Биологический мониторинг как составная часть

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ
ФГОУ ВПО «Сибирский федеральный университет»
Кафедра экотоксикологии и микробиологии
БИОЛОГИЧЕСКИЙ КОНТРОЛЬ СОСТОЯНИЯ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ
Биологический мониторинг как
составная часть экологического
мониторинга
(2 часа)
1
Биологический мониторинг как составная часть экологического
мониторинга
Под экологическим мониторингом понимают
проводимые
по
определенным
программам
регулярные наблюдения за природными средами,
природными ресурсами, растительным и животным
миром, источниками антропогенного воздействия,
позволяющие выявить происходящие в них под
влиянием
антропогенной
деятельности
неблагоприятные
изменения,
а
также
прогнозировать последствия данных изменений для
состояния объекта наблюдения.
www.ektor.fis.ru
2
Биологический мониторинг как составная часть экологического
мониторинга
www.ipdn.ru/rics/doc0/MD/images/fig4.gif
3
Биологический мониторинг как составная часть экологического
мониторинга
Уровни экологического
мониторинга:
Региональный
Локальный
Импактный
Copyright © 2002 Лаборатория Биоиндикации КГПУ им. К.Э.Циолковского
4
Биологический мониторинг как составная часть экологического
мониторинга
Методы биомониторинга применяются при анализе содержания вредных
веществ в водных средах, почвах, атмосфере, растительных и животных
объектах.
Биомониторинг является составной частью экологического мониторинга. В
задачи биомониторинга входит регулярно проводимая оценка качества
окружающей среды с помощью специально выбранных для этой цели
живых объектов.
В 1990 г. экономическая комиссия Европы под эгидой ООH приняла
программу интегрированного мониторинга (IM) 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).
5
Биологический мониторинг как составная часть экологического
мониторинга
Биоиндикация (bioindication) – это обнаружение и определение
экологически значимых природных и антропогенных нагрузок на основе
реакций на них живых организмов непосредственно в среде их обитания.
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).
Биотестирование (bioassay) – это 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 (или отдельных органов, тканей, клеток и молекул).
6
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ
ФГОУ ВПО «Сибирский федеральный университет»
Кафедра экотоксикологии и микробиологии
БИОЛОГИЧЕСКИЙ КОНТРОЛЬ СОСТОЯНИЯ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ
Общая характеристика
биологических методов
оценки состояния
окружающей среды
(4 часа)
www.vgta.vrn.ru
7
Общая характеристика биологических методов оценки состояния
окружающей среды
Существуют несколько случаев, когда биомониторинг становится незаменимым.
1. Фактор не может быть измерен. Это особенно характерно для попы-ток
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 ацидофиль-ных 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.
8
Общая характеристика биологических методов оценки состояния
окружающей среды
Среди всего разнообразия методов, применяемых для
биологического контроля состояния окружающей
среды можно выделить несколько групп:
1. Биолюминесцентные методы.
2. Флуоресцентные методы анализа.
3. Методы оценки метаболических нарушений
4. Генетические методы.
5. Иммунологические методы.
6. Морфологические, анатомические и гистологические
методы.
www.vgta.vrn.ru
9
Общая характеристика биологических методов оценки состояния
окружающей среды
Поскольку система биологического мониторинга включает в себя
набор подходов, охватывающих разные стороны
индивидуального развития организма, она обеспечивает
разностороннюю интегральную оценку состояния живых
организмов и качества среды в целом. Применение различных
методов в отношении широкого спектра живых организмов
позволяет дать реальную оценку воздействия на окружающую
среду.
Большинство используемых методов просты и относительно
недороги, пригодны для широкого использования, к тому же
обеспечивают получение интегральной оценки качества среды,
подверженной всему многообразию экологических изменений.
10
Общая характеристика биологических методов оценки состояния
окружающей среды
Физические и химические методы дают качественные и
количественные характеристики фактора, но лишь косвенно судят о его
биологическом действии. Биомониторинг, 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 с биологическими.
Актуальность биомониторинга обусловлена также простотой,
скоростью и дешевизной определения качества среды. Во многих случаях
биоиндикация позволяет быстро обнаружить наиболее загрязненные
местообитания, а широкое использование методов биомониторинга
предприятиями позволит более оперативно и достоверно оценивать
качество
окружающей
среды
и
в
комплексе
с
другими
инструментальными методами стать существенным звеном в системе
экологического мониторинга.
11
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ
ФГОУ ВПО «Сибирский федеральный университет»
Кафедра экотоксикологии и микробиологии
БИОЛОГИЧЕСКИЙ КОНТРОЛЬ СОСТОЯНИЯ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ
Биологический
контроль на разных
уровнях организации
(4 часа)
12
Биологический контроль на разных уровнях организации
Биомониторинг может осуществляться на всех уровнях
организации живого: биологических макромолекул, клеток,
тканей и органов, организмов, популяций (пространственная
группировка особей одного вида), сообществ, экосистем и
биосферы в целом. На низших уровнях бимониторинга возможны
прямые и специфические формы, на высших – лишь косвенные и
неспецифические. Однако именно последние дают комплексную
оценку влияния антропогенных воздействий на природу в целом.
www.ecosystema.ru
13
Биологический контроль на разных уровнях организации
Клеточный и субклеточный уровни
Биоиндикация на этих уровнях основана на узких пределах
протекания биотических и физиологических реакций. Ее
достоинства заключаются в высокой чувствительности к
нарушениям, позволяющим выявить даже незначительные
концентрации поллютантов, и выявить их быстро. Именно на
этих уровнях возможно наиболее раннее выявление нарушений
среды. К числу недостатков относится то, что биоиндикаторыклетки и молекулы требуют сложной аппаратуры.
14
Биологический контроль на разных уровнях организации
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 биомониторинга на этом уровне – это
небольшие затраты труда и относительная дешевизна,
поскольку не требуются специальные лаборатории и
высокая квалификация персонала.
У растений часто используют такие признаки, как
изменение окраски листьев, некрозы, преждевременное
увядание, дефолиация, изменения размеров органов,
изменения формы, количества и положения органов,
изменение жизненной формы, изменение жизненности,
изменение плодовитости.
15
Биологический контроль на разных уровнях организации
Популяционно-видовой уровень.
Популяция – естественная пространственная группировка особей
одного вида. Характеризуется плотностью, структурой
(половозрастной, экологической и пр.), особенностями динамики.
Отклонения этих показате-лей от нормы и положены в основу
биоиндикации с помощью популяций.
При анализе численности, биомассы, возрастного и полового
состава, а также пространственного размещения для целей
биодиагностики и мониторинга часто используют виды,
чувствительные к воздействию – виды-биоиндикаторы.
Показатели, получаемые в результате обследования нарушенных
или загрязненных территорий, сравнивают с эталонными для
данных видов, полученными на чистых и ненарушенных
(заповедных) территориях.
16
Биологический контроль на разных уровнях организации
Экосистемный уровень.
Экосистемный уровень предполагает изучение круговорота
веществ и потоков энергии. Круговорот веществ
осуществляется при участии запаса биогенов, организмовпродуцентов (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).
17
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ
ФГОУ ВПО «Сибирский федеральный университет»
Кафедра экотоксикологии и микробиологии
БИОЛОГИЧЕСКИЙ КОНТРОЛЬ СОСТОЯНИЯ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ
Общие принципы
использования
биоиндикаторов
(2 часа)
18
Общие принципы использования биоиндикаторов
Существует несколько разных форм биоиндикации. Если две
одинаковые реакции вызываются различными антропогенными
факторами, то это будет неспецифическая биоиндикация. Если
же те или иные изменения можно связать с влиянием какоголибо одного фактора, то биоиндикация такого типа называется
специфической.
Применение биологических методов для оценки среды
подразумевает выделение видов животных или растений, чутко
реагирующих на тот или иной тип воздействия. Организмы или
сообщества организмов, жизненные функции которых так тесно
коррелируют с определенными факторами среды, что могут
применяться для их оценки, называются биоиндикаторами.
19
Общие принципы использования биоиндикаторов
Типы биоиндикаторов:
1. Чувствительный. Быстро реагирует значительным отклонением
показателей от нормы. Например, отклонения в поведении животных,
в физиологических реакциях клеток могут быть обнаружены
практически сразу после начала действия нарушающего фактора.
2. Аккумулятивный. Накапливает воздействия без проявляющихся
нарушений. Например, лес на начальных этапах его загрязнения или
вытаптывания будет прежним по своим основным характеристикам
(видовому составу, разнообразию, обилию и пр.). 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
обнаружит нарушение среды.
20
Общие принципы использования биоиндикаторов
Идеальный биологический индикатор должен удовлетворять ряду требований:
– быть характерным для данных условий, иметь высокую численность в данном
экотопе;
– обитать в данном месте в течение ряда лет, что дает возможность проследить
динамику загрязнения;
– находиться в условиях, удобных для отбора проб;
– характеризоваться положительной корреляцией между концентрацией
загрязняющих веществ в организме-индикаторе и объекте исследования;
– обладать высокой толерантностью по отношению к широкому спектру токсичных
веществ;
– ответная реакция биоиндикатора на определенное физическое или химическое
воздействие должна быть четко выражена, то есть, специфична, легко
регистрироваться визуально или с помощью приборов;
– биоиндикатор должен использоваться в естественных условиях его
существования;
– биоиндикатор должен иметь короткий период онтогенеза, чтобы была
возможность отслеживания влияния фактора на последующие поколения.
21
Общие принципы использования биоиндикаторов
Отклонение характеристик биоиндикатора в нарушенной среде
необходимо сравнить с нормой или «контролем». В зависимости от
ситуации используют разные подходы:
1. Сравнение с характеристиками объекта вне зоны воздействия.
Например, чтобы выявить изменение растительных сообществ при
промышленном загрязнении, их сравнивают с сообществами,
расположенными вне зоны антропогенного воздействия.
2. 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, сделанным около века назад.
3. Контроль – определенный вид функциональной зависимости,
отклонение от которой рассматривается как нарушение.
22
Общие принципы использования биоиндикаторов
Поскольку чувствительность разных организмов, используемых при
биоиндикации, может существенно различаться по времени реакции на
один и тот же фактор среды, выделяются следующие типы
чувствительности биоиндикаторов:
1 тип – биоиндикатор спустя определенное время после воздействия дает
сильную одноразовую реакцию и тут же теряет чувствительность,
2 тип – внезапная и сильная реакция продолжается известное время, после
чего резко исчезает,
3 тип – биоиндикатор реагирует с момента появления нарушающего
воздействия с одинаковой интенсивностью в течение длительного
времени,
4 тип – после немедленной сильной реакции наблюдается ее затухание,
сначала быстрое, потом более медленное,
5 тип - при появлении нарушающего воздействия наступает реакция,
интенсивно возрастающая до максимума, а после этого постепенно
затухающая,
23
6 тип – реакция пятого типа неоднократно повторяется .
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ
ФГОУ ВПО «Сибирский федеральный университет»
Кафедра экотоксикологии и микробиологии
БИОЛОГИЧЕСКИЙ КОНТРОЛЬ СОСТОЯНИЯ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ
Особенности
использования
растений в качестве
биоиндикаторов
(4 часа)
24
Особенности использования растений в качестве биоиндикаторов
С помощью растений можно проводить биоиндикацию
всех природных сред. Индикаторные растения используются
при оценке механического состава, увлажнения и засоления
почв, степени минерализации грунтовых вод, плодородия почв,
степени загрязнения атмосферного воздуха газообразными
соединениями, а также при выявлении трофических свойств
водоемов и степени их загрязнения поллютантами.
Биомониторинг может осуществляться путем наблюдений
за отдельными растениями – индикаторами, популяцией
определенного вида и состоянием фитоценоза в целом. На
уровне вида обычно производят специфическую индикацию
какого-то одного загрязнителя, а на уровне популяции или
фитоценоза – общего состояния природной среды.
25
Особенности использования растений в качестве биоиндикаторов
Чувствительные фитоиндикаторы
указывают на присутствие загрязняющего
вещества в воздухе или почве ранними
морфологическими реакциями - изменением
окраски листьев (появление хлорозов; желтой,
бурой или бронзовой окраски), различной
формы некрозами, преждевременным
увяданием и опаданием листвы. У многолетних
растений загрязняющие вещества вызывают
изменение размеров, формы, количества
органов, направления роста побегов или
изменение плодовитости. Подобные реакции
обычно неспецифичны.
www.firm-august.ru
26
Особенности использования растений в качестве биоиндикаторов
Хлороз – бледная окраска
листьев между жилками.
Некрозы – отмирание
ограниченных участков ткани
– важные симптомы
повреждений при индикации,
иногда довольно
специфичные.
Дефолиация – опадание листвы. Обычно наблюдается после
некрозов и хлорозов. Например, осыпание хвои у ели и сосны
при газодымовом загрязнении воздуха, листьев лип и конских
каштанов – от соли для таяния льда, крыжовника и смородины
– под действием сернистого газа.
www.ecosystema.ru
27
Особенности использования растений в качестве биоиндикаторов
Индикаторы другого типа
представляют собой растения –
аккумуляторы. Они накапливают в своих
тканях загрязняющее вещество или
вредные продукты метаболизма,
образуемые под действием загрязняющих
веществ, без видимых изменений.
При превышении порога токсичности ядовитого вещества для
данного вида проявляются различные ответные реакции, выражающиеся
в изменении скорости роста и длительности фенологических фаз,
биометрических показателей и, в конечном счете, снижении
продуктивности.
Фото Пахарьковой Н.В.
28
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ
ФГОУ ВПО «Сибирский федеральный университет»
Кафедра экотоксикологии и микробиологии
БИОЛОГИЧЕСКИЙ КОНТРОЛЬ СОСТОЯНИЯ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ
Особенности
использования
лишайников в
качестве
биоиндикаторов
(2 часа)
фото О.Е. Крючковой
29
Особенности использования лишайников в качестве
биоиндикаторов
Типы слоевищ (талломов) лишайников: накипное слоевище эпилитного
лишайника (фото О.Е. Крючковой).
30
Особенности использования лишайников в качестве
биоиндикаторов
Типы слоевищ (талломов) лишайников: листоватые слоевища эпифитных
лишайников, чувствительных к загрязнению атмосферы: Leptogium sp., Lobaria
sp. (фото О.Е. Крючковой).
31
Особенности использования лишайников в качестве
биоиндикаторов
А
Б
Типы слоевищ (талломов) лишайников: кустистые слоевища эпифитных
(А – Usnea sp.) и эпигейных (Б – Cladonia sp.) Виды, чувствительные к
загрязнению атмосферы (фото О.Е. Крючковой).
32
Особенности использования лишайников в качестве
биоиндикаторов
Пример лихеноиндикационного картирования: соотношение групп
лишайников, приуроченных к различному диапазону кислотности коры,
на березе и тополе в разных районах г. Красноярска.
33
Особенности использования лишайников в качестве
биоиндикаторов
А
Б
Распространение и проективное покрытие индикаторных видов лишайников
в г. Красноярске: А - Evernia mesomorpha, Б - Ramalina sp.
34
Особенности использования лишайников в качестве
биоиндикаторов
В
Г
Рис. 6. Распространение и проективное покрытие индикаторных видов
лишайников в г. Красноярске: В - Physcia adscendens, Г - Lecanora hagenii.
35
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ
ФГОУ ВПО «Сибирский федеральный университет»
Кафедра экотоксикологии и микробиологии
БИОЛОГИЧЕСКИЙ КОНТРОЛЬ СОСТОЯНИЯ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ
Особенности
использования
животных в качестве
биоиндикаторов
(2 часа)
36
Особенности использования животных в качестве биоиндикаторов
Основное преимущество использования
животных в качестве биоиндикаторов
заключается в физиологической близости
человеку.
Основные препятствия в использовании
животных для изучения состояния окружающей
среды связаны со сложностью их обнаружения,
поимки и определения вида, а также с
длительностью морфо-анатомических
наблюдений. Эксперименты с животными
зачастую дороги, требуют многократной
повторяемости эксперимента для получения
статистически достоверных выводов.
aroundus.ru
37
Особенности использования животных в качестве биоиндикаторов
Животные служат хорошими индикаторами состояния среды благодаря
следующим особенностям:
•являясь консументами, они находятся на разных трофических уровнях
экосистем и аккумулируют через пищевые цепи загрязняющие
вещества;
•обладают активным обменом веществ, что способствует быстрому
проявлению негативных факторов воздействия среды на организм;
•имеют хорошо дифференцированные ткани и органы, которые
обладают разной способностью к накоплению токсических веществ и
неоднозначностью физиологического отклика, что позволяет
исследователю иметь широкий набор тестов на уровне тканей, органов
и функций;
38
Особенности использования животных в качестве биоиндикаторов
Животные служат хорошими индикаторами состояния среды благодаря
следующим особенностям:
•сложные приспособления животных к условиям среды и четкие
поведенческие реакции наиболее чувствительны к антропогенным
изменениям, что дает возможность непосредственно наблюдать и
анализировать быстрые отклики на оказываемое воздействие;
•за животными с коротким циклом развития и многочисленным
потомством можно проводить ряд длительных наблюдений и
прослеживать воздействие фактора на последующие поколения, для
долгоживущих можно выбрать особо чувствительные тесты в
соответствии с особо уязвимыми этапами онтогенеза.
39
Особенности использования животных в качестве биоиндикаторов
Оценка и прогнозирование состояния природной среды с помощью
животных проводится на всех уровнях их организации.
На организменном уровне с помощью сравнительного анализа
оцениваются морфо-анатомические, поведенческие и физиологобиохимические показатели.
Морфоанатомические показатели описывают особенности
внешнего и внутреннего строений животных и их изменение под
воздействием определенных факторов (депигментация, изменение
покровов, структуры тканей и расположения органов,
возникновение уродств, опухолей и других патологических
проявлений).
Поведенческие и физиолого-биохимические параметры особенно
чувствительны к изменению внешней среды. Токсиканты, проникая
в кости или кровь животного, сразу же воздействуют на функции,
обеспечивающие жизнедеятельность.
40
Особенности использования животных в качестве биоиндикаторов
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 др.
Экосистемный подход к оценке среды дает возможность
ранней диагностики ее изменений. Сигналом тревоги служит
разбалансировка продукционно - деструкционных процессов.
Диагностическими признаками таких сдвигов являются накопление
органического вещества, заиление, зарастание водоемов, усиленное
развитие микроорганизмов.
41
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ
ФГОУ ВПО «Сибирский федеральный университет»
Кафедра экотоксикологии и микробиологии
БИОЛОГИЧЕСКИЙ КОНТРОЛЬ СОСТОЯНИЯ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ
Особенности
использования
микроорганизмов
в качестве
биоиндикаторов
(2 часа)
42
ОСОБЕННОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ
МИКРООРГАНИЗМОВ В КАЧЕСТВЕ
БИОИНДИКАТОРОВ
1.
2.
3.
4.
Функциональная структура группировок
гетеротрофных почвенных
микроорганизмов
Почвенные микроорганизмы – индикаторы
экологического стресса
Микробная индикация в водоемах
Микроорганизмы – индикаторы
санитарного состояния объектов внешней
среды
Микробиологическая индикация
2.3
Микроорганизмы
Микробиологическая индикация
2.4
Функциональные группировки
гетеротрофных микроорганизмов



Гидролитики – гидролизуют полимеры
Диссипотрофы (олиготрофы) –
микрофлора рассеяния
Копиотрофы – используют доступную
органику
Микробиологическая индикация
2.5
Микроорганизмы в экосистемах
(по Н.С. Виноградскому)
• Автохтонные - типичные обитатели
данной экосистемы, присутствуют
всегда.
• Аллохтонные (зимогенные) - чужды
данной экосистеме, присутствуют в
ней временно или пребывают в
состоянии покоя.
Микробиологическая индикация
2.6
Последовательное
развитие
группировок
гетеротрофных
микроорганизмов
Микробиологическая индикация
2.7
Влияние тяжелых металлов
на микроорганизмы
Положительное влияние:
• железо, магний, цинк, медь,
кобальт, молибден
Негативное влияние:
• кадмий, мышьяк, уран, свинец,
хром, ртуть
Группа веществ-индикаторов стресса
окружающей среды:
• ртуть, свинец, кадмий, медь
Микробиологическая индикация
2.8
Действие тяжелых металлов на микробные
процессы
Металлы
Характер действия
Ртуть, свинец, Ингибируют фиксацию азота и
цинк, медь
разложение целлюлозы
Хром
Угнетает процессы аммонификации и
нитрификации
Кадмий,
свинец,
ванадий
Угнетают процессы нитрификации,
увеличивают число споровых,
снижают общую численность
микроорганизмов
Микробиологическая индикация
2.9
Бактерии рода Bacillus чувствительны
к тяжелым металлам
Bacillus subtilis – сенная палочка
www.foodnews.ch
www.mbc.ntu.edu.tw
Микробиологическая индикация
2.10
Пигментообразующие бактерии более
устойчивы к тяжелым металлам
www.dsmz.de
Streptomyces
Flavobacterium
www.eurekalert.org
giandri.altervista.org
Pseudomonas
Serratia
Микробиологическая индикация
2.11
Пигментообразующие грибы более
устойчивы к тяжелым металлам
Penicillium
www.scielo.org.ve
Aureobasidium
www.uni-bielefeld.de
Cryptococcus
Rhodotorula
Микробиологическая индикация
2.12
Нефть и
нефтепродукты –
приоритетные
загрязнители
окружающей среды
www.priborservice.ru
Микробиологическая индикация
2.13
Микроорганизмы, использующие
углеводороды
Бактерии:
Дрожжи:
upload.wikimedia.org
scielo.unam.mx
Arthrobacter
Bacillus
Trichosporon
www.americanchronicle.com
Candida
genome.jgi-psf.org
www.mikrobenscout.de
Pseudomonas Nocardia
Rhodotorula Sporobolomyces
upload.wikimedia.org
Rhodococcus
de.wikibooks.org
Микробиологическая индикация
Cryptococcus
2.14
Микроорганизмы-индикаторы
нефтяных и газовых
месторожденией
www.sciencedaily.com
www.flora-jg.de
Rhodococcus
rhodochrous
Rhodococcus ruber
Микробиологическая индикация
2.15
Нитчатые бактерии водоемов
microbewiki.kenyon.edu
Beggiatoa
microbewiki.kenyon.edu
www.eurekalert.org
Thioploca
faculty.plattsburgh.edu
Leptothrix
www.asissludge.com
microbewiki.kenyon.edu
Gallionella
Thiotrix
Микробиологическая индикация
Sphaerotilus
2.16
Sphaerotilis является индикатором
полисапробности
www.lihoborka.narod.ru
microbewiki.kenyon.edu
Sphaerotilus
Микробиологическая индикация
2.17
Численность гетеротрофных бактерий
в различных типах водоемов
Тип водоема
Численность бактерий,
103 клеток/мл
Олиготрофный
50
Мезотрофный
(переходный)
1000
Евтрофный
2000-10000
Дистрофный
1000-2000
Евтрофный
искусственный
10000
Микробиологическая индикация
2.18
Олиготрофные бактерии водоемов
www.sciencedaily.com
www.nexusresearchgroup.com
Caulobacter
www.mbio.ncsu.edu
Planctomyces
Микрофлора в
пробе воды
Микробиологическая индикация
2.19
Санитарно-микробиологический анализ

Общее микробное
число (ОМЧ)
определяется на
универсальной среде МПА

Санитарно
показательные
микроорганизмы на
дифференциальной
среде
Микробиологическая индикация
2.20
Санитарно-показательные
микроорганизмы почвы и воды
Бактерии кишечной группы
www3.niaid.nih.gov
Escherichia coli –
кишечная палочка
www.hpa.org.uk
Enterococcus
faecalis –
энтерококки
Микробиологическая индикация
2.21
Показатели чистоты воды



Коли-титр – наименьший объем воды (мл),
содержащий одну кишечную палочку.
Коли-индекс – число кишечных палочек в
1 л воды.
ГОСТ 2874-82:



ОМЧ – не более 100 кл/мл
коли-индекс не более 3 клеток в 1 л
коли-титр – не менее 300 мл
Микробиологическая индикация
2.22
Микрофлора воздуха
www.gippokrat.ru

ОМЧ загрязненного
• Дифференциальная
воздуха на
среда для плесневых
универсальной среде и дрожжевых грибов
МПА
Микробиологическая индикация
2.23
Санитарно-показательные
микроорганизмы воздуха
Streptococcus viridans – зеленящий стрептококк
Streptococcus haemolyticus – гемолитический
стрептококк.
Staphylococcus aureus – золотистый
стафилококк.
www.pathology.vcu.ed
u
www.biology.estranky.c
z
Гемолитические стрептококки на кровяном агаре
Микробиологическая индикация
2.24
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ
ФГОУ ВПО «Сибирский федеральный университет»
Кафедра экотоксикологии и микробиологии
БИОЛОГИЧЕСКИЙ КОНТРОЛЬ СОСТОЯНИЯ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ
Биоиндикация
загрязнения в
разных средах
(4 часа)
www.popmech.ru
65
Биоиндикация загрязнения в разных средах
Комплексная оценка качества среды обитания
подразумевает организацию наблюдений за
всеми природными средами, в первую очередь
за воздушной, водной и почвенной
компонентами биосферы.
66
Биоиндикация загрязнения в разных средах
Организация наблюдений за загрязнением атмосферы
Такие наблюдения проводятся на стационарных, маршрутных и
передвижных (подфакельных) постах. Стационарные и маршрутные
посты служат для проведения систематических наблюдений,
передвижные – для разовых наблюдений в зонах непосредственного
влияния промышленных предприятий. Наблюдения под факелами
дымовых труб предприятий проводятся с целью получения материалов
по распределению вредных веществ от отдельных источников выбросов
в зависимости от метеоусловий и для получения оценки их влияния на
загрязнение атмосферы.
Согласно международным стандартам ИСО 14000 «Системы
управления охраны окружающей среды», отбор проб воздуха
проводится по направлению ветра на расстояниях от источника
выбросов 0,2-0,5; 1; 2; 3; 4; 6; 8; 10; 15 и 20 км, на высоте 1,5 м от
поверхности земли в течение 20-30 мин по специальным методикам.
67
Биоиндикация загрязнения в разных средах
От загрязнения воздуха страдают все живые организмы, но
особенно чувствительны к концентрациям вредных веществ в воздухе
растения. По этой причине растения, в том числе низшие, особенно
пригодны для обнаружения начального изменения в составе воздуха
биосферы. Соответствующие индексы дают количественное
представление о токсичном эффекте загрязняющих воздух веществ.
Лишайники являются симбиотическими организмами. Многими
исследователями показана их пригодность для целей биоиндикации.
Они обладают весьма специфическими свойствами – реагируют на
изменение состава атмосферы, обладают отличной от других
организмов биохимией, широко распространены по разным типам
субстратов, начиная со скал и кончая корой и листьями деревьев,
удобны для экспозиции в загрязненных районах.
68
Биоиндикация загрязнения в разных средах
Организация наблюдений за загрязнением поверхностных вод
Для правильной оценки качества воды в водоеме, характеристики
его химико-биологического состояния, степени загрязнения необходимо
провести отбор репрезентативных проб воды из исследуемого водоема.
В зависимости от цели исследования отбор проб может быть
разовым или регулярным. Место отбора выбирают в соответствии с
целями анализа и на основании исследования местности.
Согласно ИСО 14000 «Системы управления охраны окружаю-щей
среды», пробы отбирают с глубины 20- 30 см от поверхности. Объем
проб может варьировать от 1-2 до 15-20 л и более. Для отбора проб
используют специальные устройства – батометры.
Пробы воды для биологического анализа хранят не более суток в
холодильнике при t +4°С в полиэтиленовой или стеклянной посуде.
69
Биоиндикация загрязнения в разных средах
Для биологической индикации качества вод могут быть
использованы практически все группы организмов, населяющие
водоемы: планктонные и бентосные беспозвоночные, простейшие,
водоросли, макрофиты, бактерии и рыбы. Каждая из них, выступая в
роли биологического индикатора, имеет свои преимущества и
недостатки, которые определяют границы ее использования при
решении задач биоиндикации.
Наиболее разработанной системой оценки степени загрязненности
вод по индикаторным организмам является система сапробности.
Качество воды можно оценить с помощью биотического индекса по
системе Ф.Вудивиса.
70
Биоиндикация загрязнения в разных средах
Организация наблюдений за загрязнением почв
В связи с тем что в твердых средах (грунтах) токсиканты редко
распределены равномерно, существуют определенные методики
отбора проб, позволяющие нивелировать последствия мозаичности.
Для определения загрязнений промышленного происхождения отбор
проб почвы производится один раз в год в летний период. Как правило,
для контроля выбираются почвы, занятые культурными растениями.
Для определения точек отбора применяется азимутальный метод.
Каждый год пробы отбираются вокруг промышленных центров по
четырем румбам на расстоянии 1; 2; 3; 5 и 10 км. Один раз в пять лет
обследование почвы проводят более подробно по всем 16 румбам и на
расстояниях 0; 0,2; 0,5; 1; 1,5; 2; 3; 4; 5; 8; 10; 20; 30; 50 км. Положение
точек пробоотбора отмечается на карте.
71
Биоиндикация загрязнения в разных средах
Пробы грунта для биохимического анализа берут специальными
пробоотборниками. Обычно они представляют собой круглые трубки
из прочного нейтрального материала («нержавейка», пластмасса)
диаметром 5 см с крышками. В открытом состоянии пробоотборник
аккуратно вгоняют в грунт на максимально возможную глубину.
После этого трубка плотно закрывается сверху крышкой и сразу
(если позволяет грунт) снизу закрывается второй крышкой. Если
плотность грунта велика, то для закрытия взятого керна трубку
необходимо очень аккуратно наклонить, стараясь не нарушить его
внутри трубки, и затем закрыть нижнюю крышку.
При отборе проб почвы буром смешанный образец составляется из
20 кернов (уколов), отобранных через равные промежутки по
диагонали пробной площадки, примерно через 7-10 м.
72
Биоиндикация загрязнения в разных средах
Особенно ценны и удобны для индикационных работ комплексы
крупных беспозвоночных (дождевые черви, многоножки, личинки
насекомых). Так стафилиниды рода Bledius и чернотелки рода Belopus
показательны для солончаково-солонцового комплекса почв,
многоножки-кивсяки, некоторые мокрецы и легочные моллюски
служат индикаторами содержания в почве извести. Вид дождевых
червей Octolasium lacteum и некоторые виды проволочников являются
показателями высокого содержания кальция в грунтовых водах.
Интерес представляет почвенно-альгологическая диагностика, в
основе которой лежит положение о том, что зональности почв и
растительности соответствует зональность водорослевых группировок.
Она проявляется в общем видовом составе и комплексе доминантных
видов водорослей, в наличии специфических видов, в характере
распространения по почвенному профилю, в преобладании
определенных жизненных форм.
73
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ
ФГОУ ВПО «Сибирский федеральный университет»
Кафедра экотоксикологии и микробиологии
БИОЛОГИЧЕСКИЙ КОНТРОЛЬ СОСТОЯНИЯ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ
Общие принципы
биотестирования
(4 часа)
74
Общие принципы биотестирования
Биотестирование – это один из приемов исследования в
биологическом мониторинге, который используется для определения
степени повреждающего действия химических веществ, потенциально
опасных для живых организмов в контролируемых экспериментальных
лабораторных или полевых условиях путем регистрации изменений
биологически значимых показателей (тест-функций) исследуемых
тест-объектов, с последующей оценкой их состояния в соответствии с
выбранным критерием токсичности.
Цель биотестирования – выявление на гидробионтах степени и
характера токсичности воды, загрязненной биологически опасными
веществами и оценка возможной опасности этой воды для водных и
других организмов.
75
Общие принципы биотестирования
В качестве объектов для биотестирования применяются
разнообразные тест-организмы – подопытные биологические
объекты, подвергающиеся воздействию определенных доз или
концентраций ядов, вызывающих у них тот или иной токсический
эффект, который регистрируется и оценивается в эксперименте.
Это могут быть бактерии, водоросли, беспозвоночные, а также
позвоночные животные.
Для гарантированного выявления присутствия токсического
агента неизвестного химического состава должен использоваться
набор объектов, представляющих различные группы сообщества,
состояние которых оценивается по параметрам, относящимся к
разным уровням интегральности.
76
Общие принципы биотестирования
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. Главное требование к биотестам –
чувствительность и быстрота ответа, четкая реакция на внешние
воздействия.
Различают острые и хронические биотесты. Первые рассчитаны на
получение экспресс-информации о токсичности исследуемого вещества для
данного тест-организма, вторые – на выявление долговременного эффекта
действия токсикантов, в частности малых и ультрамалых концентраций.
Острые опыты проводятся в различные сроки: от нескольких минут до
96 ч. (иногда 72-120 ч). В результате проведенных опытов учитывается
величина выживаемости (или обратная величина смертности), т.е.
статистически достоверный процент выживаемых или гибнущих особей за
определенное время при определенной концентрации вещества.
77
Общие принципы биотестирования
Наличие токсикантов в среде само по себе еще не означает
токсичность. Токсические вещества должны быть биологически
доступны. Токсичность – характеристика биологическая. Бывают
случаи, когда химический состав не может быть определен, а среда
токсична. И наоборот, химический анализ показывает наличие
токсикантов, а токсичность не проявляется (тест-объекты не гибнут).
Биологические методы тестирования являются группой
высокочувствительных методов анализа и выгодно отличаются своей
простотой, сравнительной неприхотливостью к лабораторным
условиям, дешевизной и универсальностью.
Оперативность является в настоящее время одним из наиболее
важных требований, предъявляемых к биотестам.
78
Общие принципы биотестирования
Биотестирование, как правило, используют до химического
анализа, т.к. этот метод позволяет провести экспресс-оценку природной
среды и выявить «горячие точки», указывающие на наиболее
загрязненные участки акватории (территории, полигона). На участках,
где методами биотестирования выявлены какие-либо отклонения и
исследуемая среда характеризуется как токсичная, аналитическим
путем необходимо установить причины этого явления.
Как правило, биотестирование не дает ответа на вопрос о характере
загрязняющего вещества, вызывавшего ту или иную реакцию тестобъекта. Тест-функции в биотестировании носят общий,
неспецифический характер. Однако количество загрязняющих веществ,
попадающих в окружающую среду, неуклонно возрастает и не
исключено, что какое-либо вещество, или смесь веществ, может
привести к возникновению специфических реакций у тест-объектов,
особенно на клеточном или тканевом уровнях организации.
79
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ
ФГОУ ВПО «Сибирский федеральный университет»
Кафедра экотоксикологии и микробиологии
БИОЛОГИЧЕСКИЙ КОНТРОЛЬ СОСТОЯНИЯ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ
Биотестирование
качества воды
(4 часа)
www.femtotech.ru
80
Биотестирование качества воды
Биотестирование как метод оценки токсичности используется:
•при проведении токсикологической оценки промышленных, сточных
бытовых, сельскохозяйственных, дренажных, загрязненных природных и
пр. вод с целью выявления потенциальных источников загрязнения;
•в контроле аварийных сбросов высокотоксичных сточных вод;
•при проведении оценки степени токсичности сточных вод на разных
стадиях формирования при проектировании локальных очистных
сооружений;
•в контроле токсичности сточных вод, подаваемых на очистные сооружения
биологического типа с целью предупреждения проникновения опасных
веществ для биоценозов активного ила;
•при определении уровня безопасного разбавления сточных вод для
гидробионтов с целью учета результатов биотестирования при
корректировке и установлении предельно допустимых сбросов (ПДС)
веществ, поступающих в водоемы со сточными водами;
•при проведении экологической экспертизы новых материалов, технологий
очистки, проектов очистных сооружений и пр.
81
Биотестирование качества воды
В настоящее время разработано
большое количество биотестов,
использующих в качестве тест-организмов
разнообразных гидробионтов, таких как
простейшие (инфузории, жгутиконосцы),
кишечнополостные (гидры), черви
(планарии, пиявки), моллюски
(пластинчатожаберные, брюхоногие),
ракообразные (дафнии, гаммарусы) и
рыбы.
masters.donntu.edu.ua
82
Биотестирование качества воды
Методы, использующие в качестве тест-объектов инфузорий
основаны на оценке степени их спонтанной двигательной
активности, выживаемости в остром опыте (15-60 мин.) или
степени прироста их численности в хроническом 96-часовом
опыте. Исследуемую воду считают токсичной в случае снижения
двигательной активности, выживаемости или прироста
численности инфузорий по сравнению с контролем.
Но величины критических концентраций тяжелых металлов
для инфузорий на несколько порядков ниже, а нитратов, нитритов
и аммиака – на несколько порядков выше ПДК, установленных
для позвоночных животных и человека. Все это существенно
ограничивает возможности и соответственно применимость
биотестов с простейшими.
83
Биотестирование качества воды
В настоящее время большинство исследователей
используют стандартную методику биотестирования на
цериодафниях. Культура тест-организмов содержится в
климатостате при постоянной температуре и определенных
условиях освещения, в стоячих сосудах. Острое токсическое
действие исследуемой воды на цериодафниях определяется по
их смертности за определенный период экспозиции. Критерием
острой токсичности служит гибель 50% и более цериодафний за
48 часов в исследуемой воде при условии, что в контроле
гибель не превышает 10%.
В странах ЕЭС принят стандарт на биотестирование
сточных вод и определение токсичности отдельных веществ с
помощью D. magna.
84
Биотестирование качества воды
Биотесты с применением пиявок основаны на регистрации измененния
статических поз молодых животных после их 15 – 20 мин. пребывания в
тестируемой воде. О наличии токсичности судят по уменьшению
количества естественных статических поз у подопытных пиявок по
сравнению с контрольными и по переходу их к динамическому состоянию
(ползанье, плаванье, уход из токсической зоны). При возникновении
динамических реакций дальнейшее пребывание пиявок в загрязненной
воде приводит к развитию у них интоксикации и гибели через несколько
часов или суток.
Данные методы характеризуются повышенной экспрессностью (20
мин.) и простотой в исполнении, но, по существу, устанавливают только
наличие или отсутствие острой токсичности исследуемой воды для
определенных видов пиявок. Учитывая, что чувствительность этих
методов к ряду токсикантов (тяжелые металлы, пестициды) не превышает
10 – 20 ПДК, указанные биотесты могут использоваться только в качестве
сигнальных методов.
85
Биотестирование качества воды
Другие способы биологической оценки токсичности вод основаны
на регистрации закрытия створок раковин двустворчатых моллюсков
при пропускании загрязненной воды через резервуары с моллюсками.
Показателем токсичности воды считают увеличение относительного
числа моллюсков с закрытыми створками до 70% и более.
При биотестировании с помощью брюхоногих моллюсков в
основном используют прудовиков, а также лужанку и катушку, взятых
из природных водоемов. Оценку токсичности водной среды производят
чаще всего в хронических опытах (5 – 60 дней) по изменению
двигательной активности моллюсков, интенсивности их питания,
размножения, плодовитости или выживаемости.
86
Биотестирование качества воды
Существует большая группа биотестов, основанных на
использовании поведенческих и физиологических реакций рыб. Метод
рыбной пробы заключается в том, что в резервуар с исследуемой
проточной водой помещают 2 – 3 вида рыб, обладающих разной
чувствительностью к токсикантам. По изменениям их физиологических
и поведенческих реакций или гибели судят о появлении токсикантов. С
целью повышения чувствительности созданы новые биотесты,
основанные на регистрации поведенческих реакций и устанавливающие
токсичность воды по реакции ухода рыб из опасной зоны или
изменению их дыхательного ритма и сердцебиения. Рекомендовано
проводить биотесты на ограниченном числе видов, таких как речной
окунь, гольян и карп.
В США и Великобритании несколько методов с использованием
рыб стандартизировано и широко применяется для контроля острой
токсичности сточных вод и определения необходимого их разбавления.
87
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ
ФГОУ ВПО «Сибирский федеральный университет»
Кафедра экотоксикологии и микробиологии
БИОЛОГИЧЕСКИЙ КОНТРОЛЬ СОСТОЯНИЯ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ
Биотестирование
загрязнения воздуха
88
Биотестирование загрязнения воздуха
В настоящее время серьезной
проблемой становится загрязнение
атмосферного воздуха, а, в частности,
воздуха, которым мы дышим в
помещениях, в том числе в рабочей зоне
промышленных предприятий.
Для того чтобы определить степень
загрязнения воздуха в помещении тем или
иным веществом методами
биотестирования, важно найти тест-объект,
который бы соответствовал всем
требованиям, предъявляемыми данными
условиями.
Фото Пахарьковой Н.В.
89
Биотестирование загрязнения воздуха
В качестве тест-организмов для оценки уровня загрязнения воздуха
многие исследователи используют культурные злаки (рожь, пшеницу, овес,
ячмень), кресс-салат и другие сельскохозяйственные растения, которые
легко выращивать в лабораторных условиях.
Эти изменения неспецифичны, т. е. нельзя сделать никаких выводов
относительно воздействующего стрессора.
Кроме параметров, основанных
на регистрации быстрой и
замедленной флуоресценции, обычно
учитываются линейный прирост,
процент хлорозных и некрозных
повреждений относительно
плотности листа.
Фото Пахарьковой Н.В.
90
Биотестирование загрязнения воздуха
Однако известны растения, дающие специфическую
реакцию на некоторые токсиканты, например табак сорта Bel
WЗ. Он настолько восприимчив к содержанию озона в
воздухе, что в промышленных странах его разведение было бы
абсолютно нерациональным. Уже при слабом воздействии О3
через несколько дней по всей листовой пластинке (у молодых
листьев только вблизи верхушки) густо образуются
некротические пятна серебристого цвета. Для сравнения
одновременно высаживают относительно устойчивый к озону
сорт Веl В. При этом важны определенные условия
выращивания.
91
Биотестирование загрязнения воздуха
Одним из широко распространенных методов биотестирования
для оценки уровня загрязнения воздуха является
трансплантационная лихеноиндикация.
Метод состоит в том, что слоевища одного или нескольких
видов лишайников вместе с субстратом трансплантируются на
некоторое время в районы обследования.
После требуемой экспозиции проводится оценка воздействия
загрязнителей на трансплантанты каким-либо из методов. С этой
целью измеряются скорости фотосинтеза, дыхания или фиксации
азота, содержания хлорофилла, выход калия из клеток, изменение
структуры клеточных элементов, а также другие морфологические
и физиологические показатели.
92
Биотестирование загрязнения воздуха
Основными достоинствами трансплантационной лихеноиндикации считают:
1. Возможность размещения слоевищ лишайников во всех местах, где желателен
мониторинг качества воздуха, в том числе и там, где лишайники по тем или
иным причинам отсутствуют.
2. В каждой местности всегда можно найти достаточное количество образцов
массовых видов лишайников, чтобы обеспечить требуемую точность
исследования и полноту охвата территории.
3. Во всех тестируемых точках размещается сравнительно однородный
материал, собранный в месте с известными условиями существования, что
позволяет более обоснованно интерпретировать результаты.
4. Возможность выбора лучшего варианта эксперимента для изучения
конкретных местообитаний и реакции представителей тех или иных видов
лишайников.
5. Возможность установления темпов увеличения уровней загрязнения,
вызывающих повреждения лишайников.
6. Сокращение периода проявления реакции лишайников на загрязнения или
другие изменения среды.
7. Возможность обнаружения повреждений лишайников уже через неделю с
помощью некоторых достаточно чувствительных методов.
93
Биотестирование загрязнения воздуха
Также оценить средний уровень загрязнения воздуха в течение
зимнего периода можно опосредовано, путем биотестирования
снежного покрова.
Многолетними исследованиями показано, что зимой наблюдается
повышение концентрации различных химических веществ в атмосфере,
обусловленное ухудшением метеорологических условий рассеяния
примесей, увеличением количества промышленных выбросов,
замедлением химических процессов трансформации веществ при
низкой температуре воздуха. По этим причинам в снежном покрове
городов накапливается основная масса атмосферных поллютантов.
Для биотестирования проб воды используются различные
гидробионты – водоросли, микроорганизмы, беспозвоночные, рыбы.
Выбор фототрофных организмов в качестве тест-объектов
обусловлен тем, что они являются первичным звеном трофической
цепи и, как правило, оказываются основной мишенью токсичных
антропогенных воздействий.
94