительноядных насекомых (в основном тлей) при действии выхлопных газов (причины - уменьшение врагов, а также физиологические и биохимические изменения растений-хозяев под действием поллютантов).

2. Динамика популяций. Обычно возрастает амплитуда колебаний плотности популяций:

Рудеральные, навозные и компостные виды коллембол в городе;

Сезонные пики численности могут смещаться на иные сроки (в городе, где среднегодовая температура выше, чем в природе, на несколько градусов, коллемболы имеют ранневесенний пик, как в более южных зонах).

3. Пространственная структура. Распределение особей в пространстве обычно становится более мозаичным, поскольку животные концентрируются на менее нарушенных участках. С другой стороны, нарушается размещение особей, свойственное природным популяциям.

4. Изменение ареала. По антропогенным территориям (полям, городам) южные виды распространяются далеко на север, за пределы своей зоны.

Примеры биоиндикации на биоценотическом уровне

Сообщества (или биоценозы) представляют собой совокупность видов растений, животных, микроорганизмов и грибов определенного местообитания. Принято также говорить о сообществах птиц, почвенных членистоногих, растений и т.д.

Для описания сообществ используют такие показатели, как общая численность, видовое богатство и разнообразие, видовая структура, экологическая структура (спектры жизненных форм, биотопических групп), а также их изменение во времени. Отклонения этих показателей от нормы - симптом нарушений окружающей среды.

1. Общая численность . Обычно падает, а если повышается, то за счет численности очень немногих устойчивых к нарушениям видов. Например, в городе численность птиц поддерживают стаи голубей, воробьев. ворон. На полях высокая численность насекомых достигается за счет вспышек численности вредителей.

2. Видовой состав и разнообразие сообществ . При слабом нарушении среды (будь то загрязнение, рекреация или другие формы антропогенного воздействия) количество видов растет, так как сообщество становится «открытым» для видов других сообществ, больше становится рудеральных и синантропных видов. Дальнейшее усиление воздействия сопровождается выпадением редких и чувствительных к нарушению видов.

Таким образом, с ростом нарушения количество видов меняется нелинейно (гипотеза промежуточного нарушения Коннела).

3. Видовая структура . Все виды в сообществе можно разделить на 4 группы: а) многочисленные - доминанты, б) менее многочисленные субдоминанты, в) малочисленные и г) редкие виды. Распределение видов по группам численности в природном и нарушенном сообществе четко различается (р и с. 4.4). При нарушении в сообществе сокращается «запас прочности» - группы малочисленных и редких видов. Иногда для выделения этих групп используют не численность, а биомассу, встречаемость или проективное покрытие, как у растений, но закономерность сохраняется рост нарушения

Спектр жизненных форм

При нарушениях наблюдается замещение одних жизненных форм другими. При рекреации в сообществе коллембол начинают исчезать группы подстилочной жизненной формы, но сохраняются почвенная и поверхностно-обитающая группы.

5. Спектр биотопических групп . Антропогенное воздействие любой природы сопровождается заменой специализированных видов сообщества на эврибионтные. Дальнейшее усиление нагрузки ведет к тому, что в сообществе сохраняются в основном рудеральные и синантропные виды.

6. Изменение во времени . При нарушениях среды сообщества сильнее меняются по годам; первыми - доминирующие виды, жизненные формы, биотопические группы и т.д.

Примеры биоиндикации на экосистемном уровне

Экосистемный уровень предполагает изучение круговорота веществ и потоков энергии. Круговорот веществ осуществляется при участии запаса биогенов, организмов-продуцентов (растения, создающие органическое вещество из неорганических), организмов-консументов (животные, распределяющие и регулирующие потоки вещества и энергии) и организмов-редуцентов (грибы и бактерии, которые разрушают органические вещества, пополняя запас биогенов).

Среди различных показателей экосистем для биоиндикации представляют интерес трофическая структура и сукцессионные изменения.

Трофическая структура . Нарушение соотношения между блоками продуцентов, консументов, редуцентов. Например, вблизи комбинатов цветной металлургии, расположенных в таежной зоне, толщина подстилки достигает 20 см, превышая норму в 3-4 раза. Это происходит из-за угнетения почвенных беспозвоночных, ускоряющих процесс разрушения растительных остатков.

Сукцессии - естественные смены сообществ от простых и неустойчивых до сложных и устойчивых. Последние получили название зрелых, или климаксных. Антропогенный пресс нарушает естественный ход сукцессий. Страдают, прежде всего, заключительные стадии - зрелые климаксные сообщества, они не формируются. Процесс все время отбрасывается на более ранние стадии. Например, полная сукцессия лесов в Подмосковье предполагает не только смену березняков ельниками. но и формирование сложных смешанных лесов с участием дубов. Редкость таких лесов свидетельствует о глубоких преобразованиях территории. Попытки воспроизвести естественную сукцессию встречают большие трудности. При лесной рекультивации отвалов угледобывающей промышленности посаженные деревья не образуют настоящих лесов. Даже спустя 30 лет в почве под ними не развивается характерный для лесов комплекс сапрофагов-разрушителей лесной подстилки, что свидетельствует о существенном отличии почвенных и лесорастительных условий на отвалах, по сравнению с лесами. Беспозвоночные животные являются в данном случае биоиндикаторами формирования «неполноценных» экосистем.

В целом, нарушения среды на ценотическом и экосистемном уровнях приводят к:

Упрощению структуры сообществ и экосистем;

Нарушению внутренних связей (между видами, экологическими группами, блоками экосистемы и т.д.), т.е. механизмов саморегуляции сообществ и экосистем.

Выявление этих признаков - основной путь биоиндикации на высших уровнях организации живого.

Биоиндикация на уровне биосферы

Некоторые примеры индикаторов глобальных изменений среды:

«ползучая эвтрофикация». Присутствие в морской воде сточных вод все чаще индицируют красные и бурые приливы. Они возникают из-за вспышек численности одноклеточных водорослей: токсичных динофлагеллят (красные) и диатомовых (бурые);

Биомониторинг

Биомониторинг является составной частью экологического мониторинга – слежение за состоянием окружающей среды по физическим и биологическим показателям. В задачи биомониторинга входит регулярно проводимая оценка качества окружающей среды с помощью специально выбранных для этой цели живых объектов.

Лучше других отработана система биомониторинга водной среды. Росгидромет использует классификатор качества вод, включающий 6 классов. Оценивают показатели донных беспозвоночных, перифитона (обитатели водных растений), фито-, зоо- и бактериопланктона. Для примера приведем таблицу классификации вод суши по показателям зообентоса:

Классификация качества вод суши по биопоказателям

В 1990 г. экологическая комиссия Европы под эгидой ООН приняла программу интегрированного мониторинга (IM) окружающей среды по следующим группам показателей (в скобках указано их количество: общая метеорология(6), химия воздуха(3), химизм почвенных и подземных вод(4), химизм поверхностных вод (4), почва(6), биологические показатели(11).

Среди отслеживаемых показателей видное место заняли биологические индикаторы: эпифитные лишайники, напочвенная растительность кустарниковая и древесная растительность, проективное покрытие деревьев, биомасса деревьев, химический состав хвойных игл, микроэлементы в хвое, почвенные ферменты, микориза, скорость разложения растительных остатков и один из прочих методов мониторинга по выбору.

На территории бывшего СССР было намечено 6 площадей для проведения регионального мониторинга по перечисленным выше биологическим показателям.

Наиболее развиты системы регионального мониторинга в Германии и Нидерландах.

Для примера рассмотрим одну из систем биомониторинга в Германии (земля Баден-Вюртемеберг).Она предполагает оценку следующих показателей:

· Степени дефолиации (преждевременной потери листвы) бука, ели и пихты;

· Состава поллютантов в листьях и хвое;

· Сукцессии (закономерной смены) травянистой растительности;

· Жизненности травостоя и содержания в нем поллютантов;

· Площади покрытия эпифитных лишайников;

· Численности коллембол (мелких почвенных членистоногих) и наземных моллюсков;

· Аккумуляции поллютантов в дождевых червях.

Результаты мониторинга представляют в виде таблиц и графиков. К числу удачных способов относится метод «Амебы». Рисуют круг, который делят линиями на равные секторы по числу измеряемых показателей. Линия окружности означает их нормальное значения. Показатели могут быть химическими (соединения тяжелых металлов, фосфора и т.д.), физическими (уровень грунтовых вод, мутность и пр.) и биологическими (численность, разнообразие и другие характеристики биоиндикаторов). Далее в каждом секторе закрашивают площадь, пропорциональную значениям соответствующего показателя. Линии могут выходить за пределы круга, если значения «зашкаливают», тогда у «Амебы» появляются «выросты-ложноножки». Результаты мониторинга, представленные в виде ряда таких рисунков, наглядно выявляют направление «движения Амебы» и, соответственно направление изменений в экосистеме.

Биоиндикация

Биоиндикация – это оценка состояния среды с помощью живых объектов. Живые объекты (или системы) – это клетки, организмы, популяции, сообщества. С их помощью может производиться оценка как абиотических факторов (температура, влажность, кислотность, соленость, содержание поллютантов и т.д.) так и биотических (благополучие организмов, их популяций и сообществ). Термин «биоиндикация» чаще используется в европейской научной литературе, а в американской его обычно заменяют аналогичным по смыслу названием «экотоксикология».

Часто задают вопрос: «Почему для оценки качества среды приходится использовать живые объекты, когда это проще делать физико-химическими методами?» По мнению Ван Штраалена (1998), существуют по крайней мере 3 случая, когда биоиндикация становится незаменимой.

1. Фактор не может быть измерен. Это особенно хар-но для попыток реконструкции климата прошлых эпох. Так, анализ пыльцы растений в Северной Америке за длительный период показал смену теплого влажного климата сухим прохладным и далее замену лесных сообществ на травяные. В другом случае остатки диатомовых водорослей (соотношение ацидофильных и базофильных видов) позволило утверждать, что в прошлом вода в озерах Швеции имела кислую реакцию по вполне естественным причинам.

2. Фактор трудно измерить. Некоторые пестициды так быстро разлагаются, что не позволяют выявить их исходную концентрацию в почве. Например, инсектицид дельтаметрин активен лишь несколько часов после его распыления, в то время как его действие на фауну (жуков и пауков) прослеживается в течение нескольких недель.

3. Фактор легко измерить, но трудно интерпретировать. Данные о концепции в окр. среде различных поллютантов (если их концентрация не запредельно высока) не содержат ответа на вопрос, насколько ситуация опасна для живой природы. Показатели предельно допустимой концепции (ПДК) различных веществ разработаны лишь для человека. Однако, очевидно, эти показатели не могут быть распространены на другие живые существа. Есть более чувствительные виды, и они могут оказаться ключевыми для поддержания экосистем. С точки зрения охраны природы, важнее получить ответ на вопрос, к каким последствиям приведет та или иная концентрация загрязнителя в среде. Эту задачу и решает биондикация, позволяя оценить биологические последствия антропогенного изменения среды. Физические и химические методы дают качественные и количественные хар-ки фактора, но лишь косвенно судят о его биологическом действии. Биоиндикация, наоборот, позволяет получить информацию о биологических последствиях изменения среды и сделать лишь косвенные выводы об особенностях самого фактора. Таким образом, при оценке состояния среды желательно сочетать физико-химические методы биологическими.

Актуальность биоиндикации обусловлена также простотой, скоростью и дешевизной определения качества среды. Например, при засолении почвы в городе листья липы по краям желтеют еще до наступления осени. Выявить такие участки можно, просто осматривая деревья. В таких случаях биоиндикация позволяет быстро обнаружить наиболее загрязненные местообитания.

Во всех случаях, когда речь идет о контроле, без которого биоиндикация в принципе невозможна, встает вопрос, что считать нормой для того или иного биоиндикатора? В одних случаях ответ будет простой. Например, появление на листьях растений некротических пятен любой формы и размера – всегда индикатор загрязнения среды, поскольку в норме их быть не должно.

Ситуация усложняется, когда нормой является не одно конкретное состояние биоиндикатора, а целый набор, диапазон таких состояний. К таким индикаторам относятся численность популяции, разнообразие сообществ, их видовой состав и т.д. эти характеристики меняются по сезонам и по годам, они могут отличаться в различных местообитаниях, следовательно, чтобы установить норму для таких биоиндикаторов, нужно располагать данными об их сезонной и многолетней динамике, их изменении по местообитаниям. Так, численность мелких почвенных членистоногих коллембол на одном и том же участке ненарушенного леса может меняться в течение года в 10–20 раз, разнообразие их сообществ- в 2–3 раза.

Биоиндикация на разных уровнях организации живого

Биоиндикация может осуществляться на всех уровнях организации живого: биологических молекул, клеток, тканей и органов, организмов, популяций (пространственная группировка особей одного вида), сообществ, экосистем и биосферы в целом. Признание этого факта – достижение современной теории биоиндикации.

На низших уровнях биоиндикации возможны прямые и специфические формы биоиндикации, на высших – лишь косвенные и неспецифические. Однако именно последние дают комплексную оценку влияния антропогенных воздействий на природу в целом.

Клеточный и субклеточный уровни

Биоиндикация на этих уровнях основана на узких пределах протекания биотических и физиологических реакций. Её достоинства заключаются в высокой чувствительности к нарушениям, позволяющим выявить даже незначительные концентрации поллютантов, и выявить их быстро. Именно на этих уровнях возможно наиболее ранее выявление нарушений среды. К числу недостатков относится то, что биоиндикаторы – клетки и молекулы требуют сложной аппаратуры.

Результаты действия поллютантов следующие:

· нарушение биомембран (особенно их проницаемости);

· изменение концентрации и активности макромолекул (ферменты, белки, аминокислоты, жиры, углеводы, АТФ);

· аккумуляция вредных веществ;

· нарушение физиологических процессов в клетке;

· изменение размеров клеток.

Чтобы разобрать тот или иной способ биоиндикации на этом уровне, необходимо выяснить механизмы действия поллютантов.

Влияние поллютантов на биомембраны (на примере клеток растений)

1. Сернистый газ . SO2 проникает в листву через устьица, попадает в межклеточное пространство, растворяется в воде с образованием SO3 2 – /HSO3 - ионов, разрушающих клеточную мембрану. В итоге снижается буферная емкость цитоплазмы клетки, изменяются её кислотность и редокспотенциал.

2. Озон и другие окислители, например, пероксиацетилнитрата. Нарушают проницаемость мембран. Этот эффект усугубляется в присутствии ионов тяжелых металлов.

Под экологическим качеством среды обитания человека по­нимают интегральную характеристику природной среды, обес­печивающую сохранение здоровья и комфортное проживание че­ловека.

Поскольку человек адаптирован и может комфортно суще­ствовать только в современном биологическом окружении, в при­родных экосистемах, понятие «экологическое качество среды» подразумевает сохранение экологического равновесия в природе (относительной устойчивости видового состава экосистем и со­става сред жизни), которое и обеспечивает здоровье человека.

Адаптация - совокупность морфофизиологических, поведенческих, попу-ляционных и других особенностей данного биологического вида, обеспечиваю­щая возможность специфического образа жизни в определенных условиях внеш­ней среды.

Необходимо различать цели и способы нормирования и оцен­ки качества среды обитания человека по основным физико-хими­ческим параметрам, с одной стороны, и экологического прогно­за будущего изменения состояния экосистемы и здоровья людей в условиях антропогенного пресса - с другой.

Для общей оценки состояния окружающей среды и определе­ния доли участия отдельных источников в ее загрязнении применяют санитарно-гигиенические и токсикологические нормативы (предельно допустимые концентрации - ПДК - поллютантов, предельно допустимые уровни воздействия - ПДУ). Однако для прогноза результатов влияния антропогенных факторов как на экосистемы, так и на здоровье людей необходимо учитывать так­же и многие показатели, характеризующие реакцию отдельных организмов и экосистемы в целом на техногенное воздействие.

Реакции живых систем на разнообразные химические и физи­ческие факторы и их сочетание характеризуются такими особен­ностями, как интегральность и кумулятивность множества воз­действий, парадоксальные эффекты слабых доз на организмы животных и растений, наличие цепных процессов и отдаленных последствий локальных влияний на различные «этажи» сложно организованных экосистем. Стохастической, трудно предсказуе­мой, является и реакция организмов людей, живущих в условиях техногенных искусственных экосистем.

В настоящее время общепринято, что одним из непременных условий «устойчивого» социально-экономического развития яв­ляются сохранение природной среды обитания человека и ее вос­становление после разрушительных воздействий.

Необходимо отметить, что живым системам (организмам, их сообществам и целым экосистемам) свойственна способность к саморегуляции, самоочищению, адаптации. Этим, в частности, определяется и экологический прогноз. Устойчивость экосистем, например, зависит от многообразия видов, входящих в них, от соотношений численности видов, представляющих различные трофические уровни, от репродуктивных свойств организмов и регуляции численности каждой популяции межвидовыми отно­шениями в сообществе и абиотическими факторами.

Экологическую опасность, или риск, следует оценивать с уче­том не только характера и силы антропогенного воздействия, но и биологических свойств реагирующей системы. Соответственно этому имеется две группы методов экологического мониторинга (слежения за состоянием экосистем): физико-химические и био­логические (биомониторинг). Каждый из видов мониторинга име­ет свои ограничения. Для качественной оценки и прогноза состо­яния природной среды необходимо их сочетание. Таким образом, физико-химический и биологический мониторинг не исключа­ют, а дополняют друг друга.

Антропогенные загрязнения действуют на живые организмы, и в том числе на человека, в самых различных сочетаниях, комп­лексно. Их интегральное влияние можно оценить только по реак­ции живых организмов или целых сообществ. Прогноз действия на человека загрязненной воды, химических добавок в пище или за­грязненного воздуха правомочен, если в оценку токсичности вхо­дят не только аналитические методы, но и биологическая диагностика действия среды на животных. Кроме того, многие ксенобио­тики (чуждые для биосферы вещества) накапливаются в организ­ме, и в результате длительное воздействие даже малых концент­раций этих веществ вызывает патологические изменения в орга­низме. Наконец, известен парадоксальный эффект малых доз мно­гих биологически активных соединений, когда сверхслабые дозы (ниже ПДК) оказывают на организм более сильное действие, чем их средние дозы и концентрации.

Универсальным показателем изменения гомеостаза тест-орга­низма является состояние стресса при попадании из «чистой» среды в «загрязненную».

Понятие «стресс» весьма различно используется во многих об­ластях науки. Впервые в качестве научного термина оно было вве­дено в медицину Г.Селье в 1936 г. и вскоре проникло в обиходный язык как обозначение неспецифического психического напряже­ния. Г.Селье (1979) определяет стресс как реакцию на повышен­ную нагрузку, которая проявляется в синдроме, слагающемся из всех неспецифически вызванных изменений внутри биологичес­кой системы.

В биологии под стрессом понимается реакция биологической системы на экстремальные факторы среды (стрессоры), которые могут в зависимости от силы, интенсивности, момента и продол­жительности воздействия более или менее сильно влиять на си­стему.

Стресс можно разделить на два различно действующих типа. Эустресс характеризуется физиологическими адаптивными реак­циями, которые вызываются в организме биоэнергетическими процессами, когда в критических ситуациях живому существу не­обходимо приспособиться к изменившимся условиям среды. Ди­стресс означает патогенные процессы, возникающие, как прави­ло, при постоянных нагрузках или усилиях, которые организм не в состоянии регулировать короткое или длительное время. В какой мере тот или иной стрессор обусловливает эустресс или дистресс, зависит от многочисленных факторов, например от сочетания экзогенных раздражителей и внутреннего состояния организма.

Реакционная способность (норма реакции) организма по от­ношению к воздействующим стрессорам зависит прежде всего от его генетической конституции. При возникновении стресса боль­шую роль играет также фактор времени, связанный как с разви­тием чувствительности к стрессу, так и с продолжительностью воздействия какого-либо эффективного стрессора на протяжении различных периодов жизни.

Опасность антропогенных стрессоров состоит в том, что био­логические системы - будь то организмы, популяции или биоце­нозы - недостаточно адаптированы к ним. Антропогенные стрес­соры создаются с такой скоростью, что в живых системах часто не успевают активизироваться соответствующие адаптационные про­цессы. Многие антропогенные факторы среды потому и становят­ся опасными стрессорами, что они отличны по величине, интен­сивности, продолжительности и моменту воздействия от той обыч­но существующей в природе "нормы", к которой адаптированы биологические системы. В результате они часто влияют на диапа­зон толерантности, что нередко приводит к превышению допу­стимой нагрузки на организмы и распаду биологической системы.

Следует также обратить внимание на то, что в природе на орга­низм воздействует не один стрессор, а целый комплекс наруша­ющих факторов (комплексное стрессовое воздействие среды). При этом, разумеется, какой-либо отдельный фактор может временно или постоянно доминировать. В связи с этим понятно, что реак­ции организмов на стрессоры в лабораторном эксперименте не всегда совпадают с наблюдающимися в естественных условиях. Поэтому исследования комбинированного воздействия средовых нагрузок, т.е. комплексного стрессового воздействия среды, ста­новятся в последнее время принципиально важными для уста­новления допустимой нагрузки и стабильности биологических систем в нарушенной среде со многими антропогенными стрессорами.

Стрессовое воздействие среды приводит к отклонению основ­ных параметров организма от оптимального уровня.

В настоящее время оценка степени экологической опасности традиционно осуществляется путем определения в окружающей среде отдельных потенциально вредных веществ или воздействий и сравнения полученных результатов с законодательно установ­ленными для них предельно допустимыми величинами. В то же время такой способ контроля имеет ряд существенных недостат­ков. Аналитические методы, как правило, трудоемки, не всегда экспрессны, требуют дорогостоящего, иногда дефицитного обо­рудования и реактивов, а также высококвалифицированного об­служивающего персонала. Но главный их недостаток в том, что эти методы не могут гарантировать достоверной оценки экологи­ческой опасности, сколь бы широким не был спектр анализируе­мых веществ. Ведь важны не сами уровни загрязнений и воздей­ствий, а те биологические эффекты, которые они могут вызвать и о которых не может дать информацию даже самый точный хими­ческий или физический анализ. Заметим, что используемые в практике экологического и са­нитарно-гигиенического нормирования показатели (предельно допустимые концентрации - ПДК, предельно допустимые дозы - ПДД, предельно допустимые уровни - ПДУ), всегда базирую­щиеся на токсикологических исследованиях с тестированием от­дельных биообъектов, не могут учитывать изменений токсично­сти загрязнителей за счет эффектов синергизма или антагонизма при сочетанном действии антропогенных факторов. Эти нормативы не отражают зависимости токсического действия загрязнения от физических факторов среды, не учитывают процессы естественных трансформаций веществ в окружающей среде или исчезновения их в ходе детоксикации среды от конкретных загрязнителей. Поэтому наряду с физико-химическими методами необходимо использовать методы биологического контроля и диагностики - биоиндикацию и биотестирование, дающие объективные интегральные оценки качества среды и основания для прогноза состояния экосистем.

В настоящее время одним из наиболее оптимальных способов определения качества окружающей среды является возмож­ность использования в биоиндикационных исследованиях живых организмов - индикаторных видов, которые в силу своих генети­ческих, физиологических, анатомических и поведенческих осо­бенностей способны существовать в узком интервале определен­ного фактора, указывая своим присутствием на наличие этого фактора в среде. Применение в качестве биоиндикаторов расте­ний, животных и даже микроорганизмов позволяет проводить био­мониторинг воздуха, воды и почвы. Благодаря специальным ин­дексам и коэффициентам результаты биоиндикации оказываются достоверными и сопоставимыми.

Биоиндикация (bioindication) - обнаружение и определение эко­логически значимых природных и антропогенных нагрузок на ос­нове реакций на них живых организмов непосредственно в среде их обитания. Биологические индикаторы обладают признаками, свойственными системе или процессу, на основании которых про­изводится качественная или количественная оценка тенденций изменений, определение или оценочная классификация состоя­ния экологических систем, процессов и явлений. В настоящее вре­мя можно считать общепринятым, что основным индикатором устойчивого развития в конечном итоге является качество среды обитания.

Биотестирование (bioassay) - процедура установления ток­сичности среды с помощью тест-объектов, сигнализирующих об опасности независимо от того, какие вещества и в каком сочета­нии вызывают изменения жизненно важных функций у тест-объек­тов. Для оценки параметров среды используются стандартизован­ные реакции живых организмов (отдельных органов, тканей, кле­ток или молекул). В организме, пребывающем контрольное время в условиях загрязнения, происходят изменения физиологических, биохимических, генетических, морфологических или иммунных систем. Объект извлекается из среды обитания, и в лабораторных условиях проводится необходимый анализ. Живой организм мо­жет тестироваться также в специальных камерах или на стендах, где создаются условия изучаемого загрязнения (что очень важно для выявления реакций организма на то или иное доминирующее загрязнение или целый комплекс известных загрязняющих веществ на данной территории обитания).

Хотя подходы очень близки по конечной цели исследований, надо помнить, что биотестирование осуществляется на уровне молекулы, клетки или организма и характеризует возможные по­следствия загрязнения окружающей среды для биоты, а биоинди­кация - на уровне организма, популяции и сообщества и харак­теризует, как правило, результат загрязнения. Живые объекты - открытые системы, через которые идет поток энергии и кругово­рот веществ. Все они в той или иной мере пригодны для целей биомониторинга.

Контроль качества окружающей среды с использованием био­логических объектов в последние десятилетия оформился как ак­туальное научно-прикладное направление.

Биологические методы контроля качества среды не требуют предварительной идентификации конкретных химических соеди­нений или физических воздействий, они достаточно просты в ис­полнении, многие экспрессны, дешевы и позволяют вести конт­роль качества среды в непрерывном режиме. Вместе с тем после выявления общей токсичности образцов почвы или воды для оп­ределения ее причин следует применить аналитические методы. Традиционные физико-химические методы позволяют также оце­нить вклад отдельных предприятий или иных источников загряз­нения в интегрированное техногенное воздействие на природу.

Проведение интегральной оценки качества среды предлагается для определения состояния биоресурсов, разработки стратегии рационального использования региона, определения предельно допустимых нагрузок для экосистем региона, решения судьбы районов интенсивного промышленного и сельскохозяйственного использования, загрязненных радионуклидами, и т.п.; выявле­ния зон экологических бедствий; решения вопроса о строитель­стве, пуске или остановке определенного предприятия; оценки эффективности природоохранных мероприятий, введения очист­ных сооружений, модернизации производства и др.; применения новых химикатов и оборудования; создания рекреационных и за­поведных территорий.

Технический пресс как следствие НТР выдвигает в качестве одной из важнейших природоохранных задач проблему «уравно­вешивания» результатов антропогенного воздействия на окружа­ющую среду. Соблюдение этого условия - единственный способ выживания для человечества.

Реализация основных принципов устойчивого развития циви­лизации в современных условиях возможна лишь при наличии соответствующей информации о состоянии среды обитания в ответ на антропогенное воздействие, собранной в ходе проведения биологического мониторинга. Оценка качества среды является ключевой задачей любых мероприятий в области экологии и ра­ционального природопользования. Сам термин «мониторинг» (от англ. monitoring - контроль) подразумевает проведение мероприя­тий по непрерывному наблюдению, измерению и оценке состоя­ния окружающей среды. Комплексный подход в проведении био­логического мониторинга (сочетание методов биоиндикации и био­тестирования, использование объектов разных уровней организа­ции) при систематическом наблюдении позволяет судить о пер­спективах изменения структуры сообществ, продуктивности попу­ляций и устойчивости экосистем по отношению к антропогенным факторам.

Объектами мониторинга являются биологические системы и факторы, воздействующие на них. При этом желательна одновре­менная регистрация антропогенного воздействия на экосистему и биологического отклика на воздействие по всей совокупности показателей живых систем. Необходимо проведение многофактор­ного анализа с учетом наиболее типичных антропогенных воздей­ствий (например, химических веществ), а также изменений при­родных факторов среды, уровень которых меняется вследствие антропогенного влияния. В первую очередь учитывается измене­ние численности видов и видового состава ценозов. Важно фикси­ровать также возможные изменения в природных популяциях, например нарушения эмбрионального развития (уродств) и сим­метрии взрослых особей в пределах популяции. Необходимо выяв­лять быстрый «отклик» организмов или популяций и результаты стойких последствий, так как часть изменений может быть отре­гулирована биосистемами.

Примеры применения методов биоиндикации и биотестирова­ния в практике экологической экспертизы природных водоемов и питьевых водоисточников демонстрируют, что пороговые концен­трации химических поллютантов, нарушающие жизнедеятельность организмов-биотестов, находятся ниже принятых значений ПДК. Постоянное присутствие поллютантов даже в низких концентра­циях приводит к снижению видового разнообразия гидробионтов за счет исчезновения наиболее чувствительных к качеству воды видов. Такие изменения в биоценозах устанавливаются методами биоиндикации - определением индексов и показателей сапробности.

Параллельное исследование показателей здоровья больших групп населения, проживающих на загрязненных территориях и использующих загрязненную воду и сельскохозяйственные про­дукты, достоверно свидетельствует о снижении (по сравнению со средним по региону) уровня продолжительности жизни, повы­шении общей и младенческой смертности, а также уровня заболеваемости людей, поражения иммунной системы, печени и дру­гих органов.

Основополагающим принципом биологического мониторинга является установление оптимального - контрольного - уровня, любые отклонения от которого свидетельствуют о стрессовом воз­действии. Обычно при оценке оптимума по какому-либо одному параметру возникает вопрос о том, будут ли данные условия оп­тимальными также для других характеристик организма. Однако если исследуемые параметры характеризуют основные свойства организма в целом, то их оптимальный уровень оказывается сход­ным. Например, столь разные и, казалось бы, совершенно неза­висимые параметры, как асимметрия морфологических призна­ков, показатели крови, интенсивность потребления кислорода, ритмика роста и частота хромосомных аберраций, могут изме­няться синхронно, когда при определенном стрессовом воздей­ствии в действительности изменяется наиболее общая базовая ха­рактеристика организма - гомеостаз развития.

Биологический мониторинг, как правило, входит в качестве подсистемы в состав экологического мониторинга. Как известно, качество среды (почвы, воды, воздуха, биоты) можно отслеживать двумя методами:

· физико-химическим;

· биологическим.

Биологический мониторинг направлен на выявление и оценку антропогенных процессов, связанных с изменением биоты, биологических систем, на прогноз развития этих систем. Состояние биологических систем оценивается по:

o продукции всех основных звеньев трофической цепи;

o стабильности структуры и разнородности отдельных трофических уровней;

o скорости протекания обмена веществ и расходования энергии в экосистеме, характеризующих степень биологического самоочищения системы.

Для целей биологического мониторинга в качестве функциональных показателей используют показатели риска (прирост биомассы), показатели трат на дыхание, показатели потребления и усвоения пищи. Кроме того, при организации контроля за состоянием биоты особое внимание должно уделяться:

§ колебаниям общей численности популяции и выяснению причин этих колебаний;

§ изменениям в возрастном и половом составе популяции;

§ изменению половых процессов и интенсивности размножения;

§ изменению репродуктивного цикла;

§ изменению в эмбриональном развитии.

Экологические основы биоиндикации

Биоиндикация – это оценка состояния среды с помощью живых объектов. Живые объекты (или системы) – это клетки, организмы, популяции, сообщества. С их помощью может проводиться оценка как абиотических факторов (температура, влажность, кислотность, соленость, содержание загрязняющих веществ и т. д.), так и биотических факторов (благополучие организмов, их популяций и сообществ).

Все биологические системы – будь то организмы, популяции или биоценозы – в ходе своего развития приспособились к комплексу факторов местообитания. Они завладели внутри биосферы определенной областью, экологической нишей, в которой находят подходящие условия существования и могут нормально питаться и размножаться. Каждый организм обладает в отношении любого действующего на него фактора генетически детерминированным уникальным физиологическим диапазоном толерантности, в пределах которого этот фактор является для него переносимым.

Такие понятия как «диапазон толерантности», «зоны оптимума», «зоны пессимума» вытекают из базовых законов экологии, таких как Закон минимума Либиха и Закон толерантности Шелфорда. Наглядно эти понятия демонстрирует графическое представление функций отклика организма на действующий на него фактор или группу факторов.

На рис. 3 - частная функция отклика, описывающая показатель смертности популяции.

Индикаторная ценность вида определяется его реакцией (функцией отклика ) на диапазон изменения фактора. При широком диапазоне толерантности организмы называются эврипотентными, при узком диапазоне толерантности – стенопотентными .

Стенопотентные организмы являются более ценными в биоиндикаторном смысле, поскольку небольшое изменение значения фактора влечет за собой существенные изменения функций отклика.

Как правило, функция отклика организма на отдельный фактор имеет форму выпуклой кривой, нарастающей до некоторого максимума, а затем убывающей до минимума, за которым наступает либо смерть, либо отсутствие организма в данной местности (данных условиях).

Зоной оптимума называют интервал значений фактора, в котором организм ощущает себя наиболее комфортно.

Зоной пессимума называют участок на шкале значений фактора, когда физиологические реакции организма минимальны либо приближаются к летальному исходу.

Будучи взаимозаменяемыми, отдельные факторы или их сочетание могут приводить к сходному эффекту. Поэтому для исследователя проблемным является нахождение соответствия видимой реакции организма совокупности искомых факторов, приведших к данной реакции.

Для уточнения и выявления факторов, ответственных за определенные реакции организмов применяют биотестирование.

Биотестирование – процедура установления токсичности среды с помощью тест-объектов, сигнализирующих об опасности в зависимости от того, какие вещества и в каком сочетании вызывают изменения жизненно важных функций у тест-объектов. Для оценки параметров среды используют стандартизированные реакции живых организмов (отдельных органов, тканей, клеток или молекул).

В организме, пребывающем контрольное время в условиях загрязнения происходят изменения физиологических, биохимических, генетических, морфологических или иммунных систем. Объект извлекается из среды обитания и в лабораторных условиях проводится необходимый анализ. Живой организм может тестироваться также в специальных камерах или на стендах, где создаются условия изучаемого загрязнения, что очень важно для выявления реакции организма на то или иное доминирующее загрязнение или целый комплекс известных загрязняющих веществ на данной территории обитания.

Хотя биоиндикация и биотестирование очень близки по конечной цели исследования, надо помнить, что биотестирование осуществляется на уровне молекулы, клетки или организма и характеризует возможные последствия для биоты от загрязнения окружающей среды, а биоиндикация осуществляется на уровне отдельного организма, популяции или сообщества и характеризует результат загрязнения в целом.

Живые объекты – открытые системы, через которые идет поток энергии и круговорот веществ. Все они в той или иной мере пригодны для целей биомониторинга.

Стрессоры биологических систем и их индикаторная значимость

Индикаторная значимость организмов определяется экологической толерантностью биологической системы. В пределах зоны толерантности организм способен поддерживать свой гомеостаз (постоянство внутренней среды и физиологических функций). Любой фактор, если он выходит за пределы «зоны комфорта» для данного организма, является стрессовым. В этом случае организм реагирует ответной реакцией различной интенсивности и длительности, проявление которой зависит от биологического вида и является показателем его индикаторной ценности.

Стресс – это понятие, используемое во многих областях науки. Впервые в качестве научного термина оно было введено в 1936 г. канадским патологом Гансом Селье и вскоре проникло в обиходный язык, прежде всего как обозначение неспецифического психического напряжения.

В биологии под стрессом понимается реакция биологической системы на экстремальные факторы среды (стрессоры), которые в зависимости от силы, интенсивности, момента и продолжительности воздействия могут более или менее сильно влиять на живую систему.

В естественных условиях организмы часто подвергаются воздействию различных различных биотических и абиотических стрессоров. За время эволюции организмы приспособились к ритмически повторяющимся экстремальным условиям среды, например, к холоду, жаре, засухе, путем периодического изменения активности (впадая в спячку или анабиоз), что делает их устойчивыми к влиянию стрессоров.

Другие организмы могут уклоняться от воздействия экстремальных условий среды при помощи специфических приспособлений (избегание стресса). Так, например, глубоко укоренившиеся растения не чувствительны к поверхностному пересыханию почвы, ряд растений или животных ставит на пути стрессоров химические или физические барьеры.

Опишем возможные виды естественных стрессоров.

Стрессоры окружающей среды

Антропогенные стрессоры, которых бесчисленное множество, либо действуют непосредственно на организмы, либо модифицируют имеющиеся факторы среды и тем самым превращают их для многих организмов в стрессовые. Один только огромный прогресс в области транспорта, гигиены и пищевой промышленности способствовал возникновению в минувшее десятилетие много тысяч новых химических продуктов, многие из которых обладают экстремальной биологической активностью.

Опасность антропогенных стрессоров состоит в том, что биологические системы – будь то организмы, популяции или биоценозы – недостаточно адаптированы к ним. Антропогенные стрессоры создаются с такой скоростью, что в живых системах часто не успевают активизироваться соответствующие адаптационные процессы. Многие антропогенные факторы среды потому и становятся опасными стрессорами, что они отличны по величине, интенсивности, продолжительности и моменту воздействия от той, обычно существующей в природе «нормы», к которой адаптированы биологические системы. В результате они часто влияют на диапазон толерантности, что нередко приводит к превышению допустимой нагрузки на организмы и распаду биологической системы.

Следует также обратить внимание на то, что в природе на организм воздействует не один стрессор, а целый комплекс нарушающих факторов. При этом какой-либо отдельный фактор может временно или постоянно доминировать. Стрессовое воздействие среды приводит к отклонению основных параметров организма от оптимального уровня.

Виды антропогенных стрессоров и их нарушающее воздействие представим в виде таблицы.

Стрессор	Нарушающее воздействие
Температура
Холод (мороз) Жара	Потеря полупроницаемости клеток, затвердевание липидов, деструкция белков, замедление метаболических (обменных) процессов, затвердевание и расширение воды Разжижение липидов, агрегация белков, потеря полупроницаемости клеток
Вода
Сухость Затопление	Дегидратация (обезвоживание), концентрирование растворенных веществ, сжатие клеток Гидратация, недостаток кислорода, сжатие клеток
Облучение
Инфракрасное и видимое УФ-излучение Ионизирующее излучение	Фотосенсибилизация (повышение чувствительности к свету), фотохимическая реакция Сенсибилизация к действию излучения Сенсибилизация, радиохимическая реакция, агрегация белков
Химические вещества
Соли Ионы Недостаток кислорода Cернистый ангидрид (SO 2) Аммиак (NH 3)	Дисбаланс ионов, потеря полупроницаемости клеток Ионообмен Нарушение метаболических процессов Образование нерастворимых сульфитов Образование амидов, изменение кислотности (pH)
Физические факторы
Давление Шум Скашивание травы, скусывание Ветер Электричество Магнетизм	Сжатие клеток, изменение внутриклеточного давления, прекращение роста клеток Механическое повреждение клеток и их сжатие Механическое повреждение клеток и их сжатие Механическое повреждение клеток и их сжатие Разжижение липидов, агрегация белков, потеря полупроницаемости клеток Дезориентация ионов, потеря полупроницаемости

Преимущества биоиндикации

Многолетний опыт ученых разных стран по контролю состояния окружающей среды показал преимущества, которыми обладают биоиндикаторы:

Ø в условиях хронических антропогенных нагрузок могут реагировать даже на относительно слабые воздействия вследствие кумулятивного эффекта; реакции проявляются при накоплении некоторых критических значений суммарных дозовых нагрузок;

Ø суммируют влияние всех без исключения биологически важных воздействий и отражают состояние окружающей среды в целом, включая ее загрязнение и другие антропогенные изменения;

Ø исключают необходимость регистрации химических и физических параметров, характеризующих состояние окружающей среды;

Ø фиксируют скорость происходящих изменений;

Ø вскрывают тенденции развития природной среды;

Ø указывают пути и места скоплений в экологических системах различного рода загрязнений и ядов, возможные пути попадания их в пищу человека;

Ø позволяют судить о степени вредности любых синтезируемых человеком веществ для живой природы и для него самого, причем дают возможность контролировать их действия.

Приведем еще несколько аргументов в пользу биоиндикации:

1) фактор не может быть изменен . Это особенно характерно для попыток реконструкции климата прошлых эпох. Так, анализ пыльцы растений в Северной Америке за длительный период показал смену холодного климата теплым влажным и далее замену лесных сообществ на травяные. В другом случае, остатки диатомовых водорослей позволили утверждать, что в прошлые эпохи вода в озерах Швеции имела кислую реакцию по вполне естественным причинам.

2) фактор трудно измерить . Некоторые пестициды так быстро разлаются, что не позволяют выявить их исходную концентрацию в почве. Например, инсектицид дельтаметрин активен лишь несколько часов после его распыления; в то же время как его действие на жуков и пауков прослеживается в течение нескольких последующих недель.

3) фактор легко измерить, но трудно интерпретировать . Данные о концентрации в окружающей среде различных загрязнителей не содержат ответа на вопрос насколько ситуация опасна для живой природы. Показатели ПДК различных веществ разработаны лишь для человека, однако очевидно, что эти показатели не могут быть распространены на другие организмы. Есть более чувствительные чем человек виды по отношению к отдельным загрязнителям. Поэтому биоиндикация позволяет оценить биологические последствия, не взирая на то, достигнуты ли нормы ПДК для человека.

Формы биоиндикации

Выделяют 2 формы отклика живых организмов, используемых в целях биоиндикации – специфическую и неспецифическую .

В первом случае изменение живой системы можно связать только с одним фактором среды. Например, высокая концентрация в воздухе озона вызывает на листьях табака серебристые некрозные пятна.

Во втором случае различные факторы среды вызывают одну и ту же реакцию. Например, снижение численности почвенных беспозвоночных может происходить по разным причинам: при загрязнении почвы, вытаптывании, во время засухи или по другим причинам.

Схематически обе формы биоиндикации можно представить следующим образом:

Специфическая Неспецифическая

биоиндикация биоиндикация

Б α Б β

В В

При другом подходе различают прямую и косвенную биоиндикацию.

О прямой биоиндикации говорят, когда фактор среды действует на биологический объект непосредственно. В приведенном выше примере серебристые пятна на листьях табака возникают от прямого действия озона.

При косвенной биоиндикации фактор действует через изменение других факторов среды (либо абиотических, либо биотических). Например, применение одного из гербицидов (2,2 дихлорпропионовой кислоты) на лугу ведет к уменьшению злаков в растительном покрове (с 55% до 12%) и соответственно к увеличению роста разнотравья, что может рассматриваться как прямая биоиндикация. Эти изменения растительного покрова ведут к падению численности саранчовых и росту численности тли. Изменения в соотношении двух групп насекомых – пример косвенной биоиндикации применения гербицида.

Схематически это можно изобразить следующим образом:

Прямая Косвенная

биоиндикация биоиндикация

факторы реакция факторы реакция

среды живой системы среды живой системы

Типы биоиндикаторов и критерии их выбора

Как уже отмечалось биоиндикаторы – это биологические объекты (от клеток и биологических макромолекул до экосистем и биосферы в целом), используемые для оценки состояния среды. Когда хотят подчеркнуть то, что биоиндикаторы могут принадлежать к разным уровням организации живого, то употребляют термин «биоиндикаторные системы»

Выделяют 2 типа биоиндикаторов:

v чувствительный – быстро реагирует значительным отклонением показателей от нормы. Например, отклонение в поведении животных, в физиологических реакциях клеток могут быть обнаружены практически сразу после начала действия нарушающего фактора;

v аккумулятивный – накапливает воздействие без проявляющихся нарушений. Например, лес на начальных этапах его загрязнения или вытаптывания будет прежним по своим основным характеристикам (видовому составу, разнообразию, обилию и т. п.), лишь по прошествии какого-то времени начнут исчезать редкие виды, произойдет смена преобладающих форм, изменится общая численность организмов и т. д. Таким образом, лесное сообщество как биоиндикатор не сразу проявит нарушение среды.

Биоиндикаторы принято описывать с помощью двух характеристик:

· специфичность;

· чувствительность.

При низкой специфичности биоиндикатор реагирует на разные факторы (обладает низкой избирательностью). При высокой специфичности – реагирует только на один фактор воздействия.

Говорят что биоиндикатор обладает низкой чувствительностью , если он отвечает только на сильные отклонения фактора от нормы (реагирует только на сильные воздействия). При высокой чувствительности биоиндикатор реагирует даже на незначительные воздействия.

Тест-организмы – это биоиндикаторы (растения и животные), которых используют для оценки качества воздуха, воды или почвы в лабораторных опытах.

Примеры тест-организмов:

§ одноклеточные зеленые водоросли (хлорелла, требоуксия, относящиеся к лишайникам);

§ простейшие (инфузория-туфелька);

§ членистоногие (рачки дафния и артемия);

§ мох мниум;

§ цветковые (злак плевел, кресс-салат).

Рассмотрим требования (критерии) при выборе организмов в качестве биоиндикаторов.

ü быть типичным для данных условий;

ü иметь высокую численность в исследуемом экотопе;

ü обитать в данном месте в течение ряда лет, что дает возможность проследить динамику загрязнения;

ü находиться в условиях, удобных для отбора проб;

ü характеризоваться положительной корреляцией между концентрацией загрязняющих веществ в организме-индикаторе и объекте исследования, т.е. в воздействующем факторе или субстрате;

ü использоваться в естественных условиях его существования;

ü иметь короткий период онтогенеза, чтобы была возможность отслеживания влияния фактора на последующие поколения.

Ответная реакция биоиндикатора на определенное физическое или химическое воздействие должна быть четко выражена, т.е. специфична, легко регистрироваться визуально или с помощью приборов.

При выборе индикатора необходимо принимать во внимание соображения экономики и учитывать характер использования тех или иных организмов. Например, тех, которые широко распространены на исследуемой территории и не занесены в «Красную книгу».

На уровне популяции биоиндикация проводится в том случае, если процесс распространения негативных изменений охватывает такое количество особей, при котором заметно сокращается численность популяции, изменяется ее половозрастная структура, сокращается продолжительность жизни, происходит сдвиг фенологических фаз и другое.

Экосистемный подход к оценке среды дает возможность ранней диагностики ее изменений. Сигналом тревоги служит разбалансировка продукционно-деструкционных процессов. Диагностическими признаками таких процессов является накопление органического вещества, заиление, зарастание водоемов, усиленное развитие микроорганизмов.

Для биоиндикации необходимо выбирать наиболее чувствительные сообщества, характеризующиеся максимальными скоростью отклика и выраженностью параметров. Например, в водных экосистемах наиболее чувствительными являются планктонные сообщества, которые быстро реагируют на изменение среды благодаря короткому жизненному циклу и высокой скорости воспроизводства. Бентосные сообщества, где организмы имеют достаточно длинный жизненный цикл, более консервативны: перестройки происходят в них при длительном хроническом загрязнении, приводящем к необратимости процесса.

Методы контроля при биоиндикации

Отклонение характеристик биоиндикатора в нарушенной среде необходимо сравнивать с нормой или «контролем». В зависимости от ситуации используются разные подходы:

1. Сравнение с характеристиками объекта вне зоны воздействий . Например, чтобы выявить изменение растительных сообществ при промышленном загрязнении, их сравнивают с сообществами, расположенными вне зоны антропогенного воздействия.

2. Сравнение с результатами эксперимента . В лабораторных опытах часть тест-организмов контактирует с загрязненной почвой, водой или воздухом, другая же часть (контрольная группа) – с заведомо чистыми субстратами. Для тестирования воздуха, например, применяют специальные камеры с тест-растениями. Через опытные камеры пропускают загрязненный воздух, а через контрольные – воздух, профильтрованный с помощью активированного угля.

3. Сравнение с характеристиками объектов в прошлом до воздействия человека (исторические стандарты) . Некоторые типы экосистем, например, европейские степи, практически утратили свой начальный облик. В таких случаях о степени их нарушенности можно судить по подробным научным описаниям или из художественных произведений прошлого.

Особенности биоиндикации на разных уровнях организации живого

Биоиндикация может осуществляться на всех уровнях организации живого: на уровне биологических макромолекул, клеток, тканей и органов, организмов, популяций (пространственная группировка особей одного вида), на уровне сообществ, экосистем и биосферы в целом.

На низших уровнях биоиндикации возможны прямые и специфические формы биоиндикации, на высших – лишь косвенные и неспецифические формы. Однако, именно последние дают комплексную оценку влияния антропогенных воздействий на природу в целом.

Клеточный и субклеточный уровни

Биоиндикация на этих уровнях основана на узких пределах протекания биотических и физиологических реакций. Ее достоинство заключается в высокой чувствительности к нарушениям, позволяющим выявить даже незначительные концентрации загрязнителей, и выявить их быстро. Именно на этих уровнях возможно наиболее раннее выявление нарушений среды. К числу недостатков относится то, что биоиндикаторы – клетки и молекулы – требуют сложной аппаратуры.

Результаты действия загрязнителей следующие:

ü нарушение биомембран (особенно их проницаемости);

ü изменение концентрации и активности макромолекул (ферментов, белков, аминокислот, жиров, углеводов);

ü аккумуляция вредных веществ;

ü нарушение физиологических процессов в клетке (метаболических процессов);

ü изменение размеров клеток.

Организменный уровень биоиндикации

Еще в древности некоторые виды растений использовали для поиска руд и других полезных ископаемых. Повреждения растений дымом были отмечены еще в середине XIX века вокруг садовых фабрик Англии и Бельгии.

Преимущество биоиндикации на этом уровне - небольшие затраты труда и относительная дешевизна, поскольку не требуется специальная лаборатория и высокая квалификация персонала.

С помощью растений можно проводить биоиндикацию всех природных сред. Индикаторные растения используют при оценке механического и кислотного состава почв, их плодородия, увлажнения и засоления, степени минерализации грунтовых вод, степени загрязнения атмосферного воздуха газообразными соединениями, а также при выявлении трофических свойств водоемов и степени их загрязнения.

Чувствительные фитоиндикаторы указывают на присутствие загрязняющего вещества в воздухе или почве ранними морфологическими реакциями – изменением окраски листьев, различной формы некрозами, преждевременным увяданием и опаданием листвы. У многолетних растений загрязняющие вещества вызывают изменение размеров, формы, количества органов, направление роста побегов или изменение плодовитости. Подобные реакции обычно неспецифичны.

При этом следует заметить, что некоторые естественные факторы могут вызывать симптомы, сходные с антропогенными нарушениями. Так, например, хлороз листьев может быть вызван как недостатком железа в почве, так и ранним заморозком. Поэтому при определении морфологических изменений у растений необходимо учитывать действие других повреждающих факторов.

Индикаторы другого типа представляют собой растения-аккумуляторы . Они накапливают в своих тканях загрязняющее вещество или вредные продукты метаболизма (связанные с действием загрязняющего вещества) без видимых изменений. При превышении порога токсичности ядовитого вещества для данного вида начинают проявляться различные ответные реакции, выражающиеся в изменении скорости роста и длительности фенологических фаз, биометрических показателей и в конечном счете, снижении продуктивности.

Индикаторные признаки растений классифицируют на 4 вида:

· флористические;

· физиологические;

· морфологические;

· фитоценотические.

Флористическими признаками являются различия состава растительности изучаемых участков, сформировавшегося вследствие определенных экологических условий, в сравнении с другими участками с иными экологическими условиями. При этом индикаторное значение имеет как присутствие, так и отсутствие вида.

К физиологическим признакам относятся особенности обмена веществ у растений.

К анатомо-морфологическим признакам относятся особенности внутреннего и внешнего строения различного рода аномалий развития и появление новообразований.

Фитоценотические признаки – особенности структуры растительного покрова, в частности и рассеянность вида.

Рассмотрим более детально морфологические изменения растений и причины их вызывающие:

· изменение окраски листев . Причины и виды изменения окраски:

◦ хлороз – бледная окраска листьев между жилками; отмечается при избытке в почве тяжелых металлов и газодымовом загрязнении воздуха;

◦ пожелтение участков листьев. Характерно для лиственных деревьев при засолении почвы хлоридами;

◦ покраснение – возникает под действием сернистого газа;

◦ побурение или побронзовение. Часто означает начальную стадию некротических повреждений;

◦ листья как бы пропитаны водой (как при морозных повреждениях). Возникает под действием ряда окислителей, например, при действии пероксиацетилнитрата;

◦ серебристая окраска листьев возникает под действием озона, в частности на листьях табака.

· некрозы – отмирание участков ткани листа, иногда в специфической форме. Бывают:

◦ точечные и пятнистые. Например, у табака при действии озона серебристого цвета;

◦ межжилковые – некроз тканей между боковыми жилками. Возникает под действием SO 2 ;

◦ краевые. Например, на листьях липы под действием соли (NaCl), которой зимой посыпают улицы;

◦ «рыбий скелет» - сочетание межжилковых и краевых некрозов;

◦ верхушечные некрозы. Например, у хвойных растений хвоинки становятся на вершине бурыми.

· преждевременное увядание. Например, под действием этилена в теплицах не раскрываются цветки у гвоздики, увядают лепестки орхидей. Сернистый газ вызывает увядание листьев малины;

· дефолиация – опадание листвы. Обычно наблюдается после некрозов и хлорозов. Например, осыпание хвои у ели и сосны при газодымовом загрязнении воздуха, а у лип и конских каштанов – от соли для таяния льда, у крыжовника и смородины – под действием сернистого газа;

· изменение размеров органов. Как правило, это проявление неспецифично. Например, хвоя сосны вблизи заводов по производству удобрений удлиняется от нитратов и укорачивается от SO 2 , у ягодных кустарников дым вызывает уменьшение размеров листьев;

· изменение формы, количества и положения органов. Аномальную форму листьев отмечали после радиоактивного облучения. В результате локально возникающих некрозов происходит вздувание или искривление листьев, сращивание или расщепление отдельных органов, увеличение или уменьшение частей цветка;

· изменение плодовитости. Обнаружено у многих растений. Например, уменьшается образование плодовых тел у грибов, снижается продуктивность у черники и ели.

Биоиндикация на примере животных

Наблюдать за изменениями животных в нарушенной среде значительно сложнее, чем за неподвижными растениями. Более доступны насекомые и моллюски. Эти группы чаще других и используют в целях биоиндикации.

1. Морфологические изменения (размеров, пропорций, покровов, окраски, уродства):

§ размеры и пропорции тела на загрязненных участках достоверно отличаются:

У ряда тлей (ширина головы, длина бедра и голени, усиков, хвостика и сифона);

У некоторых брюхоногих моллюсков размеры раковинок;

На загрязненном корме размеры личинок насекомых обычно уменьшаются;

§ покровы – у тли (Aphis fabae) после добавления в пищу сульфат-ионов существенно изменялась зернистость покрова

§ окраска – явление более темной окраски в загрязненных районах отмечено у:

Бабочки пяденицы березовой;

Двухточечной божьей коровки (обычно доля черных форм составляет 2-3%, а в загрязненных районах – намного выше);

§ уродства – под действием ксенобиотиков (дизельного топлива, ДДТ и других) возникают нарушения формообразующих процессов в развитии насекомых. В опытах доля аномальных бабочек огнёвки выросла от 5% до 35% при добавлении в пищу PbO. Исследование рыб (плотва, лещ, карась и др.) в Москве-реке в пределах города выявило следующие уродства: нарушение формы тела, искривление позвоночника, нарушение пигментации, редукцию плавников, «мопсовидность» головы, слепоту, бельмо на глазу, выпуклость глаз, ожирение, длиннохвостость и др. Так, у плотвы доля особей с уродствами составляла от 10 до 70%;

§ изменение толщины скорлупы яиц у птиц при питании пищей с примесями ДДТ.

2. Физиологические изменения:

у личинок водных насекомых имеются хлоридные клетки, способные активно поглощать анионы, особенно хлорид-ионы, обеспечивая постоянство их концентрации в гемолимфе. Эти клетки обычно расположены на жабрах или на брюшке. Число таких клеток обратно пропорционально уровню солености воды. При каждой линьке их число приводится в соответствие с соленостью воды. От линьки к линьке можно определить тенденции в изменении солености водоема.

Примеры биоиндикации на популяционно-видовом уровне

Популяция - естественная пространственная группировка особей одного вида. Характеризуется плотностью, структурой (половозрастной, экологической и пр.), особенностями динамики. Отклонения этих показателей от нормы и положены в основу биоиндикации с помощью популяций.

Растения

1. Плотность - количество особей вида на единицу площади или объема (величины которых выбираются в зависимости от размера организмов и среды обитания: 1м 2 , 1 км 2 , 1 га, 1 см 3 и т.д.).

В целом, под влиянием антропогенного вмешательства у большинства видов, особенно чувствительных, плотность популяций падает. Биоиндикация основана на учете плотности популяции чувствительных к нарушениям видов, например, площади, покрытой лишайником леканора (Lecanora conizaeoides). Этот относительно дымостойкий лишайник встречается в Европе на всех древесно-кустарниковых породах, что позволяет произвести первую оценку интенсивности многолетнего загрязнения воздуха на данной территории. Площадь покрытия лишайника хорошо коррелирует с концентрацией сернистого газа в воздухе, причем и безлесных ландшафтах влияние последнего намного сильнее, чем в лесных.

Увеличивать плотность могут популяции сорняков, галофилов и других устойчивых к антропогенному прессу видов, что также может служить целям биоиндикации.

2. Возрастная структура популяций . При антропогенном вмешательстве нарушается соотношение между молодыми, размножающимися и старыми особями в популяции:

а) популяция омолаживается, если смертность возрастает, а стадии развития укорачиваются. Это отмечено на сенокосных лугах, по сравнению с некосимыми, на городских газонах, в напочвенной растительности после прореживания лесов;

б) популяция стареет, если нарушается возобновление. Например, загрязнение сернистым газом нарушает возобновление в букняках.

3. Экологическая структура популяций .Природные популяции обычно состоят из нескольких экотипов - групп особей, приспособленных к разным условиям среды. Экотипы способствуют выживанию популяции при изменении условий местообитания. Популяции многих видов включают экотипы с высокой устойчивостью к определенным антропогенным воздействиям. Распространение устойчивых, вытеснение ими чувствительных экотипов происходит иногда очень быстро. Например, химизация и механизация сельского хозяйства привела к сильному сужению спектра изменчивости у мака-самосейки, что обнаружено при сравнении данных за 1950 и 1980 гг.

Животные

1. Плотность популяций . Для биоиндикации важен выход этого показателя за пределы нормы:

а) сокращение популяций:

· многочисленные примеры редких и вымирающих видов;

· хлорорганические соединения (ДДТ) привели к сокращению популяций дневных хищных птиц;

· тяжелые металлы в сочетании с SO 2 приводят к резкому сокращению численности дождевых червей - начало уменьшения численности наблюдается, когда фоновое загрязнение превышено в 2,0-2,3 раза, при 4,0-4,5-кратном превышении черви исчезают;

Активный мониторинг : почвообитающих клещей-орибатидов (Humerobates rostrolamellatus) выдерживают в специальных камерах в течение недели в разных районах города. Существует корреляция между смертностью клещей и концентрацией в воздухе сернистого газа;

б) рост популяций: озерных чаек в Средней Европе обусловлен эвтрофикацией культурных ландшафтов; короеда-типографа при действии газодымовых выбросов; сосущих растительноядных насекомых (в основном тлей) при действии выхлопных газов (причины - уменьшение врагов, а также физиологические и биохимические изменения растений-хозяев под действием поллютантов.

2. Динамика популяций . Обычно возрастает амплитуда колебаний плотности популяций:

рудеральные, навозные и компостные виды коллембол в городе;

сезонные пики численности могут смещаться на иные сроки (в городе, где среднегодовая температура выше, чем в природе, на несколько градусов, коллемболы имеют ранневесенний пик, как в более южных зонах).

3. Пространственная структура . Распределение особей в пространстве обычно становится более мозаичным, поскольку животные концентрируются на менее нарушенных участках. С другой стороны, нарушается размещение особей, свойственное природным популяциям.

4. Изменение ареала . По антропогенным территориям (полям, городам) южные виды распространяются далеко на север, за пределы своей зоны.

Липиды (от греч. lipos – жир) – природные органические соединения, содержащие высокомолекулярные жирные кислоты. Содержатся во всех живых клетках (в мембранах) и образуют энергетический резерв.

Сенсибилизация (от лат. sensibilities – чувствительный) – повышение чувствительности организма к действию каких-либо раздражителей (вызывают аллергические реакции и заболевания)

Основной задачей биологического мониторинга является определение состояния биотической составляющей биосферы, ее отклика, реакции на антропогенное воздействие, определение функции состояния и отклонения этой функции от нормального естественного состояния на различных уровнях организации биосистем.

Исследование содержания различных ингредиентов в биоте лишь условно можно отнести к биологическому мониторингу. Этот вопрос относится к измерению загрязнителей в различных средах. К биологическому мониторингу можно отнести также наблюдения за состоянием биосферы с помощью биологических индикаторов.

Биологический мониторинг включает мониторинг живых организмов-популяций (по их числу, биомассе, плотности и другим функциональным и структурным признакам), подверженных воздействию. В этой подсистеме мониторинга целесообразно выделить следующие наблюдения:

• а) за состоянием здоровья человека, воздействием окружающей среды на человека (медико-биологический мониторинг);
• б) за важнейшими популяциями как с точки зрения существования экосистемы, характеризующей своим состоянием благополучие той или иной экосистемы, так и с точки зрения большой хозяйственной ценности (например, ценные сорта рыб);
• в) за наиболее чувствительными к данному виду воздействия (либо к комплексному воздействию) популяциями (например, растительность к воздействию двуокиси серы) или за "критическими" популяциями по отношению к данному воздействию (например, зоопланктон эпишура в оз. Байкал к сбросам целлюлозных предприятий);
• г) за популяциями-индикаторами (например, лишайники).

Особое место в биологическом мониторинге должен занять генетический мониторинг (наблюдение возможных изменений наследственных признаков у различных популяций).

Экологический мониторинг (глобальный мониторинг биосферы) является более универсальным, он обобщает результаты и биологического, и геофизического мониторинга на уровне экологических систем.

В настоящее время наиболее развита система биологического мониторинга поверхностных вод (гидробиологический мониторинг) и лесов. Однако даже в этих областях биологический мониторинг существенно отстает от мониторинга абиотических характеристик среды - как по методологическому, методическому и нормативному обеспечению, так и по количеству наблюдений. Например: наблюдениями за загрязнением поверхностных вод суши по гидрохимическим показателям охвачены 1166 водных объектов. Отбор проб ведется на 1699 пунктах (2342 створа) по физическим и химическим показателям с одновременным определением гидрологических показателей. В то же время, наблюдения за загрязнением поверхностных вод суши по гидробиологическим показателям производятся лишь в пяти гидрографических районах, на 81 водном объекте (по 170 створам), причем программа наблюдений включает от 2 до 6 показателей.

В работах по созданию Единой государственной системы экологического мониторинга (ЕГСЭМ) принимает участие Госкомрыболовство России (создание Единой государственной системы мониторинга водных биоресурсов, наблюдений и контроля за деятельностью российских и иностранных рыболовных судов с использованием космических средств связи и специализированных информационных технологий). Мониторинг водных биоресурсов предусматривает:

• - мониторинг объектов животного мира, принадлежащих к объектам рыболовства;
• - мониторинг состояния загрязнения биоресурсов рыбохозяйственных водоемов Российской Федерации и среды их обитания;
• - информационный бюллетень "Радиационная обстановка в рыбопромысловых районах Мирового океана";
• - отраслевой кадастр промысловых рыб Российской Федерации.

← Вернуться