Использование биологических методов при контроле и мониторинге окружающей среды

В роли биоиндикаторов могут быть использованы пыльца растений, хвоя сосны обыкновенной и др.

Среди животных также выделяются группы организмов, положительно или отрицательно реагирующие на различные формы антропогенной трансформации среды (ракообразные, моллюски, личинки ручейников, поденок, веснянок и др.).

Чувствительными биоиндикаторами могут служить как отдельные процессы в клетке и организме (изменение ферментативной активности, изменение в пигментном комплексе), так и морфологические изменения (изменения формы и размера листовой пластинки, уменьшение продолжительности жизни хвои).

Важной характеристикой любого индикатора является его достоверность.

Одним из широко распространенных методов биоиндикации является метод эталонов. Суть его заключается в сравнении изучаемых экосистем с некоторой фоновой, принятой за образец по интересующим параметрам.

Метод особенно актуален при индикации загрязнений, когда сравнение ведется с природными показателями и характеристиками, не затронутыми антропогенным воздействием.

Основные требования, предъявляемые к организмам, используемым в целях биоиндикации, можно суммировать следующим образом:

- присутствие объектов  биоиндикации в исследуемой экосистеме по возможности в большом количестве и с однородными свойствами;

- широкое представительство  организма - биоиндикатора в раз- личных местах обитания и широкое  географическое распространение;          - легкость идентификации и доступность в получении материала;   отсутствие сезонных отличий при использовании биоиндикатора;

- его относительная устойчивость  к воздействию и накоплению  стрессора;

- наличие взаимосвязи  между реакцией организма и  уровнем воздействия стрессора  на экосистему.

Объектами биоиндикации, в зависимости от конкретных задач экологического исследования, могут выступать разные группы живых организмов - животные, растения и микроорганизмы.

Животные в этом качестве интересны как объект, физиологически близкий человеку. По их реакциям можно предвидеть санитарные последствия  загрязнений  не  только  для  природы,  но  и  для  людей.

Микроорганизмы - наиболее быстро реагирующие биоиндикаторы, они также лучше всего подходят для экотоксикологических экспериментов и расшифровки биохимических механизмов действия отдельных загрязнителей на живой организм.

Растениям отводится особое место при биоиндикаторной оценке состояния окружающей среды. В связи с автотрофным характером метаболизма растения очень чутко реагируют на загрязненность окружающей среды, проявляя высокую чувствительность, особенно к действию газообразных токсикантов, а также тяжелых металлов.

Биоиндикация может проводиться на различных уровнях организации живого: макромолекул, клетки, организма, популяции, сообщества и экосистемы.

 

7. БИОИНДИКАЦИЯ СОСТОЯНИЯ РАЗЛИЧНЫХ СРЕД

Биоиндикация состояния воздушной среды: 

          Одним из наиболее распространенных  видов загрязнений природной  среды являются выбросы в атмосферу  токсичных газообразных соединений: двуокиси серы, окиси углерода, фтористого водорода, сероводорода, окислов азота, хлористого водород и др. Поступление их в атмосферу связано с деятельностью различных предприятий, сжиганием мусора и выбросами автотранспорта.

Хорошими индикаторами загрязнения воздушной среды являются растения, поскольку они в большей степени поражаются загрязненным воздухом и сильнее реагируют на те концентрации большинства вредных примесей, которые у людей и животных не оставляют видимых явлений отравления.

При биоиндикационных исследованиях и анализе реакции организма на воздействие загрязнения воздуха следует различать газоустойчивость и газочувствительностъ растений.

Газоустойчивостъ – способность сохранять свойственные организму процессы жизнедеятельности и семенного воспроизводства в условиях загрязнения газами и парами  атмосферного воздуха. Уровень газоустойчивости вида или особи оценивается по предельным концентрациям токсичного вещества,     которые не вызывают функциональных и структурных нарушений в организме в период наивысшей физиологической активности и чувствительности к действующим атмосферным примесям.

Газочувствителъность - реакция организма на воздействие загрязняющего вещества в определённый период его развития. В биоиндикационных исследованиях необходимо учитывать систематическую принадлежность видов и изменение степени их газоустойчивости.

Биоиндикационными признаками служат: изменение размеров клеток тканей, смоляных ходов, листьев, трансформация размеров стеблей и в целом организмов.

      Признаком токсического воздействия является снижение биопродуктивности и запасов биомассы, изменение плодовитости организмов. При хроническом загрязнении воздуха происходят изменения в составе, структуре и строении фито- и зооценозов. При сильном загрязнении отмечается деградация лесных сообществ.

Биоиндикация состояния почв:

Почва - это единственный компонент ландшафта, который возникает в результате взаимодействия всех других его компонентов: горных пород, климата, природных вод, растительности, микроорганизмов и животных.

Загрязненные почвы являются источниками вторичного загрязнения приземного слоя воздуха, поверхностных и грунтовых вод; из почв растения поглощают минеральные вещества, вовлекая их в биологический круговорот. Таким образом, почвенный покров определяет миграцию химических элементов по цепи питания, поэтому

изучение его состояния представляет собой существенную часть работ по оценке влияния антропогенных факторов на природную среду.

Основные характеристики почв, которые являются объектом биоиндикации, – кислотность, механический состав, влажность, содержание питательных веществ. По степени накопления некоторых токсичных веществ в растениях (аккумулятивная биоиндикация) судят о степени загрязнения ими почвы.

Биоиндикация процессов закисления, нейтрализации или подщелачивания почвенных растворов проводится с использованием фитоиндикаторов кислотности почв, а также изменения видового состава биоценоза и его динамики во времени. По отношению к рН окружающей среды выделяют ацидофилы - растения, произрастающие на кислых почвах; базифилы — растения, произрастающие на щелочных почвах; нейтрофилы — растения почв с нейтральной реакцией.

В зависимости от отношения к засоленности почв у растений выделяются галофиты - растения засоленных местообитаний и галофобы (гликофиты) - виды растений, избегающие засоленных почв. В   районах   с   природным   повышенным   содержанием тяжёлых металлов возникают металлофитные флоры (медная, кобальтовая и т.д.), состоящие из специфических видов.

Биоиндикация состояния водной среды:

Гидросфера служит естественным аккумулятором большинства загрязняющих веществ, поступающих непосредственно в атмосферу и литосферу. Можно выделить наиболее существенные проблемы, связанные с антропогенным воздействием на водные объекты: эвтрофирование, избыточное поступление органических вешеств, закисление, загрязнение токсичными химическими веществами, воздействие гидротехнических работ.

Показателями эвтрофирования являются: последовательная смена популяций водорослей и преобладание в эвтрофных экосистемах синезеленых и зеленых водорослей; значительное увеличение биомассы фитопланктона; снижение видового разнообразия; увеличение количества нитчатых водорослей в прибрежной зоне; увеличение численности, биомассы и изменение состава зоопланктона и бентоса; увеличение ихтиомассы; повышение заражённости паразитами.

По мере повышения кислотности водной среды уменьшается видовое разнообразие водных организмов, происходит смена доминант- ных видов, снижается интенсивность продукционных процессов.

Индикаторным показателем химического загрязнения является накопление устойчивых токсикантов в гидробионтах (преимущественно в рыбе и организмах бентоса). Под воздействием токсичных веществ отмечается уменьшение видового разнообразия, снижение численности и биомассы гидробионтов, изменение структуры сообществ фитопланктона,    зоопланктона и др.   У рыб наблюдаются признаки хронического токсикоза, выражающиеся в патологических изменениях органов и тканей. Выявляется увеличение частоты изменений генетического материала гидробионтов (генотоксичное воздействие).

8. БИОИНДИКАЦИЯ  В ЭКОЛОГИЧЕСКОМ        МОНИТОРИНГЕ

Мониторинг        окружающей среды – комплексная система наблюдений, оценки и прогноза изменений природных сред, природных ресурсов, растительного и животного мира, позволяющая выделить изменения их состояния и происходящие в них процессы под влиянием антропогенной деятельности.

Биоиндикация как метод исследования экологических систем является основой биомониторинга - составной части экологического мониторинга.

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. В классификаторе качества вод Роскомгидромета используют показатели развития донных беспозвоночных, перифитона, фито-, зоо- и бактериопланктона.

В оценке загрязнения наземных экосистем широко используются лихеноиндикация и дендроиндикация. Оцениваются такие показатели, как состояние эпифитных лишайников, состав и состояние растительности, их биомасса, химический состав хвойных игл, в частности, содержание микроэлементов,        активность    почвенных    ферментов,   

скорость разложения растительных остатков и др. Результаты мониторинга представляют в виде таблиц и графиков, используемых для оценки состояния экосистем и прогноза их изменений.

 

9. БИОТЕСТИРОВАНИЕ

           Под биотестированием обычно  понимают процедуру 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.

 С конца XX в. в России биотестирование стало обязательным элементом контроля качества поверхностных вод. Показатели биотестирования природных вод были включены в перечень характеристик для выявления зон чрезвычайной экологической ситуации и зон экологического бедствия.

Биотестирование основано на регистрации изменений биологически значимых показателей (тест-функций) исследуемых тeст- объектов с последующей оценкой их состояния в соответствии с выбранным критерием токсичности. Как тест-функцию можно рассматривать любой показатель реакции гидробионтов на соответствующие изменения внутренних и внешних условий среды. Биологические тест-функции — выживаемость, размножение, плодовитость, качество потомства; физиологические — дыхание, показатели крови, обмен веществ, активность питания.

Тест-объекты (тест-организмы) — это подопытные биологические объекты     (организмы),     используемые     при     оценке     токсичности

химических веществ, природных и сточных вод, почв, донных отложений и др. Проявляющийся токсический эффект регистрируется и оценивается в эксперименте. Тест-объекты позволяют заменить сложные химические анализы и оперативно установить факт токсичности среды. Организмы, используемые при биотестировании, культивируются в стандартных условиях. К ним относятся:относительно просто организованные гидробионты, такие, как простейшие (инфузории), плоские черви, мшанки, кишечнополостные, моллюски, членистоногие и т. п.

Под биотестом понимается оценка (испытание) в строго определенных условиях действия вещества или комплекса веществ на живые организмы путем регистрации изменений того или иного биологического (или физиолого-биохимического) показателя исследуемого объекта по сравнению с контролем. Главные требования к биотестам – чувствительность и быстрота ответа, четкая реакция на внешние воздействия.

Цель биотестирования – выявление степени и характера токсичности тестируемой среды.

 

10. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТОКСИЧНОСТИ.

ЗАВИСИМОСТЬ «ДОЗА-ЭФФЕКТ»

        Токсичность - cвойство химических веществ проявлять повреждающее или летальное действие на живые организмы. Вещество, оказывающее токсическое действие, называется токсикантом, а процесс воздействия токсиканта на организм - токсикацией (на экосистему - токсификацией). Токсичность водной среды - токсичность воды и донных отложений для гидробионтов, возникающая вследствие появления в ней токсических веществ природного или антропогенного происхождения (ксенобиотиков), загрязнения сточными водами, токсическими атмосферными осадками и пр. При возникновении токсичности вода из среды, поддерживающей жизнь, становится средой, губительной для жизни. Степень токсичности водной среды оценивается методами биотестирования, а также по превышению ПДК (предельно допустимых концентраций).

Зависимость «доза-эффект». Спектры проявлений токсического процесса определяются строением токсиканта, однако выраженность развивающегося эффекта является функцией количества действующего агента. В качестве вредного агента могут рассматриваться токсичные вещества, биологические субстанции, проникающая радиация и другие повреждающие факторы. В качестве эффектов могут учитываться самые разнообразные признаки. Например, летальный исход, выход показателя за пределы биологической нормы и т.п. Для обозначения количества вещества, действующего на биологический объект, используют понятие дозы  (воздействующей   дозы).   Вид   повреждающего  агента   и  путь поступления воздействующей дозы могут быть самыми разнообразными. Воздействующую дозу можно непосредственно измерить при помощи технических средств и выразить в соответствующих единицах (мг/кг, мг/м3, Гр, Кл/кг и т.д.). Зависимость «доза-эффект» может быть прослежена на всех уровнях организации живой материи: от молекулярного до популяционного. При этом в подавляющем большинстве случаев будет регистрироваться общая закономерность: с увеличением дозы – увеличивается степень повреждения системы. На проявление зависимости «доза-эффект» оказывает существенное влияние внутри- и межвидовая изменчивость организмов. Особи, относящиеся к одному и тому же виду, существенно отличаются друг от друга по биохимическим, физиологическим, морфологическим характеристикам. Эти отличия в большинстве случаев обусловлены их генетическими особенностями. Еще более выражены, в силу тех же генетических особенностей, межвидовые различия. В этой связи дозы конкретного вещества, в которых оно вызывает повреждение организмов одного и того   же   и,   тем   более,   разных   видов,   порой   очень   существенно различаются. Следовательно, зависимость «доза-эффект» отражает свойства не только токсиканта, но и организма, на который он действует. На практике это означает, что количественную оценку токсичности, основанную на изучении зависимости «доза-эффект», следует проводить в эксперименте на различных биологических объектах и обязательно прибегать к статистическим методам обработки получаемых данных.