Использование биологических методов при контроле и мониторинге окружающей среды

Федеральное  агентство  морского и речного транспорта

Федеральное государственное образовательное  учреждение

высшего  профессионального образования

«Волжская  государственная  академия  водного  транспорта»

 

 

 

 

 

Кафедра охраны окружающей среды и производственной безопасности

 

 

 

 

 

Курсовая   работа  на  тему:

«Использование  биологических  методов  при  контроле  и  мониторинге  окружающей  среды»

 

 

 

 

 

 

  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Н. Новгород

 

2014 

СОДЕРЖАНИЕ

1. Введение………...……………………………………………………………...… 3

2. Загрязнение окружающей среды и его виды ……………….…………………..4

3. Применение биологических методов для оценки

    качества среды обитания…………………………………..………………....…. 5

4. Экологические  основы  биоиндикации………………………………..…..……7

5. Стресс и факторы, вызывающие его у организмов………………………..……9

6. Биоиндикаторы, их чувствительность. Объекты биоиндикации……………. 10

7. Биоиндикация  состояния различных сред……………………………..……. ..12

8. Биоиндикация в экологическом мониторинге……….……………………..…15  9. Биотестирование.………………………………………………………………...15

10. Определение токсичности. Зависимость "доза-эффект"…………...………..17

11. Развитие методов биотестирования в мировой практике……………………19 12. Биотестирование сточных вод.………………………………………………..20

13. Биотестирование природных вод и донных отложений.…………..…...……21

14.Оценка качества вод  методом биотестирования в системе 

      хозяйственно-питьевого водоснабжения ……..………………….…………..22

Заключение …………………………………………………………………………23

Список литературы…………………………...…………………………………….24

 

ВЕДЕНИЕ

        В  настоящее время можно считать общепринятым, что основным индикатором устойчивого развития в конечном итоге является качество среды обитания. Под экологическим качеством среды обитания человека понимают интегральную характеристику природной среды, обеспечивающую сохранение здоровья и комфортное проживание человека. Любые современные технологии направлены на все более эффективное использование природных ресурсов и, тем самым, на перестройку окружающей среды. В результате происходит её деформация, возникают локальные, региональные и глобальные нарушения.

       Антропогенные  воздействия представляют собой, с одной стороны, новые параметры  среды, с другой - обусловливают антропогенную  модификацию уже имеющихся природных  факторов и, тем самым, изменение  свойств биологических систем.

        Поэтому  необходимо проводить интегральную оценку качества среды с  целью определения состояния биоресурсов, разработки стратегии рационального использования региона, определения предельно допустимых нагрузок для экосистем региона; 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.

 

 

 

 

 

 

 

 

2. ЗАГРЯЗНЕНИЕ  ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ   И ЕГО  ВИДЫ

Загрязнение окружающей среды – процесс привнесения в среду или возникновение в ней новых, обычно нехарактерных для нее физических, химических, биологических агентов, оказывающих негативное воздействие. Основные виды загрязнений: физическое (радиация, электромагнитное излучение и т.д.), химическое (аэрозоли, тяжелые металлы и т.д.), механическое (пыль в атмосфере, строительный мусор), биологическое (микробиологическое, внесение чужеродных видов ). Каждый тип загрязнения имеет характерный и специфичный для него источник загрязнения – природный или хозяйственный объект, являющийся началом поступления загрязнителя в окружающую среду.

Различают  природные  и  антропогенные  источники  загрязнения. Основные природные   источники поступления токсикантов в окружающую среду – ветровая пыль, лесные пожары, вулканический материал, растительность, морские соли. Антропогенные источники – это  первичное  и  вторичное  производство  цветных  металлов,  стали, чугуна, железа; добыча полезных ископаемых; автомобильный транспорт; химическая промышленность; производство фосфатных удобрений; процессы сжигания угля, нефти, газа, древесины, отходов и др.  Антропогенный  поток  поступления  токсикантов  в  окружающую среду превалирует над естественным  (50–80 %) и лишь в некоторых случаях сопоставим с ним.

Используемые в производственных лабораториях методы физико- химического и аналитического контроля качества окружающей среды не всегда могут дать адекватную картину действия того или иного вещества на целостный организм. Кроме того, многие вещества как природного, так и синтетического происхождения, являются многокомпонентными, что затрудняет их физико-химическую стандартизацию.    При всей важности проведения оценки качества среды на всех уровнях с применением различных подходов (включая физические, химические, социальные и другие аспекты) приоритетной представляется биологическая оценка. Наиболее простым объяснением этому может быть то, что именно состояние различных видов живых существ и самого человека является конечной целью всех природоохранных мероприятий.

В различных  областях  промышленности  возникает  всё  большая потребность в проведении разнообразных биологических тестов, связанная с нарастанием экологических проблем, а также ростом спользования биологических объектов в практике.

 

3. ПРИМЕНЕНИЕ БИОЛОГИЧЕСКИХ МЕТОДОВ ДЛЯ ОЦЕНКИ КАЧЕСТВА СРЕДЫ ОБИТАНИЯ

В настоящее время при оценке состояния окружающей среды ведущая    роль    отводится    физическим    и    химическим    методам экологического контроля. Их сущность сводится к сравнению загрязнения отдельных компонентов природных комплексов с ПДК или ПДУ. Однако существующие системы нормативов не обеспечивают экологическую безопасность экосистем. Действующая сегодня в практике природопользования регламентация антропогенного воздействия на природную среду приводит к тому, что экосистема даже в идеальных случаях контроля часто подвергается чрезмерным нагрузкам.

Изучение последствий антропогенного воздействия на окружающую среду невозможно без применения биолгических методов контроля, котроые позволяют быстро оценивать качество среды и наличие некоторых загрязнений, не обнаруживаемых другими  методами. К биологическим методам контроля относятся биоиндикация и биотестирование.

Биоиндикация – это определение биологически значимых нагрузок на основе реакций на них живых организмов и их сообществ. В полной мере это относится ко всем видам антропогенных загрязнений.

Основой задачей биоиндикации является разработка методов и критериев,     которые     могли     бы     адекватно     отражать     уровень антропогенных    воздействий    с    учетом    комплексного    характера загрязнения и диагностировать ранние нарушения в наиболее чувствительных компонентах биотических сообществ. Организмы или сообщества организмов, жизненные функции которых тесно взаимосвязаны с определенными факторами среды и могут применяться для их оценки, называются биоиндикаторами.

 Биотестирование - исследование в стандартных условиях видимых или незаметных повреждений и отклонений  на наиболее чувствительных к данному фактору тест-организмах. Под биотестированием обычно понимают процедуру установления токсичности среды с помощью тест-объектов –специально отобранных и выращиваемых живых организмов, сигнализирующих об опасности независимо от  того, какие вещества и в каком сочетании вызывают изменения их жизненно важных функций.

Методами биоиндикации и биотестирования определяется присутствие в окружающей среде того или иного загрязнителя по наличию или состоянию определенных организмов, наиболее чувствительных к изменению экологической обстановки, т.е. обнаружение и определение биологически значимых антропогенных нагрузок на основе реакции на них живых организмов и их сообществ. Таким образом, применение биологических методов для оценки среды подразумевает выделение видов животных или растений, чутко реагирующих на тот или иной тип воздействия. Биологическими методами с использованием подходящих индикаторных организмов в определенных условиях может осуществляться    качественная и количественная оценка (без определения степени загрязнения) эффекта антропогенного и естественного влияния на окружающую среду.

 

 

 

 

4. ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ БИОИНДИКАЦИИ

Известно, что все живые организмы предъявляют к условиям местообитания определенные требования. Они были выработаны в процессе развития вида и определяют его  существование в условиях соответствующей экологической ниши. На живой организм всегда действует совокупность экологических факторов. Широко распространено разделение факторов на абиотические (физико- географические: факторы экотопа - климатические, эдафические, орографические, химические и  т. д.) и биотические (фитогенные, зоогенные, антропогенные и т.д.).

Все биологические системы - будь то организмы, популяции или биоценозы - в ходе своего развития приспособились к комплексу условий местообитания. Каждый организм обладает генетически закрепленным физиологическим порогом толерантности (выносливости) к определённому фактору, в пределах которого этот фактор является для него переносимым.

Реакция организма, его угнетение или процветание зависит от степени воздействия фактора, т.е. каждый вид приспособлен к определенной интенсивности каждого экологического фактора и к определенному диапазону его изменчивости.

Согласно «закону минимума» Ю.Либиха и «закону толерантности» Шелфорда, существование вида определяется лимитирующими факторами в области пессимума в максимальных  и минимальных значениях. Вблизи точек максимума и минимума лежат сублетальные величины экологического фактора, а за пределами зоны толерантности - летальные.

Оптимальное значение фактора определить трудно, поэтому принято говорить о зоне оптимума, при которой наблюдается наивысшая продуктивность вида.

Условия среды, выходящие за пределы оптимальной зоны, называются экстремальными и составляют зону угнетения. За пределами зоны толерантности лежат летальные значения, вызывающие гибель организма (рис.1).

Рис. 1. Схема влияния экологического фактора. Диапазон действия (или зона толерантности) ограничен крайними пороговыми значениями (точки минимума (1) и максимума (З)). Точка (2), соответствующая наилучшим  показателям жиз- недеятельности, - это точка оптимума.

Физиологический диапазон толерантности обычно неодинаков для разных стадий развития организма и для всех особей данной популяции.

На неблагоприятные условия среды живые организмы реагируют определенными действиями или изменением состояния, которые определяют выживание вида. Существуют два основных способа преодоления неблагоприятных воздействий: их избегание и приобрете- ние выносливости. Первый преимущественно используется животными, обладающими подвижностью. Он представляет собой различного рода передвижения из неблагоприятных условий в благоприятные и включает различные миграции, и т.д. Большинство растений лишено такой возможности. Поэтому основной стратегией жизни растений является адаптация к неблагоприятным условиям за счет выработки различных приспособлений (за счет изменения строения, процессов жизнедеятельности и т.д.), обеспечивающих нормальное функционирование организмов.

 

5. СТРЕСС  И ФАКТОРЫ, ВЫЗЫВАЮЩИЕ ЕГО У ОРГАНИЗМОВ

Стресс - это состояние критической нагрузки, которое проявляется в виде специфического синдрома, который складывается из неспецифических изменений внутри биологической системы.

От биотических стрессоров, воздействующих на биологические системы в форме хищничества, инфекции и конкуренции, четко отличаются абиотические, включающие слишком высокие или слишком низкие температуры, избыток или недостаток воды, экстремальное облучение, воздействие химических веществ, сильные ветры, крайние значения атмосферного давления, шума, магнитных и электрических воздействий.

В естественных условиях организмы часто подвергаются воздействию различных абиотических стрессоров. К ритмически повторяющимся экстремальным условиям среды, например, холоду, засухе, жаре, многие организмы приспособились путем изменения активности (спячка, анабиоз), что делает их устойчивыми к стрессу. Другие организмы могут уклоняться от воздействия экстремальных условий при помощи специфических приспособлений (избегание стресса) - это глубокое укоренение, уход в другие зоны обитания.

   Опасность антропогенных  стрессоров состоит, прежде всего, в том, что биологические системы  недостаточно адаптированы к ним. Антропогенные стрессоры создаются с такой скоростью, что  эти системы не успевают активизировать адаптационные процессы. Многие антропогенные факторы среды потому и становятся опасными для живого (стрессорами), что они крайне 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 к распаду биологической системы.

 

6. БИОИНДИКАТОРЫ, ИХ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТЬ. ОБЪЕКТЫ БИОИНДИКАЦИИ

Биоиндикаторами могут быть живые организмы, обладающие хорошо выраженной реакцией на внешнее воздействие: различные виды бактерий, водорослей, грибов, растений, животных и т.п. Существенным свойством биоиндикаторов является чувствительность. Проявление реакции организма при незначительных отклонениях характеризуется как ранняя индикация. Часть видов, наоборот, накапливает воздействия без быстрого проявления. Такие биоиндикаторы называются аккумулятивными. Если биоиндикатор реагирует значительным отклонением жизненных проявлений от нормы, то он является чувствительным биоиндикатором.

К чувствительным биоиндикаторам относятся лишайники, мхи, почвенные и водные микроорганизмы (водоросли, бактерии, микроскопические грибы).