МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН Документ СМК 3 уровня
advertisement
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ имени ШАКАРИМА г. СЕМЕЙ Документ СМК 3 уровня УМКД УМКД 042-18УМКД 25.1.83/03-2014 Учебно-методические Редакция № 2 от материалы по дисциплине «___»____2014 г. «Биоиндикация» УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС ДИСЦИПЛИНЫ «БИОИНДИКАЦИЯ» для специальности 5В060800 – «Экология» УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ Семей 2014 УМКД 042-18-25.1.83/03-2013 Ред. № 2 от «___»____2014 г. 1 Глоссарий 2 Лекции 3 Лабораторные занятия 4 Самостоятельная работа обучающегося 2 Страница 2 из 42 1 Глоссарий Биоиндикатор - группа особей одного вида или сообщества, по наличию или по состоянию которых, а также по их поведению судят о естественных и антропогенных изменениях в среде. Биоиндикация - оценка качества среды обитания и ее отдельных характеристик по состоянию ее биоты в природных условиях. Биоиндикация загрязнения водоемов - система оценки степени загрязнения водоемов, основанная: - на учете состояния водных биоценозов, присутствии индикаторных организмов; - на анализе видовой структуры биоценозов; - на функциональных характеристиках биоценозов и др. Биотестирование - определение действия токсикантов на специально выбранных организмах в стандартных условиях с регистрацией различных поведенческих, физиологических или биохимических показателей. Индикаторные микроорганизмы – высокочувствительные микроорганизмы, обладающие ярко выраженными адаптационными возможностями и многообразием физиологических свойств, и отражающие малейшие изменения природного фона (например, при наличии определенных загрязняющих веществ). Лихеноиндикация - использование лишайников в качестве биоиндикаторов степени загрязнения атмосферного воздуха, основанное на изучении состава и биологических особенностей лихенофлоры. Микробная индикация – оценка количественных и качественных характеристик состояния экосистем по преимущественному развитию тех или иных популяций микроорганизмов. Организм-индикатор - организм с узкими пределами экологической приспособленности (стенобионт), своим поведением, изменением физиологических реакций или самой возможностью существования указывающий на изменения в среде или на ее определенные естественные или антропогенные характеристики. Организм-индикатор загрязнения - вид, подавленное состояние, исчезновение или усиленное размножение которого сигнализирует о загрязненности среды, а в ряде случаев свидетельствует о степени загрязнения и составе загрязнителей, их кумулятивном действии. Чувствительность биоиндикатора - степень реакции биоиндикатора на оказываемое на него воздействие со стороны какого-то вещества, физического или биологического фактора либо со стороны окружающей его среды в целом. Экологическая катастрофа – относительно быстрые, разрушительные изменения среды, приводящие к гибели живых организмов, деградации экосистем и изменению ландшафтной структуры. Экологический организм-индикатор - стенобионт, приспособленный к жизни в определенной экосистеме и погибающий в других условиях, что дает возможность отличать одно комплексное природное образование от другого. 3 2 Лекции Лекция № 1. Предмет и задачи биоиндикации Цель: дать представление о предмете и задачах биоиндикации План 1. Понятие биоиндикации и биоиндикаторах. 2. Специфическая и неспецифическая биоиндикация. 3. Типы реакции при биоиндикации. 4. Использование биотестов для оценки степени загрязнения атмосферного воздуха, воды и почвы. Краткий конспект лекции № 1 Получение информации об окружающей среде возможно либо с помощью химических методов, либо на основе оценки состояния биологических объектов. Обычно живые организмы в той или иной степени реагируют на изменения окружающей среды, но в ряде случаев это нельзя выявить физическими или химическими методами, т. к. разрешающие возможности приборов или химических анализов ограничены. Этими методами может быть обнаружен, например, эффект биологического накопления отдельных токсических веществ в организмах растений и животных. Чувствительные же организмы-биоиндикаторы реагируют не только на малые дозы экологического фактора, но и дают адекватную реакцию на воздействие комплекса факторов, выявляя синергизм, эмерджентность, ингибирование. Метод оценки абиотических и биотических факторов местообитания при помощи биологических систем называется биоиндикацией. Поскольку изменения биологических систем довольно часто могут быть обусловлены антропогенными факторами, то само понятие «биоиндикация» можно сформулировать следующим образом: «Биоиндикация – это обнаружение и определение биологически и экологически значимых антропогенных нагрузок на основе реакций на них живых организмов и их сообществ» (Криволуцкий, Тихомирова, Федоров, 1987). Биоиндикация - это метод обнаружения и оценки воздействия абиотических и биотических факторов на живые организмы при помощи биологических систем (Федоров, Никольская, 2001). Организмы или сообщества организмов, жизненные функции которых так тесно коррелируют с определенными факторами среды, что могут применяться для их оценки, называются биоиндикаторами. Живые биоиндикаторы имеют ряд преимуществ перед химическими методами оценки состояния окружающей среды, широко применяемыми в настоящее время: они суммируют все без исключения биологически важные данные об окружающей среде и отражают ее состояние в целом, в условиях хронической антропогенной нагрузки биоиндикаторы могут реагировать на очень слабые воздействия в силу аккумуляции дозы, исключают необходимость регистрации физических и химических параметров среды, делают необязательным применение дорогостоящих и трудоемких физических и химических методов для измерения биологических параметров; живые организмы постоянно присутствуют в окружающей человека среде и реагируют на кратковременные и залповые выбросы токсикантов, которые можно не зарегистрировать при помощи автоматической системы контроля с периодичным отбором проб на анализы, фиксируют скорость происходящих в окружающей среде изменений, указывают пути и места скоплений различного рода загрязнений в экологических системах и возможные пути попадания этих веществ в пищу человека, позволяют судить о степени вредности синтезированных человеком веществ для природы и человека и позволяют контролировать действие этих веществ, 4 помогают нормировать допустимую нагрузку на экосистемы, различающиеся по своей устойчивости к антропогенному воздействию, так как одинаковый состав и объем загрязнений может привести к различным реакциям природных систем в разных географических зонах. Биоиндикатор должен удовлетворять следующим требованиям: высокая чувствительность при низкой индивидуальной изменчивости; генетическая однородность; наличие объектов, применяемых в целях биоиндикации, по возможности в большом количестве и с однородными свойствами; возможность существования в широком диапазоне экологических условий (экологическая пластичность); легкость идентификации в природе; высокая продолжительность жизни; воспроизводимость результатов, полученных при использовании конкретной тестсистемы; комплексность с точки зрения возможности регистрации разных по механизмам возникновения биологических эффектов (мутагенных, токсических) на одном тестобъекте; оперативность получения информации. О возможности использования живых организмов в качестве показателей определенных природных условий писали еще ученые Древнего Рима и Греции. В России в рукописях XV и XVI вв. уже упоминались такие понятия, как «лес пашенный» и «лес непашенный», т. е. участки леса, пригодные для его сведения под пашню и непригодные. В трудах М. В. Ломоносова и А. Н. Радищева есть упоминания о растениях-указателях особенностей почв, горных пород, подземных вод. В XIX в. с развитием экологии растений была показана связь растений с факторами окружающей среды. О возможности растительной биоиндикации писал геолог А. М. Карпинский. Другой геолог - П. А. Ососков использовал характер распределения растительных сообществ для составления геологических карт, а почвовед С. К. Наянов - почвенных карт. Большой вклад в развитие биоиндикации внес русский ученый-почвовед В. В. Докучаев. В начале XX в. биоиндикационные исследования стали развиваться особенно интенсивно. Под биоиндикацией в эти годы в основном понимали регистрацию наличия или отсутствия того или иного явления (природного или антропогенного фактора среды), отмечая в терминах «есть» - «нет». К концу XX в. биоиндикационные закономерности претерпели качественный скачок. В настоящее время для целого класса индикаторных видов растений и животных целесообразно говорить не только о наличии или отсутствии фактора, но и о степени его влияния на природный комплекс. Разные степени влияния на окружающую природную среду, регистрируемые с помощью этих видов, позволяют ввести шкалу воздействий (например, нет воздействия - слабое - среднее - сильное). Лекции № 2-3. Основные методы и принципы применения биоиндикации Цель: дать представление об основных методах и принципах применения биоиндикации План 1. Индикационные методы определения загрязнения окружающей среды. 2. Живые организмы как индикаторы качества окружающей среды. 3. Требования к биоиндикации. Пассивный и активный мониторинг. 4. Преимущества биоиндикации. Краткий конспект лекции № 2-3 Биоиндикация: уровни и методы. Возможны следующие уровни биоиндикации: 5 1) Биохимические и физиологические реакции (изменение различных процессов и накопление определенных токсикантов в органах). 2) Анатомические, морфологические, биоритмические и поведенческие реакции. 3) Флористические, фаунистические изменения. Существуют два основных метода биоиндикации: пассивный и активный. В первом случае исследуют видимые или незаметные повреждения и отклонения от нормы, являющиеся признаками неблагоприятного воздействия, во втором используют ответную реакцию наиболее чувствительных к данному фактору организмов (биотестирование). Это может быть как один фактор (сернистый газ), так и многокомпонентная смесь (выхлопные газы автотранспорта). Биоиндикация может проводиться на уровне макромолекул, клетки, организма, популяции, сообщества и экосистемы. Методы биоиндикации должны отвечать следующим требованиям: относительная быстрота проведения индикации, получение достаточно точных и воспроизводимых результатов, наличие пригодных для индикации объектов в большом количестве. В настоящее время более широко используются следующие методы: Лихеноиндикация.- оценка состояния окружающей среды по наличию, обилию и разнообразию видов лишайников. Наиболее распространенный вид биоиндикации основан на высокой чувствительности лишайников к загрязнению атмосферы. Учитывается число видов и количество лишайников. Биомониторинг атмосферного загрязнения по реакции пыльцы различных растений - индикаторов. Из пассивных методов наиболее часто встречаются: 1. Определение площади листьев у древесных растений в загрязненной и чистой зонах. 2. Уменьшение содержания хлорофилла в листьях растений. 3. Определение влажности листьев и их тургорного состояния как индикационных признаков в условиях уличных посадок городских экосистем. 4. Накопление серы в листьях и коре древесных растений в разных условиях загрязнения среды сернистым газом. 5. Накопление фенольных соединений в органах цветковых растений, мхах, лишайниках как проявление защитной реакции на неблагоприятные условия среды. 6. Изменение цвета флавоноидных пигментов различных цветковых растений под влиянием солей тяжелых металлов. 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 какого-либо одного фактора, то биоиндикация такого типа называется специфической. Биоиндикаторы по ответным реакциям на внешние воздействия также могут быть отнесены к нескольким типам. Во-первых, у ряда видов животных существенно меняется численность популяций в условиях нарушения среды. Это будут количественные биоиндикаторы. Наряду с ними есть качественные биоиндикаторы, по присутствию или отсутствию которых также можно дать характеристику биоценоза (Heideman, 1955). Если индикаторный вид реагирует значительным отклонением жизненных проявлений от нормы, то он является чувствительным биоиндикатором. Если накопление антропогенных воздействий большей частью идет без быстро проявляющихся нарушений, то такой индикатор называется аккумулятивным (Биоиндикация загрязнений..., 1988). В системе контроля состояния природных сред и экосистем важную и самостоятельную роль занимает биотестирование. Суть этого метода заключается в определении действия токсикантов на специально выбранные 6 организмы в стандартных условиях с регистрацией различных поведенческих, физиологических или биохимических показателей. Биотестирование широко применяется для контроля качества природных и токсичности сточных вод, при проведении экологической экспертизы новых технологий очистки стоков, при обосновании нормативов предельно допустимых концентраций загрязняющих компонентов. Применение биотестирования имеет ряд преимуществ перед физикохимическим анализом, средствами которого часто не удается обнаружить неустойчивые соединения или количественно определить ультрамалые концентрации экотоксикантов. Довольно часты случаи, когда выполненный современными средствами химический анализ не показывает наличия токсикантов, тогда как использование биологических тест-объектов свидетельствует об их присутствии в исследуемой среде. Биотестирование да ет возможность быстрого получения интегральной оценки ток сичности. В отличие от биоиндикаторов, одним из основных требова ний к которым является толерантность, тест-объекты обычно выбирают среди наиболее чувствительных к загрязняющим компонентам видов. Другое важное требование заключается в том, что воздействие на тест-объект токсиканта должно вызывать ответную реакцию, аналогичную или близкую к реакциям лабораторных животных. Лекции № 4-5. Закономерности биоиндикации на различных уровнях организации живой материи Цель: дать представление о закономерностях биоиндикации на различных уровнях организации живой материи План 1. Понятие об уровнях организации живых организмов и уровнях биоиндикации. 2. Биохимические и физиологические реакции (1 уровень). 3. Анатомические, морфологические, биоритмические и поведенческие отклонения (2 уровень). 4. Флористические, фаунистические и хорологические изменения (3 уровень). 5. Ценотические изменения (4 уровень). 6. Биогеоценотические изменения (5 уровень). Краткий конспект лекции № 4-5 В современной биологии принятой считается концепция об уровнях организации биосистем от молекулярного уровня до биосферного. Несомненно, что молекулярный уровень (вирусы, нуклеиновые кислоты, белки, аминокислоты) по степени своей устойчивости сравним с неживой материей. Рассматривая два организма на молекулярном уровне, принадлежащие к одному семейству или отряду, а иногда и к различным таксонам, обнаруживается больше сходства, чем различий. Отмечена высокая степень сходства молекулярно-клеточной организации по сравнению с более высокими уровнями организации. По словам Крика, обнаружение сходства биохимических процессов во всей живой природе является одним из наиболее удивительных открытий прошлого века. Заметные различия обнаруживаются даже у близкородственных видов только при переходе на более высокие уровни организации (ткань, органы, организм). Это позволяет предположить, что ответные реакции разных организмов, относящихся к одному семейству или роду, при действии токсичных веществ на молекулярном уровне не будут сильно различаться. Например, в присутствии органических загрязнителей (нефтяных и полихлорированных углеводородов) увеличивается содержание оксигеназы со смешанной функцией (Цитохром Р-450 – гемопротеид, содержащийся в оксигеназных системах – универсальная молекула, обнаруженная у бактерий, высших растений и млекопитающих – содержится в митохондриях, ядре, ЭПР; помимо основной своей функции он участвует в метаболизме чужеродных соединений). 7 Следующий уровень - уровень органоидов. Обнаружено, что лизосомы некоторых позвоночных, моллюсков и рыб способны накапливать ароматические улеводороды, асбест, производные аминоазобензина, ионы металлов (меди, свинца, никеля, ртути) и плутония. Клеточный уровень (микробы, одноклеточные, водоросли и т.д.) обладает также высокой степенью устойчивости вследствие своей способности образовывать споры. Ткани и органы организма животных и растений проявляют дифференциальную чувствительность к различным антропогенным воздействиям. О наличие в окружающей среде загрязняющих веществ можно судить по морфологическим аномалиям или заболеваниям животных или растений. Так, между загрязнением вод углеводородами и появлением язв на коже у многих видов рыб (трески) отмечена прямая связь. Причины эрозии плавников рыб носят комплексный характер (загрязняющие вещества, дефицит растворенного кислорода и вторичное бактериальное заражение). Увеличилось число случаев аномалий скелета у рыб (спинные искривления, позвоночные уплощения, аномалии головы и плавников). Наличие прямой связи между аномалиями и загрязнениями вод тяжелыми металлами, хлорированными углеводородами описаны в Японском море, Бискайском заливе и др. Эта связь была доказана опытным путем: при действии металлов у рыб искривления позвоночника. Т.о, биоиндикация морских позвоночных на тканевом уровне включает их тщательный осмотр для выявления явных аномалий с последующей рентгеноскопией. Еще в середине 1850 г. были отмечены изменения окраски листьев растений за счет дыма, ядовитых газов и других стрессоров. Наиболее распространенные морфологические изменения растений, используемые в качестве биоиндикации - хлороз (бледная окраска листьев между жилками под влиянием отвалов металлов). Пожелтение краев или определенных участков листьев у лиственных деревьев под влияние хлоридов. Покраснение в виде пятен на листьях смородины и гортензии под действием SO2. Появление серебристой окраски поверхности листьев действие фтористых соединений. Некрозы - отмирание ограниченных участков ткани листовой поверхности в следующей последовательности: при действии SO2 образование грязно-зеленых пятен, после гибели пораженных клеток листа участки оседают, высыхают и за счет выделения дубильных веществ окрашиваются у деревьев в бурый цвет или выцветают до беловой окраски: тюльпаны, лук, гладиолусы, зерновые культуры. Организменный уровень биоиндикационной чувствительности. Основной наблюдаемой единицей на уровне организмов является особь, семья или группа особей. Наиболее чувствительной реакцией - комплекс поведенческих изменений, позволяющих выжить особи при изменившихся внешних условиях. Хорошо выраженные реакции можно наблюдать у пресноводной амебы в зависимости от концентрации растворенных в воде химических веществ. При низкой концентрации токсических веществ амеба сокращает свои ложноножки, при увеличении концентрации она превращается в клубок и затем погибает. Под микроскопом можно наблюдать за увеличением частоты сокращений так называемой пульсирующей «вакуоли» амебы в зависимости от концентрации токсических веществ в окружающей организм среде. Основная функция сократительной вакуоли - регуляция осмотического давления внутри тела простейшего, поэтому при попадании токсических веществ в организм амебы сократительная активность пульсирующей вакуоли увеличивается. Имеется ряд работ, посвященных влиянию тяжелых металлов на питание организмов-фильтраторов, например моллюсков. Их скорость питания снижается в присутствии метилртути. Хром в концентрации 150 ррв снижали скорость питания, а при 10 ррв не оказывал влияния. Частота кашля организмов – наиболее чувствительный и удобный для исследователей отклик на широкий круг загрязнений. Она изменяется под действием физических (взвешенные твердые частицы) и химических (металлы) факторов на эпителий жабр. Рост – один из важнейших параметров, характеризующих состояние организма. Так, с повышением концентрации водорастворимой фракции сырой нефти замедляется рост мидий. Поскольку эмбриональные или личиночные стадии более чувствительны к токсикантам по сравнению со взрослыми особями, изучение снижения плодовитости 8 организмов также является биоиндикационным признаком. Поведением некоторые организмы сигнализируют об изменившихся условиях. Так, омар в присутствии сырой нефти тратит больше времени на поиск пищи Популяционный уровень. Использование показателей популяционного уровня зависит от выбранных видов и целей программы биологического мониторинга. Ростовые показатели. Данные об абсолютной или относительной скорости роста можно получить, изучая структуру популяции или видов известного возраста. Поскольку маркировку организмов проводить очень трудно, лучше всего использовать такие виды, у которых образуются ежегодные метки. Воспроизводство. Изменение плодовитости особей, входящих в популяцию, может свидетельствовать о нарушении репродуктивного процесса. Этот показатель целесообразно использовать для видов, которые откладывают относительно небольшое число яиц. Распределение и обилие видов. Распределение и обилие являются особо ценными показателям состояния популяции оседлых видов, особенно при изучении градиента загрязнения. B ряде случаев можно использовать искусственные субстраты для наблюдений за скоростью появления обрастателей, их распределением и обилием. Однако показатель обилия для подвижных форм обладает большой изменчивостью и низкой разрешающей способностью, поэтому его ценность для мониторинга сравнительно невелика. Структура популяции. Для оценки этого показателя можно использовать методы определения возрастных групп, которые в основном хорошо разработаны для двустворчатых моллюсков. Виды с растянутым периодом икрометания или с резкими изменениями скоростей роста малопригодны для мониторинга. Максимальная чувствительность структурного показателя популяции достигается при наблюдении за изменениями динамики популяции. Уровень сообщества. Структурные показатели сообщества – число особей и разнообразие видов в сообществе и их изменчивость в пространстве и во времени. К ним относятся трофическая структура, видовой состав, плотность и биомасса входящих в сообщество популяций. Функциональная характеристика сообщества – качество и количество энергии, протекающей через сообщество. К ним относятся продукция и дыхание сообщества. Биомасса - это структурный показатель, определение которого не представляет больших трудностей. Он бывает довольно постоянным для популяций бентоса, но обнаруживает заметную пространственную изменчивость, что ограничивает его применение в программах мониторинга. Биомасса растет даже при небольших количествах органики, поэтому заметные изменения среднего значения биомассы, вероятно, могут указывать на неблагоприятные условия в морской среде. Видовое разнообразие. Число видов в данном ценозе обычно сильно зависят от числа и размера взятой пробы. Измерение разнообразия основано на суммарном числе видов и особей и относительном обилии особей данного вида. Трофическая структура вида имеет важное значение для таких процессов, как биоаккумуляция и общий поток энергии в сообществе. Соотношение первичных продуцентов или консументов может быть связано c сукцессией и стабильностью сообщества, a соотношение видов c различными типами питания может указывать на преобладающий вид энергии, доступный сообществу. Сравнение сообществ. Методы сравнения сообществ в пространстве и времени по своей природе носят статистический характер. Многие методы сейчас широко используются и уже имеются в виде стандартных вычислительных программ. Экосистемный уровень. Оценка воздействия загрязняющих веществ на экосистемном уровне, как показывает опыт, сводится к использованию данных, полуученых для уровней популяции или сообществ, из которых оно состоит. 9 Структурной основой экосистемы являются неорганические и органические вещества, факторы среды (температура, свет, ветер и др.), продуценты, консументы и, редуценты. Сложные взаимозависимые процессы функционирования экосистемы осуществляются за счет потока энергии, пищевых цепей, круговорота питательных веществ, изменения разнообразия, развития и эволюции во времени и пространстве, продуктивным оказалось предварительное выяснение чувствительных звеньев экосистем, по которым можно судить о состоянии экосистем. Наиболее исследованы восстановительные сукцессии, вызванные нарушением или уничтожением основного природного биогеоценоза в результате пожаров или деятельности человека. Как правило, современные биоценозы в результате антропогенной деятельности в 70% случаев находятся на той или иной восстановительной стадии сукцессии. Например, в случае уничтожения кедрача происходит активное развитие разнотравья, сменяющееся кустарниковой растительностью, затем березой, осиной, cосной, пихтой, елью и только на последнем этапе – кедром. Весь процесс занимает от 200 до 500 лет. Следовательно, современные березняки – хороший биоиндикатор разрушенных человеком коренных природных биоценозов. Большой интерес представлявляют исследование и индикация регрессионной сукцессии, когда при воздействии антропогенных факторов происходит последовательная деградация биоценозов. Такие изменения носят лавинообразный характер с промежуточными стадиями относительной устойчивости в короткие промежутки времени при незначительных, с точки зрения современного человека, антропогенных изменениях среды. В качестве примера можно рассмотреть деградацию второго по величине (после Байкала в СНГ) озера Балхаш площадью 18300 кв. км. В результате антропогенной деятельности произошли следующие изменения в экосистеме Балхаша: загрязнение озера органическими отходами и пестицидами, приводящими к заражению и гибели рыбы и водоплавающей птицы. Зарыбление хищными породами привело к исчезновению эндемиков озера: османа, маринки, окуня и значительному сокращению популяций сазана. В результате снижения уровня воды на 2-3 м и обмеления огромных площадей произошло интенсивное развитие сине-зеленых водорослей, заболачивание прибрежной зоны, приводящее к потере нерестилищ и усилению процессов загрязнения озера. В настоящее время озеро как бы поделилось на две части: южную, в которую впадает река, более чистую, способную к восстановлению, и северную, обреченную на заболачивание. Замкнутость биоценозов по веществу неизбежно приводит к накоплению токсических веществ по трофическим цепям на верхних уровнях экосистем. В биогеоценозе тундры происходит увеличение концентрации стронция-90, цезия-137 следующим образом: почва - 1000 у.е., лишайники - 300 у.е., олени - 6000 у.е., эскимосы - 10000 у.е. (Рамад, 1981). При загрязнении хлорорганическими соединениями наблюдается снижение первичной продукции водных экосистем. При концентрации ДДТ 10-8 в пресной воде интенсивность фотосинтеза фитопланктона уменьшается на 20-50 %, а при 10-7 - на 80%. Концентрация 1 мг/л нефти приводит к снижению первичной продуктивности водоемов на 30-60%. У пресноводных водорослей при содержании хлорида свинца в концентрации 10-7 приводит к замедлению фотосинтеза на 20-50 %. Таким образом, органный (специализированные органы: сердце, печень, почки, легкие) и тканевый (физиологические системы: кровеносная, нервная, иммунная) уровни выделены условно в подтверждение идеи о том, что устойчивость всех внутренних органов организма выше устойчивости всего организма. Начиная с организменного уровня, устойчивость сообщества биоценоза и биосферы определяется их способностью к созданию относительно постоянной биотической и абиотической среды, в которой возможны существование организмов и эволюция популяций. Следовательно, от молекулярного до популяционного уровня организации живой материи устойчивость биосистем определяется в большей степени их приспосабливаемостью, т.е. пассивной защитой. Начиная с уровня сообщества, характер биологических механизмов, 10 обеспечивающих устойчивость, становится принципиально другим - активным, создаются системы круговоротов веществ, энергии и информации, обеспечивающих стабильность биосферы, природоохранные экраны: озоновый, углекислый; обеспечивается цикличность климатических условий планеты. Все биологические системы, независимо от их уровня организации, существуют в изменяющейся окружающей среде. Чтобы выжить и успешно преобразовывать косную среду, необходимо развить механизмы, позволяющие сохранять функциональную и структурную целостность живого в пределах изменчивости среды, что и осуществляется путем приспособления биосистем к среде или адаптацией. Адаптации как по каждому фактору, так и по совокупности факторов имеют определенные биохимические, физиологические и экологические пределы, предопределенные на генетическом уровне. Совокупность всех адаптационных характеристик организма, популяции, экосистемы и определяет их экологическую нишу, т.е. ту среду обитания, в которой возможно оптимальное развитие живых организмов. Если уровень воздействующих на организм факторов превышает адаптационные возможности биосистемы, происходит деградация, разрушение части или всей биосистемы. В последнее время в научной литературе достаточно широко используется термин «стресс». Под стрессом в широком биологическом смысле подразумевается реакция биосистемы на экстремальные (предельные значения адаптационных возможностей) воздействия факторов среды. С биоиндикационной точки зрения наибольший интерес представляет выявление таких экстремальных стрессовых воздействий, а также прогноз возможного уровня деградации биосистем. Под устойчивостью биосистем понимается способность сохранять свою структуру и функциональные особенности под воздействием внешних и внутренних факторов. По мнению современных исследователей, существует по крайней мере шесть типов биоиндикационных реакций в зависимости от времени действия фактора. А - биоиндикатор через определенное время отвечает одноразовой сильной реакцией и затем теряет чувствительность; Б - после определенного времени воздействия - сильная одноразовая реакция, которая продолжается определенное время и исчезает; В - биоиндикатор реагирует с момента появления воздействия с одинаковой интенсивностью в течение длительного времени; Г - после немедленной сильной реакции наблюдается ее затухание; Д - реакция на воздействие медленно нарастает, достигает своего максимума и затухает; Ж - колебательный характер ответных реакций. В связи с тем, что все адаптивные реакции используют большое количество энергии при компенсации воздействующих факторов, можно установить несколько эмпирических правил компенсаторной адаптации: Чем большая интенсивность воздействующего фактора, тем больше энергетических ресурсов должна затратить биосистема на его компенсацию. Если фактор неизвестен биосистеме, то он не вызывает сигнальной - стимулирующей энергетику биосистемы - реакции, поэтому встраивается и ведет к разрушению биосистемы (мимикрирующий эффект). Пример: антропогенные факторы и синтезированные человеком новые химические вещества и радиоизотопы. Адаптация биосистемы к экстремальным воздействиям вследствие больших ресурсных затрат приводит к деградации биосистемы - ее упрощению. Лекция № 6. Микроорганизмы – биоиндикаторы состояния окружающей среды Цель: дать представление о микроорганизмах как биоиндикаторах состояния окружающей среды План 1. Особенности биоиндикационной характеристики микроорганизмов. 11 2. Общая численность бактерий и количество потребляемого кислорода как параметры биоиндикации. 3. Примеры микроорганизмов – тест-объектов. Краткий конспект лекции № 6 Мир одноклеточных организмов состоит из огромного числа микроорганизмов, грибов, водорослей. Среди одноклеточных организмов выделяют прокариот (водоросли, грибы-дрожжи, простейшие) и прокариот (сине-зеленые водоросли и бактерии: спирохеты, риккетсии, стафилококки и др.). Микроорганизмы – мельчайшие, преимущественно одноклеточные организмы различной систематической принадлежности, видимые только в микроскоп: бактерии, микоплазмы, микроскопические грибы, водоросли, простейшие, вирусы. Микроорганизмы отличаются огромным разнообразием видов, встречающихся практически во всех нишах (горячие источники, дно океана, горные вершины). Численность микроорганизмов огромна. Так, 1 грамм почвы содержит их до 100 млн., 1 см3 парного молока – 3 000 млн. Техногенное загрязнение атмосферы, гидросферы и литосферы, нарушая биологическое равновесие, приводит к образованию новых антропогенных экологических ниш, которые в первую очередь занимают микроорганизмы (о чем свидетельствует формирование устойчивых к лекарствам штаммов, СПИД и др.). Кроме того, по своей физиолого-биохимической природе микроорганизмы являются наиболее чуткими биоиндикаторами состояния окружающей среды. Следовательно, постоянный контроль видового разнообразия и численности микроорганизмов является одним из основных показателей качества окружающей среды. Микробная деградация загрязняющих веществ – разрушение токсичных соединений, как природных, так и антропогенных, благодаря деятельности микроорганизмов. В случае полной деградации происходит минерализация органических веществ, т.е. окисление высокомолекулярных соединений до низкомолекулярных (СО2, Н2О и др.). Кроме того, в процессе жизнедеятельности бактерий происходит обезвреживание многих солей тяжелых металлов, особенно с переменной валентностью. Например, бактерии B. dechromaticum, использующие в анаэробных условиях иловых отложений в качестве акцептора водорода оксид хрома (6), переводят высокотоксичный хром (6) в сравнительно безвредный хром (3), который в виде гидроксида выпадает в осадок. Многие синтетические ксенобиотики (например, ПАУ) подвергаются неполной микробной деградации. Методы определения интенсивности деградации включают в себя измерение численности индикаторных микроорганизмов, количественный учет разрушенного ксенобиотика при культивировании индикаторных микроорганизмов в модельных экспериментах. Несмотря на высокий биотрансформирующий потенциал, морские организмы не способны полностью разрушить или трансформировать органические загрязняющие вещества, поступившие в морскую среду. Во-первых, многие ПАУ лишь частично разрушаются микроорганизмами. Во-вторых, в арктических и субарктических районах Мирового океана в условиях низких температур активность микробиологических процессов резко снижается. Микробная трансформация - изменение молекулярной структуры токсичных соединений в результате активности микроорганизмов. Это один из важнейших процессов самоочищения объектов окружающей среды. Способность микроорганизмов утилизировать загрязняющие вещества обусловлена следующими фактами: - многие синтетические соединения являются аналогами определенных природных соединений, и микробные популяции располагают необходимым набором ферментов; - появляются новые, функционально активные ферменты в результате качественных и количественных изменений генетической информации (мутации); 12 - устойчивые ксенобиотики могут трансформироваться в нетоксичные соединения в присутствие другого органического субстрата (соокисление). Индикаторные микроорганизмы – высокочувствительные микроорганизмы, обладающие ярко выраженными адаптационными возможностями и многообразием физиологических свойств, и отражающие малейшие изменения природного фона (например, при наличии определенных загрязняющих веществ). Биологическая целесообразность существования индикаторных микроорганизмов состоит в их способности восстанавливать естественный фон. Микроорганизмы способны усваивать все имеющиеся в природе органические вещества, причем необходимые ферменты синтезируются в их клетках по мере надобности. Благодаря этому они быстро реагируют на появление новых экологических факторов природного или антропогенного характера усилением биологической активности или увеличением численности. Например, после разлива нефти происходит резкое увеличение численности углеводородокисляющих бактерий (на 3-5 порядков). Если в чистых экосистемах они составляют менее 0,1% от общего микробного населении, то в экосистемах Мирового океана, загрязненных нефтью, их доля может достигать 100%. Микробная индикация – оценка количественных и качественных характеристик состояния экосистем по преимущественному развитию тех или иных популяций микроорганизмов. В основе ее лежит адаптация микроорганизмов к новым химическим условиям в результате антропогенного воздействия. Это приводит к расцвету организмов, которые адаптировались к новым химическим условиям, и вытеснению из системы организмов, не приспособленных к воздействию чужеродных веществ. Разработаны методы микробной индикации разнообразных объектов природной среды: в почвах – биогенных элементов и микроэлементов; в материалах малоизвестного состава – определение витаминов, аминокислот, токсинов; определение активности ростовых веществ, биостимуляторов и т.д. Широкое распространение получил метод быстрой оценки санитарного качества окружающей среды, включая почву, пресные и морские воды, с использованием в качестве индикаторного объекта кишечной палочки Escherichia coli. Коли-титр и коли-индекс – классические показатели оценки качества питьевой воды. Коли-титр – показатель бактериального загрязнения воды, соответствующий объему исследованной воды в см3 (или мл), приходящемуся на 1 кишечную палочку (не менее 300 мл). Коли-индекс - показатель бактериального загрязнения воды, соответствующий числу кишечных палочек в 1 дм3 воды и являющийся величиной, обратной коли-титру (не более 5000 в 1 дм3). Лекции № 7-8. Растения, мхи и лишайники – биоиндикаторы состояния окружающей среды Цель: дать представление о растениях как биоиндикаторах состояния окружающей среды План 1. Особенности биоиндикационной характеристики органов и тканей растений, мхов и лишайников. 2. Макроводоросли в качестве организмов-мониторов. 3. Лихеноиндикация. Краткий конспект лекции № 7-8 Состав природных вод непостоянен во времени, так как минеральные смеси постепенно осаждаются, а растворенные вещества поглощаются в водоеме фитопланктоном (взвешенные в воде одноклеточные и нитчатые водоросли) и макрофитами (крупными, в основном цветковыми, прибрежно-водными и водными растениями). В самых чистых олиготрофных водах преобладают представители отдела золотистых водорослей, в мезотрофных водах - зеленых водорослей (хлорелла, хлорококк и др.), 13 эвтрофных водах - сине-зеленых водорослей. Индикатором поступления в водоем биогенов, особенно азота, может служить нитчатая водоросль спирогира, в эвтрофных водоемах она образует плавающие на поверхности воды скопления, напоминающие внешним видом желто-зеленые мочалки. Классическим тест-объектом является одноклеточная водоросль хлорелла. Ее применяют для экспресс- анализа при загрязнении почвы тяжелыми металлами, т.к. при малейшем загрязнении эти водоросли первыми реагируют и их исчезновение становится сигналом. Также широко в качестве биотестов применяются грибы, которые занимают особое положение в системе органического мира и выделены в самостоятельное царство живых организмов, имеющих признаки как растений, так и животных. Грибы интенсивно аккумулируют тяжелые металлы, более того, к некоторым из них (Cd, Zn, Cu, Hg) имеют специфическое сродство. Макрофиты - также индикаторы качества природных вод и условий местообитания. Они индицируют степень заболачивания водоема, состав донных отложений, химический состав природных вод, в том числе степень их минерализации, что особенно актуально для южных водоемов. В целом в малонарушенных природных водоемах с чистыми водами наблюдается богатый видовой состав организмов. Например в озере Байкал, насчитывается более тысячи видов, в водохранилищах - несколько сот видов, а в загрязненных водоемах и их отдельных участках - несколько десятков видов. Наблюдается общая для всех водоемов закономерность: чем лучше абиотическая среда, тем больше видов используют ее для своего обитания. Загрязнение, эвтрофирование, увеличение кислотности и солености вод выступают как экстремальные экологические факторы. При их действии могут выживать лишь очень немногие высокоспециализированные виды, обладающие приспособлениями для перенесения неблагоприятных факторов среды. В соответствии с разнообразием экологических условий (глубина, рельеф дна, состав и мощность донных отложений, температура и состав воды, волновой режим, наличие и скорость течений) в каждом водоеме можно выделить несколько типов местообитаний, или биотопов. На мелководьях с нарастанием глубины обычно наблюдаются следующие пояса растительности: пояс осок (глубина до 1 м) и разнотравья - частуха, стрелолист, горец земноводный, хвощ топяной, лютики (в случае преобладания осок накапливается осоковый торф); пояс камышей и тростников (до 2-3 м); пояс макрофитов, с плавающими листьями, погруженный в воду (до 4-5 м), характерны кувшинки, кубышки, рдесты, харовые водоросли, роголистник; пояс микрофитов, т.е. одноклеточных и нитчатых водорослей (более 5 м). На состав водной растительности и ее развитие влияют также антропогенные факторы: рекреация, выпас скота, земледелие на водосборе, промышленность, транспорт и др. В зависимости от состава вод, поступающих с водосбора, формируются сообщества разного состава и продуктивности. Если антропогенные воздействия на водосборе незначительны, то флористический состав, структура и продуктивность литоральных (на мелководье) фитоценозов зависит в основном от гидрологического режима и природных факторов. В случае умеренного антропогенного воздействия сообщества имеют максимальное видовое разнообразие и состоят из экологически неоднородных элементов. Макрофиты перехватывают биогены, поступающие с водосбора, и связывают их в своих тканях на длительное время. Реакция видов на поступающие с водосбора вещества различна, что приводит к усиленному развитию одних видов и ослаблению и исчезновению других. В результате соотношение видов в фитоценозах изменяется, флористический состав обедняется и в ряде случаев образуются фитоценозы, на 90% и более представленные одним видом, который устойчив к избытку в среде обитания химических элементов. К числу таких видов относятся тростник южный, камыш озерный и 14 некоторые другие виды высших водных растений-космополитов. На усиленное поступление биогенов они реагируют увеличением продуктивности и гигантизмом. Другая группа растений — концентраторов биогенных элементов — обладает высоким барьером накопления. Она меньше приспособлена к усиленному поступлению биогенов, поэтому сначала такие растения активно увеличивают фитомассу, а затем при достижении барьера начинают нарушаться физиологические процессы: сначала они испытывают угнетение, а затем исчезают из водоема. К этой группе относятся элодея, телорез, рдесты и др. Способность макрофитов активно поглощать органические и минеральные вещества из воды и донных отложений, а также очищать поверхность воды от нефти и нефтепродуктов в ряде случаев используют для борьбы с эвтрофированием водоемов. В этом плане весьма перспективным считается папирус, камыш озерный, манник большой и другие виды. Макрофиты проявляют разную чувствительность к загрязнению воды. Рдест блестящий и рдест сплюснутый выносят лишь слабое загрязнение, а рдесты гребенчатый, курчавый и пронзеннолистный могут существовать при сильном загрязнении. На участках водоемов, наиболее загрязненных, сохраняется только рдест гребенчатый. Харовые водоросли встречаются исключительно в чистых водах. Одним из детально разработанных и многократно апробированных методов индикации атмосферного загрязнения является лихеномониторинг, т.е. использование лишайников в качестве объектов наблюдения и химических анализов. Чувствительность лишайников к загрязнению окружающей среды обусловлена несколькими причинами. Во-первых, в силу того, что лишайники представляют собой симбиотическую ассоциацию гриба и водорослей, любое воздействие, которое изменяет баланс взаимодействия между симбионтами, будет влиять на их жизнеспособность. Кроме того, лишайники поглощают аэрозоли и газы всей поверхностью талломов, что также повышает их чувствительность к загрязнению, а периодически происходящая дегидратация талломов, позволяющая переживать лишайникам периоды засухи, приводит к росту концентрации загрязняющих веществ в талломах до высоких уровней. Среди жизненных форм лишайников различают: накипные (слоевище имеет вид корочек) леканора, фисция; листовые (слоевище имеет вид пластинок) пармелия; кустистые (слоевище имеет вид кустиков или свисающих бород, иногда до 1-2 м длиной) уснея, бриория, эверния; Все вещества (минеральные и органические) проникают в слоевище лишайников через поверхность, поэтому самыми чувствительными к воздействию поллютантов являются лишайники кустистой жизненной формы, имеющие наибольшую по отношению к массе площадь таллома. Далее идут листоватые формы, и наиболее устойчивыми являются накипные лишайники, слоевище которых зачастую погружено в субстрат или имеет вид слабой корочки. Среди эколого-субстратных групп наиболее чувствительными к изменению содержания в воздухе химических веществ являются эпифиты, обитающие на коре деревьев и кустарников. Поллютанты проникают в слоевища лишайников из атмосферы вместе с осадками и пылью. Более того, осадки насыщаются загрязняющими веществами, проходя через кроны деревьев и стекая по стволам и ветвям. К очень чувствительным видам относятся Bryoria fuscescens, B.furcellata, Evernia mesomorpha, Tuckermanniopsis chlorophylla, Hypogymnia tubulosa, Platismatia glauca, виды р. Usnea. Чувствительными к атмосферному загрязнению видами считают Chaenotheca chrysocephala и Vulpicida pinastri. Устойчивыми видами являются Physcia adscendens и Parmeliopsis hyperopta и очень устойчивыми – Physcia stellaris, Phaeophyscia ciliata и Xanthoria polycarpa. Лишайники исчезают в первую очередь с деревьев, имеющих кислую кору (берёза, хвойные), затем с промежуточных видов (дуб, клён) и позже всего – с деревьев, имеющих слабощелочную кору (вяз мелколистный, акация жёлтая). В лишайниковых типах леса 15 доминируют кустистые лишайники (кладония, цитрария), длинными бородами с ветвей деревьев свисает уснея, которая является наиболее чувствительным видом и растёт в лесах только с чистой атмосферой. На лишайники губительно действуют, прежде всего, вещества, увеличивающие кислотность среды и ускоряющие окислительные процессы, такие соединения, как двуокись серы (SO2), окислы азота (NO, NO2), фтороводород (HF) и хлороводород (HCl), озон (O3). Наиболее восприимчивы они к действию SO2 – одному из самых распространенных загрязняющих веществ, продукту сгорания любого серосодержащего топлива. Однако, относительно безвредны для них токсичные для других растительных организмов тяжелые металлы, способные накапливаться в слоевищах в значительных количествах без изменений физиологического гомеостаза за счет их внеклеточного распределения. Активность вида оценивают, исходя из частоты встречаемости вида на деревьях пробной площади и его проективного покрытия. Для каждого вида отмечают его активность по 5-бальной шкале: 5 – высокоактивный, обильно встречается на всех исследованных деревьях пробной площади, покрытие его на стволе и/или нижних ветвях дерева достигает 50 %; 4 – активный, встречающийся на большинстве исследованных деревьев пробной площади, покрытие его достигает 10 %; 3 – умеренно-активный, встречается с частотой 50-30 %, но с низким покрытием (5-1 %); 2 – малоактивный, частота встречаемости 30-10 %, покрытие незначительно (меньше 1 %); 1 – неактивный (случайный), редко встречается (менее 10 % деревьев), зачастую мелкие талломы, проективное покрытие приближается к нулю. При том могут быть употреблены следующие градации: 1 балл: частота встречаемости – очень редкая, площадь покрытия – очень низкая. 2 балла: частота встречаемости – редкая, площадь покрытия – низкая. 3 балла: частота встречаемости – небольшая, площадь покрытия – средняя. 4 балла: частота встречаемости – большая, площадь покрытия – большая. 5 баллов: частота встречаемости – очень высокая, площадь покрытия – очень большая. Методы лихеноиндикации, основанные на изучении изменения структуры лишайниковых сообществ и состава лихенобиоты под воздействием загрязнения, могут быть подразделены на следующие группы: · анализ исторических данных, основанный на сравнении результатов нынешних наблюдений за составом видов лишайников и предшествующих наблюдений в том же месте; · изменение структуры лишайниковых сообществ вдоль градиента источника загрязнения – фон; · зонирование территории, основанное на определении изменений в обилии и общем числе видов под воздействием загрязнения; · картирование распространения индикаторных видов и их характеристик; · использование индексов для количественной оценки степени загрязнения среды, например, индексов атмосферной чистоты (IAP). Для количественной оценки зависимости структуры лишайниковых сообществ от воздействия поллютантов используют разнообразные индексы, главным образом различные модификации индекса атмосферной чистоты (IAP): IAP = (1/n)SQi, где n – число видов, Qi – индекс полеофобности, рассчитанный как среднее число сопровождающих видов для i-го вида. Лекции № 9-10. Беспозвоночные животные как биоиндикаторы Цель: дать представление о беспозвоночных животных как биоиндикаторах План 1. Биоиндикационная чувствительность органов и физиологических беспозвоночных животных. 16 систем 2. Моллюски в качестве организмов-мониторов. 3. Насекомые – основа биоиндикационного тестирования. Краткий конспект лекции № 9-10 Для оценки качества вод с начала 1930-х г. используют дафнию (Daphnia magna). К настоящему времени выполнено множество работ по определению действия на дафнию большинства обнаруживаемых в водных объектах ксенобиотиков. В законодательном порядке этот веслоногий рачок включен в число тест-объектов для оценки качества воды во многих странах ми ра. Широко используют для биотестирования воды и медицинскую пиявку (Hirudo medicinalis). Рассмотрим использование этих тест-объектов для обнаружения и идентификации в воде некоторых классов пестицидов. К числу наиболее токсичных химических соединений относятся фосфорорганические и карбаматные пестициды, обладающие антихолинэстеразным действием. В эту группу входят и некоторые боевые отравляющие вещества (зарин, зоман. V-газы), уничтожение которых также приводит к загрязнению природ ных сред, включая водные объекты. Обнаружение антихолинэстеразных соединений эффективно может производиться с помощью дафний, которые в сравнении с мышами в 5-18 раз чувствительнее к карбаматным пестицидам и в 1000-75 000 раз чувствительнее к фосфорорганическим соединениям (Тонкопий и соавт., 1993). Методология определения сводится к следующему. Если у дафний, помещенных в пробу тестируемой воды, отмечается 50-100 %-ная гибель, а при помещении в ту же воду с добавленным в нее алкалоидом атропином (известный антидот, мхолинолитик) токсическое действие достоверно снижается, то это свидетельствует о наличии в пробе воды соединения с антихолинэстеразным дей ствием. Так, при задании в воде концентрации атропина 12 мг/л величина ЛК 50 карбаматного пестицида аминостигмина для дафний увеличивалась с 12 до 84 мкг/л, т.е. в семь раз. С другой стороны, добавление в испытуемую воду миоре лаксанта дитилина приводит к уменьшению полулетальной концентрации антихолинэстеразных пестицидов: гибель 50 % дафний наблюдается уже при концентр ациях пестицидов на уровне 0,05-0,25 ЛК 50. Такой эффект позволяет обнаруживать антихолинэстеразные токсиканты при их содержании в неток сических концентрациях и, что очень важно, регистрировать хроническое воздействие. В опытах с медицинскими пиявками была продемонстриро вана также возможность селективного обнаружения фосфорорганических и карбаматных токсикантов. Летальность при отравлении пиявок карбаматными пе стицидами снижается в четыре раза, если животных предварительно выдерживают в воде добавкой н -холинолитика педифена (1 мг/л) или вводят его внутримышечно. Если же токсическое действие тестируемой пробы воды предотвращается только при одновременной обработке пиявок педифеном и каким-либо карбаматом, то это говорит о наличии в пробе фосфорорганических соединений (Тонкопий и соавт., 1994). В этом случае мы имеем дело с примером групповой биоидентификации токсиканта. Кроме дафний и пиявок для биотестирования применяются бактерии, водоросли, высшие растения, моллюски, рыбы (глав ным образом, на ранних стадиях развития) и другие организмы. Класс насекомых – самый многочисленный и многообразный по числу представленных видов в биосфере. Обладая относительно небольшим периодом индивидуальной жизни от месяца до нескольких лет, насекомые способны в большей степени, чем другие животные, видоизменяться и адаптироваться. Если бы знания о поведении насекомых были достаточно полными, то 17 практически все антропогенные изменения окружающей среды и прогноз последствий этих изменений можно было бы осуществить на основе биотестирования насекомых. Так нарушение трофического поведения гусениц тутового шелкопряда отмечено при воздействии фтора, изменение роющей активности муравьев - при действии пестицидов. При действии инсектицидов наездникибракониды перестают откладывать яйца в тела тлей, а совершают чистящие движения. Общее физиологическое состояние организма насекомого, определяемое по общему количеству гемоцитов, хорошо коррелирует с загрязнением сернистым ангидридом и тяжелыми металлами. В ряде случаев наблюдается повышение устойчивости насекомых к инфекционным заболеваниям. Гусеницы соснового шелкопряда в зоне среднего антропогенного загрязнения оказались в 2 раза более устойчивыми, чем гусеницы из чистых местообитаний. Наблюдалось также отсутствие летней диапаузы у жужелиц Nebria brevicolor в зоне загрязнения тяжелыми металлами. Нарушение коммуникационного поведения муравьев, пчел отмечалось при повышении содержания соединений меди, цинка, хрома, соли ртути, кадмия, свинца. Поэтому отсутствие муравейников в типичных биоценозах может быть использовано npи биотестировании металлов. Достаточно широкое распространение получило использование меда и прополиса для определения концентрации в них тяжелых металлов и других токсических соединений. Беря пробы меда и прополиса в различных регионах, можно составить достаточно подробную карту загрязненности интересующего нас района, а также осуществлять мониторинг экологического состояния окружающей среды. Переменное электрическое поле линий электропередачи и подстанций при напряженности 10 кВ/м и выше изменяет траекторию полета крупных насекомых: стрекоз, бабочек. У бабочек в непосредственной близости от проводов наблюдается эффект «схлопывания». В результате они падают на землю, разряжаются и вновь порхают, правда, при этом стараются не подлетать к проводам. Лекция № 11. Биоиндикационная реакция позвоночных животных Цель: дать представление о позвоночных животных как биоиндикаторах План 1. Особенности биоиндикационной характеристики органов и тканей позвоночных животных. 2. Рыбы в качестве организмов-мониторов. 3. Нарушение онтогенеза животных. Краткий конспект лекции № 11 В отечественной литературе предлагаются следующие критерии для позвоночныхбиоиндикаторов: принадлежность к разным трофическим звеньям (поскольку степень концентрации веществ растет от автотрофов к гетеротрофам и крупным хищникам, целесообразно при индикации какого-либо загрязнения среды брать представителей разных звеньев); оседлость; широкий ареал распространения; сравнительно высокая эвритопность; принадлежность к естественным сообществам (синантропные виды часто весьма существенно отличаются по микроэлементному составу от степени загрязнения региона); простые методы добычи животных. Учитывается также и тот факт, что численность вида должна обеспечивать достаточное количество материала для химических анализов. Считается также, что число видов-индикаторов для каждого региона должно быть ограничено. В связи с этим в лесной зоне для целей биоиндикации предлагались следующие виды животных – европейский и алтайский крот, обыкновенная бурозубка, рыжая и красная полевки, бурый медведь, а также лось (Степанов, Попов, Зацепин, 1986). Большинством исследователей не предлагается для целей аккумулятивной биоиндикации использование птиц, поскольку в большинстве своем они мигрируют либо перемещаются на большие расстояния и в разных направлениях в поисках корма, что не позволяет оценивать степень загрязнения среды с достаточно высокой надежностью. 18 Несмотря на большое количество критериев для подбора биоиндикаторов среди животных организмов все их можно свести в 2 основные группы: многочисленность животных и их постоянная связь с антропогенным фактором (Криволуцкий, 1985). На основании этих требований было предложено использовать в качестве биологических индикаторов загрязнения среды мышевидных грызунов, почвенную мезофауну и почвенную микрофауну. Все эти группы животных в настоящее время довольно широко используются в экологическом нормировании радиоактивного загрязнения почв. Следует, однако, заметить, что надежно классифицировать животных биоиндикаторов, создать их универсальную систему для всех антропогенных соединений и любых условий невозможно. Слишком по-разному они реагируют на яды, промышленные загрязнения среды и радиоактивные вещества. Биоиндикационная характеристика представителей различных классов позвоночных животных. Рыбы. Наиболее чувствительной формой поведения рыб при изменении физикохимических свойств водоемов является нерестовая миграция промысловых рыб: лосося, сига, осетра, стерляди, муксуна, хариуса. Известно, что наиболее ценные породы рыб мечут икру в чистой воде при максимальной концентрации в воде кислорода. Ориентация к месту нерестилищ происходит у рыб с помощью органов боковой линии и химических рецепторов. Поэтому всякое химическое и электромагнитное загрязнение рек и озер нарушает нерестовую миграцию рыб. Так, в Томской области в результате активной добычи нефти и загрязнения рек, нарушена сезонная миграция осетровых. Полупроходная рыба муксун поздней осень проходила нерест в реки Томь, Чулым и другие малые реки. Сбросы в Томь токсических веществ, включавших фенолы и другие органические соединения, привели к загрязнению реки и отсутствию нерестовых косяков муксуна. Муксун стал нереститься в низовьях рек Томь и Оби. После спада производства в 1993-1997 гг. наблюдается увеличение численности нерестящихся косяков муксуна в Томи Современное строительство нефтепроводов и газопроводов, пересекающих речные бассейны, и сопутствующая им антикоррозийная электрохимическая защита трубопроводов, подающая на поверхность трубы электростатический потенциал: 8-39 В, а в случае появления коррозии и ток, равный 2 А, также препятствуют нерестовой миграции рыб. В области нефтепровода наблюдается задержка сезонной и нерестовой миграции стерляди в 2- 3 раза, муксуна – в 3-6 раз. Электрические поля пересекающих Волгу высоковольтных линий электропередачи также нарушают миграцию осетровых рыб. Незначительное количество ДДТ и хлорофоса вызывает угнетение дыхания и авитаминоз у беспозвоночных гаммарид и рыб. Значительное повышение загрязненности водоемов органическими отходами тяжелых металлов и радионуклидами приводит к изменению морфологии организма. Наиболее значительные изменения наблюдаются в плавниках рыб, особенно в спинном плавнике. В нем происходит сокращение числа отростков у гольяна, но иногда наблюдается и увеличение. Интересную трансформацию претерпел карась, обитающий в речке с повышенной радиоактивностью в г. Северске. Как известно, караси - гермафродиты, т.е. у них имеются и женские и мужские половые органы, однако, начиная с 1990 г., в речке регулярно отлавливают разнополых карасей. Земноводные и пресмыкающиеся. Предки всех сухопутных позвоночных - лягушки, жабы, тритоны, змеи, ящерицы, полозы, черепахи и крокодилы, наверное, в большей степени, чем остальные виды, подвергались отрицательному антропогенному влиянию. И почти повсеместно взяты под формальную или реальную охрану. Сокращение их мест обитания отрицательно сказывается на численности их популяций и видовом разнообразии. Поэтому само наличие этих представителей в природной среде можно рассматривать в качестве индикатора относительного экологического благополучия. По данным американских исследователей, ПАУ, попадающие в 19 водоемы с нефтью, у хвостатых амфибий (Ambistoma trigrinum) вызывают в коже новообразования и цисты. Так, в районе г. Северска Томской области морфологические уродства у сеголеток остромордой лягушки достигают 34-46%. Наиболее выраженные аномалии в развитии амфибии отмечаются в районе впадения водного сброса радиохимических отходов в р. ТомьЧернилыциково: необычная пигментация кожных кровов ~ 2%; врожденные уродства конечности (отсутствие части или всей передней и задней конечности) ~ 4%; повышенная васкуляризация кожи животных ~ 45%, выражающаяся в расширении капилляров и мелких сосудов, множественные кровоизлияния под эпидермисом амфибий и т.д. Лягушки и ящерицы могут быть четким показателем содержания в почве и воде многих токсичных веществ. Например, при содержании в почве свинца в количестве 22,4 мг/кг сухого вещества, в лишайниках его было 65,2 мг, а в ящерицах 75,3 мг/кг. В теле лягушек в городе содержание свинца в 8 раз выше, чем на селе, а хрома у городских ящериц в 15 раз больше. Лучшим индикатором загрязнения среды можно считать зеленую жабу. В печени обитающей на суше жабы олова в 70 раз больше, чем у зеленых лягушек в воде (Шарыгин, 1987). Птицы. Для птиц характерен энергичный обмен веществ. Им свойственны сложные формы групповой повой организации, поведения и сигнализации, обеспечивающие эффективность размножения, кормодобывания и миграцию. По отношению к местообитанию птицы консервативны. Гнездование птиц ежегодно происходит на определенном участке - гнездовой территории. Особенности гнездовой экологии широко используются в качестве индикатора экологического состояния района. Наряду с изучением естественных кладок орнитологами используются искусственные гнездовья-скворечники со съемными верхними крышками, позволяющими регулярно проводить наблюдения за величиной кладки яиц, числом вылупившихся птенцов, их развитием. В скворечниках, как правило, в зависимости от типа биотопа, поселяются скворцы, воробьи и другие птицы-дуплогнездники: синицы, горихвостки, поползни, мухоловки и т.д. Скворечники позволяют осуществлять контролируемый полевой эксперимент: их можно выставить в необходимом для статистической обработки количестве, ставить на территориях, которые интересуют эколога. Следовательно, данный метод может быть рекомендован в качестве одного из важных показателей экологического мониторинга. В многолетних исследованиях под ЛЭП-500 было установлено отрицательное влияние временного электрического поля ЛЭП на заселяемость скворечников, рост и развитие птенцов. Известны факты отрицательного воздействия ДДТ на истончение скорлупы у многих хищных птиц: орлана-белохвоста, бурого пеликана. В колонии бурого пеликана массовая гибель яиц была связана с раздавлением яиц с тонкой скорлупой птицами, сидящими в гнезде. Лекции № 12-13. Биоиндикация загрязнений внутренних водоемов Цель: рассмотреть основные методы биоиндикации загрязнений внутренних водоемов План 1. Биологический анализ воды. 2. Оценка степени загрязнения воды по показательным организмам. 3. Оценка степени загрязнения по видовому разнообразию. Краткий конспект лекции № 12-13 В настоящее время в мировой практике используется свыше 60 методов мониторинга, включающих различные характеристики зообентоса. В зависимости от рассматриваемых параметров бентоса или применяемого математического аппарата эти методы можно условно разделить на несколько групп: 1) обилие организмов; 2) соотношение численность / биомасса; 3) число видов и удельное видовое богатство; 4) характер доминирования, ранговые распределения; 5) соотношение крупных таксонов и экологических групп; 6) пространственное распределение организмов (агрегированность, глубина проникновения в грунт и др.); 7) трофическая структура; 8) 20 морфологические изменения; 9) функциональные (в том числе продукционные) характеристики; 10) системы сапробности, токсобности и сапротоксобности; 11) биотические индексы; 12) комбинации вышеприведенных методов. Наличие такого большого числа методов свидетельствует о том, что универсального, пригодного для всех случаев метода нет. Большинство методов мониторинга разработано западноевропейскими учеными применительно к своим региональным условиям и должны быть предварительно адаптированы с учетом специфики местных водоемов и их фауны. Результаты применения методик исследователи стремятся выразить в виде некоторых количественных показателей – индексов. Их можно разделить на простые, характеризующие какой-либо компонент экосистемы с одной стороны, например численность или биомасса бентоса, число видов в нем; комбинированные, отражающие компоненты с разных сторон, например видовое разнообразие; комплексные, использующие сразу несколько компонентов экосистемы, например продукция, самоочищающая способность, устойчивость. Мониторинг может проводиться по показателям, характеризующим разные уровни организации биосистем – организменный, популяционный, видовой, сообщества и экосистемы в целом. Краткий обзор методов 1. Абсолютные показатели обилия организмов могут изменяться при антропогенном воздействии, следовательно, в определенной степени отражать его величину. Например, ряд исследователей, работавших на оз. Мичиган, пришли к выводу, что плотность олигохет до 1 тыс. экз./м2 указывает на слабое загрязнение, от 1 до 5 тыс. экз./м2 – среднее, свыше 5 тыс. экз./м2 – сильное. В дальнейшем было уточнено, что сильное загрязнение характеризуется плотностью олигохет свыше 10 тыс. экз./м2. 2. Уорвиком предложил так называемый “ABC-метод” (abundance/biomass comparison) т.е. сравнение численности и биомассы. Этот метод основан на построении так называемых кривых К-доминирования. На одном графике по оси абсцисс откладываются ранги видов в порядке убывания их численности и биомассы (лучше в логарифмическом масштабе), по оси ординат – соответствующие кумулятивные значения относительной численности и биомассы, т.е. доля первого вида, затем сумма долей первого и второго видов, первого, второго и третьего видов и т.д. Уорвик исходил из эмпирически установленного при изучении морского бентоса явления, заключающегося в том, что в нормальных условиях обитания кривая К-доминирования биомассы идет выше кривой К-доминирования численности. При умеренном стрессе (независимо от его причины) эти кривые приблизительно совпадают, а при сильном кривая биомассы идет ниже кривой численности. 3. При загрязнении обычно уменьшается общее число видов животных в сообществе, причем это сокращение часто идет быстрее, чем уменьшение обилия организмов. В результате падает значение индекса удельного видового богатства, на – 1) / ln N, где S – общее число видов, N – общее число особей всех видов. Недостаток данного метода - высокая чувствительность к сезонным, т.е. не связанным с загрязнением, а обусловленным особенностями жизненного цикла животных, колебаниям числа видов фауны. Видовое сходство двух участков или одного участка в разные моменты времени можно сравнивать с помощью различных коэффициентов сходства, среди которых чаще применяется коэффициент Жаккара. 4. Антропогенное влияние проявляется не только в изменении числа видов, но и в изменении их соотношения по численности и биомассе, что описывается различными математическими выражениями, например, ранговыми распределениями Макартура, Фишера, Престона, Федорова и т.п., индексами доминирования, индексами видового разнообразия, из которых наиболее широко известен индекс Шеннона. 21 Изменение соотношений видов определяется в первую очередь их принадлежностью к той или иной экологической группировке, по-разному реагирующей на загрязнение. При усилении загрязнения уменьшается обилие и доля стенобионтных олигосапробных видов животных, увеличивается – эврибионтных, а затем и сапробионтных видов. О.М. Кожова разделила виды гидробионтов на четыре группы: 1 – чувствительные и устойчивые; 2 – чувствительные и неустойчивые; 3 – нечувствительные и неустойчивые; 4 – нечувствительные и устойчивые. Группа 1 – лучшие индикаторы загрязнения, при усилении загрязнения виды группы 2 обычно мигрируют (при наличии соответствующей способности), а группы 3 – погибают. При дальнейшем загрязнении начинают доминировать представители группы 4. Для оценки изменения биоразнообразия под влиянием загрязнений предложен простой «индекс последовательного сравнения» (SCI). Для его расчета не нужно определять организмы до вида, а лишь улавливать их различие по форме, окраске и величине. 5. Видовой состав бентоса пресноводных водоемов изучен недостаточно, поэтому все методы мониторинга, требующие досконального знания фауны, имеют существенные ошибки, зависящие от степени изученности водоемов и квалификации исследователя. Вследствие этого, все более широкое распространение получают методы, не требующие точной видовой идентификации организмов. Предложено много индексов, основанных на соотношении более крупных, чем вид таксонов, по-разному относящихся к загрязнениям. Особенно привлекательным для этой цели оказались олигохеты. Наибольшее применение в мировой практике из индексов указанной группы нашел индекс Гуднайта-Уитли, равный отношению численности олигохет к численности всего бентоса. Если доля олигохет ниже 60%, состояние участка водоема считается хорошим, от 60 до 80% - сомнительным, свыше 80% - тяжелым. По величине этого индекса выделяют шесть классов чистоты воды. 6. Поскольку загрязнение изменяет химизм среды обитания, от которого зависят особенности химической коммуникации между организмами, то оно приводит к изменению пространственного размещения животных друг относительно друга и относительно субстрата. Л.Г. Буторина показала, что обладающие групповым поведением ракообразные образуют стаи, которые под влиянием загрязнения распадаются, поскольку нарушается химическая коммуникация между особями. Это явление можно наблюдать визуально. Количественно оценить изменение пространственного размещения организмов можно с помощью различных индексов агрегированности. 7. Антропогенное воздействие может изменить трофические условия в водоеме, что приводит к реорганизации трофической структуры сообщества, которая служит чутким индикатором этого воздействия. При этом обычно трофическая структура бентоса упрощается, биоценозы заменяются на более простые, но играющие большую роль в самоочищении водоема, уменьшается доля животных с фильтрационным типом питания и увеличивается доля детритофагов-глотателей, изменяется влияние хищных животных. При органическом удобрении озер возрастает доля животных со специализированным типом питания, увеличивается доля фитодетритофагов, уменьшается доля хищников. Для оценки подобного рода изменений предложен индекс трофических условий, рассчитываемый по соотношению в сообществе различных трофических групп. К сожалению, питание многих бентосных организмов изучено слабо, нет единой классификации типов питания. 8. Загрязнения различного рода могут вызвать морфологические изменения в организмах гидробионтов, уменьшить темп и изменить характер их роста, например, в загрязненных водах олигохеты отличаются более мелкими размерами. У животных изменяется характер асимметрии морфологических структур. Загрязнение вызывает возникновение различных уродств у личинок хирономид. Показано, что изменение 22 структуры хромосом у хирономид наблюдается при концентрации химикатов даже ниже ПДК. При мониторинге среды с помощью моллюсков используют весовой индекс смертности и индекс кондиции. 9. Антропогенное воздействие сказывается на функциональных, в том числе продукционных показателях гидробионтов. Для оценки этого влияния могут использоваться такие индексы, как P/B, P/R, R/B, где P - продукция, R- траты на обмен, B- биомасса. Так, в р. Ижоре величина P/R изменяется от 0,151 на самом чистом участке до 0,532 на самом загрязненном. В Красноярском водохранилище этот показатель меняется от 0,11 до 0,46. Продукционные характеристики в конечном итоге являются самыми важными для оценки сообществ водных организмов, их колебания отражают интегральное влияние всех факторов среды, поэтому использование их в целях мониторинга чрезвычайно привлекательно. Но следует отметить, что продукция – это, как правило, расчетная характеристика, точность оценки которой может быть невелика, получение же соответствующих эмпирических данных весьма трудоемко и требует специальных продукционных исследований. Более просто измеряются такие функциональные показатели гидробионтов, как дыхание или фильтрационная способность. 10. Сапробностыо называется степень загрязненности водоёма органическими веществами, доступными редуцентам. B основную шкалу сапробности положен принцип, отражающий степень оксифильности гидробионтов-индикаторов. Водоёмы и отдельные участки их акватории классифицируются по степени загрязненности органическими веществами следующим образом (ГОСТ 17. 1. З. 07-82): • ксеносапробная зона (I класс чистоты) - вода «очень чистая»; • олигосапробная зона (II класс чистоты) - вода «чистая»; • бета-мезосапробная зона (III класс чистоты) - вода «слабо(умеренно) загрязнённая»; • альфа-мезасапробная зона (IV класс чистоты) - вода «загрязнённая»; • полисапробная зона (V класс чистоты) - вода «грязная»; • гиперсапробная зона (VI класс чистоты) - вода «очень грязная». Специально для оценки загрязнения водоемов разработаны различные системы сапробности. Их идея в том, что каждому виду гидробионтов приписывается определенное число, характеризующее его положение на шкале сапробности. Например, индикаторная значимость ксеносапробов принимается за 0, олигосапробов - мезосапробов – - мезосапробов – за 3, полисапробов – за 4. Затем по специальным формулам оценивают сапробность всего сообщества. Более дробные системы сапробности почти не применяются. Для бентоса обычно используют относительно простой индекс сапробности Пантле-Букка в модификации Сладечека. Применение данного метода затрудняется тем, что для многих бентосных организмов величины индикаторной значимости и сапробной валентности неизвестны. Например, в одних исследованиях из 170 видов бентоса, найденных на обследованном участке водоема, только для 17 видов была известна сапробная валентность. В различных географических регионах и в различных типах водоемов сапробиологические характеристики видов не остаются постоянными, что может сильно исказить результаты анализов. Иногда один и тот же вид животных разными авторами характеризуется в диапазоне от олиго- до полисапробного. Хирономида Clinotanypus nervosus в болотистом Полесье явл - мезосапробом, а в других водоемах Украины - - мезосапробом или даже полисапробом. Кроме того, многие организмы способны адаптироваться к неблагоприятным условиям обитания и менять тем самым свои сапробиологические характеристики. Например, такие широко известные виды, как моллюск Dreissena polymorpha и олигохета Isochaetides newaensis, ранее считавшиеся показателями сравнительно чистых вод, сейчас обитают в массовых количествах во многих загрязненных биотопах. Следовательно, системы сапробности имеют региональный характер и должны быть 23 адаптированы к условиям конкретных водоемов, как, например, это сделано для Чебоксарского водохранилища. В этом случае их применение может дать удовлетворительные результаты. Все системы сапробности учитывают практически только нетоксичные органические загрязнения, которые влияют на организмы в первую очередь через изменение кислородного режима. Для учета влияния токсических органических и неорганических соединений делаются попытки разработать шкалы токсобности и затем объединить их со шкалами сапробности в единую шкалу сапротоксобности. 11. Один из самых широко применяемых методов оценки загрязнения пресных вод - метод биотических индексов; вероятно, первым из них был индекс Бекка, при расчете которого все организмы делятся на две группы: 1 – выносящие только очень слабое загрязнение, 2 – способные переносить анаэробные условия. Увеличение числа групп привело к разработке двух индексов – озерного и речного. Наиболее известен индекс р. Трент (и расширенный индекс р. Трент), в отечественной литературе чаще называемый индексом Вудивисса. Изучая влияние загрязнения на бентос р. Трент (Англия), Вудивисс обратил внимание на то, что по мере увеличения интенсивности загрязнения вначале из состава донной фауны выпадают наиболее чувствительные группы животных – веснянки, поденки, затем ручейники и т. д. В конце концов, остаются только олигохеты и личинки красного мотыля, исчезающие только при очень сильном загрязнении. На этом основании он разбил возможные степени загрязнения на 10 классов и построил таблицу для определения этих классов по наличию или отсутствию отдельных групп гидробионтов с учетом общего количества таких групп на изучаемом участке. Большая ценность метода заключается в сравнительной легкости идентификации указанных групп, что может делать и не специалист-систематик. Но опыт применения его в нашей стране и за рубежом показал, что, будучи разработан для малых рек Англии, он применим далеко не ко всем типам водоемов, в частности он дает неудовлетворительные результаты на крупных равнинных водохранилищах. Сделано много более или менее успешных попыток модифицировать его применительно к конкретным водоемам разных стран, причем в последних вариантах этого индекса предусматриваются элементы стандартизации процедуры сбора материала, отсутствие которой было одним из недостатков данного метода. 12. При оценке состояния экосистем исследователи обычно используют не один, а несколько (иногда 7-8) методов из тех, что описаны выше. Если все они дают одинаковую картину (что бывает редко), то уверенность в правильности оценки возрастает. Если же наблюдается некоторый разнобой оценок, то причина этого часто может заключаться в том, что какой-либо метод оказывается слишком чувствительным к факторам, не связанным с загрязнениями. Для обобщения данных и выражения конечной оценки одним числом по определенным правилам строят комбинированный показатель. Е.В. Балушкиной разработан интегральный показатель, включающий предложенный ею ранее хирономидный индекс, индекс сапротоксобности Яковлева и индексы Вудивисса и Гуднайта - Уитли. Он используется для оценки состояния экосистем водоемов, подверженных смешанному органическому и токсическому загрязнению. При оценке состояния донных сообществ ряда рек, озер и водохранилищ России для количественной характеристики состояния бентоса автор использовал следующие показатели: 1) численность (Ч), экз./м2; 2) биомасса (Б), г/м2; 3) число видов (S); 4) видовое разнообразие (H), бит/экз.; 5) олигохетный индекс Пареле (ОИП), равный отношению численности олигохет-тубифицид к общей численности бентоса, %; 6) среднюю сапробность (СС), рассчитываемую как средневзвешенная сапробность трех первых доминирующих по численности видов бентосных организмов. 24 Для объединения значений первых четырех показателей и замене их одним числом предложен «комбинированный индекс состояния сообщества» (КИСС), находимый по обычной методике расчета интегральных ранговых показателей. Вначале все станции ранжируются по каждому показателю, причем ранг 1 присваивается максимальным значениям Ч, Б, H и S. Если на нескольких станциях значения какого-либо показателя были одинаковыми, то они характеризовались одним средним рангом. Индекс отражает состояние сообщества сразу по четырем показателям, поэтому он назван «комбинированным индексом состояния сообщества»: КИСС = (2Б + Ч + H + S)/5. Подчеркнем, что в эту формулу входят не абсолютные значения показателей, а их ранги. Биомассе придан «вес», равный 2, поскольку с ней связана величина потока энергии, проходящей через сообщество, что чрезвычайно важно для оценки его состояния. Чем меньше величина КИСС, тем лучше состояние сообщества. Поскольку состояние сообщества зависит как от естественных факторов среды (глубины, грунта, течения и т.п.), так и от наличия, характера и интенсивности загрязнения, то дополнительно рассчитывается «комбинированный индекс загрязнения» (КИЗ), включающий ранговые значения трех показателей: КИЗ = (СС + ОИП + Б)/3. В этом случае ранг 1 присваивается минимальным значениям показателей. Чем меньше величина КИЗ, тем меньше загрязнение. Кроме величин показателей на конкретной станции рассчитывают средние значения для всего набора станций, сравнение с которыми величин на отдельных станциях позволяет судить, хуже или лучше обстоят на них дела по сравнению со средним положением. Учитывая видовой состав фауны и конкретные условия изучаемого водоема, исследователь должен выбрать из предлагаемого набора методов мониторинга те, которые будут наиболее адекватны поставленной задаче и его возможностям, не забывая при этом предупреждения крупнейшего русского санитарного гидробиолога Г.И. Долгова, что чем больше упрощается биологическое обследование водоема, тем легче может оно привести к ошибочным результатам. Например, в системе Госкомгидромета России рекомендуется использовать метод Вудивисса, хирономидный индекс Балушкиной и систему сапробности Пантле-Букка в модификации Сладечека. В дальнейшем к этим методам добавили олигохетные индексы Гуднайта-Уитли и Пареле, индекс Кожовой и метод экологических модуляций Абакумова. Лекции № 14-15. Биопрогнозирование экологических катастроф Цель: дать представление о возможности биопрогнозирования экологических катастроф План 1. Природа и основные характеристики, комплексные исследования биопредвестников землетрясений. 2. Биопрогнозирование землетрясений и антропогенных катастроф. Краткий конспект лекции № 14-15 Экологическая катастрофа – относительно быстрые, разрушительные изменения среды, приводящие к гибели живых организмов, деградации экосистем и изменению ландшафтной структуры. Различают природные экологические катастрофы: засухи, наводнения, пожары, оползни, ураганы, землетрясения, вулканическая деятельность и антропогенные: пожары, кислотные дожди, химическое загрязнение, разливы нефти, аварии и АЭС и т.д. Все они в свою очередь могут быть дифференцированы на: биологически прогнозируемые, т.е. имеющие в принципе подготовительную низкоэнергетическую стадию, которая воспринимается биосистемами в качестве сигнальной информации, и не имеющие подготовительной стадии. 25 Какую же тактику должны выбрать биосистемы при получении ими сигналов о приближении катастрофических изменений. Естественно, аналогичную той, которая произошла бы в случае реализации явления, только в более мягкой форме: те кто спали - проснулись, те кто находились в убежищах, угрожающих их жизни: норы, пещеры, дупла, покинули бы их, все которые могли бы покинуть данный район, постарались бы это сделать. Растения постарались бы отцвести, животные либо вывести свое потомство, либо отказаться от размножения в данном регионе. Реакции биосистем, являющиеся биоиндикаторами природных катаклизмов: а) увеличилась бы дисперсия показателей экосистемы; б) изменился бы колебательный характер ритмических процессов (суточный, сезонный), нарушающийся импульсами, прерывистыми изменениями, которые усиливались бы по мере приближения к критическим событиям; в) значительно возросла доля аномального типа поведения животных, ускорились бы компоненты миграционного поведения, развился и начал бы широко распространяться среди животных стресс или общий адаптационный синдром. В связи с тем, что максимальное количество исследований посвящено биопредвестникам землетрясений, будем рассматривать данную тему именно на примере этого явления. Прогноз - предсказание места и времени возникновения будущих землетрясений с указанием их возможной силы и характера проявления на поверхности Земли. Большое значение придается геолого-геофизическим исследованиям, требующим проведения точных и непрерывных измерений физических полей и свойств земной коры, ее деформации, магнитоэлектрических процессов, сейсмичности с ее характеристиками, газовожидкого режима и пр. Поиски предвестников и прогноз землетрясений — таков современный этап развития сейсмологии. Источники биопредвестниковой информации: мифы и легенды данного народа, местные поверья, пословицы и поговорки, сведения из древних текстов, летописей, средневековой и более поздней литературы, данные исследований ученых, включая специальные опросы населения после землетрясения, материалы наблюдений на экспериментальных биостанциях. Наибольшее количество случаев (более 1000 наблюдений) накоплено в Китае, наблюдения здесь относятся к 68 видам животных, главным образом домашних. Здесь разработана сейсмопрогностическая программа и слежение за аномальным поведением животных – ее интегральная часть. По японским источникам известны многочисленные случаи аномального поведения перед сильными землетрясениями водных организмов: рыб (зубаток, трески, сардин, тунцов, акул, гольцов, угрей и т.д.), а также других обитателей моря – крабов, омаров, осьминогов, трепангов, каракатиц и т.д. Первая конференция по аномальному поведению животных перед землетрясением состоялась в сентябре 1976 г. в США, вторая - в 1980 г., 21-22 апреля 1991 г. в Крыму проведен Первый всесоюзный семинар «Биологические аспекты прогнозирования землетрясений». В настоящее время в мировой практике накоплены сведения о примерно 200 землетрясениях, перед которыми наблюдались биопредвестники. Эта ничтожно мало по сравнению с числом сильных землетрясений, т.к. ежегодно на планете в среднем происходит около 90 землетрясений с М=6. Сложность решения этих вопросов обусловлена тем, что они относятся не только к областям прогностики и геофизики, но и этологии и психологии, как индивидуальной, так и социальной. Совершенно не исследован вопрос о реакциях различных биообъектов на так называемые «медленные землетрясения», или криптовые события, которые не вызывают разрушений на поверхности земли и не приводят к гибели людей. Но при этих событиях может сбрасываться энергия, по порядку величины сопоставимая с сильными, разрушительными землетрясениями. В конце XX века сейсмобиологи смогли выявить животных, которые наиболее активно проявляют необычное поведение перед катастрофами. Оказалось, что только 70 видов живых существ из 1 499 930 способны реагировать на изменение 26 электромагнитного поля земли. Из этих 70 видов удалось определить и тех, кто чувствует приближение природного катаклизма задолго до его наступления. Выявляя группы самых активных животных-предсказателей, ученые делают оговорку: вполне возможно, что и другие представители фауны не менее чувствительны. Однако за домашними животными человек наблюдает гораздо чаще, поэтому считается, что именно собаки, кошки, лошади, овцы и домашние птицы быстрее других реагируют на приближение катастрофы. В ходе наблюдений и многочисленных экспериментов ученым удалось выяснить, что животные способны предсказывать землетрясения, сила которых составляет от четырех баллов и выше, но при этом не все представители даже одного вида одинаково точно могут делать это: кто-то реагирует на изменения биополя земли быстрее, кто-то - медленнее. Как правило, приближающуюся природную катастрофу могут чувствовать лишь те животные, которые находятся в радиусе 100 км от эпицентра. Очень часто живые существа проявляют реакцию на готовящееся сейсмическое событие неравномерно: они то начинают метаться в загоне, то затихают, как бы прислушиваясь к тому, что делается, внутри земных недр. Ученым удалось определить и время начала проявления реакции на изменения электромагнитного поля земли. Специалисты говорят о том, что животным редко удается предугадать землетрясение более чем за сутки. Однако находятся и такие, кто способен предсказать приближение стихии за несколько дней и даже за несколько недель (табл.1). Исследователями было также замечено, что далеко не всегда животные могут определять приближающуюся природную катастрофу. Так, было подсчитано, что примерно из 100 землетрясений представители животного мира предсказали только 30. Однако это еще не повод для недоверия. Скорее всего, подобная статистика обусловлена недостаточно хорошей изученностью вопроса. Выше уже было сказано о том, что перед катастрофой животные чувствуют перемены, происходящие в окружающей их среде. Ученые выделяют несколько основных групп факторов, изменение которых перед той или иной природной катастрофой и определяет аномальное поведение животных. Это состояние 27 электромагнитных полей земли, различные звуки, выходящие из недр земли газы, электростатический заряд аэрозольных частиц. Сильнейшее землетрясение, произошедшее 2 февраля 1556 г., китайцы ждали еще за месяц до его возникновения. Ориентируясь на приметы, китайские провидцы предсказывали, что центральные районы Китая «свалятся в бездну». Одной из примет надвигающейся катастрофы было скопление большого количества змей, которые выползали из нор и скатывались в один большой клубок. Их блестящие шкурки отчетливо выделялись на белом снегу. Трагедия не заставила себя долго ждать. Несмотря на то, что землетрясение было предсказано, предотвратить гибель огромного числа людей оказалось невозможно. Катастрофа, имевшая место в Китае в 1556 г., стала самой разрушительной в истории человечества. Тогда погибло более 820 000 человек. Все районы провинции Шеньси оказались опустошенными. Сведения о происшествии 1556 г., равно как и о многих других природных катаклизмах, ученые получили из сохранившихся до наших дней древних памятников письменности. В таких источниках можно найти даже описание землетрясений, датированных 1831 г. до н. э. То, что животные способны чувствовать приближение землетрясения, в последнее время - факт общеизвестный. Оказывается, что пернатые тоже заранее, за несколько суток до катастрофы могут предупредить человека о возможном бедствии. Именно так и произошло в Сан-Франциско. 12 апреля 1906 г. владелица одного из зоомагазинов заметила, что ее канарейки чем-то сильно обеспокоены. Они буквально не находили себе места в клетках. То, что произошло неделей спустя, разрешило загадку странного поведения птиц. Именно через шесть дней, 18 сентября 1906 г., в Сан-Франциско произошло довольно мощное землетрясение. По оценкам специалистов, сила подземных толчков была не менее 8,3 балла по шкале Рихтера. Эпицентр землетрясения сформировался недалеко от Золотых Ворот. Понадобилось всего два подземных толчка (один из них продолжался в течение всего лишь 40 сек., а другой - 75 сек.), чтобы полностью стереть с лица земли половину города. Еще одно известие, подтверждавшее теорию, основанную на том, что некоторые животные могут предсказывать приближение сейсмической катастрофы, пришло из Таншаня (крупный промышленный район Китая). Незадолго до землетрясения жители деревень отмечали беспокойство собак. Они отказывались от еды и, задрав голову высоко к небу, громко выли. Жители таншаньских селений недоумевали, что могло произойти с животными. Может быть, какая-то эпидемия поразила псов, думали они. Ответ на свой вопрос китайцы получили 28 июля 1976 г., когда началось землетрясение. Всего лишь один подземный толчок до основания разрушил крупный промышленный центр и унес жизни примерно 650 000 человек. Подземные толчки были такой силы, что ударная волна быстро долетела до Пекина, где было повреждено множество зданий. Под рухнувшими стенами домов заживо погребенными оказались более 100 человек, еще 780 000 жителей столицы получили серьезные травмы различной степени тяжести. Еще в начале 30-х годов XX столетия японские сейсмологи выявили взаимосвязь между аномальным поведением сомов и изменениями показателей земных токов. В настоящее время ученые располагают 20 случаями, подтверждающими этот факт. Тогда, в августе 1923 года, многие японцы (главным образом те, у кого в домашних аквариумах плавали сомы) догадывались о том, что вскоре произойдет землетрясение. Однако то, что случилось позднее, превзошло всякие ожидания. За день до землетрясения поднялся страшный ураган, превратившийся в яростный торнадо. Шквал ветра буквально обрушился на японские города Токио и Иокогама. 28 Начавшийся после землетрясения пожар бушевал не только в городах (Токио и Иокогама), но даже и на морской воде. С городских построек пламя перебросилось на стоявшие в токийском и иокогамском портах суда. Моряки прыгали с горящих кораблей прямо в море, надеясь за кормой найти свое спасение. Спустя несколько минут загорелось, а затем и взорвалось несколько зданий занимавшейся переработкой нефти компании «Стендард Ойл Билдинг» (Токио). После этого происшествия около 100 000 тонн нефти оказалось в заливе, в тот же момент языки пламени перебросились на горючее вещество. В считанные секунды Иокогамский залив превратился в пылающее озеро. Сотни судов, тысячи моряков и пассажиров лайнеров погибли в том адском огне. В результате в огне пострадали примерно 143000 человек, еще 200 000 получили ранения и ожоги различной степени тяжести. 500 000 жителей двух крупных городов остались без крова. 3 Лабораторные работы Тема 1. Введение. Цель, задачи, основные направления дисциплины, методы биоиндикационных исследований. Лабораторная работа «Ловчие сети пауков как объект биоиндикации» Большое разнообразие в поведении характерно для пауков. В настоящее время насчитывается около 50-60 тыс. видов пауков, заселивших практически все возможные экологические ниши, занятые насекомыми. Являясь хищниками, пауки концентрируют в своем организме токсические вещества, изменяющие их поведение. Особый интерес в биоиндикационном отношении представляет строительная деятельность пауков. Пауки строят свои ловчие сети на деревьях, траве, в норках. Вся строительная деятельность пауков может быть промерена, сфотографирована, снята на видеокамеру в природных условиях с различной антропогенной нагрузкой и в модельных условиях при дозированных воздействиях физических, химических и биологических факторов. Особый интерес представляют структурированные сети (рис. 1), т.е. ловчие сети пауков, имеющих вполне определенную структуру, характерную для каждого вида крестовиков (Araneidae). Повсеместная распространенность пауков-крестовиков от тундры до пустыни, хорошая наглядность их сеток, особенно утром, когда капельки росы как бы проявляют тонкую структуру паутины, небольшое количество времени, необходимое для набора статистического материала, - все это делает ловчую сеть пауков одним из привлекательных биоиндикационных экспресс-методов. Строя свои сети на относительно открытых пространствах, пауки подвергаются влиянию тех антропогенных факторов, которые существуют в данной местности: радиации, электромагнитных полей, химических веществ, аэрозолей, которые вместе с конденсатом накапливаются на клейких ловчих сетках паука и поедаются вместе с нарушенными участками ловчей сети, т.к. преимущественно состоят из аминокислот. Ежедневное возобновление строительства ловчих сеток позволяет проследить динамику влияния одного либо комплексного действия антропогенных факторов. 29 Рис. 1. Круговая ловчая сеть паука Анализ структуры паутины необходимо проводить рано утром, когда она еще покрыта росой, хорошо заметна и не нарушена попавшими в нее насекомыми. В искусственных условиях пауки также хорошо плетут паутины. При этом можно исследовать дифференциальную чувствительность, устойчивость пауков и форму структуры их ловчих сеток в зависимости от концентрации токсичных веществ или уровня физических воздействий. Типичные аномалии в структуре ловчих сетей показаны на рис. 2. Полностью аномальная сеть (А) характерна для патологически больного паука, на которого экологическая среда, токсические вещества или радиация повлияли в такой степени, что животное не способно плести аномальную сеть и скорее всего умрет. Рис. 2. Типы аномалий в ловчих сетях пауков-кругопрядов: К - фрагмент эталонной ловчей сети; А- абсолютно аномальная сеть; В - укороченный радиус; С - ступенчатость ловчей спирали В экспериментальных условиях при искусственном облучении пауков были получены аномалии, проявляющие себя в незаплетении одного, двух или трех секторов ловчей пауков-крестовиков. Необходимо отметить, что пауки очень устойчивы к действию радиации. В экспериментах пауки на 100% погибали только при дозе облучения, равной 1500 Р/час, в то время как нормальной фоновой дозой является 12 мкР/час. При искусственном облучении возрастает количество различного типа аномалий - чем выше доза, тем чаще встречаются аномалии. При обследовании одного из районов Петропавловска-Камчатского было обнаружено увеличение частоты встречаемости «радиационных» аномалий. Последующее выяснение обстановки привело к локализации одной баз атомных подводных лодок. Аналогичные экологические обследования проводились в течение 1994-1998 гг. в г. Северске и окрестностях г. Томска. Выявлена повышенная частота встречаемости аномалий всех типов в районе остановленных, отработавших тридцатилетний срок атомных реакторов. Аналогичные изменения в ловчих сетях пауков-крестовиков наблюдались вдоль действующего стока слаборадиоактивных 30 жидких отходов, сбрасываемых в р. Томь. Следовательно, на основании паутинного теста, используемого в качестве биоиндикационного экспресс-метода, можно достаточно хорошо проводить качественную комплексную оценку радиоэкологической обстановки. С целью выяснения особенностей в поведенческой реакции пауков при действии химических веществ использовалась аминная соль, раствором которой из пульверизатора опрыскивались сетки пауков-крестовиков. В результате проведенных исследований выяснилось, что в зависимости от концентрации раствора аминной соли происходит увеличение общего количества нарушений структуры ловчих сетей с преобладанием аномалий С-типа. В период летних полевых исследований 1995-1997 гг. обследовались ловчие сети пауков-крестовиков, живущих в сосняке вокруг очистных сооружений Томского нефтеперерабатывающего комбината. В районе очистных сооружений была отмечена низкая численность пауков-крестовиков относительно контрольных местообитаний. Во-вторых, доминирующим типом нарушений в структуре ловчих сетей оказались аномалии С-типа, которые наблюдались ранее в экспериментальных условиях под влиянием аминной соли. Следовательно, можно с большой долей вероятности дифференцировать радиоэкологические и химические влияния, используя в качестве биоиндикатора структуру ловчей сети пауков-крестовиков. Оборудование, реактивы, материалы 1) садки размером 1 куб. м из марли или оконной сетки с выдвигаемыми стенками; 2) пульверизатор; 3) аминная соль; 4) соли тяжелых металлов различной концентрации Ход работы В садках размером 1 куб. м из марли или оконной сетки с выдвигаемыми стенками «вырастить» ловчие сети пауков. С целью выяснения особенностей в поведенческой реакции пауков при действии химических веществ использовать предложенные соли, раствором которых из пульверизатора опрыснуть сетки пауков-крестовиков. Исследовать дифференциальную чувствительность, устойчивость пауков и форму структуры их ловчих сеток в зависимости от концентрации токсичных веществ. Для количественной оценки структуры ловчей сети пауков-крестовиков использовать следующие показатели: число радиусов - верхних, нижних, длина радиусов, число витков центральной зоны, вертикальный и горизонтальный диаметры центральной зоны, вертикальный и горизонтальный размеры свободной зоны, вертикальный и горизонтальный размеры ловчей зоны, число ловчих нитей в секторах - по горизонтали и вертикали, расстояние между ловчими нитями, количество и тип отклонений или «аномалий» в структуре ловчей сетки паука. Задания для самостоятельной работы студентов 1. Укажите преимущества пауков и их ловчих сетей как объектов биоиндикационных экспресс-методов. 2. Изучите типы аномалий в структуре ловчих сетей, схематично изобразите их в тетрадях. 3. Изучите материал о ловчих сетях пауков как объектов радиоэкологического и химического мониторинга, сделайте краткий конспект. Тема 2. Особенности биоиндикационной чувствительности различных уровней организации живой материи. Лабораторная работа «Определение устойчивости растений к сернистому газу, хлору и аммиаку. Определение биоиндикаторов» Сернистый газ - самый распространенный загрязнитель воздуха. Он выделяется всеми энергетическими установками при сжигании органического топлива. Сернистый газ может также выделяться предприятиями металлургической промышленности (источник коксующиеся угли), а также рядом химических производств (например, производство серной кислоты). Он образуется при разложении содержащих серу аминокислот, 31 входивших в состав белков древних растений, образовавших залежи угля, нефти, горючих сланцев. Воздействие сернистого газа на растения приводит к резкому снижению фотосинтеза, повреждению листового аппарата, что выражается в появлении хлорозов, некрозов, резком подавлении роста. В данной работе ставится задача - выяснить сравнительную устойчивость древесных пород к сернистому газу и определить наиболее чувствительные биоиндикаторы. В литературе есть указания, что сернистый газ повреждает древесные растения уже в концентрации 0,05 мг/м3. Для получения сернистого газа используется сульфит (Na2 SО3) и серная кислота (H2SO4). Реакция идет по следующему уравнению: Na2SO3 + H2SO4 = SO2 + Na2SO4 + H2O. Оборудование, реактивы, материалы 1) колбы конические на 750 мл (камеры); 2) плотные пробки к ним; 3) пластилин; 4) небольшие одинаковые тигли; 5) длинные пробирки, достигающие дна колбы, или стеклянные трубки, у которых изолировано калькой одно отверстие; 6) мерные пробирки; 7) длинные пинцеты; 8) реактивы: Na2SO3, H2SO4 (конц.); 9) листья древесных или комнатных растений с черешками. Ход работы В длинные пробирки насыпают равное количество сульфита. На пробирку надевают колбу донышком вверх так, чтобы пробирка касалась дна. Затем колбу переворачивают и пробирку вынимают. На дне колбы остается небольшая горка сульфита. Рядом с сульфитом на дно осторожно устанавливают длинным пинцетом тигелек с серной кислотой. Берут пучок листьев (5-7 г) определенной древесной породы, черешки обвязывают ниткой, опускают в колбу таким образом, чтобы листья висели, не соприкасаясь с реактивами. Колбу закрывают пробкой так, чтобы нитка оказалась между пробкой и горлышком колбы. Пробка должна быть изолирована пластилином. Затем резким движением колбы опрокидывают тигелек с серной кислотой на сульфит, отмечая время начала химической реакции. Производят постоянные наблюдения за изменениями листьев растений. Через определенный срок (2-3 часа) растения вынимают и описывают все повреждения (хлорозы, некрозы, изменения растений после помещения их в воду). Устанавливают сравнительную устойчивость растений к сернистому газу, определяют наиболее чувствительные растения, могущие быть биоиндикаторами. Сделать выводы по проведенной работе. Тема 3. Биоиндикация наземных экосистем. Биоиндикация почв. Лабораторная работа «Микроорганизмы - один из главных компонентов, обеспечивающих стабильность биосферы Земли» Еще в семидесятые годы XX столетия химик Джеймс Ловлок и микробиолог Линн Маргулис выдвинули теорию сложной регуляции атмосферы Земли биологическими объектами, согласно которой растения и микроорганизмы вместе с физической средой обеспечивают поддержание определенных геохимических условий на Земле, благоприятных для жизни. Это - относительно высокое содержание в атмосфере кислорода и низкое - углекислого газа, определенные влажность и температура воздуха. Особая роль в этой регуляции принадлежит микроорганизмам наземных и водных экосистем, обеспечивающих круговорот биогенных элементов. Общеизвестна регулирующая роль микроорганизмов Мирового океана в поддержании определенного количества углекислого газа в атмосфере Земли и в предотвращении тепличного эффекта. Одной из наиболее благоприятных сред для развития разнообразных микроорганизмов является составляющая наземных экосистем - почва (педосфера). Число микроорганизмов в 1 г почвы насчитывает сотни миллионов и миллиардов. Особенно 32 многочисленны и разнообразны микроорганизмы вокруг корневых систем (в ризосфере) и на поверхности корней. С жизнедеятельностью почвенных микроорганизмов связаны многие протекающие в почве процессы - круговороты биогенных элементов, минерализация животных и растительных остатков, обогащение почвы доступными для растений формами азота. С деятельностью микроорганизмов связано плодородие почвы. Следовательно, почвенные микроорганизмы влияют непосредственно на жизнь растений, а через них - на животных и человека, являясь одной из главных частей наземных экосистем. Данная работа дает возможность студентам и учащимся, не изучающим микробиологию, определить количество микроорганизмов - сапрофитов в педосфере (почве). Оборудование, реактивы, материалы 1) бактерицидная лампа; 2) стерильные чашки Петри; 3) стерильные пробирки с пробками из ваты или фольги; 4) водяная баня; 5) спиртовка; 6) весы с разновесом; 7) стерильные пипетки на 1 мл; 8) термостат; 9) термометр; 10) спички; 11) карандаш по стеклу; 12) мясо-пептонный агар или другая подходящая для сапрофитов смесь (например, готовый гидролизат кильки); 13) стерильная дистиллированная вода; 14) образцы почв (например, черноземная среднегумусная и малогумусная городская. Ход работы Перед работой и особенно перед посевом микроорганизмов рекомендуется в лаборатории на 10 - 15 мин включить бактерицидную лампу в отсутствие людей. А. Подготовка почвы и анализ почвенной вытяжки Почва характеризуется высоким содержанием микроорганизмов, поэтому для их учета навеску разводят стерильной водой во много раз. Отвесить 1 г исследуемой почвы из среднего образца и развести стерильной водой по следующей схеме: 1г → 100мл ↓ 0,01 г 1мл → 10мл ↓ 0,001 г 1мл → 10 мл ↓ 0,0001 г 1 мл → в чашку Для этого высыпать навеску почвы в колбу на 100 мл, развести стерильной водой, закрыть стерильной пробкой и тщательно взбалтывать в течение 5 мин. Затем взять стерильной пипеткой 1 мл почвенной болтушки из колбы и внести в пробирку с 9 мл стерильной воды; перемешать, перенести 1 мл из второй пробирки в третью, откуда после перемешивания взять 1 мл и внести в стерильную чашку Петри. При большом количестве микроорганизмов в почве следует ввести еще одно разведение до 0,00001 г. При проведении описанных операций надо соблюдать следующее: 1) Для каждой операции применять новую стерильную пипетку. 2) Бумажные пакеты, в которые завернуты пипетки, вскрывать только у верхнего конца пипетки, не дотрагиваясь руками или какими-либо предметами до нижней части пипетки. 3) Пробирки с водой открывать на минимальное время, необходимое для того, чтобы набрать или внести нужное количество жидкости, причем пробирку в этот момент держать не вертикально, а наклонно. 4) Ватные пробки на стол не класть, а держать их за верхнюю часть пальцами правой руки; перед закрыванием пробирки пробку необходимо провести сквозь пламя спиртовки. После внесения 1 мл вытяжки в стерилизованную чашку Петри вылить туда же стерильный мясо-пептонный агар, имеющий температуру не выше 50°С, проводя горлышко пробирки через пламя спиртовки. Осторожным покачиванием чашки 33 равномерно перемешать исследуемую жидкость с питательной средой. На чашку диаметром 9 см используется 21 см3 среды (слой 4 - 5 мм). Подписать чашку карандашом по стеклу. После полного застывания агара перевернуть чашку вверх дном, чтобы образующиеся при конденсации водяного пара капельки воды не попадали в среду. Поставить в термостат при температуре +25°С. Схема записи результатов Почва Число колоний, шт. Характеристика В чашке Петри В 1 г почвы Типичный чернозем загородной зоны Малогумусный чернозем обочин городских дорог Сделать выводы относительно содержания микроорганизмов: А) В почве; В) В различных типах почв. Стерилизация посуды и сред Существует несколько доступных методов стерилизации. 1. Сухим жаром в термостате при температуре 160 - 180°С в течение 2 - 3 часов. В случае обугливания оберточной бумаги и ватных пробок температуру рекомендуется снизить до 105 - 110°С, а время увеличить до 5 часов. 2. Прокаливание в пламени горелки (иглы, петли, горлышки колб, пробирок), не нагревая их слишком сильно. 3. Автоклавированием в герметически закрытой камере в течение 20 мин горячим паром под давлением. 4. Текучим паром при температуре 100°С при однократной обработке не менее 30 мин или путем дробной стерилизации (повторно через сутки) для того, чтобы убить проросшие споры у спорообразующих бактерий. I 5. Облучением ультрафиолетовыми или гамма-лучами. Питательные среды подлежат стерилизации в день приготовления. Допустимо их хранение в холодильнике при низкой положительной температуре не более суток. Перед стерилизацией пробирки или колбы с питательной средой закрывают ватными пробками, оборачивают бумагой и обвязывают. Пробирки с ватными пробками помещают в металлические штативы, последние тоже обвязывают бумагой. Мясо-пептонный агар автоклавируют при 1 атм. 20 - 30 мин. В пипетки перед стерилизацией вкладывают маленькие ватные тампоны в качестве фильтров и заворачивают каждую пипетку по отдельности в длинные полоски бумаги шириной 4 - 5 см, оканчивая обмотку у конца с тампоном. Шпатели и другую посуду перед стерилизацией также обертывают бумагой по отдельности, а потом объединяют вместе. Чашки Петри завертывают вместе по 2 - 4 штуки. Приготовление мясо-пептонного агара (МПА) Бульонные говяжьи кубики разводят в дистиллированной стерильной воде согласно прописи, вводят в среду 1% пептона и 2% агар - агара. После настаивания в течение 1 часа смесь нагревают на кипящей водяной бане до полного расплавления агара. МПА стерилизуют автоклавированием (в колбе или в пробирках по 20 - 30 мл) 1 атм. в течение 20 - 30 мин или в термостате при 120°С в течение 2 часов. Бульонные кубики можно заменить горохом. Для этого 200 г гороха разваривают в 1 л воды, фильтруют, пептон и агар добавляют, как и в предыдущем случае. Для получения хорошо видимых изолированных колоний микроорганизмов среду рекомендуется осветлять. Для осветления 500 мл среды используется белок одного яйца. Белок встряхивают с равным объемом воды до образования густой пены. Взбитый белок выливают в предварительно расплавленную и затем остуженную до 45 - 50°С среду. Перед внесением белка проверяют значение рН среды и, если необходимо, среду подщелачивают до рН 7,0 - 7,3. Среду с белком тщательно перемешивают и прогревают в 34 кипящей водяной бане в течение часа. Белок свертывается и адсорбирует все взвешенные в среде частицы. Среду быстро отфильтровывают в горячем виде через вату. Сделать выводы по проведенной работе. Тема 4. Растения и животные как биоиндикаторы экологического состояния окружающей среды. Лабораторная работа «Определение устойчивости растений и животных к токсичности почв. Определение биоиндикаторов» Содержание хлорофилла в листе - весьма изменчивая величина и с его разрушением связана хлоротичность (исчезновение темно-зеленого цвета и появление желтизны). На круглой высечке листа (в большинстве случаев по краям) по мере длительности опыта нарастают хлоротичные и некротические участки. Это явление можно проследить визуально и довольно быстро определить токсичность того или иного компонента или их суммы в тех или иных сочетаниях, встречающихся в природе. Инкубация высечек производится на 2 % - ной сахарозе (питательная среда для большинства биотестовых испытаний) с добавлением токсикантов. Контроль – 2 % - ная сахароза. По прошествии определенного времени, которое для разных видов растений и типов листьев различно и требует предварительной апробации, хлорофилл в высечках может быть определен визуально по сравнению с контролем, который принимается за 100 процентов, а также инструментально (фотоколориметрически). Оборудование, реактивы, материалы 1) эксикаторы; 2) фильтры или фильтровальная бумага; 3) чашки Петри; 4) пробочное сверло или гильзы диаметром 10 мм; 5) пинцеты; 6) пипетки; 7) колбочки на 100 мл; 8) воронки; 9) пузырьки из - под пенициллина или пробирки в штативе; 10) карандаш по стеклу; 11) Na2SO4 12) H2SO4; 13) 2 % - ный раствор сахарозы; 14) пестицид в концентрации 10-3 или 10-4 %; 15) загрязненная вода водоема; 16) почва, примыкающая к автодороге; 17) листья растений, находящихся в стадии вегетации. Все оборудование, материалы стерилизуются. Испытание вытяжки из почвы Взятые образцы почв (например, одинаковые типы почв под уличными посадками в разных частях города, различающиеся по загруженности улиц автотранспортом) растирают в ступке и просеивают через мелкое сито. Взвешивают на кальке 10 г почвы в трехкратной повторности, пересыпают в колбочку или стаканчик, приливают 25 мл дистиллированной воды. Энергично взбалтывают 10 - 15 мин на качалке или вручную, оставляют на ночь. Затем жидкость фильтруют через воронку со складчатым фильтром. Жидкость с колбой стерилизуют в кипящей водяной бане методом погружения и кипячения 10 - 15 мин, горлышко колбы закрывают фольгой. Охлаждают, затем этой вытяжкой смачивают 2 фильтра до полной влагоемкости. Фильтры стерилизуют вместе с чашками Петри. На фильтры раскладывают диски листьев наземных растений нижней стороной вниз. Повторность трехкратная (по 10 дисков). Чашки Петри закрывают крышками и ставят в термостат в темноту при температуре +25 °С - + 26 °С. Наблюдения проводят через 1 сутки утром и вечером каждого дня. Контролем служат диски, помещенные на чистую простерилизованную воду. Результаты выражают в процентах от контроля, взятого за 100, или абсолютно (по площади пораженной ткани). График строят так же, как и в опыте с газом. Испытание токсичности загрязненной воды Взятая для испытаний вода упаривается на водяной бане в 10 раз, ею смачивают 2 фильтра до полной влагоемкости, на которые укладывают диски, высеченные из листьев растений. Чашки Петри с дисками устанавливают в термостат, инкубацию и оценку производят так же, как и в предыдущем опыте. Количество хлорофилла в высечках можно также определить фотометрически. Испытание пестицидов и других токсических веществ 35 В качестве токсического вещества нужно взять какой-либо пестицид и показать, что разные его концентрации могут проявлять как ингибиторный, так и стимулирующий эффект. Наиболее удобен в этом отношении 2,4 Д, который в малых концентрациях работает как ауксин, а в больших - как гербицид. Известно, что все пестициды действуют на биоту в миллионных долях процента, поэтому исходный раствор 2,4 Д берется 10-3 – 10-4 % (0,001%-0,0001%) в 2 % - ной сахарозе. Раствор готовят в небольшом объеме (50 мл на группу) и разбавляют затем до нужных концентраций. При разведении некоторых пестицидов могут быть определенные затруднения. В связи с этим их лучше развести сначала в небольшом объеме сахарозы (например, в малой испарительной чашке, с растиранием стеклянной палочкой, а затем разбавить нужным объемом растворителя в мерной колбе). Некоторые пестициды старого производства (особенно долго лежавшие) требуют для своего первичного растворения нескольких капель абсолютного или 80 % - ного этанола, а потом, после растирания в нем, вводят основной растворитель. Исходный раствор пестицида (2,4 Д) разливают в пенициллиновые пузырьки по 5 мл. Последующие растворы приготавливают разбавлением исходного раствора. Например, 1 мл 10-3 % раствора и 9 мл растворителя - получается 10-4 % раствор. Каждый взбалтывают, последующий раствор готовят из предыдущего, чем достигаются разные концентрации: 10-5 %, 10-7 %, 10-10 %. Растворами смачивают 2 фильтра, укладывают в чашки Петри, на фильтры раскладывают диски листьев наземных растений, чашки ставятся в термостат. Наблюдение и учет вариантов, построение графиков производят согласно предыдущим описаниям. Следует отметить, что работа с питательной средой, содержащей сахарозу и элементы минерального питания (из почвы и воды) без стерильных условий, чревата искажением результатов из-за бактериального загрязнения. В связи с этим питательную среду лучше простерилизовать в автоклаве. Сделать выводы по проведенной работе. Тема 5. Биоиндикация атмосферного воздуха. Лабораторная работа «Определение зольности листьев, хвои, почек и коры древесных растений как индикационного признака загрязнения воздушной среды тяжелыми металлами» Исследования, проведенные на древесных растениях показали, что тяжелые металлы, сера и другие элементы накапливаются в органах растений и по их содержанию можно оценить экологическую обстановку как городов, так и более обширных территорий, находящихся в зоне загрязнения, по сравнению с контролем (более чистой зоной). Особенно сильное накопление загрязняющих веществ наблюдается в зимний период при отсутствии жидких осадков. Это накопление происходит как путем диффузии, так и вследствие связывания тяжелых металлов или их растворимых солей в менее подвижные комплексы с белками, дубильными веществами и др. Но процентному содержанию золы, в состав которой входят тяжелые металлы, можно судить об экологическом неблагополучии той или иной территории. При достаточном сборе анализируемого материала (не менее 10-15 образцов одной древесной породы в одном месте) и статистической обработке можно построить карту-схему загрязнений территории. При этом очень ответственным моментом для построения карты является выбор растений-биоиндикаторов. Эти растения должны быть достаточно устойчивыми к загрязнителям атмосферы, способными накапливать их в своих органах, быть широко распространенными. Например, в городских экосистемах часто преобладает тот или иной вид тополя, вяза, березы или хвойных (северные города). Зольность листьев и коры определяют их сухим сжиганием, а затем отделением от зольного остатка, в котором содержатся тяжелые металлы, кремнекислоты и песка. 36 Оборудование, реактивы, материалы 1) аналитические или точные технохимические весы; 2) разновесы; 3) муфельная печь; 4) тигельные щипцы; 5) электроплитка с закрытой спиралью; 6) фарфоровые тигли или выпаривательные чашки; 7) препаровальные иглы; эксикаторы; 8) спирт или денатурат; 9) дистиллированная вода; 10) хлористый кальций; 11) соляная кислота (водный раствор 1:1). Ход работы Листья, хвоя или кора древесных растений - биоиндикаторов собирают за 7-10 дней до занятия в различных частях города с целью охватить различные экологические условия, высушивают до воздушно-сухого состояния, измельчают и высушивают до абсолютно-сухого веса в термостате при температуре 100-105 oС. Образцы коры и листьев (по 5-10 г) взвешивают, измельчают и озоляют. После сжигания тигли с золой охлаждают и взвешивают, вычисляют процент золы с песком и кремниевой кислотой. Чтобы определить вес чистой золы в тигель, прибавляют 1 мл дистиллированной воды и 2 мл раствора соляной кислоты (1:1), перемешивают, выпаривают досуха на воздушной бане и подсушивают при температуре 120-130°С для обезвоживания кремниевой кислоты. К сухому остатку в тигле прибавляют 2 мл раствора соляной кислоты (1:1), 3 мл воды, перемешивают, нагревают и фильтруют горячим через беззольный фильтр средней плотности диаметром 7 см в коническую колбу на 100-200 мл или в стакан такой же емкости, промывая тигель и фильтр горячей водой (5 раз по 5 мл), давая каждый раз раствору полностью стечь. В конце процедуры один раз промывают капельным способом, направляя капли на края фильтра. Фильтр, на котором находится песок и кремниевая кислота, помещают в тот же тигель, высушивают, прокаливают, охлаждают и взвешивают. Разница между полученной массой и массой пустого тигля дает содержание песка и кремниевой кислоты в навеске. Из полученных данных вычисляют содержание золы по формуле: Х=100(А-В) : N, где: X - содержание золы (в %); А - масса золы с песком и кремнекислотой (в г); В масса кремниевой кислоты и песка; N - абсолютно сухая навеска (в г). Схема записи результатов Пункт Масса, г % золы отбора пустого абсолютно тигля с золы кремниевой тигля сухой золой кислоты и навески с песка тиглем Центр Сделать выводы по проведенной работе. Тема 6. Биоиндикация антропогенного загрязнения окружающей природной среды. Лабораторная работа «Накопление фенольных соединений в органах цветковых растений, мхах, лишайниках как проявление защитной реакции на неблагоприятные условия среды» Фенольные вещества представляют собой большую и разнообразную группу ароматических соединений, чрезвычайно распространенную в растительном мире. На их долю приходится до 2-3% массы органического вещества, а в некоторых случаях - до 10% и более. В отдельных органах растений их количество резко возрастает: в синефиолетовых лепестках анютиных глазок их 33%, а у садовых форм василька - 24% (Блажей, Шутый, 1978; Барабой, 1985; Лебедева, Сытник, 1986). К группе фенольных веществ относятся флавоноиды (физиологически активные вещества многих плодов, ягод, овощей и дикорастущих растений). Они делятся на катехины (основные активные вещества чая), лейкоантоцианы (бесцветные вещества, часто предшественники флавоноидных пигментов), флавоны и флавонолы (желтые красящие вещества многих цветков), а также антоцианы (синие, красные, фиолетовые 37 пигменты). К полимерным фенольным соединениям относятся дубильные вещества (их много в коре дуба, ивы), лигнин (древесина), меланины (черная окраска цветков и их частей, а также поверхностных покровов насекомых). Халконы и ауроны также придают цветкам желтый цвет или оттенок слоновой кости. Одним из возможных путей образования фенольных веществ является их биосинтез из углеводов, образующихся в процессе фотосинтеза. В растениях фенольные вещества несут защитную функцию. Они накапливаются в органах растений при неблагоприятных условиях среды. Примером этого может служить накопление антоциана и покраснение побегов, почек и молодых листочков у древесных растений на Севере и в высокогорьях (особенно в период весенних заморозков), а также накопление других групп фенольных соединений у древесных растений осенью и зимой (Барабой, 1984). Фенольные соединения играют большую роль в иммунитете растений к различным заболеваниям и повреждению насекомыми. Нередко защитные фенолы у здоровых растений отсутствуют и образуются только как ответная реакция на поражение возбудителем (фитоалексины). Фенольные соединения играют важную роль при заживлении механических повреждений, в защите клеток от проникающей радиации, при появлении свободных радикалов, мутагенов, окислителей. Так, в хвое ели повышение содержания фенольных веществ под влиянием сернистого газа наблюдалось за месяц до повреждения хвои, т. е. явилось как бы предвестником видимых хлорозов и некрозов (Артамонов, 1986). Флавоноидные пигменты, обусловливающие естественную окраску цветов, плодов, ягод, листьев, коры, кроющих чешуи почек обеспечивают привлечение животныхопылителей. Эта группа веществ выделяется в естественную среду из отмерших остатков растений и имеет большое значение в аллелопатии. Многие защитные фенолы, пройдя генетический отбор, стали неотъемлемым свойством растения (например, преобладание крас-ношишечных форм хвойных в условиях севера и горных систем), в других случаях они появляются в ответ на неблагоприятные условия из своих предшественников-лейкоантоцианов (бесцветных пигментов), которые постоянно содержатся в листьях, коре растений. Так, при недостатке азота листья картофеля начинают продуцировать антоцианы. Накопление фенольных веществ под влиянием неблагоприятных и стрессовых условий среды обеспечивает устойчивость вида. Эти вещества выполняют роль защитных барьеров на пути механических, химических, термических факторов среды, а также болезнетворных воздействий. Обычно древесная кора, оболочки семян, плодов, ягод, клубней и другие покровные ткани содержат повышенное количество фенольных соединений (дубильные вещества, флавоноиды, фенолокислоты) и образуют защитный покров, предохраняющий делящиеся клетки (меристемы апикальных частей, камбия) и семена (будущие зародыши жизни) от всякого рода повреждений, препятствуют их проникновению вглубь тканей. Фенольные гликозиды клеток мхов, лишайников предотвращают их гниение, а после отмирания способствуют образованию торфа. Фенольные лишайниковые кислоты угнетают размножение многих бактерий и плесеней, поэтому многие лишайники практически стерильны и применялись в северных госпиталях в период Великой Отечественной войны как прокладочный материал при перевязке ран. Многие фенольные вещества выполняют фитонцидную роль. Катехины, антоцианы, фенолокислоты и дубильные вещества относятся к антибиотикам растительного происхождения. Фитонцидный (антибиотический) эффект проявляют и простые фенолы (пирокатехин, гидрохинон, пирогаллол и их окисленные хинонные формы). Так, галлаты (метиловые и этиловые эфиры галловой кислоты), выделенные из плодов клена, угнетают рост туберкулезной палочки, ряда плесеней и грибов, некоторых бактерий, патогенных для растений, обладают противовирусным действием. Всем хорошо 38 известно антибиотическое действие фенольных соединений чая, некоторых окрашенных ягод, полыни, календулы и др. Таким образом, исследования многих авторов показали, что основная функция фенольных веществ - защитная, они накапливаются в органах растений в неблагоприятных и стрессовых условиях среды и могут служить хорошим биоиндикационным признаком. Ввиду большого разнообразия строения и физикохимических свойств их анализы очень длительны, многоступенчаты и мало пригодны для 2-4-часовой практической работы. Однако для сравнительного определения содержания фенольных веществ в растительном сырье существуют более простые методы определения суммы фенольных соединений, которые являются лишь приблизительными, полуколичественными. Тем не менее они нашли широкое применение в производственных условиях. В настоящей практической работе предлагается метод определения суммы фенольных соединений по Левенталю в модификации А.Л. Курсанова (1937), неоднократно апробированный другими исследователями фенольных веществ. Более точные колориметрические методы определения суммы фенольных веществ требуют применения для экстракции этанола или метанола, что мало приемлемо для лабораторнопрактических работ, однако может быть использовано для дипломных. Оборудование, реактивы, материалы 1) ступки с пестиками; 2) весы торзионные; 3) стаканчики на 100 мл; 4) водяная баня; 5) чашки испарительные на 800-1000 мл или стаканы такого же объема; 6) бюретки; 7) колбы на 50 мл; 8) раствор индигокармина (1 г индигокармина растворяют в 50 мл концентрированной серной кислоты и доводят водой до 1 л). Можно приготовить и в меньших объемах; 9) 0,1 н раствор КМпО4', 10) дистиллированная вода; И) перемолотый растительный материал (листья дуба, клена), собранный в разных экологических условиях. Ход работы Навеску в 1-3 г сухого перемолотого или 4-10 г свежего растертого в ступке с битым стеклом растительного материала нагревают в стаканчике на 100 мл с 40 мл дистиллированной воды в течение 15 мин на кипящей водяной бане при интенсивном перемешивании. Экстракт охлаждают, фильтруют и доводят до метки в колбе на 50 мл. Часть полученного экстракта (10 мл) переносят в фарфоровую чашку или стакан объемом 800-1000 мл, добавляют 750 мл дистиллированной воды и 25 мл раствора индигокармина. Смесь титруют 0,1 н раствором КМпО4 (3,16 г КМпО4 в 1 л воды) при энергичном перемешивании. Окончание титрования устанавливают по появлению в растворе золотисто-желтого оттенка. Результат титрования умножают на пересчетный коэффициент для перевода миллилитров 0,1н КМпО4 в миллиграммы фенольных соединений, содержащихся в 10 мл взятого на титрование экстракта. Для большей точности параллельно проводят контрольное титрование, в котором 10 мл экстракта заменяют 10 мл дистиллированной воды и полученное значение вычитают из основного определения. В обычной лабораторной практике чаще всего пользуются пересчетным коэффициентом 4,16 (определен для китайского таннина), однако, для анализа чайного листа в нашей стране применяется коэффициент 5,82, а в Индии - 4,62. Сделать выводы по проведенной работе. 4 Самостоятельная работа обучающегося Реферат При написании реферата следует придерживаться следующей структуры: 1) Титульный лист - пишутся тема реферата, название факультета студента, его группа, Ф.И.О. 2) План (содержание), где отражаются названия основных разделов реферата и на 39 каких страницах они представлены. 3) После названия и плана пишется введение, где автор отражает круг проблем, определяет цели и задачи предложенного материала. 4) Основная часть, где излагаются запланированные разделы реферата. 5) Оформляется заключение, включающее личные выводы автора и рекомендации, касающиеся данной проблемы. 6) Список использованной для написания реферата литературы. Объем реферата должен составлять не менее 10 страниц машинописного и 12 страниц рукописного текста. Все страницы должны быть пронумерованы (на титульном листе номер не ставится, но включается в общую нумерацию). Начало нового раздела в реферате необходимо отделять от предыдущего и писать его название. Тесты Титульный лист (см. оформление кроссворда). Тесты должны содержать не менее 25-30 вопросов с предлагаемыми 5 вариантами ответов, один из которых верный. Последняя страница должна содержать ответы (ключ) к вопросам. Блок-схема Титульный лист (см. оформление кроссворда). Блок-схема представляет собой схематично представленный материал, содержащий краткие, емкие определения основных понятий с указанием взаимосвязей между ними. Презентация Разработать презентацию в программе PowerPoint. С ее помощью текстовая и числовая информация легко превращается в профессионально выполненные слайды и диаграммы, пригодные для демонстрации перед аудиторией. После завершения работы над презентацией полученные слайды представить на электронном носителе. 4 Самостоятельная работа обучающихся № 1 2 3 4 Тема Балл Форма отчетности Презентация Срок сдачи 3 неделя Стресс как реакция организма на экстремальные воздействия факторов среды Биоиндикация загрязнения водоемов по состоянию популяций водных растений семейства рясковых Биотестирование с использованием двустворчатых моллюсков Особенности ландшафтной биоиндикации. Космическое землеведение 55 55 Групповой проект 6 неделя 55 Разработка тестов Разработка блок-схемы 10 неделя 14 неделя 55 Вопросы для самоконтроля 1. Биоиндикация как научное направление. Цель и задачи биоиндикационных исследований. Краткие сведения из истории. Понятие о биоиндикации и биоиндикаторах. 2. Виды биоиндикации (специфическая, неспецифическая, прямая и косвенная). Методы биоиндикации (регистрирующие и аккумулятивные). Организмы-индикаторы, тест-организмы и организмы-мониторы. 3. Устойчивость биосистем и их адаптационные возможности. Типы биоиндикационной реакции в зависимости от времени действия фактора. 4. Особенности биоиндикационной характеристики органов и тканей организма (эрозии плавников рыб, аномалии скелета и т.д.). Морфологические изменения растений, используемые в качестве биоиндикации (хлорозы, некрозы, дефолиация и т.д.). 5. Устойчивость биосистем и их адаптационные возможности. Организменный уровень биоиндикационной чувствительности. 40 6. Микроорганизмы – биоиндикаторы состояния окружающей среды. Особенности биоиндикационной характеристики микроорганизмов. Микробная деградация и трансформация загрязняющих веществ. 7. Микроорганизменный уровень биоиндикационной чувствительности. Общая численность бактерий и количество потребляемого кислорода как параметры биоиндикации. Примеры микроорганизмов – тест-объектов. 8. Растения, мхи и лишайники – биоиндикаторы состояния окружающей среды. Особенности биоиндикационной характеристики органов и тканей растений, мхов и лишайников. 9. Биоиндикационная чувствительность органов и физиологических систем растений, мхов и лишайников. Уровень биоиндикационной чувствительности растений, мхов и лишайников. 10. Биоиндикация загрязнения водоемов по состоянию популяций водных растений семейства рясковых. Характеристика семейства. Сбор материала и разбор пробы. Экспресс-оценка качества воды. 11. Физиологические и экологические особенности лишайников. Жизненные формы. Группы толерантности лишайников к загрязнению поллютантами. Лихеноиндикация территории угледобывающего комплекса «Каражыра». 12. Макроводоросли в качестве организмов-мониторов. Зависимость аккумуляции макрофитами вредных веществ от их содержания в воде и донных отложениях. Биомониторинг р. Иртыш с использованием макрофитов. 13. Хвойные растения как одни из основных биоиндикаторов. Биоиндикация газодымовых загрязнений по состоянию хвои сосны. Определение класса загрязненности воздуха. 14. Накопление фенольных соединений в органах цветковых растений, мхах, лишайниках как проявление защитной реакции на неблагоприятные условия среды. 15. Определение зольности листьев, хвои, почек и коры древесных растений как индикационного признака загрязнения воздушной среды тяжелыми металлами. 16. Беспозвоночные животные как биоиндикаторы. Биоиндикационная чувствительность органов и физиологических систем беспозвоночных животных. 17. Уровень биоиндикационной чувствительности беспозвоночных животных. Определение класса качества речных вод по составу водных беспозвоночных. 18. Моллюски в качестве организмов-мониторов. Биотестирование с использованием двустворчатых моллюсков. 19. Насекомые – основа биоиндикационного тестирования. Особенности биоиндикационной характеристики органов и тканей насекомых. 20. Ловчие сети пауков как объект биоиндикации. Анализ структуры паутины. Зависимость структуры от поведения пауков. Паутинный тест как экспресс-оценка радиоэкологической обстановки. 21. Биоиндикационная реакция позвоночных животных. Особенности биоиндикационной характеристики органов и тканей позвоночных животных. 22. Биоиндикационная чувствительность органов и физиологических систем позвоночных животных. Нарушение онтогенеза животных. Критические периоды как самые чувствительные этапы онтогенеза. 23. Биоиндикационные реакции рыб (нерестовая миграция промысловых рыб), земноводных (сеголетки остромордой лягушки, хвостатые амфибии), пресмыкающихся и птиц (миграции, гнездовая экология). 24. Водные млекопитающие – индикаторы присутствия пестицидов и полихлорированных бифенилов (ПХБ) в водной среде. Антропогенное загрязнение морской среды. Содержание и характер распределения пестицидов и ПХБ в тканях морских млекопитающих 41 25. Популяционно - видовой уровень биоиндикации. Особенности биоиндикационной характеристики популяционно-видового уровня. Отбор подходящих видов. Трудности отбора. 26. Биоиндикационная чувствительность популяционно-видового уровня. Показатели популяционного уровня (ростовые показатели, воспроизводство, структура популяции). 27. Популяционно - видовой уровень биоиндикации. Использование растений, беспозвоночных, рыб и птиц для оценки экологического состояния популяции. 28. Биоценотический уровень биоиндикации. Особенности биоиндикационной характеристики биоценотического уровня. Структурные и функциональные показатели сообщества. Их характеристика. 29. Экосистемный уровень биоиндикации. Структурные и функциональные показатели. Их характеристика. Примеры восстановительных и регрессионных сукцессий. 30. Ландшафтная биоиндикация. Особенности биоиндикационной характеристики ландшафтного уровня. Биоиндикационная чувствительность ландшафтного уровня. 31. Космическое землеведение. Использование показателя интегральной спектральной яркости. Комплексная система экологического мониторинга и биоиндикационных тестов. 32. Биопрогнозирование экологических катастроф. Общее представление, источники и природа биопредвестниковой информации. 33. Биопрогнозирование экологических катастроф. Соотношение между параметрами землетрясений и биопредвестников. 34. Биоиндикация загрязнения окружающей среды тяжелыми металлами. Понятие о тяжелых металлах. Виды растений и животных - аккумуляторов тяжелых металлов. 35. Биоиндикация радиоактивного загрязнения окружающей среды. Понятие о радионуклидах. Опасность радиоактивного загрязнения. Растения и животные – биоиндикаторы радиоэкологического состояния среды. 36. Мониторинг. Классификация. Особенности биологического мониторинга. Биологический мониторинг как мониторинг, осуществляемый с помощью биоиндикаторов. 42
