Биоиндикация - Автоматизированная информационная система

Лекция № 1
Теоретические основы биоиндикации
План
1 История биоиндикации
2 Теоретические основы биоиндикации
3 Антропогенные факторы, вызывающие стресс
1 вопрос. История биоиндикации
Становление биоиндикации шло параллельно с развитием биологической науки. В сохранившихся до наших времен работах античных философов, писателей, агрономов содержатся различные сведения о возможности
использования состояния растительного покрова в практических целях. Так,
в трудах Катона Старшего (234-149 гг. до н. э.) есть указания на то, что густота травостоя до перепашки помогает выбирать участки, пригодные для
посева культур бобовых.
В I в. до н. э. римский писатель и агроном Ю. Колумелла - по листве
деревьев, по травам или по уже поспевшим плодам - судить о свойствах почвы и знать, что может хорошо на ней расти. Описывая выбор места для посадок винограда, он предлагал выбирать участки по тем диким растениям, которые на ней растут.
Римский инженер Витрувий (I в. до н. э.) указывал на следующие признаки присутствия воды в земных породах: - тонкий камыш, тростник, тальник, ольха, витекс, прутняк, плющ и другие, обладающие тем свойством, что
не могут зародиться без влаги.
У Вергилия в «Георгиках» (36-29 гг. до н.э.) - каменистость и расчлененный рельеф указывают на территории, пригодные для возделывания маслин; заросли папоротников типичны для земель, осваиваемых под виноградники. Он подчеркивал также, что различные растения требуют различных
местообитаний: каштан почву любит легкую, но не песчаную. Ивы сажают
во влажном месте, а тростник любит еще более водянистую почву, чем ива.
В высказываниях римского ученого и писателя Плиния Старшего (23
или 24-79 гг.) содержатся предостережения о слишком упрощенном представлении о связи почв и растительности. Он пишет, что не всегда высокие
деревья или пышные луга и высокие травы служат признаком плодородия
почвы. Среди нескольких признаков плодородия почвы он указывает, в частности, на увеличение толщины стеблей злаков.
В ХVII-ХVШ вв. - о связи растительности с особенностями местообитаний. Большое значение имели работы А.Гумбольдта, обосновавшего зонально-климатическое
распределение
растительности.
Ботаникогеографические данные послужили А. Гризебаху основой для первой классификации и составления на ее основе карт климатов, опубликованных в
1872 г.
В XIX в. изучение географии растений стало приобретать индикационный характер. Так, в Северном Тироле Ф. Унгер (1838) разделил растения на
1
кальцефилы и силицифилы. По степени приуроченности растений к почвам
он выделил три группы: почвобезразличные, почвопредпочитающие, почвопостоянные. Две последние группы растений он назвал «почвенными показателями».
Первые схемы растений-индикаторов горных пород были составлены
А. П. Карпинским в 1841 г., выделено новое направление учения о комплексных индикаторах - растительных сообществах.
Индикационные основы геоботаники наиболее полно выразили в своих
работах А.Н.Краснов (1888) и Р.И.Аболин (1910). А.Н.Краснов развивал учение о формациях как организованных группах растений, приуроченных к
определенным, им свойственным, почвам и климату. Растительные формации, согласно А. Н. Краснову, характеризуются свойственными им факторами среды: рельефом, почвами, их водным режимом, уровнем грунтовых вод;
экологическим типом основных компонентов и т.д.
Первые десятилетия XX в. ознаменовались широким использованием
биоиндикаторов при изучении сельскохозяйственных угодий, климата, микроклимата, палеоклимата, гидрогеологических условий, горных пород и поиске полезных ископаемых. Основополагающими работами следует считать
труды Ф. Клементса, Л.Г.Раменского, В.Н.Сукачева, Б.В.Виноградова,
Н.А.Отоцкого. Особое значение имели работы по составлению шкал для
оценки почв лугов, лесов, залежей Л. Г. Раменского, X. Элленберга, А.
Крюденера, Н. Тюксена. Продуктивным оказалось применение биоиндикации при исследовании ареалов грунтовых вод. Основоположниками этого
метода с использованием аэроснимков стали С.В.Викторов и Е. А. Востокова.
Учение о тяжелых металлах (ТМ), возникшее более ста лет тому назад,
явилось основой при биоиндикационных исследований загрязнений. Одним
из основателей его является К.Я.Тимирязев, который в 1872 г., первым из исследователей установил положительное действие Zn на рост и развитие растений.
Учение В.И.Вернадского о биосфере, ноосфере, явилось основой биогеохимического направления в геологии. Изучение химического состава живого вещества и связь его с химизмом окружающей среды положили начало
биогеохимическому методу поисков полезных ископаемых и геохимической
экологии. Им было четко сформулировано несколько обобщений о роли организмов в химических процессах Земли, что положило начало новому научному направлению, лежащему на стыке биологии, геологии и химии, биогеохимии.
До последнего времени основное практическое применение биогеохимии было связано с биогеохимическим методом поисков месторождений полезных ископаемых. Суть этого метода заключается в выявлении участков
повышенных концентраций рудообразующих элементов в почвах и растениях. В биогеохимии они рассматриваются как вторичные ореолы рассеяния
рудной минерализации. Участки повышенных концентраций металлов в рас2
тениях и верхнем горизонте почвы - биогеохимические аномалии - дают основание предполагать присутствие на глубине залежей руд.
Применение биогеохимического метода поисков полезных ископаемых
в сложных климатических и геологических условиях в труднопроходимых
районах или территориях, перекрытых рыхлыми аллохтонными отложениями, облегчает обнаружение месторождений. Биогеохимические исследования
сыграли важную роль в открытии многих месторождений руд цветных и редких металлов, а также других полезных ископаемых. Известны биогеохимическис аномалии ТМ, возникшие благодаря выходу на поверхность горных пород с повышенной концентрацией металлов, а также подземных вод с
высоким содержанием микроэлементов.
Новым направлением биогеохимии в 1950-1970 гг. стала геохимическая экология, получившая широкое развитие в работах В.В.Ковальского и
его учеников. Эта наука изучает особенности химического состава живых организмах и влияние естественных и техногенных процессов на изменение их
содержаний.
Развитие природоохранной индикации началось сравнительно недавно.
Важным этапом в становлении природоохранной направленности биоиндикации стали работы С.В.Викторова по дешифрированию снимков в аридных
районах, составление карты охраны окружающей среды под руководством Е.
А. Востоковой.
Влиянию выпаса на травостои посвящены многочисленные работы, середине 70-х годов XX в. стало изучение изменения морфологических параметров травостоя и биопродуктивности пастбищ В начале 60-х годов сформировалось понятие рекреационной дигрессии. - изменения природной среды
в местах массового отдыха - основное внимание уделено физическим, физико-химическим, а также микробиологическим и биохимическим параметрам
почв, смене доминантов, изменению видового разнообразия и морфологических характеристик древесного, травяно-кустарничкового и моховолишайникового ярусов.
Конец XX в. ознаменовался резким усилением внимания к решению
экологических вопросов и своего рода «экологизацией» всех наук. В настоящее время установлены и широко используются группы видов-индикаторов
различных антропогенных воздействий эвтрофирования водных объектов
химическому загрязнению почв влияние на биоту рекреационной нагрузки
особенности послепожарных сукцессии воздействию на живые организмы
радионуклидов приоритетных поллютантов, в том числе ксенобиотиков хлорорганические соединения (полихлорированные бифенилы - ПХБ, ДДТ,
ГХЦГ, диоксины, фураны и т.д.), полициклические ароматические углеводороды (ПАУ), синтетические поверхностно-активные вещества (СПАВ), фенолы и др.
К настоящему времени в биоиндикационных исследованиях наметились направления, основывающиеся на приоритетном использовании различ3
ных групп живых организмов: микроорганизмов, водорослей, растений, животных.
Фитоиндикация загрязнений - применение растений - одно из ведущих
мест занимает изучение древесных растений – дендроиндикация, изменению
морфологических параметров растений в условиях естественных геохимических аномалий, особенности строения, структуры и динамики древесных .
С конца 60-х годов XX в. в Скандинавских странах начали широко использовать мхи применения лишайников при оценке загрязнения атмосферного воздуха. Так, Гриндон в своей работе «Флора Манчестера», опубликованной в 1859 г., отмечал значительное сокращение числа лишайников из-за
вырубки старых лесов и притока фабричного дыма. Лихеноиндикационная
съемка проведена на территории многих крупных городов: в Казани, Харькове, Лондоне, Львове, Париже, Нью-Йорке, Москве, Санкт-Петербурге.
В качестве индикаторов стрессовых воздействий изучены нарушения
репродуктивных функций, динамика численности и изменения структуры
популяций и видового разнообразия мелких млекопитающих.
Использование птиц - изменение химического состава оперения и отдельных органов, изменения химического состава органов и тканей, установлено снижение численности, уменьшение видового разнообразия и структуры населения птиц при усилении антропогенного воздействия с применением микроорганизмов - изменению микробиологической активности почв
под влиянием техногенной нагрузки Основными индикаторными показателями признаны общая микробная биомасса, видовое разнообразие, соотношение основных групп микроорганизмов, состав и структура микробных сообществ, интенсивность почвенного дыхания, активность разложения целлюлозы, нитратонакопление, активность почвенных ферментов.
Таким образом, в настоящее время биоиндикация загрязнений, основывающаяся на многовековом опыте использования методов биоиндикации в
хозяйственной деятельности человека, находит все большее применение в
области охраны окружающей среды и рационального природопользования.
2 вопрос. Теоретические основы биоиндикации
Объектом экологических исследований являются экосистемы различных уровней иерархии. Они могут быть природными, антропогенно нарушенными и искусственными. Экологическая оценка - определение параметров природной среды, обеспечивающих существование сообществ живых организмов, характерных для этих состояний в условиях естественного и антропогенного режимов их развития. Она неразрывно связана с качеством
объекта - совокупностью характеристик, описывающих данный объект
(Международный стандарт №8402-86(94)).
Качество окружающей среды определяется как состояние окружающей
среды, которое характеризуется физическими, химическими, биологическими и иными показателями и (или) их совокупностью.
4
Оцениваемым свойством может быть как собственно качество среды,
так и устойчивость экосистемы, биологическая продуктивность, ресурсный
потенциал, ассимиляционная емкость и т. д.
В настоящее время при оценке состояния окружающей среды ведущая
роль отводится физическим и химическим методам экологического контроля.
Их сущность сводится к сравнению загрязнения отдельных компонентов
природных комплексов с ПДК или ПДУ. Однако существующие системы
нормативов не обеспечивают экологическую безопасность экосистем - состояние защищенности природной среды и жизненно важных интересов человека от возможного негативного воздействия хозяйственной и иной деятельности, чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера, их последствий - и чаще носят антропоцентрический характер. Поэтому действующая сегодня в практике природопользования регламентация антропогенного воздействия на природную среду приводит к тому, что экосистема даже в
идеальных случаях контроля часто подвергается чрезмерным нагрузкам. Хотя при выявлении загрязненных зон аналитическая концепция может рассматриваться как высокоинформативная, в практике более широкомасштабных исследований - оценки экологического состояния среды - она имеет ряд
недостатков. Кроме указанного выше, а также высокой стоимости получения
репрезентативных данных к недостаткам относятся:
1. невозможность учета в практической деятельности синергического и
антагонистического эффектов поллютантов;
2. неразрешимость проблемы оценки влияния на токсичность или иные
лимитирующие свойства поллютантов разнообразных природных факторов;
3. невозможность получения информации о вторичных эффектах действия поллютантов, вызванных их накоплением и трансформацией в различных звеньях экосистем.
Изучение последствий антропогенного воздействия на окружающую
среду невозможно без применения приемов биологической индикации, которая дает прямую информацию о реакции организмов на стрессорные факторы.
Теоретические основы биоиндикации экологического состояния среды
разработаны достаточно подробно. Известно, что все живые организмы
предъявляют к условиям местообитания определенные требования. Они были выработаны в процессе развития вида и определяют его существование в
условиях соответствующей экологической ниши. На живой организм всегда
действует совокупность экологических факторов.
Экологические особенности особей меняются с возрастом и в зависимости от жизненного состояния. При старении организма изменяются скорость метаболизма, физиологическое состояние тканей, органов, потребность
в элементах питания и др. Необходимо также учитывать генетическую неоднородность популяции.
Наряду с этим большое значение в биоиндикационных исследованиях
имеет учет «эффекта замещения» или «эффекта компенсации», когда избы5
ток или недостаток одного фактора компенсируется другими факторами. При
изучении комплексного воздействия факторов внешней среды на живые организмы нужно иметь в виду возможность их антагонизма или синергизма,
явление последействия.
Все биологические системы - будь то организмы, популяции или биоценозы - в ходе своего развития приспособились к комплексу факторов местообитания. Они завладели определенной экологической нишей, в которой
находят подходящие условия существования и могут нормально питаться и
размножаться. Каждый организм обладает генетически закрепленным физиологическим порогом толерантности (выносливости), в пределах которого
этот фактор является для него переносимым.
Реакция организма, его угнетение или процветание зависит от дозировки фактора, т.е. каждый вид приспособлен к определенной интенсивности
каждого экологического фактора и к определенному диапазону его изменчивости.
Различают 2 вида индикаторов:
1) наиболее чувствительные
2) наиболее толерантные
испытываются для обнаружения границ антропогенного
воздействия, выделения зон и их классификация.
Параметры:
рН почвы. Концентрация в почве сульфатов, нитратов, соли, свинца
и других тяжелых металлов. Воздушная среда – двуокись серы, аэрозоли,
вероятность кислотных дождей.
1. Зоологическое – изучение отдельных видов и сообществ животных, показывающих локализацию или накопление особо токсичных веществ в теле животных.
2. Клеточное биологическое и генетика:
Индикаторы – хромосомы и хромосомные комплексы, хлоропласты.
3. Сравнительная физиология и морфология животных:
Индикаторы – животные одного вида, находящиеся в различных
географических зонах. Исследуется этологические причины в следствии
изменения гормональной системы, нервной системы ( изменения рефлекторных дуг).
4. Гидробиологическое – изучает зоны распространения и спектр
видов, чувствительность к качеству воды. Гидробионты отражают состав
воды. Трудно подобрать конкретно гидробионта или тест-систему для обнаружения таких видов загрязнения, как кислоты, пестициды, тяжелые
металлы.
С развитием атомной энергетики назрела необходимость в выборе особых индикаторов и индикаторов теплового загрязнения (озоново-парниковый
эффект и др.).
Преимущество живых индикаторов:
6
1. Способность суммировать все без исключения биологически
важные данные об окружающей среде, т.е. способность интегрировано
отразить динамику биоты в целом. Воздействие антропогенных изменений является толчком для изменения внутри системы.
2. Способность делать необязательное применение дорогих методов
мониторинга для анализа биологических параметров. Это связано с тем,
что живые организмы постоянно присутствуют в окружающей среде и реагируют на кратковременное повреждение антропогенные воздействия, которые не могут быть зарегистрированы физическими и химическими средствами мониторинга.
3. Они способны отражать скорость происхождения в природе изменений (динамику сукцессии). Пример: годовые кольца деревьев.
4. Указывают на пути и места скопления разного рода изменений, а
также вероятностные пути попадания токсических веществ в пищу человека, т.е. живые индикаторы встроены в трофические цепи биоты. Пример:
воздушная среда – почва – растения – человек.
5. Позволяют судить о степени вредности, мере токсичности технических или иных веществ для живой природы вообще или человека. Пример: экотоксикология, изучающая наиболее токсичные элементы антропогенного загрязнения.
6. Дают возможность контроля над характером воздействия новых
типов и видов антропогенного загрязнения, путем контроля за образованными человеком соединениями.
7. Позволяют нормировать допустимые нагрузки на экосистемы,
отличающиеся между собой по устойчивости, характеру ответа на воздействия.
3 вопрос. Антропогенные факторы, вызывающие стресс.
Реакции организмов, развивающихся в составе сообществ, отличаются
от потенциальных требований, которые предъявляет вид к факторам внешней
среды вне биоценоза. В экологии существует понятие о фактическом
(синэкологическом) и потенциальном (аутэкологическом) оптимумах. Таким
образом, в условиях конкурентной борьбы в составе сообщества распространение вида зависит во многом от его конкурентоспособности и возможности
(или невозможности) реализовать свои потребности в выборе условий местообитания.
Особый интерес в связи с оценкой воздействия на живые организмы
антропогенных факторов представляют динамические смены биоценозов во
времени. В естественных условиях она проявляется как в сезонной изменчивости жизненной активности отдельных особей, так и изменении состава сообществ живых организмов во времени - естественной динамике биогеоценозов.
7
Выделяют две категории динамики фитоценозов: экзо- и эндодинамические (в современной литературе приняты термины «экзоэкогенетические»
и «эндоэкогенетические»).
Экзоэкогенетические (экзогенные, аллогенные) смены - возникают и
протекают в результате воздействия внешних факторов. Они могут быть непрерывными, возникающими в результате постоянного длительного воздействия, или посткатастрофическими (постдизруптивными), обусловленными
резким изменением условий среды.
Эндоэкогенетические (эндогенные, автогенные) смены - возникают и
протекают в результате изменения среды самими растениями, что создает
условия для внедрения и разрастания других видов.
Понятие “стресс” - это состояние критической нагрузки, которое проявляется в виде специфического синдрома, который складывается из неспецифических изменений внутри биологической системы. Стресс можно разделить на два типа. Эустресс характеризуется физиологическими процессами,
которые позволяют организму приспособиться к изменившимся условиям
среды. Ди-стресс - означает патологические процессы, при постоянных
нагрузках, которые организм не в состоянии регулировать короткое или длительное время.
В биологии под стрессом понимается реакция биологической системы
на экстремальные факторы Среды (стрессоры), которые могут в зависимости
от силы, интенсивности, продолжительности воздействия, более или менее
сильно влиять на систему.
Факторы, вызывающие стресс, называют стрессорами. В естественных
условиях организмы часто подвергаются воздействию различных абиотических и биотических стрессоров. К ритмически повторяющимся экстремальным условиям среды, например, холоду, засухе , жаре многие организмы
приспособились путем изменения активности (спячка, анабиоз), что делает
их устойчивыми к стрессу.
Другие организмы могут уклоняться от воздействия экстремальных
условий при помощи специфических приспособлений (избегание стресса) это глубокое укоренение, уход в другие зоны обитания.
Толерантность и избегание создают устойчивость к стрессу.
Ход адаптации, т.е. приспособления к долго действующим экстремальным условиям среды показан на рис.1.
стабилизированное
состояние
устойчивое
состояние
избыточная реакция
адаптированное состояние
8
Опасность антропогенных стрессоров состоит прежде всего в том, что
биологические системы недостаточно адаптированы к ним. Антропогенные
стрессоры создаются с такой скоростью, что эти системы не успевают активизировать адаптационные процессы.
Контрольные вопросы
1. Экологические факторы и их классификация в биоиндикации.
2. Что такое предел выносливости? Схематическое представление «закона минимума» Либиха.
Либиха, «закона толерантности» Шелфорда, «закона оптимума».
3. Какие виды называют эври- и стенобионтными? Какие из них являются лучшими биоиндикаторами?
4. Чем определяется индикаторная ценность вида?
5. Понятие «стресс». Виды стресса. Ход адаптации и устойчивость к
стрессу.
9
Лекция № 2
Биоиндикатор и объект биоиндикации
План
1. Определение и преимущества биоиндикации перед физико-хим.
методами анализа
2. Основные принципы применения биоиндикации
3. Целесообразность биоиндикации, абсолютные и относительные
калибровочные стандарты
4. Уровни биоиндикации и принципы отбора биологических показателей для биоидикации
5. Понятие биоиндикатор
6. Чувствительность и достоверность биоиндикаторов
7. Требования к биоиндикаторам
1 вопрос. Определение и преимущества биоиндикации перед физико-хим. методами анализа
Современные зарубежные и отечественные исследователи предлагают
оценивать уровень загрязнения на основе наблюдений за биологическими
объектами, которые могут быть индикаторами загрязнений окружающей среды, их пространственного распределения, возможного накопления на значительных территориях.
У некоторых видов растений и животных изменяются особенности развития (скорость роста, процесс цветения, образования плодов, интенсивность
окраски и др.) в ответ на разные стрессорные факторы. Эти свойства человечество заметило уже давно и использовало для практических нужд.
Лишайники, например, способны накапливать радиоактивные элементы, микроэлементы, содержание радионуклидов в них может быть в 10 раз
выше, чем в травянистых растениях. Лишайники накапливают газообразные
и твердые вещества из атмосферы практически постоянно и неограниченно.
Поэтому, отслеживая процессы их накопления (отсутствия), можно оценить
уровень загрязнения среды. Например, биоиндикатором водной среды может
быть фитопланктон. Его чрезмерное развитие вызывает эвтрофикацию водоемов - повышение уровня первичной продукции, обусловленное увеличением
концентрации биогенных элементов, азота и фосфора, что приводит к гибели
рыбы вследствие накопления чрезмерного количества азота и фосфора, которые резко ускоряют развитие растений.
Например, в днепровской воде выявленны моллюски, которые раньше
существовали только в лиманных водоемах Черноморского Побережья, что
свидетельствует о резком повышение за последние годы содержимого солей
в Днепре. Локальными индикаторами пресных грунтовых вод в западных
лиманах и сухих руслах северного и западного Казахстана являются группировка мезофильних злаков (мезофиты - растения, которые произрастают при
среднем увлажнении умеренно теплом режиме и достаточной обеспеченно10
сти минеральным питанием); постоянными индикаторами засоленных грунтов в западной Туркмении служат галофиты (солеустойчивые).
Биоиндикация – метод обнаружения и оценки абиотических и биотических факторов местообитания при помощи биологических систем.
Существует два основных метода биоиндикации: пассивный и активный.
Пассивная биоиндикация – исследование у свободно живущих организмов видимых или незаметных повреждений и отклонения от нормы, являющиеся признаками неблагоприятного воздействия.
Активная индикация или биотестирование - исследование тех же воздействий в стандартных условиях на наиболее чувствительных к данному
фактору организмах - тест-организмах.
Под биотестированием обычно понимают процедуру установления
токсичности среды с помощью тест - объектов, сигнализирующих об опасности независимо от того, какие вещества и в каком сочетании вызывают изменения жизненно важных функций у тест – объектов. В роли тест –объектов
выступают организмы, используемые при оценке токсичности химических
веществ, природных и сточных вод, почв, донных отложений, кормов и др.
Тест – объекты - "датчики" сигнальной информации о токсичности
среды и заменители сложных химических анализов, позволяющие оперативно констатировать факт токсичности (ядовитости, вредности) среды.
Методами биоиндикации и биотестирования определяется присутствие
в окружающей среде того или иного загрязнителя по наличию или состоянию
определенных организмов, наиболее чувствительных к изменению экологической обстановки, т.е. обнаружение и определение биологически значимых
антропогенных нагрузок на основе реакции на них живых организмов и их
сообществ. Таким образом, применение биологических методов для оценки
среды подразумевает выделение видов животных или растений, чутко реагирующих на тот или иной тип воздействия. Методом биоиндикации с использованием подходящих индикаторных организмов в определенных условиях
может осуществляться качественная и количественная оценка (без определения степени загрязнения) эффекта антропогенного и естественного влияния
на окружающую среду.
Биоиндикация имеет определенные преимущества как метод получения
непосредственной информации об изменениях состояния биоты в конкретных условиях загрязнения, но он должен объединяться с химическими и геофизическими данными для получения не только качественных, а и количественных сведений.
Этот метод имеет такие достоинства:
— измерение суммарного эффекта внешнего влияния;
— изучение влияния загрязнения на растения и животных;
— определение влияния в пространстве и времени;
— возможность применять профилактические средства.
11
Особую значимость имеет то обстоятельство, что биоиндикаторы отражают степень опасности соответствующего состояния окружающей среды
для всех живых организмов, в том числе и для человека.
Подчеркивая всю важность биоиндикационных методов исследования,
необходимо отметить, что биоиндикация предусматривает выявление уже
состоявшегося или происходящего загрязнения окружающей среды по функциональным характеристикам особей и экологическим характеристикам сообществ организмов.
Но, отражая степень негативного воздействия в целом, биоиндикация
не объясняет, какими именно факторами оно создано. Наиболее эффективно
оценка окружающей среды может производиться в сочетании абиотических и
биотических параметров.
Физические или химические измерения антропогенных факторов среды
дают количественные и качественные характеристики фактора, но позволяют лишь косвенно судить о биологическом действии. Пользуясь инструментальными исследовательскими приемами, можно определить характеристики воздуха, воды и грунта, но лишь на момент отбора проб.
Биоиндикация дает возможность получить информацию о биологических последствиях и сделать косвенные выводы об особенностях самого фактора. Преимуществом методов биоиндикации и биотестирования перед физико-химическими методами является интегральный характер ответных реакций организмов, которые:
· суммируют все без исключения биологически важные данные об
окружающей среде и отражают ее состояние в целом;
· выявляют наличие в окружающей природной среде комплекса загрязнителей;
· позволяют судить о степени вредности тех или иных веществ для живой природы и человека;
· дают возможность контролировать действие многих синтезируемых
человеком соединений;
· в условиях хронической антропогенной нагрузки биоиндикаторы могут реагировать на очень слабые воздействия в силу аккумуляции дозы;
· 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 организм человека;
· 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;
· делают необязательным применение дорогостоящих 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
12
может не зарегистрировать автоматизированная система контроля с периодическим отбором проб на анализы.
Существуют различные формы биоиндикации. Неспецифическая биоиндикация - одна и та же реакция на многие факторы. Специфическая индикация – определенная реакция только на один фактор.
Если антропогенный фактор действует непосредственно на биологический элемент, то речь идет о прямой биоиндикации.Однако нередко биоиндикация становится возможной только после изменения состояния под влиянием других непосредственно затронутых элементов. В этом случае мы имеем
косвенную биоиндикацию.
2 вопрос. Основные принципы применения биоиндикации
При биоиндикации следует учитывать четыре основных требования
(принципа):
1. Относительная быстрота проведения исследований. Биоиндикационные исследования должны охватывать одну фенологическую фазу при сравнительно однородных метеорологических условиях. При выпадении осадков
необходимо переждать несколько дней для восстановления уровня поллютантов в биоте. Биоиндикационные исследования с целью изучения закономерностей миграции химического вещества по пищевым цепям рекомендуется проводить в период максимальной биологической продуктивности сообществ.
2. Получение достаточно точных и воспроизводимых результатов.
3. Большое количество объектов биоиндикации с однородными свойствами. Отбор индикаторов с высокой встречаемостью и обилием. Биоиндикаторы должны быть хорошо изучены и иметь на всей территории исследований однородные свойства.
4. Диапазон погрешностей по сравнению с другими методами тестирования не более 20%.
3 вопрос. Целесообразность биоиндикации, абсолютные и относительные калибровочные стандарты.
Часто понятие биоиндикации применяется в узком смысле для оценки
антропогенных факторов или факторов среды, испытывающих антропогенное влияние. Нас будут интересовать именно такое применение. При этом мы
будем рассматривать не оценку присутствия, концентрации или интенсивности какого-то параметра, а реакцию биологических систем, т.е. биологическое воздействие фактора.
Антропогенные воздействия представляют собой, с одной стороны, новые параметры cреды, с другой - обуславливают антропогенную модификацию уже имеющихся природных факторов и тем самым изменение свойств
биологических систем. Если эти новые параметры значительно отклоняются
от соответствующих исходных величин, то возможна биоиндикация.
Схема целесообразности индикации
13
Для количественной оценки значимости отклонений необходимы абсолютные или относительные калибровочные стандарты.
Стандарты для сравнения при биоиндикации антропогенных факторов
включают:
А. Абсолютные стандарты сравнения
а) сравнение с показателями биологической системы, свободной от
воздействия
б) экспериментальное исключение антропогенных факторов
в) сравнение с биологическими системами прошлого, слабо или вовсе
не подверженных действию антропогенных факторов
Б. Относительные стандарты сравнения
а) корреляция с изменениями антропогенных факторов
б) установление эталонных объектов, испытывающих незначительное
или известное антропогенное воздействие.
4 вопрос. Уровни биоиндикации и принципы отбора биологических показателей для биоидикации
Биоиндикация может проводиться на различных уровнях организации
живого: макромолекул, клетки, организма, популяции, сообщества и экосистемы.
Таблица. Биоиндикационные уровни.
При таком подходе удается выделить характерный уровень иерархии
структуры органического мира, на котором живые системы способны к изолированному существованию и самостоятельному воспроизведению. Обычно
неизвестен характер связи между показателями низшего и среднего уровней
и основным показателем, которым обладает только высший уровень воспроизводство. Поэтому в биоиндикации предпочтение отдают наблюдениям за структурными и функциональными параметрами именно высшего, a
не среднего и низшего уровней. Обычно с повышением уровня организации
биологических систем возрастает и их сложность, так как одновременно
усложняются и их связи с окружающей средой. При этом биоиндикация на
низших уровнях включается в биоиндикацию на высших уровнях. В то время
как на низших уровнях организации биологических систем преобладают прямые, специфические виды индикации, связанные с воздействием какого-либо
определенного стрессора, на высших уровнях осуществляется косвенная биоиндикация.
В соответствии с организационными уровнями биологических систем
можно установить различные уровни биоиндикации:
1-й уровень - биохимические и физиологические реакции;
2-й уровень - анатомические, морфологические и поведенческие отклонения;
3-й уровень - популяционные и биоценотические изменения;
4-й уровень - изменения ландшафтов.
14
Механизмы, лежащие в основе поражения отдельных клеток, организмов, популяций или сообществ при воздействии одного и того же повреждающего фактора, будут отличаться друг от друга, т.к. каждая из ступеней
структуры живого описывается определенным набором показателей, принадлежащих только данной ступени.
Отбор этих показателей для биоиндикации проводится исходя из определенных критериев, которые образуют три группы.
Первая группа состоит из критериев, отражающих фундаментальность
биологического воздействия, это:
1. Существование связи между выбранной переменной и такими показателями, как рост, воспроизводство, выживаемость особей, популяции, сообщества и экосистемы;
2. характер связи между наблюдаемой переменной и откликами на
низших и высших уровнях организации;
3. специфичность отклика переменной к фактору, его вызывающему;
4. возможность возврата переменной к своему первоначальному значению после прекращения действия возмущающего фактора;
5. специфичность действия фактора для определения группы организмов.
Вторая группа включает критерии, которые оценивают эффективность
биологических измерений, это:
1. характер связи отклика переменной с действующим загрязнением;
2. интенсивность действующего фактора, вызывающего наблюдаемый
отклик переменной;
3. пределы изменения величины действующего фактора, вызывающие
наблюдаемый эффект;
4. величина отрезка времени, в течение которого формируется отклик
(часы, дни, годы);
5. легкость обнаружения превышения “сигнала” отклика над природным фоном (шумом”);
6. точность измерения наблюдаемого отклика переменной.
Третью группу образуют критерии, характеризующие практическую
ценность переменных, предлагаемых для биоиндикации, это:
1. оценка стоимости измерения отклика переменной, которая включает
стоимость капитального оборудования, обучения персонала и штатов;
2. оценка диапазона использования отклика переменной.
5 вопрос. Понятие биоиндикатор
Организмы или сообщества организмов, жизненные функции которых
тесно коррелируют с определенными факторами среды и могут применяться
для их оценки, называются биоиндикаторами.
Биотический компонент геосистем, находящийся под влиянием литосферы и атмосферы и обладающий большой чувствительностью к условиям
среды обитания, можно рассматривать как их индикатор.
15
С помощью биоиндикаторов принципиально возможно:
· обнаруживать места скоплений в экологических системах различного
рода загрязнений;
· проследить скорость происходящих в окружающей среде изменений;
· только по биоиндикаторам можно судить о степени вредности тех или
иных веществ для живой природы;
· прогнозировать дальнейшее развитие экосистемы.
Биоиндикаторами могут быть живые организмы, обладающие хорошо
выраженной реакцией на внешнее воздействие: различные виды бактерий,
водорослей, грибов, растений, животных и т.п. Ведущая роль при этом принадлежит фитоиндикации - изучению реакций растений на стрессовые воздействия. Чаще всего в качестве индикаторов используют лишайники (лихеноиндикация), мхи (бриоиндикация), сосудистые растения (широко используются древесные растения – дендроиндикация).
Особое положение растений в экосистеме связано с их автотрофным
питанием, возможностью создавать под действием энергии Солнца из простых неорганических соединений сложные органические вещества. Для поддержания биогеохимических циклов биосферы и ее гомеостаза необходимо в
первую очередь обеспечить оптимальные условия для деятельности продуцентов. Находясь в начале трофической цепи, они определяют круговорот
материи и энергии в биосфере. В наземных экосистемах с лесной растительностью биомасса продуцентов составляет 90% и более от всей биомассы
биоценоза, поэтому растительность определяет многие важные параметры
экосистем. В связи с этим качество среды следует определять в первую очередь по реакциям на внешнее воздействие автотрофных организмов - продуцентов. Интенсивность фотосинтеза и запасы создаваемой при этом биомассы не только отражают особенности экологического состояния территории,
но и являются чуткими индикаторами их изменений. Растения являются
неотъемлемым компонентом любого ландшафта. Именно по характеру растительного покрова возможна безошибочная оценка интенсивности загрязнений и нарушений геосистем. Особенности химического состава, процессы
метаболизма, внешний облик растений, видовой состав сообществ и другие
флористические и фитоценотические признаки позволяют определить состояние абиотических компонентов и их изменение под влиянием антропогенной нагрузки.
Обобщенная схема современной классификации биоиндикаторов
представлена на рисунке.
Биоиндикаторы могут быть прямыми и косвенными. Если реакция живого организма вызвана непосредственным воздействием внешнего фактора,
то говорят о прямой индикации. У косвенных индикаторов реакция возникает через систему опосредованных взаимосвязанных реакций и напрямую не
связана со стрессовым воздействием.
Например, под действием дихлорпропионовой кислоты доля злаков на
лугу уменьшается с 55 до 14% и соответственно увеличивается доля разно16
травья (прямая биоиндикация). Это изменение соотношения злаков и разнотравья влечет за собой сдвиг в соотношении прямо- и равнокрылых (косвенная биоиндикация).
Биоиндикаторы могут быть положительными и отрицательными. Положительные биоиндикаторы характеризуются увеличением реакции (количественных характеристик) при нарастании стресса. Так, например, положительным индикатором содержания токсичных газов в воздухе является увеличение концентрации поллютантов в биомассе. Нарастание рекреационной
нагрузки на экосистему индицируется увеличением обилия рудеральных видов растений: одуванчика Taraxacum officinale, сурепки Barabarea vulgaris,
лапчатки гусиной Potentilla anserina и др.
Примером отрицательных индикаторов на загрязнение атмосферного
воздуха являются уменьшение видового разнообразия, численности эпифитных лишайников и образование так называемой лишайниковой пустыни в
условиях постоянного высокого уровня выбросов токсичных газов.
В зависимости от реакции биоиндикатора на определенный стрессорный фактор выделяют специфический и неспецифический характер биоиндикации. В случае специфической биоиндикации реакция организма является
характерной для какого-либо определенного стрессора. Существуют такие
виды, у которых могут появляться явные симптомы воздействия, свидетельствующие о присутствии в окружающей среде одного или нескольких загрязняющих веществ. Они могут также проявлять и специфические симптомы, что позволяет проводить и количественные измерения уровня загрязнения. Однако часто у биоиндикаторов, особенно растений, одна и та же реакция вызывается различными стрессорами или их сочетанием. Способность
организмов одинаково реагировать на изменение различных факторов среды
затрудняет выявление истинных причин проявления реакции. В таком случае
говорят о неспецифической индикации. Это свойство биоты усложняет процесс получения информации по принципу «воздействие - реакция». Для выявления причин нарушений необходимы изучение химического состава
абиотических компонентов экоси стемы и сравнительная оценка накопления
поллютантов в растениях с фоновыми характеристиками.
Если при биоиндикационных исследованиях используется один (частный) параметр, то говорят о частном биоиндикаторе. В том случае, когда
применяется система биоиндикационных признаков, говорят о комплексном
биоиндикаторе.
Биоиндикация может проводиться при наземных полевых исследованиях и при дешифрировании аэрокосмических материалов. По степени дешифрирования индикаторы целятся на аэрофотогеничные (хорошо заметные
на материалах дистанционных съемок) и улътрадеципиентные(заметные при
детальных наземных исследованиях).
По степени географической устойчивости связи с объектом индикации
выделяют индикаторы: панареальные - сохраняющие единообразную связь с
объектом индикации на всей территории,в пределах которой они встречают17
ся, т.е. в пределах всего ареала; региональные - сохраняющиесвое значение
лишь в пределах одной ли нескольких областей со сходными физикогеографическими условиями; локалъные - обладающие устойчивой связью с
объектом индикациитолько на какой-то определенной территории. Панареальные индикаторы обычно являются прямыми, региональные и локальные
индикаторы чаще бывают косвенными.
6 вопрос. Чувствительность и достоверность биоиндикаторов
Существенной чертой биоиндикаторов является чувствительность.
Проявлени реакции организма при незначительных отклонениях характеризуется как ранняя индикация. Часть видов, наоборот, накапливает воздействия без быстрого проявления. Такие биоиндикаторы называются аккумулятивными.
Если биоиндикатор реагирует значительным отклонением жизненных
проявлений от нормы, то он является чувствительным биоиндикатором.
В зависимости от времени развития индикационных реакций можно
выделить 6 типов чувствительности:
І тип: дает одноразовую реакцию спустя определенное время и тут же
теряет чувствительность;
ІІ тип: как и в первом случае реакция сильная и внезапная, продолжается определенное время; затем резко исчезает;
ІІІ тип: сохраняет постоянную чувствительность в течение длительного
времени
IV тип: после немедленной сильной реакции наблюдается ее сначала
быстрое, а затем более медленное затухание;
V тип: при появлении нарушающего воздействия реакция нарастает до
максимума , а затем постепенно затухает;
VI тип: реакция V типа неоднократно повторяется.
К чувствительным биоиндикаторам относятся лишайники, мхи, почвенные и водные микроорганизмы (водоросли, бактерии, микрогрибы). В роли биоиндикаторов могут быть использованы пыльца растений, хвоя сосны
обыкновенной и др. Среди животных также выделяются группы организмов,
положительно или отрицательно реагирующие на различные формы антропогенной трансформации среды (ракообразные, хирономиды, моллюски, личинки ручейников, поденок, веснянок и др.).Чувствительными биоиндикаторами могут служить как отдельные процессы в клетке и организме (изменение ферментативной активности, изменение в пигментном комплексе), так и
морфологические изменения (изменения формы и размера листовой пластинки, уменьшение продолжительности жизни хвои)
Важной характеристикой любого индикатора является его достоверность. Единых общепринятых способов оценки достоверности не разработано. В ботанических и геоботанических исследованиях с этой целью используются различные шкалы, оценивающие степень сопряженности (совместной
18
встречаемости) индикатора и объекта индикации. Одна из распространенных
шкал достоверности приведена в таблице.
По степени достоверности выделяют следующие индикаторы:
Исключительные - распространены только на объекте индикации и не
встречаются на других. Сопряженность 95-100% — V5a
Постоянные - распространены почти на всех объектах индикации и
практически не встречаются на других. Сопряженность 80-95% — V5.
Переменные - распространены большей частью на объектах индикации, но встречаются и на других. Сопряженность 60-80% —V4
Относительные - распространены на объектах индикации в том же количестве, что и на всех остальных объектах. Сопряженность 40-60% - V3.
Индифферентные - не имеют преимущества в распространении на
объекте индикации и встречаются равнозначно на других объектах. Сопряженность 40-10%-V2.
Отрицательные - распространены на объектах фона и не встречаются
совсем или очень редко на объекте индикации. Сопряженность 0-10% —V1.
Для оценки достоверности связи индикатора и объекта индикации
С.В.Викторовым
предложен эвристический показатель достоверности индикаторов:
BI = a(N - а),
где а - число площадок совместного присутствия объекта индикации и
индикатора, N — общее число наблюдений.
Достоверность индикатора используется совместно с показателем значимости индикатора:
В2 = a/N,
где а и N - те же. Для оценки индикаторной значимости определяют частоту встречаемости индикатора в процентах, по величине которой Б. В. Виноградов (1964) предложил выделять следующие индикаторы:
Фоновые - встречаются в 80-100% площадок на объекте индикации
(F5).
Обильные - встречаются в 60-80% площадок на объекте индикации
(F4).
Спорадические - встречаются в 40-60% площадок на объекте индикации (F3)
Редкие - встречаются в 20-40% площадок на объекте индикации (F2).
Единичные - встречаются в 5-20% площадок на объекте индикации
(F1).
Индикаторы могут иметь различные сопряженность и встречаемость.
Исходя из соотношения сопряженности и встречаемости, выделяются следующие биоиндикаторы (Виноградов, 1964):
Абсолютные — имеют наибольшее индикаторное значение. Они характеризуются высокой сопряженностью и высокой встречаемостью—V 5,4
и F 5,4
19
Уникальные — имеют высокую сопряженность и пониженную встречаемость на объекте индикации — V 5,4 и F 1,2
Вульгарные — имеют низкую сопряженность, но высокую встречаемость на объекте индикации — V 2,3 и F 5,4
В качестве примеров различных типов биоиндикаторов можно привести Thymus drucei на серпентинитах Шотландских островов - сопряженность
82%, встречаемость 86% — абсолютный индикатор. Встречающиеся там же
редкие виды Агеnaria norvegica (100 и 4% соответственно) и Polygala
serpyllifolia (87 и 20% соответственно) являются уникальными индикаторами.
К вульгарным индикаторам относятся багульниково-ольховые лиственничники, распространенные на севере тайги Западной Якутии как на кимберлитах, так и на всех почвах траппов и известняков. Сопряженность их с кимберлитовыми трубками составляет 18%, встречаемость — 90%.
Одним из широко распространенных методов биоиндикации является
метод эталонов. Суть его заключается в сравнении изучаемых экосистем с
некоторой фоновой, принятой за образец по интересующим параметрам. Метод особенно актуален при индикации загрязнений, когда сравнение ведется
с природными показателями и характеристиками, не затронутыми антропогенезом.
Эталоны будут различны в зависимости от уровня биоиндикации. На
физиологическом и биохимическом уровнях для оценки изменения химического состава биомассы организмов можно использовать кларки, предельно
допустимые концентрации (ПДК), предельно допустимые уровни(ПДУ), ориентировочные допустимые концентрации (ОДК) и нормативные показатели.
Содержание загрязняющих веществ в растениях можно сравнивать с химическим составом гербарных экземпляров, собранных в период, предшествующий антропогенным воздействиям. Изменение параметров физиологических
процессов и количественных характеристик отдельных показателей в антропогенно нарушенных экосистемах обычно сопоставляют с фоновыми условиями или среднестатистическими показателями.
Для оценки морфологической, анатомической и биоритмической изменчивости сравнение может осуществляться по перечисленным параметрам
в фоновых условиях, на территориях заказников и заповедников. Для растений эталонами могут быть гербарные коллекции, собранные ранее в период,
предшествующий техногенезу. При использовании показалей высших уровней биоиндикации эталонами могут служить фондовые материалы лесо- и
землеустроительных организаций, карты местности разных лет съемки, специальные тематические карты (карты почв, растительности, геологические,
геоморфологические и др.).
7 вопрос. Требования к биоиндикаторам
Биологические методы помогают диагностировать негативные изменения в природной среде при низких концентрациях загрязняющих веществ.
20
При этом используемые виды – биоиндикаторы должны удовлетворять следующим требованиям:
· это должны быть виды характерные для природной зоны, где располагается данный объект;
· организмы-индикаторы должны быть распространены на всей изучаемой территории повсеместно;
· они должны иметь четко выраженную количественную и качественную реакцию на отклонение свойств среды обитания от экологической нормы;
· биология данных видов-индикаторов должна быть хорошо изучена.
А.М.Степанов (1988) называет следующие критерии при выборе биоиндикаторов:
1. широкий ареал;
2. эвритопность (эврибиотность);
3. оседлость;
4. антисинантропность;
5. индикационную пластичность;
6. достаточную биомассу;
7. простоту добычи и учета;
8. изученность вида и внутривидовых таксонов.
В соответствии с указанными критериями при биоиндикационных исследования рекомендованы следующие млекопитающие: кроты Thalpa
europaea, T. altaica; бурозубка Sorex arenius; полевки Clethrionomys glareolus,
С. rutilus; куница Maries lupus соболь Maries ribellina, косуля Capreolus capreolus, лось Alces alces, лисица Vulpu vulpus, песец Alopex lagopus, волк Canis
lupus,медведь Ursus arctos.
Наиболее показательными представителями почвенной мезофауны являются жужелицы Carabidae, личинки жуков-щелкунов - проволочники
Elateridae, костянки Lithobiomorpha, мертвоеды Silphidae, лесные рыжие муравьи Formica rufa, дождевые черви Lumbricus terrestris, наземные моллюски
Deroceras sp. и др.
С увеличением антропогенного воздействия на природную среду биогеоценозы претерпевают глубокие изменения в своей структуре, функционировании и развитии, приводящие к нарушению экологического равновесия и
в особо серьезных случаях - к полной деградации экосистем. Высокой реакционной способностью в ответ на антропогенное или естественное воздействие обладает растительный покров. На изучении ответных реакций растительного покрова основываются на методах фитоиндикации, позволяющих
установить степень загрязнения данного района или степень нарушенности
экосистемы. В качестве биоиндикаторов используются различные группы организмов, но наиболее часто применяют лишайники (лихеноинди кация), мхи
(брио-индикация) и высшие растения (особенно хвойные породы деревьев).
Ведущая роль в биоиндикации состояния окружающей среды принадлежит
древесным растениям. Они способны поглощать и нейтрализовать часть ат21
мосферных поллютантов, задерживать пылевые частицы, а также индицировать особенности загрязнения посредством разнообразия ответных реакций.
К числу преимуществ фитоиндикации перед инструментальными методами можно отнести ее относительно низкую стоимость, высокую скорость
получения информации и возможность характеризовать состояние среды за
длительный промежуток времени.
При проведении фитоиндикационных исследований, наряду с указанными выше критериями при выборе биоиндикатора, необходимо соблюдать
дополнительны рекомендации:
1. Изучать одновозрастные экземпляры.
2. Отбирать среднюю пробу с нескольких экземпляров растений (8-10
экземпляров).
3. Проводить отбор проб с одной высоты и по всей окружности кроны
деревьев.
4. Оценивать проективное покрытие лишайников на стороне их максимального развития.
5. Проводить отбор проб на анализ содержания химических веществ по
отдельным органам: листья, ветви, кора, древесина и т. д.
Исходя из названых критериев, рекомендованы следующие видыфитоиндикаторы:
Древесные породы: сосна обыкновенная Pinus sylvestris; ели Picea
abies, P. obovata;березы Betula pendula, В. pubescens; липа Tilia cordata; дуб
Quercus robur; тополь Populus sp.
Виды кустарникового яруса: ива Salix sp., шиповник Rosa sp., карликовая березка Betula папа.
Виды травяно-кустарничкового яруса: брусника Vaccinium vitis-idaea;
черника V. myrtillus;багульники Ledum palustre, L. decumbens. Из травянистых
растений наибольшей индикаторной достоверностью обладают: представители семейств сложноцветных Asteraceae, розоцветных Rosaceae,губоцветных
Lamiaceae, норичниковых Scrophulariaceae. Следует отметить, что большинство видов осок (сем. Сурегасеае) и злаков (сем. Роасеае) индифферентны к
поглощению химических элементов - приоритетных поллютантов. Поэтому
их не следует отбирать в пробы при биоиндикационных исследованиях антропогенного загрязнения. В степной зоне видами-индикаторами могут служить: Salvia stepposa, Veronica incana, V. spicata, Phlomis I tuberosa, Artemisia
austriaca,A. Marschalliana и др.
Мохообразные, или бриофиты (Briophyta). Наиболее чувствительными
и показательными являются следующие виды мхов: Hylocomium splendens,
Pleurozium schre-beri, Polytrichum formosum, Hypnum cuppressiforme, Pseudoschleropodium purum, Rhy-tidiadelphus squarrosus.
Надежными индикаторами антропогенных воздействий зарекомендовали себя лишайники:кладонии Cladonia alpestris, С. rangiferina, Cetraria islandica и др.
22
Контрольные вопросы
1.Назовите преимущества метода биоиндикации над инструментальными методами оценки
2.Объясните сущность биоиндикации. Основные методы биоиндикации.
3.Формы биоиндикации.
4.Сформулировать основные принципы биоиндикации.
5.Какие показатели можно использовать как абсолютные стандарты в биоиндикации?
6.Какие показатели можно использовать как относительные стандарты в биоиндикации?
7.Возможные варианты изменения выходых параметров биологческих систем
на антропогенное воздействие.
8.Специфическая и неспецифическая индикация.
9.Уровни биоиндикации, их характеристика – объекты, показатели.
10. Критерии при выборе биоиндикационных показателей.
11.Возможности и практическое значение биоиндикации.
12.Биоиндикация и шесть основных групп биологических дисциплин.
13.Понятие «биоиндикатор», классификация биоиндикаторов.
14.Прямая и косвенная биоиндикация. Примеры.
15.Положительные и отрицательные биоиндикаторы. Примеры.
16. Типы чувствительности биоиндикаторов. Ранняя и аккумулятивная биоиндикация.
17.Достоверность биоиндикации. Группы индикаторов по степени достоверности результатов, примеры.
18.Требования к биоиндикаторам, критерии отбора биоиндикаторов. Примеры.
19.Критерии к выбору биоиндикаторов при фитоиндикационных исследованиях.
23
Лекция № 3.
Тема Биохимические и физиологические реакции на антропогенные стрессоры
План
1. Молекулярный уровень:
1.1. диагностическое значение биохимический и физиологических
показателей;
1.2. регуляция обмена веществ и биоиндикация;
1.3. показательные повреждения молекулярного уровня.
2. Клеточный уровень:
2.1 химический состав клетки;
2.2 состояние органоидов
2.3 хромосомные нарушения
1 вопрос. Молекулярный уровень
Рассматривая два организма на молекулярном уровне, принадлежащие
к одному семейству или отряду, a иногда и к разным таксонам, мы видим
больше сходства, чем различия. Высокая степень сходства молекулярноклеточной организации и биохимических превращений по сравнению с более
высокими уровнями организации не может не удивлять. Это удается проследить при переходе от самого низкого уровня организации живого к высшему.
Заменые различия обнаруживаются даже у близкородственных видов только
при переходе на более высокие уровни организации (ткань, органы, организм).
Эти соображения позволяют предположить, что ответные реакции разных организмов, относящихся к одному семейству или роду, при действии
токсических веществ на молекулярном уровне не будут сильно различаться.
Это в свою очередь дает возможность экстраполировать результаты, полученные в опытах с одними организмами на тканевом или организменном
уровне.
1.1 Диагностическое значение биохимический и физиологических
показателей;
С биоиндикацией тесно связаны динамическое равновесие и стабильность биологических систем. Экосистемы весьма стабильны. При изменении
факторов среды и под влиянием стрессоров, т.е. при нагрузке, они могут переходить в другие стабильные состояния. Организмы тоже способны в определенных границах адаптироваться к измененным условиям существования.
В меньшей степени это относиться к органеллам, таким как митохондрии или
хлоропласты, а также к биохимическим или физиологическим реакциям.
Пределы их протекания относительно узки, поэтому они весьма чувствительны к нарушениям.
На уровне организмов и экосистем воздействие стрессоров различимо
благодаря появлению внешних симптомов повреждений. Например, за реак24
цией индикаторных растений можно проследить по возникновению определенного поврежедения (некроз, хлороз).
На клеточном и субклеточном уровнях воздействие стрессоров чаще
всего скрыто от наблюдения. Как синонимы в литературе широко используются понятия «физиологические повреждения», «латентные повреждения»,
«тонкие повреждения». Однако при достижении определенных количественных параметров стрессора невидимые повреждения приводят к снижению
продуктивности, появлению морфологической изменчивости или тератов и т.
д. Если необходимо своевременно предотвратить необратимое изменение, то
раннее распознавания именно этих нарушений становиться решающим, т.к.
чувствительные биохимические и физиологические параметры “улавливают”
очень незначительные концентрации стрессора. Кроме того, биоиндикация
на биохимическом и физиологическом уровне позволяет понять механизм
действия стрессоров:
- видимые симптомы какого-нибудь повреждения - результат изменений в обмене веществ растений и животных;
- точное знание механизмов действия стрессора позволяет провести
раннюю диагностику нарушений;
- можно установить механизм адаптаций и предпринять защитные меры.
1.2 Регуляция обмена веществ и биоиндикация
Обмен веществ каждой живой клетки подчиняется следующим принципам:
– привязан к молекулярным и надмолекулярным структурам;
– организован по типу функциональной и структурной иерархии;
– высокоэкономичен;
– способен к саморегуляции.
Его задачи можно свести к следующим:
– поставка энергии в форме АТФ, необходимой для многочисленных
реакций;
– поставка предшественников - мононуклеотидов, аминокислот, моносахаридов - для синтеза нуклеиновых кислот, белков, углеводов;
– биосинтез биомакромолекул – ферменты, гормоны, пигменты, резервные вещества.
За все процессы обмена веществ в первую очередь несут ответственность нуклеиновые кислоты (носители генетической информации) и белки
(ферменты и структурные элементы). Необходимо, чтобы эти макромолекулы функционировали с соответственной скоростью.
Регуляция обмена веществ осуществляется с помощью многочисленных ферментов, поэтому наиболее чувствительные из них могут быть важными индикаторами нарушений. Стрессоры прежде всего воздействуют на
активность и количество ферментов.
25
1.3 Показательные повреждения молекулярного уровня
Для биоиндикации решающее значение имеют действия стрессоров на
следующие этапы обмена веществ:
концентрация макромолекул (например, изменяется количество ферментов);
активность макромолекул (например, ферментативная) - в целом отмечается увеличение их активности при низких концентрациях загрязняющих
веществ и снижение - при высоких.;
снижение энергетического баланса;
нарушение процесса фотосинтеза;
продуцирование веществ с защитными функциями (например, пролина), увеличение сахарозы и фруктозы с целью самозащиты;
преждевременное включение механизмов старения организма: характерным признаком является увеличение содержания гормонов, регулирующих созревание плодов, старение и опадение листвы и т.д. (этилен, абсцизовая кислота и др.);
Остановимся более подробно на биоиндикационных признаках молекулярного уровня
Концентрация (количество) ферментов, пигментов
а) хлорофилл - в качестве биоиндикаторного признака у растений используют уменьшение содержания хлорофилла, уменьшение соотношения
хлорофиллов а и б, увеличение содержания феофитина. Снижение содержания зеленых пигментов в листьях может происходить вследствие разрушения
хлорофиллов и превращения их в феофитины под влиянием стрессоров, которые воздействуют на ферменты катализирующие образование этого пигмента.
б) соотношение каротиноидов – листьях и хвое, подвергшихся действию фотоокислителей (фотохимического смога) и газодымовых выбросов
двуокиси серы, содержание лютеина повышается, а бета-каротина снижается.
в) металлотионеины - процессы детоксикации некоторых тяжелых металлов у многих видов идут путем их связывания с металлотионеиновыми
белками; при действии ртути в концентрации 5мкг/л на лосося было обнаружено значительное увеличение концентрации ртути в тканях; при действии
ртути в концентрации 1 мкг/л подобного эффекта не наблюдалось, повидимому, потому,
что весь металл образовывал комплексы с металлотиопеинами
г) стероиды - обнаружена достоверная корреляция между влиянием
сублетальных концентраций некоторых загрязняющих веществ и концентрацией стероидных гормонов у птиц, рыб и морских млекопитающих. Сублетальные концентрации загрязняющих веществ могут повлиять на ферментные системы, ответственные за стероидогенез, который в свою очередь определяет функционирование гомеостатического механизма животных.
26
Ферментативная активность
За биохиическими и физиологическими реакциями на антропогенные
стрессоры можно сле-дить по изменениям активности определенных ферментов. Они могут быть индикаторами нарушений обмена веществ. SO2,
например, реагирует с SH - группами белка в составе фермента и разрывает
их.
а) глюкозо-6-фосфатдегидрогеназа - является ключевым ферментом
прямого окисления глюкозы, реагирует повышением активности на различные виды стресса; повышение активности влечет за собой переключение на
энергетически невыгодное расщепление глюкозы по пути гликолиза;
б) ферменты аминокислотного обмена также изменяют свою активность, в результате чего усиливается распад белков и снижается их синтез;
в) пероксидазы – их активность повышается в ответ на усиление образования токсичных перекисей Н2О2 под действием стрессоров; определение
этой активности позволяет выявить нарушения обмена веществ, возникающее под действием фтористых, транспортных, содержащих двуокись серы или озон газодымовых выбросов.
г) оксигеназы со смешанной функцией - цитохром P-450 - гемопротеид,
содержащийся в оксигеназных системах, можно без преувеличения отнести к
универсальной молекуле. Она обнаружена у бактерий, высших растений и
млекопитающих. Наряду с основными функциями цитохром; P-450 может
принимать участие в метаболизме чужеродных соединений. В определенных
условиях изменение активности оксигеназы со смешанной функцией у
организмов, взятых в качестве пробы из естественных популяций, может
свидетельствовать о хроническом или остром загрязнении нефтепродуктами.
Энергетический баланс.
Показатель энергетического состояния организма позволяет оценивать
количество химически связанной энергии, запасенной в пуле адениновых
нуклеотидов и доступной в данный момент для метаболических процессов в
организме. Энергетическое состояние клетки характеризуют с помощью
“знергетического заряда”и определяется по формуле:
[][]
э.э = [ ] [ ] [ ]
АТФ Д
АТФ АДФ АМФ
+
++
05 , А Ф
Это отношение представляет собой важный контрольный критерий и
меру жизнеспособности системы. Благодаря механизмам регуляции обмена
система АТФ - АДФ - АМФ относительно стабильна. Установлено, что активность одних ферментов зависит от концентрации АТФ, активность других
определяется концентрациями АДФ, АМФ или соотношениями АТФ/АМФ;
27
АТФ/АДФ. Установлено отрицательное влияние стрессоров на образование АТФ. При действии стрессора “энергетический заряд” снижается с 0,8
до 0,2: снижение его значения до 0,5-0,75 означает, что процессы потребления и аккумулирования энергии разбалансированы под влиянием неблагоприятных факторов; в стрессовых условиях значения энергетического потенциала ниже 0,5.
После удаления стрессора энергетический потенциал вновь достигает
своей первоначальной величины.
Основные достоинства метода с использованием энергетического потенциала в качестве показателя воздействия загрязняющих веществ на биоту
заключаются в следующем:
1. разность между значениями энергетического потенциала в нормальных и стрессовых условиях есть величина постоянная для данного организма;
2. внутривидовые различия значений энергетического потенциала
очень малы, что позволяет работать с выборкой небольшого объема;
3. ответ на стрессовое воздействие может быть зарегистрирован быстрее, чем при использовании других показателей.
Фотосинтез. Этот процесс очень чувствителен к изменению факторов
внешней среды. Под действием стресоров фотосинтез подавляется.
Фотосинтетическая активность хлоропластов связана с пигментами,
поглощающими излучение с длиной волн от 400 до 700 нм. Хлорофилл обнаруживает способность к флуоресценции -спонтанному излучению света.
Эта особенность хлорофилла была предложена в качестве индикаторного признака нарушений, вызываемых у растений газодымовыми выбросами.
На рис. приведены кривые изменения флуоресценции под действием
SO2 : 1 - контроль (6 мин. темновая фаза перед измерением); 2 – 30 сек.
предварительного освещения; 3 - 25 млн.-1 SO2 , темновая фаза и предварительное освещение. Контроль аотчетливо демонстрирует эффекты световой и
темновой фаз, которые отсутствуют у обработанной пробы. Развитие флюоресценции хлоропластов служит критерием жизнеспособности при загрязнении двуокисью серы.
Ассимиляция СО2. Под действием SО32-, наблюдается торможение фотосинтетической фиксации СО2, из-за конкурентного связывания биологически активной формой двуокиси серы ключевого фермента фотосинтеза - рибулозодифосфаткарбоксилазы (ингибирующая концентрация 3ммоль SO32-.
2. Клеточный уровень
2.1 Химический состав клетки
а) аккумуляция вредных веществ - поглощаемые организмом вредные
соединения могут быть либо преобразованы в ходе обмена веществ, либо
включены в общий метаболизм. Однако обычно большинство элементов
вредных веществ пригодно для использования лишь в небольших количе28
ствах и присутствует в незагрязненных организмах лишь в виде следов (хлор,
тяжелын металлы - свинец, кадмий, цинк).
Их аккумуляция выше естественного содержания может быть использована в качестве индикационного признака для определения уровня стрессовой нагрузки. Обнаружена тесная связь между содержанием свинца в листьях растений и интенсивностью движения в городах.
б) белки и аминокислоты - уменьшение содержания растворимых белков - общий индикаторный признак; причиной является повышение их распада до аминокислот. В высших растениях белок пролин участвует в осуществлении водного баланса, эта аминокислота считается индикатором
стресса, в особенности водного; после воздействия многих стрессоров количество свободного пролина увеличивается.
в) углеводы - в растениях, обработанных SO2 , увеличивется содержание глюкозы и фруктозы, что обеспечивает механизм самозащиты растений;
автомобильные выбросы и соли свинца влияют на метаболизм углеводов
меньше, чем двуокись серы;
г) липиды - с ростом загрязнения газодымовыми выбросами (лес <парк
<городской центр) происходят значительные изменения состава жирных кислот, которые входят в состав липидов, особенно увеличивают свою концентрацию линолевая и линоленовая кислоты; повышение концентрации этих
кислот отмечено в стареющих листьях растений, поэтому нельзя исключить
ускоряющее воздействие стрессоров на процессы старения; автомобильные
выхлопы сильнее действуют на увеличение концентрации жирных кислот,
чем двуокись серы.
2.2 Состояние органоидов
а) биомембраны - Строение и состав биомембран - бимолекулярной
липоидная пленка с белковыми слоями, отложенными с обеих ее сторон обеспечивают избирательную проницаемость и направленный транспорт веществ внутрь клетки.
SO2 диффундирует, подобно СО2 через мембраны клеток, растворяется
в воде клеточной стенки, образует ионы SO32- / HSO3, которые разрушают
клеточную мембрану. Эти нарушения проявляются в повышении проницаемости, изменении рН, ферменты, связанные с мембраной,высвобождаются и
переходят в другие участки.
В норме клетка предохранена от изменений рН. Поглощение SO2 и его
превращение в сернистую кислоту, изменяет буферную емкость клетки, чаще
всего она значительно снижается. А так как каталитические функции ферментов зависят от рН, снижение буферной емкости может привести к значительным нарушениям обмена веществ.
Подобным повреждающим эффектом для мембран клеток обладают
озон, тяжелые металлы -кадмий, цинк, никель.
б) изменение внутриклеточных структур - расширение цистерн эндоплазматического ретикулума (Zn); отложение кристаллических включений в
29
хлоропластах фасоли(Cl); грануляция цитоплазмы и разрушение хлоропластов (SO2, Cl),
в) стабильность лизосом
Лизосомы во многих отношениях являются идеальной клеточной органеллой для исследований интегрального отклика на воздействие неблагоприятных факторов среды. Лизосомный комплекс образует внутриклеточную
пищеварительную систему, которая способна катаболизировать как эндогенные клеточные компоненты, так и экзогенные вещества. Считают, что в норме основной функцией лизосом является расщепление цитоплазматических
компонент внутри вакуоли. В стрессовых условиях лизосомы могут перейти
на гетерофагию, которая включает эндоцитоз (пиноцитоз и фагоцитоз). Таким путем может происходить внутриклеточное потребление внеклеточных
веществ.
Одним из фундаментальных биохимических свойств лизосом является
изоляция, обладающих огромной разрушительной силой гидролитических
ферментов. При нарушении стабильности лизосом возможны активизация
гидролитических ферментов и в некоторых случаях выход их в цитоплазму,
приводящий к частичному или полному цитолизу. Обнаружено, что лизосомы некоторых позвоночных, моллюсков и рыб способны накапливать ароматические углеводороды, асбест, кремнезем, производные аминоазобензина,
бериллит, металлические порошки и вирусы, a также ионы меди, железа,
свинца, цинка, никеля, серебра, ртути и плутония. Когда накопление этих
веществ в лизосомах превышало некоторый уровень, мембраны лизосом разрушались и, как следствие, наблюдалась активация н выход ферментов в цитоплазму.
г) изменения размеров клетки- уменьшение клеток эпидермиса листьев
(SO2);
д) плазмолиз - отслаивание плазмы от клеточной стенки (действие кислот и SO2);
2.3 Хромосомные нарушения
Хроническое или случайное присутствие загрязняющих веществ антропогенного происхождения может привести, к различным нарушениям генетического плана (рисунок). Например,присутствие загрязняющих веществ
может изменить состав генетического пула, что в условиях генетической изменчивости в пределах популяции приведет в результате адаптации к изменению усредненного фенотипа популяции. Загрязняющее вещество может
непосредственно влиять на генетический материал или вызывать различного
рода мутации. При наличии специальной системы лабораторных тестов на
мутагенность генетик может определить, какие вещества, поступающие в
среду, обладают мутагенными свойствами.
Рисунок 1 - Генетические последствия влияния загрязнения на популяцию
На рис. 2 представлена схема возможного воздействия антропогенного стрессора на молекулярном и клеточном уровнях.
30
Общее заключение
С учетом общих принципов биоиндикации (см. лекцию 1) любой эффект может быть использован в качестве индикаторного признака только тогда, когда соответствующий параметр системы х быстро и чувствительно реагирует на изменение какого-либо параметра среды р (воздействие стрессора), т.е. когда dx dp
Рис. Чувствительность биоиндикации
Физиологические, биохимические и особенно ферментные анализы
очень сложны и связаны с определенными измерительными устройствами.
Далеко не в каждом случае наблюдаемая реакция может быть однозначно сопоставлена с антропогенным стрессором. Так, загрязнение воздуха четко обнаруживается лишь тогда, когда его воздействие явно превосходит влияние
всех других факторов среды. Однако биоиндикация на первом уровне (см.
лекцию 1) в целях ранней диагностики необходима в областях с загрязненностью от низкой до средней, где наблюдать видимые повреждения организмов
еще невозможно.
Контрольные вопросы
1. В чем отличие по чувствительности к стрессорам биологических систем на субклеточном, клеточном, организменном и экосистемном уровне?
2. В чем состоит диагностическая ценность биоиндикации на биохимическом и физиологическом уровне?
3. В чем заключается достоинство биоиндикации на молекулярном
уровне?
4. Какие основные этапы обмена веществ подвергаются воздействию
стрессоров и наблюдение за которыми имеет решающее значение для биоиндикации?
5. Какие из индикационных признаков на физиолого-биохимическом
уровне пригодны для ранней биоиндикации?
6. Показательные повреждения молекулярного уровня как биоиндикационные показатели,примеры.
7. Показательные повреждения клеточного уровня как биоиндикационные показатели
Лекция 3
Тема «Биоиндикация на тканевом и организменном уровнях»
План
1. Общая характеристика анатомо-морфологических отклонений в
результате стрессовых
воздействий
2. Тканевой уровень
2.1 макроскопические изменения морфологии растений;
2.2 патологические проявления у животных
3. Организменный уровень
31
3.1 изменение окраски листьев и тела животных, а также скульптуры поверхности
3.2 изменение размеров и продуктивности растений и животных;
3.3 изменение формы роста, экобиоморфных признаков;
3.4 показатели поведения животных
1
вопрос
лекции.
Общая
характеристика
анатомоморфологических отклонений в результате стрессовых воздействий
Еще в середине ХІХ в. были отмечены повреждения растений дымом
вокруг бельгийских и английских содовых фабрик.
В ряде стран морфологические индикаторы используются в национальной системе мониторинга уже более 25 лет. С помощью методов биоиндикации, основанных на морфологии растений, получена большая часть картосхем антропогенного влияния.
Одним из широко применяемых методов экологической оценки состояния окружающей среды является анализ особенностей морфологического
строения биологических объектов. Накопление поллютантов в организме,
нарушения метаболизма, приводят к изменению строения тканей, органов и в
целом к модификации диагностических признаков видов.
При оценке экологического состояния окружающей среды по морфологическим отклонениям в качестве индикаторов должны быть выбраны
наиболее чувствительные виды, обладающие хорошо выраженными, яркими
и легко распознаваемыми реакциями на определенное антропогенное воздействие. Чувствительность живых организмов к поллютантам зависит от генетической структуры, стадии развития, условий внешней среды, концентрации
поллютанта и меняется в течение вегетационного сезона в зависимости от
возраста особи.
На практике осуществляется основной подход к изучению таких отклонений – это детальный визуальный подход, который включает в себя изучение анатомо-морфологических признаков.
Изучение анатомо-морфологических признаков, не требующее больших материальных затрат,имеет особое практическое значение для экспрессоценки интенсивности техногенного воздействия на экосистемы. В качестве
индикаторных признаков эффективно применение морфологических показателей: высоты растений, длины и ширины листьев, междоузлий и т. д. У древесных видов возможно изучение таких морфологических признаков, как высота стволов, высота прикрепления кроны, первой живой ветви, высота отслаивающейся корки, состояние и разреженность кроны, суховершинность и
др. Возможность количественной оценки перечисленных параметров при
сравнительном анализе фоновых и антропогенно нарушенных территорий с
применением аппарата математической статистики повышает надежность и
достоверность прогноза антропогенных сукцессии и выводов о современном
состоянии экосистем.
32
Возникновение уродливых форм (тератов), появление хлороза и некроза являются крайней формой проявления стрессового воздействия. Но такие
яркие отклонения в развитии организма являются лишь качественными признаками стрессовой ситуации и не дают представления об интенсивности
воздействия или частоте стресса. Переход к количественной характеристике
достигается за счет использования бонитировочных шкал некрозов, хлорозов
или, например, шкалы продолжительности жизни хвои (листвы) древесных
пород. Интенсивность воздействия диагностируется степенью поражения (%
покрытия) листьев хлорозом или некрозом, представленной в виде соответствующих классов. Морфологические показатели древостоя могут свидетельствовать об ухудшении среды обитания в результате нарушений и (или)
загрязнений. Такие показатели, как высота, диаметр, сомкнутость, среднее
расстояние между деревьями, высота мертвой отторгнутой корки, высота
прикрепления кроны, суховершинность, наличие сухостоя и пней, сравниваются с соответствующими фоновыми характеристиками. Их изменения по
сравнению с фоновыми значениями свидетельствуют о неблагоприятных
условиях местообитания древесных видов.
Для отбора показателей биоиндикации на тканевом и организменном
уровне предлагаются такие критерии:
1. наличие данных, показывающих связь заболевания с загрязнением;
2. изменчивость аномалии в зависимости от места, сезона, a также возраста и размера организма;
3. легкость и точность измерения аномалии;
4. относительная устойчивость аномалии;
5. затраты времени и стоимость получения данных;
6. соответствие специфичности аномалии и загрязнения;
7. виды, для которых характерна данная аномалия;
8. наличие данных о биологии и экологии используемых видов
Таким образом, при биоиндикации на тканевом уровне используются
следующие признаки:
1) отмирание тканей – некроз;
2) преждевременное увядание и опадание листвы (дефолиация);
3) патологические отклонения у животных
2. Тканевой уровень
2.1 Макроскопические изменения морфологии растений .
а) некрозы - отмирание ограниченных участков ткани, довольно специфичны; следует различать :
- точечные и пятнистые некрозы - отмирание тканей в виде точек и пятен; при действии озона,
- межжилковые некрозы - отмирание листовой пластинки между боковыми жилками первого порядка (при воздействии SO2);
- краевые некрозы - характерные, четко различимые формы у лип под
действием поваренной соли, применяемой для таяния льда; сочетание меж33
жилковых и краевых некрозов приводит к появлению узора типа “рыбьего
скелета”;
- верхушечные некрозы - характерны для хвойных, темно-бурые, резко
отграниченные некрозы кончиков хвои под воздействием SO2 или обесцвеченные - под влянием HF.
При развитии некрозов сначала наблюдаются изменения в окраске, затем после гибели клеток пораженные участки оседают, образуются разрывы
листовой пластинки.
б) преждевременное увядание - под действием этилена в теплицах,
цветки гвоздики при этом не раскрываются, увядают лепестки орхидей;
в) опадение листвы (дефолиация) - в большинстве случаев появляется
после появления хлорозов и некрозов; примерами может служит уменьшение
продолжительности жизни хвои, ее осыпание у ели, преждевременное опадание листвы у липы, конских каштанов, у крыжовника и смородины под действием SO2; дефолиация приводит к уменьшению ассимилирующей площади, сокращению прироста, растормаживанию почек и преждевременному образованию новых побегов;удобным объектом исследования в таких случаях
являются хвойные породы, имеющие многолетнюю хвою. В чистых природных экосистемах средний возраст хвои сосны составляет у южной формы 3-4
года, у северной - 8-9 лет, хвои ели - 7-8 лет. При воздействии токсичных газов возраст хвои сокращается, так что в отдельных случаях на деревьях остается только однолетняя хвоя
Примеры применяемых на практике тест-растений.
Табак Bel W3. Этот сорт выведен специально для биоиндикации озона.
Уже при слабом воздействии О3 через несколько дней на листовой пластинке
густо образуются некротические пятна серебристого цвета. Этот сорт хорошо
зарекомендовал себя в ряде стран и нашел более широкое применение по
сравнению с другими индикаторами (виноград, фасоль, шпинат, крапива, петуния).
Метод заключается в экспонировании растений в различных условиях
местообитания и определении степени поражения листовых пластинок хлорозом. При подготовке исследований должна быть строго соблюдена методика выращивания табака. Растения выращиваются на гидропонике с питательным раствором при температуре 24°С и рН 5,5-6,0. На каждый участок
помещается по 72 экземпляра табака. При этом обеспечиваются достаточный
полив и затенение на 40-50%. По оценочным шкалам определяется интенсивность хлороза в баллах, которая затем служит материалом для составления карт полей озона. Методика широко используется в Западной Европе - с
помощью этого метода составлены карты загрязнения озоном крупных регионов
Некрозы хвои и продолжительность ее жизни у сосен, поврежденных
дымом. Особенно удобными параметрами являются верхушечные некрозы
хвои и проложительность ее жизни; их можно определять круглогодично, на
основании этих параметров создают картосхемы зон газодымового стресса.
34
При определении морфологических изменений следует учитывать влияние воздействие климатических и эдафических (почвенных) факторов на
устойчивость растений. При газовом загрязнении на формирование некрозов
решающим образом влияет влажность и освещенность. При высокой влажности воздуха и почвы растения становятся особенно восприимчивыми; зимой
снижение устойчивости вызывается низкими температурами.
Очень большое экологическое значение и большую опасность для жизни человека, животных и растений имеют различные примеси к нормальному
естественному составу воздуха. В связи с ростом промышленного производства в некоторых районах воздух перенасыщен газами и взвешенными
частицами угля, металлической пыли, сажей и другими вредными примесями. Загрязнение воздуха вредными примесями в районах интенсивного
производства неуклонно возрастает.
По данным Р. Гудериана (1979), выброс в атмосферу диоксида серы в
ФРГс 1969 по 1980 г. увеличился с 3,5 до 4,6 млн. т; хлористого водорода с
1971 по 1980 г. - с 8 до 100 тыс. т. В США за период с 1960 по 1980 г. предполагается двукратное увеличение выбросов диоксида серы.
Во многих крупнейших городах, особенно в Токио, Лос-Анжелесе,
Лондоне, Эссене и некоторых других, трудно дышать из-за смога — густого
тумана, образованного выбросами труб промышленных предприятий, не
снабженных очистными сооружениями, выхлопными газами автомобилей.
Особенно вреден фотохимический смог, возникающий в результате взаимодействия дыма и выхлопных газов с солнечным излучением и содержащий
большое количество оксида углерода. Выхлопные газы автомобильного
транспорта наносят большой вред здоровью человека, так как в их составе
имеются оксиды свинца, оксид углерода, оксиды азота и др.
Очень опасно заражение осадков радиоактивными веществами, которые способны вместе с воздушными массами дважды обогнуть земной шар,
прежде чем выпасть на Землю. Необходимо принять самые действенные и
неотложные меры борьбы с загрязнением воздуха вредными примесями. В
числе этих мер кроме установки дымо- и газоулавливающих фильтров на заводских трубах и постройки других технических сооружений, которые не
полностью очищают дым от газов и вредных примесей, необходимо обратить
особое внимание на охрану и. восстановление нарушенного растительного
покрова, являющегося естественным фильтром, очищающим 100 воздух от
пыли и других вредных отходов производства. По данным Т. Келлера (Т. Keller, 1971), еловый лес, растущий на площади 1 га, способен связать 30 т, а буковый - 68 т пыли. Но задержанная на кронах деревьев пыль, в частности зола, образующаяся при сгорании бурого угля и содержащаяся в пыли, затем
смывается дождем с поверхности растений и изменяет рН почвы. Это отрицательно сказывается на жизнедеятельности корней древесных растений. Газообразные соединения и соли, выделенные из пыли и принесенные талыми
водами из золоотвалов, угнетающе действуют на естественную культурную
35
растительность. Из культурных растений особенно неустойчив к ним картофель. Наиболее вынослив к избытку хлоридов овес, а из сорняков — пырей.
Растительность может задерживать пыль и обезвреживать газы до определенных пределов. Чрезмерное их количество сначала угнетает, а затем
приводит к гибели малоустойчивые древесные и травянистые растения.
Наиболее сильно растения повреждаются вредными отходами производства
там, где их концентрация наибольшая: вблизи химических заводов, доменных печей, нефтеперегонных заводов и других загрязняющих воздух предприятий. При этом гибнут не только отдельные растения, но и леса, особенно
хвойные. По мере удаления от источника загрязнения концентрация газов в
воздухе снижается, и их отрицательное воздействие на растительность
уменьшается. Однако неблагоприятное влияние кислых газов прослеживается на расстоянии до 5-7 км и даже до 30 км от источника задымления! В
настоящее время многочисленными исследованиями показано, что наиболее
вредное действие на растительность оказывает диоксид серы S02. Концентрация его в воздухе, равная одной миллионной доле и даже меньше от общего объема воздуха, значительно повреждает растительный покров. S02
вместе с другими газами (хлором, триоксидом серы, оксидами азота, углерода и т.д.) выделяется при топке печей каменным углем.
Сущность вредного влияния S02 на растения сводится к следующему;
проникая в клетки тканей листа, он растворяется в воде и превращается в
сернистую" кислоту, которая, накапливаясь в клеточном соке, вызывает повышенное окисление содержимого клеток. В окислении клеточного содержимого кроме S02 участвуют и другие кислые газы: хлор, триоксид серы, оксиды азота. При действии повышенных концентраций кислых газов, повышающих окисляемость клеточной среды, повреждаются хлоропласты и прилегающая к ним цитоплазма. Разрушаются хлорофилл, особенно хлорофилл
"b", глютатион, аскорбиновая кислота и другие вещества клетки. Слабеет или
приостанавливается фотосинтез, что приводит к уменьшению или прекращению выработки углеводов и других веществ, к задержке роста. Диоксид серы
- сильный восстановитель, он изменяет и нарушает окислительновосстановительное равновесие клеточной среды, уменьшает устойчивость
биоколлоидов клетки.
Не все растения газоустойчивы в одинаковой степени. Например, хвойные - сосна и ель — повреждаются малыми концентрациями газов; другие
переносят значительные концентрации S02 и других кислых газов без видимых повреждений. Если большие концентрации токсических газов воздуха
губительны для растений, то малые и даже средние их величины не оказывают столь вредного влияния. В последнее время появляются работы, где показана приспособленность некоторых растений к газам и веществам, загрязняющим воздух. Накопились данные о том, что примеси к естественному составу воздуха даже стимулируют рост некоторых растений.
По мнению некоторых зарубежных ученых, стимулирующее влияние
веществ, загрязняющих воздух, на рост объясняется тем, что некоторые рас36
тения, не получающие достаточного количества необходимых для их роста
азотных соединений из почвы, используют диоксид азота из загрязненной
атмосферы. По мере загрязнения воздуха растения постепенно приспосабливаются к нему. Многие исследователи считают, что необходимо создать особый раздел экологии — индустриальную экологию, который изучал бы адаптации растений к токсическим газам.
Нельзя смешивать понятия газоустойчивость и газочувствительность.
Под газоустойчивостью понимают способность растений благодаря анатомо-морфологическим, физиологическим и биохимическим особенностям
выдерживать значительные концентрации токсических газов, сохраняя при
этом свою жизненность и декоративность. Газочувствительность — это степень и быстрота проявления у растений признаков повреждения токсическими газами. В.М. Рябишга (1965) показал, что ель обыкновенная малочувствительна к S02 и другим кислым газам, но вместе с тем крайне неустойчива к
ним, в то время как лиственница очень чувствительная и в тоже время довольно газоустойчивая порода. Газоустойчивость лиственницы объясняется
тем, что она ежегодно обновляет свою хвою, в то время как хвоя ели многолетняя и подвергается воздействию токсических газов в течение ряда лет.
Н.П. Красинский (19S0), Е.И. Князева (1950) и другие авторы различают три вида газоустойчивости растений.
1. Биологическая газоустойчивость, под которой понимают способность растений быстро восстанавливать поврежденные дымовыми газами части и органы, а также декоративность. Например, клен американский (Acer
ne-gundo) повреждается S02 средне, но в силу свойственной ему биологической активности очень быстро восстанавливается.
2. Морфолого-анатомическая газоустойчивость связана с морфологическими и анатомическими особенностями строения. Жесткие кожистые
листья склерофитов, покрытые толстым слоем кутикулы, многослойным
эпидермисом и восковым налетом, имеющие толстые наружные стенки клеток и другие признаки ксероморфной структуры,препятствующие проникновению токсических газов в цитоплазму к хлоропластам, менее повреждаются
S02 и другими газами, чем листья тонкие, нежные, с тонкой кожицей, не покрытые восковым налетом. Так, ель обыкновенная отличается крайне слабой
газоустойчивостью. Ока сильно угнетается при незначительной концентрации S02 в атмосфере. Однако американские ели — колючая (Picea pun-gens) и
Энгельмана (P. engelmanm), особенно их голубые и серебристые формы, довольно устойчивы к этому газу. Хвоя этих елей покрыта восковым налетом,
препятствующим проникновению оксида серы внутрь хвои -к клеткам мезофилла. Значительная газоустойчивость суккулентов также объясняется тем,
что они имеют толстый слой покровных тканей, развитый восковой налет,
малое количество устьиц. Все это, препятствуя проветриванию тканей листа,
приводит к резкому снижению газообмена и к уменьшению проникновения
токсических газов в клетки.
37
3. Физиологическая газоустойчивость зависит от физиолого-биохимических особенностей растений. Некоторые представители семейства капустных, например, не способны к быстрому восстановлению поврежденных листьев и побегов и не имеют ясно выраженной ксероморфной структуры и
других приспособлений, препятствующих проникновению газов в клетки листа, и тем не менее газоустойчивы. Их газоустойчивость можно объяснить
только физиолого-биохимшчеекими свойствами цитоплазмы их клеток.
У большинства растений эти три вида газоустойчивости существуют
одновременно, у других преобладает тот или иной вид гаэоустойчивости.
Загрязненность воздуха оказывает на растения угнетающее воздействие. Тормозятся ростовые процессы, значительно изменяется развитие растений: сдвигается цветение, сокращается вегетационный период, наблюдаются преждевременные листопад, изменение других фенофаз. Из всех органов растений в первую очередьи в наибольшей степени повреждаются газами
листья.
Различают острые и хронические повреждения растений газами.
Острое повреждение происходит при действии на растения токсического вещества высокой концентрации в течение нескольких минут и часов и
вызывает необратимые нарушения в структуре ассимиляционных тканей.
Эти нарушения отчетливо различимы визуально по появлению ожогов, снижению тургора листьев, пониканию и в дальнейшем опаданию.
Хроническое повреждение растений происходит при систематическом
проникновении в листья и стебли небольших доз токсикантов. Внешне симптомы выражены слабее. Характерными признаками хронического поражения
растений являются сокращение плотности облиствения крон деревьев,
уменьшение линейных размеров ассимиляционных органов, преждевременный листопад, снижение прироста деревьев по высоте и диаметру, частичная
или полная потеря плодоношения, а в отдельных случаях формирование нежизнеспособных семян.
Степень повреждения оценивается по доле некротических участков в
общей площади места (%) и по пятибальной системе со следующими значениями некроза листьев:
1)
очень слабые ожоги листьев
2)
слабые
3)
средние
4)
сильные
5)
очень сильные
Степень повреждения растений кислыми газами зависит от влажности
воздуха, температуры и других экологических факторов. В.Г. Актинов
(1962), В.М. Рябинин (1965) и другие исследователи показали, что в местах с
повышенной влажностью воздуха дым и газы концентрируются в нижних
слоях атмосферы. По этой причине в низинах, где обычно застаиваются туманы, наблюдается острое отравление растений диоксидом и трн-оксидом
серы. Повреждения растений токсическими газами особенно усиливаются
38
при одновременном повышении относительной влажности и температуры
воздуха. Концентрация S02 и других газов в воздухе зависит от силы и
направления ветра по отношению к источнику задымления. Как правило, с
повышением скорости ветра, особенно на открытых местах, концентрация
газов в приземном слое воздуха понижается.
На газоустойчивость растений влияет режим питания, особенно азотного. В.А. Гусева (1950) показала, что при подкормке растений нитратной формой азотных удобрений (NaN03) общая окисляемое» клеточного содержимого окуренных S02 растений и окисляемое» водонерастворимых веществ снижаются, уменьшается разрушение аскорбиновой кислоты и глютатиона.Впоследствие этого газоустойчивость подкормленных селитрой растений по сравнению с контрольными значительно повышается. Однако аммонийная соль действует на газоустойчивость значительно слабее селитры.
Газоустойчивость разных групп растений далеко не одинакова. Особенно чувствительны к S02 и другим газам лишайники, мхи и некоторые
эпифиты. Наствольные лишайники - наиболее надежные показатели чистого
воздуха, поэтому они отсутствуют на деревьях в промышленных городах.
Неустойчивость лишайников к загрязнению атмосферы дымовыми газами Р.
Гудериан (1979) объясняет их слабой регенеративной способностью. В то
время как у высших растений, особенно у однолетников, поврежденные газами ассимиляционные ткани быстро заменяются новыми, чаще всего менее
чувствительными к дымовым газам, ткани лишайников растут очень медленно, и в условиях долговременного воздействия газов их отравление продолжается до полной гибели всего слоевища. Лишайники особенно чувствительны к дымовым газам при длительном дефиците влаги. Травянистые растения,
как правило, более устойчивы к дымовым газам, чем древесные.
Повреждаемость деревьев и кустарников токсическими газами также
не одинакова. Особенно слабоустойчивы к дымовым газам сосна и ель. H.JI.
Красинский показал, что газоустойчивость растений определяется их систематическим положением. Наиболее газоустойчивы растения из семейств
ивовые (Salicaceae) и жимолостные (Caprifoliaceae), среднеус-тойчивы представители кленовых (Асегасеае), камнеломковых (Saxi-fragaceae) и маслинных (Oleaceae), очень сильно повреждаются кислыми газами виды семейства
бобовых (Leguminosae).
2.2 Патологические проявления у животных
Язвы на коже
Язвы на коже, наблюдались у многих видов рыб, отловленных вблизи
побережья и вдали от него. У трески обитающей в водах Северной Европы,
частое появление этих язв получило название “ язвенного синдрома”. Недавнее исследования продемонстрировали связь между сезонными изменениями
этого синдрома, степень о загрязнения вод углеводородами и увеличением в
воде популяций, потенциально патогенных для рыб. Весной процент больных рыб у побережья выше,чем вдали, но к лету эта зависимость становится
менее очевидной. Поэтому при отлове рыб с целью мониторинга нужно учи39
тывать сезон года. Кроме того, следует проводить микробиологические тесты
проб, взятых из донных осадков и водной толщи.
Эрозия плавников
Это одно из наиболее распространенных заболеваний рыб, четко связанное с загрязнением эстуарной и прибрежной среды.
Встречаются два типа эрозии плавников. У приданных рыб, видимо, в
результате прямого контакта с загрязненными донными осадками поражаются спинной и. анальный плавники, a у пелагических прибрежных рыб наблюдается общая эрозия, но с некоторым преимущественным поражением хвостового плавника. Вероятней всего, причины эрозии носят комплексный характер и могут включать химическиё агенты (которые влияют на мускус эпителий), дефицит растворенного кислорода в воде и вторичное бактериальное
заражение. Систематическое заражение бактериями не обязательно связано с
появлением эрозии плавика, хотя в пробе, взятой из язвы, можно выделить
многие виды бактерий. Наблюдение за этим показателем рекомендуется проводить с учетом сезона года, размера рыб, чувствительности вида, условий
обитания и миграции.
Аномалии скелета
3a последние годы увеличилось число случаев аномалии скелета у рыб.
Приводится множество примеров спинных фузий и искривлений, позвоночного сжатия (уплощение), аномалий головы и плавника. Такие нарушения
встречаются и у большинства природных популяций, no чаще всего они
наблюдаются в загрязненных акваториях. Связь между частотой появления
аномалий скелета водных позвоночных и загрязнением была подтверждена
экспериментально. Хлорорганический пестицид Кепон, например, вызывал
сколиоз у миног, при действии тяжелых металлов у рыб наблюдались искривления и разрывы позвоночника. Таким образом, мониторинг морских
позвоночных на тканевом уровне включает тщательный осмотр рыб для выявления явных аномалий с последующей рентгеноскопией для обнаружения
скрытых деформаций, например позвоночныхспаек. He представляет особых
трудностей обследование жаберных тычинок и спинных плавников. Большую пользу могут оказать планктонные и планктоновые пробы с целью обнаружения уродливых личинок и аномалий у ранней молоди.
Опухоли
Опухоли были обнаружены у представителей всех классов холоднокровных позвоночных, у двустворчатых моллюсков и насекомых. У 60 морских видов животных из разных групп и местообитаний были обнаружены
инфекционные опухоли. Опухоли у рыб и моллюсков являются потенциально полезными показателям для мониторинга морской среды, по ограниченное географическое распространение видов, имеющих опухоли, и отсутствие
опухолей у видов, имеющих широкое географическое распространение, a
также недостаток данных о причинах; вызывающих опухоли, исключают
возможность использования какого-то одного вида морской рыбы в качестве
универсального индикатора.
40
Использование двустворчатых моллюсков для мониторинга химических карциногенов в окружающей среде имеет значительные преимущества,
так как они, в отличие от рыб, например, профильтровывают большие количества воды в течение длительного времени. Важно также то,что относительно небольшое число видов обитает почти во всех эстуариях Мирового океана.
Более того, рак крови у двустворок описан для четырех континентов, и,
хотя имеются доказательства в пользу как вирусной, так и химической этиологии этого заболевания, его появление,по-видимому, связано с присутствием загрязняющих Методика определения рака крови у моллюсков чрезвычайно проста и состоит в наблюдении за мутностью 0,5 смз жидкости, полученной из тела. Нормальные гемоциты прилипают стеклу, и капля быстро
становится прозрачной. Раковые клетки становятся круглыми, не прилипают
к стеклу, и сама капля очень похожа на каплю молока.
Иммунная реакция
Современными иммунологическими исследованиями показано, что рыбы в противоположность беспозвоночным вырабатывают высоко специфические антитела. Оказалось, что антитела, патогенные для человека, встречаются в 1,5-6% рыб мороне обитающих в заливе Чесапик. Это было отмечено
преимущественно в эстуарных районах вблизи крупных поселений, причем
кросскорреляция среди антител небольшая.
Имеется очень мало доказательств подавления иммунных реакций
непосредственно загрязнениями. Так, при действии кадмия на рыб обнаружено снижение эффективности реакции фагоцитов. Были получены данные о
генетическом отборе рыб с более высокими уровнями антител.
Таким образом, тест на присутствие у рыб антител, патогенных для человека, может стать важной частью мониторинга, особенно ценной для тех
видов рыб, которые имеют строго ограниченный ареал обитания.
Лимфоцитоз
Лимфоцитоз - заболевание, широко распространенное среди плоских
рыб. Оно характеризуется образованием опухолеподобной ткани под кожей,
содержащей гипертрофированные фибробласты размером до 2 мм. Это заболевание имеет вирусное происхождение. B некоторых случаях они могут
быть переносчиками паразитов рыб. Имеются данные о том, что лимфоцитозом чаще заболевают рыбы, обитающие в загрязненных и нагретых водах.
Поэтому этот показатель можно использовать для мониторинга, хотя следует
иметь в виду, что лимфоцитоз иногда встречается среди популяций рыб и в
незагрязненном районе в результате эпидемии. Известно, что некоторые болезни рыб находятся в скрытом состоянии и могут быть спровоцированы при
действии неблагоприятных факторов. таким образом, лимфоцитоз служит
ранним сигналом неблагополучного состояния среды и может в определенных условиях успешно использоваться в системах мониторинга.
Жаберная гиперплазия
41
Рыба может реагировать на химические вещества гиперплазией (клеточной пролиферацией)жаберного эпителия. Но количественная связь “причина-эффект” не известна, и ее еще предстоит выявить. Получить жаберные
пробы не представляет особого труда.
Изменение ткани печени
Известно, что печень играет важную роль в детоксикации выведении
загрязнении. Имеются экспериментальные данные том, что под действием
загрязнения происходят различные паралогические изменения в ткани печени, в том числе образование, опухолей
3. Организменный уровень
Основная цель отбора биологических показателей на организменном
уровне сводится к оценке главным образом физиологического состояния
особи и ее поведения, a также биологической значимости данных по концентрации загрязняющюших веществ в теле организмов. Однако эти данные будут представлять интерес только в том случае, если изменения величины отклика используемых показателей коррелируют с изменениями на экосистемном уровне, т, е. если изменения физиологических показателей приведут к
изменению экологической слаженности.
Таким образом, при биоиндикации на организменном уровне используются следующие признаки:
1. изменение окраски листьев и тела животных, а также скульптуры поверхности
2. изменение размеров и продуктивности растений и животных;
3. изменение формы роста, экобиоморфных признаков;
4. показатели поведения животных.
5. биоритмические изменения – основными факторами, определяющими цикличность, выступают освещенность, температура, влажность;
3.1 Изменение окраски листьев и тела животных
а) изменение окраски листьев - в большинстве случаев неспецифическая реакция на стрессоры:
- хлороз - бледная окраска листьев между жилками (тяжелые металлы,
соединения хлора,хлор); хлороз вызывается нарушением соотношения в организме Fe и Са. В естественных условиях он может возникать у растений
при нарушениях водного, светового режима, оглеении и заболачивании почв.
Встречаются межжилковый, верхушечный и другие виды хлороза. Степень
повреждения листьев может быть выражена в балльной системе и использоваться как количественная характеристика при анализе и картировании распространения газообразных токсикантов.
- пожелтение листьев или определенных их участков (у лиственных
пород под влиянием хлоридов);
- покраснение листьев - накопление пигмента антоциана под действием
SO2;
- побурение и побронзовение (начальная стадия тяжелых некротических повреждений, под действием О3);
42
- окраска, при которой листья имеют вид пропитанных водой, сходная
с морозными поврежедениями (начальная стадия некрозов, вызванных пероксиацетилнитратом);
б) изменения окраски тела животных. Среди реакций окраски тела на
антропогенное изменение среды, наиболее известной является “индустриальный меланизм” или “меланизм крупных городов”. Под меланизмом подразумевается заметное потемнение первоначально светлых форм.
в) Изменения скульптуры поверхности. Установлена четкая корреляция
между структурой поверхности тела, которая изучается с помощью электронного микроскопа и уровнем загрязнения среды - объектами исследования также являются насекомые.
3.2 Изменение размеров и продуктивности растений и животных
а) изменения размеров органов растений и их положения - чаще всего
неспецифичны, так хвоя укорачивается под действием SO2 и удлиняется под
действием нитратов; аномальная конфигурация листьев отмечается у лиственных деревьев после радиоактивного облучения; в результате локальных
некрозов возникает уродливая деформация, перетягивание, вздувание одельных участков листовой пластинки; искривление побегов; сращение и расщепление отдельных органов; увеличение или уменьшение частей цветка;
б) изменение прироста и плодовитости растений - чаще всего неспецифичны, однако широко применяются для биоиндикации; измеряют в основном радиальный прирост древесных стволов,прирост в длину побегов и листьев, длину корней; уменьшение образования плодовых тел у грибов, продуктивности у черники и елей в районах, загрязненных газообразными выбросами.
в) изменение структуры древесины - снижение качества сосновой древесины в результате незначительного ее образования летом и выпадения годичных колец под действием SO2; одревеснение корней злаков при обработке гербицидами.
Кресс-салат. Рекомендуется для индикации хлоридов и свинцовых солей и загрязнения воздуха выхлопными газами. В качестве показателей используют длину проростков и корешков, число семян.
Липа как индикатор соли, применяемой для таяния льда на улицах. Во
многих европейских странах применяется индикация по изменению окраски
листьев липы: сначала появляются ярко желтые краевые зоны, они продвигаются к середине и к основанию листа.
Измерения прироста хвойных пород, кустарников разнотравья и злаков. Наиболее известным методом является измерение годичных колец у деревьев. Для установление ширины годичного кольца у пробных деревьев отбираются радиальные буровые керны; затем рентгеновским денситометром
определяют плотность древесины, т.е ее качество. Снижение объемного прироста на территориях с сильным загрязнением SO2, засолением почвы или
значительной рекреационной нагрузкой составляет у хвойных около 50%.
43
У кустарников продуктивность определяется измерением годичных побегов, а у разнотравья и злаков - суммы длин листьев.
г) Биометрические параметры – размеры тела и отдельных его частей у
животных. Изменения размера животных можно учесть, используя уравнение
аллометрического роста v=аMb (где v -скорость роста, M - масса тела, a – постоянная b - показатель). .
Для биоиндикации антропогенных стрессоров привлекаются биометрические параметры главным образом различных насекомых - промеры тела:
ширины головы, длины различных члеников, усиков, конечностей. Использование этих биометрических параметров для индикации антропогенных
стрессоров сталкивается с одинаковыми проблемами - даже при статистически значимых отличиях, трудно доказать их связь с градиентом рассматриваемых нагрузок, обусловленных человеческой деятельностью.
3.3 Изменение формы роста и экобиоморфных признаков
Измерения физиологических показателей можно приурочить к какой-то
фазе репродуктивного цикла или к какому-то времени года. Реакция организмов на загрязнение не всегда линейно за висит от действующей концентрации, так как существует пороговый уровень, ниже которого организмы
могут детоксифицировать вещество. Аномальные отклики сигнализируют о
том, что этот порог превышен. При надпороговых значениях концентрации
вещества физиологическая реакция будет соответствовать величине действующего фактора. Если перенести организм в чистую среду, то он снова
окажется способным к детоксикации загрязнения, что, в конечном счете,
приведет к нивелированию отрицательного отклика
Рост.
Рост – один из важнейших параметров, характеризующих состояние
популяции в конкретных условиях окружающей среды. Поскольку снижение
скорости роста животных является неспецифическим откликом на любые
стрессовые воздействия, следует быть очень внимательными при использовании этого показателя и интерпретации получаемых данных. 3амедление
роста может наступить из-за снижения интенсивности питания или увеличения расхода энергии, связанного с дыханием или выделением, под действием
разных экологических факторов – температуры, солености, концентрации 02,
концентрации пищи, ионов металлов, нефти, скорости движения воды и др.
Рост отдельных особей можно измерять прямым методом или косвенно. Непрямой метод, или физиологическая оценка роста является интегральным,
поскольку включает измерение таких физиологических переменных, которые
отдельно и вместе характеризуют состояние особи.
Несмотря на то, что лабораторные и полевые исследования по влиянию
загрязнения на показатели роста в основном выполнены на ракообразных и
двустворчатых моллюсках, a для рыб имеются данные только лабораторных
опытов, этот показатель следует активно использовать в программах мониторинга.
Питание.
44
Для животных характерны разнообразные способ питания травоядность, питание детритом и седиментами фильтрация, некрофагия и хищничество. Процесс питания сложный и включает нетолько непосредственно пищеварение, но и поведенческие компоненты: поиск пищи, выбор и поимку
жертвы, фильтрацию пищи из водного столба, добывание в донных осадках и
др. Изменение скорости питания и образование фекалий служат показателями физиологического состояния в условиях загрязнения. Показатель скорости питание в естественных условиях изменяется в широких пределах. Он
весьма чувствителен даже к небольшим изменениям количества доступной
пищи, что сильно усложняет задачу определения фонового уровня.
Дыхание.
Скорость потребления кислорода. По этому показателю можно судить
о физиологическом состоянии как целого организма, а так и изолированных
тканей.Однако интерпретация данных измерений по потреблению кислорода
затруднена из-за того, что обычно не учитывается влияние других экологических факторов, таких, как соленость, температура, время года и др. Респираторная активность. B программах мониторинга используются три показателя
активности дыхания главным образом у пресноводных рыб: частота кашля,
частота оперкулярного движения и частота сердцебиений. Частота кашля изменяется под действием физических (например, взвешенные твердые частицы) или химических (например, тяжелые металлы) факторовна эпителий
жабр. Измерения частоты оперкулярного движения проводились на многих
видах рыб в присутствии разных загрязнителей изменение обычно связано с
уровнем потребления кислорода, хотя последний может быть сбалансирован
за счет регуляции амплитуды движений. Изменение частоты сердцебиения
также связано с изменениями потребления кислорода, хотя и в этом случае
компенсация может быть достигнута путем изменения глубины дыхания. Из
трех показателей частота кашля,по-видимому, наиболее чувствительный и
удобный для исследователя отклик на широкий круг загрязнений.
Выделение и азотный баланс
Продукты выделения морских животных включают аммиак, мочу, аминокислоты и пурины.
Баланс между поступающими в организм веществами с пищей и их выделением с продуктами жизнедеятельности обычно рассчитывают с помощью уравнения энергетического баланса и показателей роста. В тех случаях,
когда содержание азота в пище лимитировано, потеря азота в выделениях
может свидетельствовать об азотном нарушении баланса. Скорость выделения, превышающая значения нормы, может свидетельствовать о стрессовой
ситуации, вызванной серьезным нарушением питания под влиянием загрязнения. Скорость выделения азота может дать больше информации о состоянии животного, если ее рассматривать наряду с другим физиологическими
показателями. Отношение потребленного кислорода к выделенному азоту
(отношение O/N) является индексом катаболического баланса белка, углеводов и липоидов, там как атомные эквиваленты потребленного кислорода при
45
катабализме и выдeленного азота колеблются. Высокое значение индекса
O/N указывает на преобладание липидного или угле водного катаболизма над
распадом белков. Теоретическое минимальное значение O/N при исключительно белковом катя холизме равно приблизительно 7.
Воспроизводство.
Снижение значений показателей роста может привести к снижению
плодовитости животного, так как на образование гамет расходуется существенная часть запасаемой энергии. Любые наблюдаемые снижения показателей роста, особенно во время созревания гамет, могут быть сигналом резкого снижение репродуктивной способности родительского организма. Эмбриональные и личиночные стадии развития, как правило, наиболее чувствительны к токсикантам по сравнению со взрослыми особями. При изучении
действия загрязняющего вещества на воспроизводство следует иметь в виду,
что часть его может накапливаться в икринках и сохраняться там длительное
время. Контроль за этим накоплением позволяет с некоторой долей вероятности прогнозировать последующие стадии развития организма.
Определение плодовитости и оценка жизнеспособности гамет являются
полезными показателями состояния особей, с помощью которых можно объяснить некоторые экологические нарушения.
Состав крови.
При оценке состояния рыб и их откликов на изменение окружающей
среды в последние годы стали чаще использовать гематологические методы.
Исследования крови беспозвоночных в связи с влиянием фактора окружающей среды немногочисленны.
3.4 Показатели поведения животных
Первый этап на пути использования показателей поведения в программах мониторинга морской среды заключается в разработке качественных и
количественных критериев оценки изменения поведения при действии антропогенных факторов. Различают три подхода для оценки поведенческих
реакций. Первый подход предполагает наблюдение за поведением животных,
обитающих в естественных условиях. Второй - предусматривает перенос животных из лабораторных условий или контролируемых акваторий на какое-то
время в естественные условия. Третий подход заключается в переносе воды и
донных осадков из естественных условий в аквариумы, в которые помещают
тест организмы. Окончательное решение вопроса о включении показателей
поведения в программы мониторинга принимают после оценки их экологической значимости и связи с уровнем накопления в окружающей среде и контролируемых организмах.
Выбор организма или групп организмов - первый, необходимый шаг
при разработке программ биологического мониторинга - основывается,
прежде всего, на экосистеме, которая подвергается антропогенному воздействию, Выбранный для мониторинга организм должен при появлении загрязнения своим поведением сигнализировать об изменившихся условиях. Чем
чувствительнее поведенческие отклики к появлению химических вещeств и
46
чем теснее они связаны с целостными свойствами экосистем, тем эффективнее использование выбранных организмов. Поведенческий отклик y любого
вида формируется под влиянием разнообразных стимyлов. Но все они,так
или иначе, связаны с общей стратегией поведения вида, направленной на
выжигание. У морских организмов структура поведенческих реакций может
видоизменяться в ходе индивидуального развития. Поэтому конкретная программа мониторинга должна учитывать этологическое особенности разных
стадий развития организма, a также изменения этик показателей под влиянием сезонных, суточных и многолетних циклов. Однако если по каким-либо
причинам этот поведенческий инстинкт нарушить, это приведет к снижению
численности популяции из-за их потребления хищниками или гибели в холодной воде.
Для обнаружения изменений качества морской среды в определенной
акватории выбирают контрольную станцию, в которой диапазон изменчивости модели поведения соответствует норме.
Отклонения от нормы в поведении у животных, обитающих в районе
загрязнения, свидетельствуют об изменении качества морской среды. Значительные изменения структуры всего сообщества сопровождаются, как правило, выпадением из сообщества одного или нескольких видов. Изменение модели поведения может вызвать также нарушение трофических связен.
Haпpимep, необратимые нарушения хеморесценции или локомоции постепенно приведут к резким изменениям трофических отношений. Изменение
привычного поведения хищника тут же отражается на изменении показателей популяции жертвы при условии, если жертва менее чувствительна к загрязнению, чем хищник. Если модель поведения изменяется под действием
токсиканта, то это заведомо приводит,к изменению выживаемости вида, a в
случае, если это доминантный вид, - ас существенным структурным изменениям в сообществе.
Выживаемость организмов в морской среде обеспечивается за счет
комплекса сложных поведенческих реакций, которые сформировались в ходе
длительной эволюции организмов. Чувствительность и адаптация к изменениям в окружающей среде, способы захвата пищи, избежание хищников и
воспроизводство неразрывно связаны с условиями окружающей среды. Поэтому, например, сенсорную чувствительность и связанные с ней другие разновидности поведенческих реакций можно использовать для оценки действия загрязнения, если они связаны c выживаемостью организма. Любое регистрируемое изменение сенсорной чувствительности или модели поведения,связанной с ней, будет показателем степени воздействия загрязняющиx
веществ.
Морские организмы реагируют на присутствие в воде естественных и
искусственных веществ и очень небольших концентрациях. Более сложные
поведенческие реакции, такие, как поиск пищи или спаривание, меньше пригодны для программ мониторинга. Их использование оправдано только в том
случае, если биология тест организма и особенно его поведенческая реакция
47
достаточно хорошо изучены. Таким образом, причиной изменения в поведении животных под действием загрязняющих веществ могут быть как изменение чувствительности хеморецепторов, Так и общее изменение их ответной
реакции. Для того чтобы установить причины изменения поведенческой реакции, необходимо проводить нейрофизиологический контроль состояния
хеморецепторов.
Контрольные вопросы:
1. Критерии отбора биоиндикационных показателей тканевого и организменного уровня.
2. Показательные признаки поврежедения на ткневом уровне, примеры.
3. Характеристика и типы некрозов у растений.
4. Характеристика стандарнтных тест-растений для биоиндикации на
тканевом уровне.
5. Показательные патологические проявления неблагоприятного внешнего воздействия у
животных как биоиндикацилонные показатели, примеры.
6. Показательные повреждения организменного уровня у растений,
примеры.
7. Изменение окраски листьев у растений и тела у животных как биоиндикационные показатели, примеры.
8. Изменение размеров и продуктивности растений и животных как
биоиндикационные признаки.
9. экобиоморфные признаки как биоиндикационные покажзатели, примеры.
48
Лекция 4
Биоиндикация на высших иерархических уровнях: популяция,
экосистема, биоценоз
План
1. Популяционный уровень
Отбор показательных видов
Показатели популяционного уровня
Воздействие антропогенных стрессоров на динамику растительных
популяций
Воздействие антропогенных стрессоров на характер распространения растений
2. Экосистемный уровень
Показательные признаки экосистемного уровня
Метод комплексной биоиндикации
1. Популяционный уровень
1.1 Отбор показательных видов
1 вопрос лекции. Отбор показательных видов
Для отбора видов необходимы подробные данные о биоте изучаемого
района. Объектом наблюдения может быть любая группа организмов: от
микрофлоры до мегафауны. B тех случаях, когда предусмотрено использование относительно малоизученных видов, обязательно исследование их физиологии. При отборе видов следует учитывать их пространственное распределение. Ограниченная доступность может вызвать необходимость многократного отбора проб, a это в свою очередь вынуждает разрабатывать соответствующие требования в отношении объема выборки и частоты их взятая.
Предпочтение следует отдавать видам, чувствительным к потенциальным загрязнениям, даже если они имеют ограниченное экологическое и промысловое значение.
Трудности отбора проб, связаны с особенностями поведения организмов в зависимости от сезона, возраста и миграций. При разработке программ
биоиндикации следует брать широко распространенные в изучаемом районе
виды. Это позволяет увеличить число наблюдаемых станций и изучаемых
популяций, доступных для исследования. Отбор относительно равномерно
заселенных мест обитания выбранного вида является необходимой частью
последующих шагов, связанных с разработкой методов отбора проб. Эти меры позволяют уменьшить влияние естественной измен-чивости - эту вечную
проблему отбора проб в биологии. При отборе видов для биоиндикации следует отдавать предпочтение видам, представляющим различные трофические
уровни.
1.2 Показатели популяционного уровня
49
Использование показателей популяционного уровня зависит от выбранных видов.
а) Ростовые показатели. Данные об абсолютной или относительной
скорости роста можнополучить, изучая структуру популяции или видов известного возраста. Поскольку маркировку организмов проводить очень трудно, лучше всего использовать такие виды, у которых образуются ежегодные
метки.
б) Изменение плодовитости особей, входящих в популяцию, может
свидетельствовать о нарушении репродуктивного процесса. Этот показатель
целесообразно использовать для видов, которые откладывают относительно
небольшое число яиц.
в) Распределение и обилие видов. Распределение и обилие являются
особо ценными показателям состояния популяции оседлых видов, особенно
при изучении градиента загрязнения. Однако показатель обилия для подвижных форм обладает большой изменчивостью и низкой разрешающей способностью, поэтому его ценность для биоиндикации сравнительно невелика.
г) Структура популяции. Для оценки этого показателя можно использовать методы определения возрастных групп. Максимальная чувствительность структурного показателя популяции достигается при наблюдении за
изменениями динамики популяции.
д) Биомасса - это структурный показатель, определение которого не
представляет больших трудностей. В травянистых сообществах удобнее и
проще всего проводить учет биомассы в период максимального развития
травостоя. Одним из наиболее распространенных методов является метод
укосов. Для этого на пробной площади размером 20х25 м размещают 20
площадок 0,25х0,25м, 0,5х0,5 м или 1х1м. Выбор оптимального размера
площадок определяется общими запасами и богатством травостоя.
е) Обилие. Величина обилия меняется в больших пределах, чем биомасса, если она рассматривается для определенных размерных классов. Суммарное значение обилия, по-видимому,менее изменчиво, чем обилие отдельных популяций.
ж) Видовое разнообразие. Число видов в данном таксоцене обычно
сильно зависят от числа и размера взятой пробы. Измерение разнообразия
основано на суммарном числе видов и особей и относительном обилии особей данного вида.
з) Число высших таксонов. Простым методом биоиндикации может
быть регистрация числа особей c определением их до рода, семейства или
порядка. Например, обнаружено постепенное снижение числа таксономических групп мейофауны в направлении от открытого моря к загрязненным
прибрежным зонам Южной бухты северного моря: на некоторых станциях
оказалась всего одна группа (нематоды) или две (нематоды и копеподы) по
сравнению c десятью группами на незагрязненных станциях прибрежных
вод. Эти группы мейофауны легко определяются, и их число может служить
в качестве полезного показателя для мониторинга антропогенных изменений.
50
и) Трофическая структура
Трофическое положение 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.
к) 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.
1.3. Воздействие на динамику растительных популяций
Антропогенные стрессоры могут влиять на все признаки растительных
популяций. Наиболее чувствительно реагирует продуктивность. Она может
многократно возрасти в результате ослабления конкурирующих видов. Изменяются также рождаемость и смертность, а в результате плотность популяции (число особей/площадь). Популяции с малой численностью особей
находятся под особенно большой угрозой. В ответ на антропогенное нарушение происходит расширение или сокращение ареала популяции. В крайнем
случае это может привести к исчезновению популяции и к вымиранию вида.
Очень важен для биоиндикации отбор устойчивых экотипов к действию антропогенных стрессоров. Экотип - совокупность особей любого вида организмов, приспособленная к условиям местообитания и обладающая
наследственными признаками, обусловленными экологически. В природе
разнообразие экотипов служит основой для поддержания одинаковой продуктивности популяции при переменных условиях обитания. При этом популяции многих видов содержат экотипы с высокой толерантностью к определенным антропогенным стрессорам. Биоиндикационное значение имеет тот
факт, что нередко в поразительно короткие сроки (один или несколько вегетационных периодов) происходит вытеснение чувствительных и распространение устойчивых экотипов. Например, известны случаи отбора экотипов,
устойчивых к тяжелым металлам, солям и сернистому газу. При сравнении
береговой и растущей в отдалении от берегов популяции Agrostis stolonifera
первая оказалась значительно солеустойчивей. Мак-самосейка обладает значительной устойчивостью к гербицидам - он активно проникает в массивы
зерновых, где раньше встречался только по окрайкам полей.
1.4 Воздействие антропогенных стрессоров на характер распространения растений
Изменение ареалов растений. Возросшая нагрузка на ландшафт (земледелие, выпас, инустриализация) вызвала во многих странах резкое сокращение лесных площадей, ареалов древесных пород и видов нижнего лесного
яруса. Безлесные и слабооблесенные ландшафты благоприятствуют вселению (иммиграции) многочисленных однолетних и многолетних растений.
51
Изменение местообитаний дало возможность многим видам продвинуться из своих исходных областей распространения на открытые, характеризующиеся теплым летом. Поэтому окультуренные ландшафты характеризуются медленным нарастанием числа адвентивных видов. Адвентивные или
дополнительные виды - это виды, растущие в нетипичных местах.
Обеднение флоры. Ускоряется в результате устранения некоторых особых местообитаний полевых меж и тропинок, откосов, природных каменных
стенок, переувлажененных участков, перелесков, суходольных лугов.
Причины уменьшения числа видов дикорастущих растений:
* устранение особых местообитаний - 200 видов
* осушение - 180 видов
* землепользование - 180 видов
* чрезмерная обработка почвы - 160 видов
* разработка, выемка почвы - 120 видов
* механические воздействия:
вытаптывание, стоянки - 100 видов
– применение гербицидов - 90 видов
– прополка, корчевание, выжигание - 80 видов
– застаивание вод - 70 видов
– сбор - 70 видов
– загрязнение водоемов - 30 видов
– урбанизация деревень - 20 видов
Ареалы растительных видов сильно изменяются под действием антропогенного стресса.
Это выражается в сокращении или расширении ареала различных растений.
Например, распространение накипного лишайника - относительно дымоустойчивого вида - позволяет оценить интенсивность многолетнего загрязнения воздуха данной территории.
2. Экосистемный уровень
2.1 Показательные признаки экосистемного уровня
Негативное воздействие анторопогенных факторов на природные экосистемы проявляется в изменении их видового состава. Обладая определенной устойчивостью к негативным воздействиям, виды формируют сообщества, отличающиеся биоразнообразием, которое может быть использовано
для биоиндикационных целей. Показательными признаками являются:
1) видовой состав, видовое разнообразие;
2) характер распространения вида; динамика ареала, в том числе расширение ареалов синантропных видов;
3) популяционный анализ (продуктивность, плотность, динамика ареала, возрастная структура, смертность, внутривидовая дифференцировка, отбор устойчивых экотипов).
2.2 Метод комплексной биоиндикации
52
Оценка воздействия загрязняющих веществ на экосистемном уровне
сводится к использованию данных, полученых для уровней популяции или
сообществ, из которых оно состоит. 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.
Для оценки состояния окружающей среды используется метод комплексной биоиндикации.Он заключается в комбинации фито-и зооиндикаторов на разных системных уровнях.
Преимуществом этого метода является:
- возможность оценить состояние экосистемы как результат взаимодействия природных элементов экосистем и антропогенного воздействия,
- выявить степень устойчивости и реакцию экосистем на воздействие
человека;
- использование биоиндикаторов, а именно их физиологических индикационных признаков, позволяет определить изменения в экосистемах на
очень ранних стадиях, когда они еще не проявляются морфологическими и
структурными изменениями и их нельзя выявить другими методами;
- возможность предвидеть нарушения экосистем и вовремя принимать
меры, чтобы защитить экосистему от ущерба и тем самым не допустить
больших народнохозяйственных потерь.
Методика имеет несколько последовательных этапов, на которых
используются разные методы (рисунок).
Во-первых:
выявление
структуры
территории
по
физикогеографическим и экономико-географическим факторам, выявление антропогенного воздействия и на основе этого - определение однородных географических единиц.
Во-вторых: определение сети ключевых участков и их характеристик.
Для равных типов экосистем необходимо иметь несколько однотипных ключевых участков, которые отличаются лишь степенью антропогенного воздействия.
Рисунок - Логическая схема исследований по методу комплексной
биоиндикации
В - третьих: выбор индикаторов и биоиндикационные исследования
выбранных индикаторов, проводятся в течение трех лет три раза в год - весной, летом и осенью, чтобы выявить не только состояние индикаторов, но и
динамику их изменений.
В-четвертых: сбор дополнительной информации о состоянии почвы,
воды и хозяйственной деятельности человека.
53
В-пятых: оценка состояния окружающей среды, которое имеет два
этатпа:
1) выявление основных количественных соотношений между состоянием индикаторов исостоянием экосистем; построение оценочных шкал;
2) экстраполяция состояний экосистем на более крупные однородные
географические единицы. Построение карты состояния окружающей среды.
Биоиндикационные наблюдения ведутся на двух системных уровнях - популяции и индивида. Для каждого уровня разработаны критерии для выбора
индикаторов и индикационных признаков, которые сведены в таблицу.
Степень изменения экосистем отражается экологическими индексами этих родов.
Биомасса сообществ оказалась лучшей характеристикой по сравнению
с численностью, так как иногда освобожденную экологическую нишу после
выпадения крупных малочисленных видов жуков занимают мелкие многочисленные виды.
На уровне индивидуума выбирают индикационные признаки по следующим критериям: тесная связь со значимыми для жизни реакциями организма; способность отражать постепенные изменения состояния организма, причем в ранних стадиях, пока они не проявляются в патологическом состоянии
организма; способность отражать разную силу и качество фактора, возбуждающего изменения, вернуться в первоначальное состояние в связи с адаптацией организма к фактору или с исчезновением фактора; стандартный и простой способ отбора проб и их сохранения, стандартные и простые методы
анализа.
Последние два критерия особенно важны при физиологических наблюдениях, так как большинство из них нуждаются в соблюдении точных экспериментальных условий.
На уровне индивида мы выбрали фито- и зооиндикаторы и следующие индикационные признаки.
Основной критерий, по которому определяется состояние фитоиндикатора - уровень фотосинтеза. Фотосинтез определяет жизнеспособность растений, их урожайность и хорошо отражает все изменения среды обитания. Но
его уровень очень трудно измерить непосредственно, поэтому используются
косвенные индикационные признаки - сухая биомасса, количество растворимых белков, активность фермента пероксидаза. Чем сильнее меняется состояние экосистемы в нежелательном направлении, тем меньше становится фотосинтез. В зеленых наземных частях растений уменьшается их сухая биомасса, концентрация растворимых белков и активность фотосинтетических
ферментов.
Зооиндикаторы: грызуны родов Microtus и Apodemus. Эти два рода часто встречаются на изучаемой территории и их экологические особенности
хорошо изучены. Индикационные признаки - масса организма, масса его органов (печени, почек), содержание тяжелых металлов в органах и шерсти, активность фермента церулопласмина.
54
Церулопласмин является одним из стрессовых ферментов. Это фермент
крови, который содержит в своей молекуле ионы Cu (он голубой) и четко отражает состояние организма, повышая свою активность при раке, воспалениях и других патологических состояниях. Мы показали, что он также четко
отражает и воздействие факторов среды обитания, например, при введении в
организм тяжелых металлов и при иммобилизации животного. Это повышение соответствует силе воздействия - концентрации металла.
Состояние экосистем мы определяли сопоставлением состояния индикаторов – отклонением их индикационных признаков от фонового (оптимального) состояния. Для построения оценочных шкал целесообразно выражать отклонение не в абсолютных величинах, а в процентах, где за 100% берется величина фонового состояния. При оценке нельзя упускать из виду, в
какую сторону идет отклонение от фона в экологическом и физиологическом
смысле. В экстремальных случаях наблюдаемся отклонение и в положительную сторону. В конечном итоге получается набор величин, количество и величина отклонений которых отражает состояние экосистемы. Чем больше
отличие от фона и чем выше отклонение, тем «хуже» состояние экосистем. В
зависимости от распределения отклонений по уровням индикаторов (популяций и индивидов) можно судить о степени и характере изменеиий состояния
экосистем (рисунок).
Рисунок - Модель оценочной шкалы
Резкое отклонение физиологических индикационных признаков и почти фоновое значение экологических свидетельствуют о ранних стадиях
нарушения экосистем. На стадии структурного нарушения экосистем экологические и физиологические признаки достигают почти одинаковых отклонений и они пропорциональны. О функциональном нарушении экосистем
свидетельствует превышение отклонений экологических признаков над физиологическими. На этом этапе физиологические признаки уже не меняются,
более качественная оценка получается за счет экологических признаков.
Система оптимально подобранных биотестов позволяет получить
наиболее адекватную информацию о степени опасности различного типа
техногенных загрязнителей.
На первом этапе на основании фондового и катрографического материала создается карта в масштабе, соответствующем задачам мониторинга.
Проводится ландшафтное, геоботаническое и почвенное картирование района с выделением коренных стабильных биоценозов, деградирующих в результате интенсивной антропогенной деятельности, и биоценозов, находящихся на разных стадиях восстановительной сукцессии.Следующий этап –
выделение видов индикаторов, изменение в реакциях которых на поведенческом или аналогичном уровне очевидно и интенсивность которого может
быть определена достаточно быстро с помощью экспресс-методов: билатеральная асимметрия, ловчие сети пауков-крестовиков, тератогенез растений,
видовое разнообразие птиц, животных и т.д. В зависимости от результатов
предварительных исследований планируется необходимое количество биоте55
стов, позволяющих получить систему динамических показателей, характеризующих состояние основных сред биоценозов: воздушную, наземную, почвенную и водную. Независимо от природы антропогенных факторов биотесты качества окружающей среды должны оценивать устойчивость биоценозов, популяций, видовое разнообразие, интенсивность размножения и динамику ростовых процессов.Для оценки степени канцерогенности воздействующих факторов можно использовать частоту встречаемости онкологических
заболеваний у различных групп животных и в зависимости от особенностей
их обитания провести дополнительные исследования.
Рассмотрим последовательность проведения процесса моделирования по
биомониторингу природной среды. В зависимости от цели мониторинга, типов загрязнения природной среды, финансовых затрат и научного потенциала
коллектива определяется размер обследуемой территории. На основании
ландшафтных карт и геоботанической информации определяются типы биоценозов. Проводится ранжирование биоценозов по степени их антропогенной
нарушенности в рамках концепции регрессионной или восстановительной
сукцессии. Выявляются доминантные, эдификаторные и исчезающие виды
растений и животных. Определяется необходимый и по возможности достаточный комплекс биотестов, позволяющий оценить состояние атмосферы,
гидросферы и литосферы исследуемого района в зависимости от типа антропогенных загрязнений и возможности рекультивационных мероприятий.
Определяются виды – указатели и индикаторы степени антропогенных загрязнений, с последующим определением дозы (зависимой кривой) в экспериментальных условиях. Определяется временная последовательность при
использовании биотестов (сутки, месяц, год...). Определяется площадь элементарной анализируемой пространственной ячейки.Пространственное размещение биотестов с учетом размерности каждого биотеста и площади элементарной пространственной ячейки, с целью компактного заполнения информацией всей последовательности анализируемого пространства. Производится разделение мониторингового района по выбранной системе элементарных пространственных ячеек и заполнение их информацией биотестов.
Для токсикантов, способных накапливаться в трофических цепях биоценозов: радионуклеиды, тяжелые металлы и т.д., определяются коэффициенты
накопления в каждом трофическом уровне в зависимости от типа биоценоза.
Оцениваются коэффициенты миграции токсикантов при биологическом переносе веществ основными группами животных. Определяются коэффициенты битрансформации загрязняющих веществ, обусловливающих повышение
их токсичности в результате биохимических реакций при миграции в трофических цепях (ртуть - метилртуть).Осуществляется предварительная обработка получаемых результатов с представлением их в виде безразмерных
единиц и экспертной оценкой специалистов: количественной в единой системе баллов, качественной: хорошо, плохо, удовлетворительно. Проводится
статистическая обработка пространственно временной структуры данных
биотестов с целью текущей оценки ситуации. Разрабатываются различного
56
типа прогностические модели на основании полученной информации с целью вероятностного прогноза последующего развития экологической ситуации. Экспериментальные исследования: лабораторные и полевые с целью
выяснения зависимости доза-биологическая реакция для отдельных антропогенных факторов при их комплексном воздействии, характерном для данной
местности, например: тяжелые металлы, бифенолы, электромагнитные поля,
радиация.Экспериментальные исследования проводятся дифференцированно
для биосистем различного уровня организации: микроорганизмов, растений,
беспозвоночных, рыб, амфибий, пресмыкающихся, птиц, млекопитающих и
человека. В качестве объектов исследования используются, как правило, потенциальные виды-индикаторы.Первый уровень чувствительности биообъектов к влиянию техногенных факторов проводится на рефлекторном или поведенческом уровне.
Среди растений хорошим объектом исследования является, например,
мимоза, которая сокращает поверхность листовой пластинки при действии
неблагопритных факторов. Среди беспозвоночных – пауки-кругопряды, дождевые черви, которых можно вместе с почвой помещать между двумя стеклами, где они живут и перемещаются по своим ходам. При добавлении расчетной концентрации загрязняющих почву веществ происходит изменение их
двигательной реакции, которую можно наблюдать визуально. Отличным
объектом также являются аквариумные и речные рыбы и моллюски. Для
млекопитающих разработано достаточно большое количество поведенческих
лабораторных методик, позволяющих наблюдать за изменениями в их поведении при воздействии раздражающих факторов.
Вторая, наиболее чувствительная группа тестов – эмбриотропные тесты, с помощью которых возможно оценить степень влияния токсикантов на
эмбриональное развитие – самый чувствительный период индивидуального
развития организма. Для растений – всхожесть семян, для беспозвоночных –
личиночные стадии онтогенеза, для рыб и амфибий – развитие икры, рептилии и птицы – период до выклевывания из яйца, млекопитающие – период
беременности. При этом учитывается количество появившихся потомков по
отношению к числу зародышей, типы аномалий развития и число особей,
доживших до половозрелого возраста, пол, вес и размеры.
В связи с тем, что современные техногенные факторы в последние 40 лет
приобрели хронический характер, необходимо проводить специальные
исследования по хроническому влиянию загрязнителей в течении 70-80%
периода онтогенеза живых организмов. Начиная с рождения, подобные
биообъекты должны в экспериментальных условиях и при наличии
параллельного контроля подвергаться постоянному хроническому влиянию
исследуемого фактора, или совокупности доминирующих загрязнителей до
старения, либо до гибели 50% подопытных объектов.
Только при хроническом влиянии факторов возможно получение достаточно
полной информации с учетом критических периодов постнатального
онтогенеза, в которых устойчивость организма может снижаться в несколько
57
раз.В качестве тест-реакций необходимо использовать основные
биохимические и физиологические показатели, видоспецифичные для
каждой группы биосистем.Последующий этап включает в себя изучение
изучение отрицательного влияния антропогенных факторов в ряду
поколений животных. При хроническом действии факторов скрещиваются
потомства в течении 10-20 поколений. Отмечают отход животных в разных
возрастных группах, уродства, типы патологий и проводят генетический
контроль в соматических и половых клетках животных.Как показали
исследования по влиянию слабых доз радиации, наиболее выраженные
отрицательные последствия в популяции лабораторных мышей наблюдались
в первом, третьем, седьмом и двенадцатом поколении животных.Следует
также отметить, что, наряду с лабораторными экспериментальными
исследованиями,достаточно
часто
используются
эксперименты
в
естественных условиях.Индикаторные биообъекты помещают в загрязненные
природные условия с известными количественными характеристиками
воздействующих факторов и с определенной периодичностью фиксируют
необходимый комплекс реакций, который сравнивается с показателями
контрольной группы.После анализа всей совокупности экспериментальных
данных и наблюдений в природе выбирается группа биоиндикаторов,
которая рекомендуется для использования в системе того или иного типа
мониторинга.Таким образом, научно обоснованный экологический
мониторинг позволяет в динамике прослеживать степень антропогенного
влияния на природную среду. Динамические ряды наблюдения по
опробированной системе биотестов позволяют прогнозировать состояние
исследуемых экосистем, разрабатывать оптимальные природоохранные
мероприятия и обосновывать необходимые экологические санкции.При
отборе видов следует учитывать их пространственное распределение, т.к. те
виды, которые имеют небольшую плотность, менее удобны для мониторинга.
Идеальными для моделирования на популяционном уровне являются
чувствительные, ключевые виды. Подвижность ключевого вида должны быть
невысокой, чтобы иммиграция и эммиграция не влияли на конечный
результат. Предпочтительны виды, ведущие оседлый образ жизни.
У высших животных, включая человека, при всем разнообразии индивидуальных адаптаций развитие её характеризуется общими закономерностями. Выделяются 2 этапа:
1. Первоначальная – несовершенная адаптация.
2. Долговременная совершенная адаптация.
Для обеспечения дополнительных энергетических затрат организма в
процессе эволюции сформировался специальный физиологический механизм, названный общим адаптационным синдромом (ОАС).Независимо от
типа влияния естественного или антропогенного фактора при условии превышения его физиологического уровня в организме, развивается ОАС.
Например: появление и развитие злокачественных заболеваний используется моделирование в качестве биотеста, указывающего на полное несоот58
ветствие окружающей среды адаптационным возможностям организма. В качестве примера рассмотрим ситуацию с судаком, запущенным в 1963 – 1964
гг в качестве промысловой рыбы в озеро Балхаш, на берегу которого находился один из крупнейших в бывшем СССР горно–металлургических комбинатов, сливавший все свои неочищенные отходы в озеро. Выпущенный судак
интенсивно размножился. Являясь хищником, активно стал накапливать канцерогенные вещества. В 1969 году наблюдалось массовое поражение рыбы
злокачественными образованиями. В дальнейшем наблюдалась массовая гибель рыбы.Различные органы по-разному накапливают радионуклиды, тяжелые металлы и токсические соединения: стронций и цезий активно накапливаются в костях животных, в печени и в почках содержание радионуклидов
превышает их содержание в мышцах в 1000 раз. Метил -ртутные соединения
вызывают нейротоксические эффекты.
Комбинацией разных фито- и эооиндикаторов на двух системных
уровнях можно оценить постепенные и очень мелкие изменения в состоянии
экосистем. И при четком наборе характерных для изучаемой территории
ключевых участков можно оценить и более крупные географические единицы и составить карту состояния окружающей среды. На основе карты и оценочных шкал можно в будущем очень быстро оценить состояние любой экосистемы соответствующего типа данного региона или при наличии фоновых
экосистем и других регионов и дать рекомендации обоптимальной хозяйственной деятельности на данной территории.
Контрольные вопросы
1. Отбор показательых видов на популяционном уровне биоиндикации
2. Показатели популяционного уровня биоиндикации.
3. Воздействие антропогенных стрессоров на динамику растительных
популяций
4. Воздействие антропогенных стрессоров на характер распространения
растений
5. Показательные признаки экосистемного уровня
6. Метод комплексной биоиндикации, его этапы и преимущества
7. Экологические индексы, используемые в методе комплексной индикации (индекс Шеннона, идекс домиантности, индекс сходства)
8. Модель оценочной шкалы при использовании метода комплексной
индикации
Лекция 5
Методы биоиндикационных исследований
План
1. Фитоиндикационные методы
1.1 Дендроиндикация
1.2 Лихеноиндикация
2. Методы биотестирования
59
1. Фитоидикационные методы экологического состояния природной среды
Индикаторные возможности растений издавна используются в решении
прикладных задач. С увеличением антропогенной нагрузки на экосистемы
расширяется область применения фитоиндикационного метода. Растительный покров чутко реагирует на изменение природных факторов окружающей
среды и антропогенное влияние. Широко используются различные параметры развития живых организмов от молекулярного до ландшафтного уровня.
Изучаются биохимические, физиологические, анатомо-морфологические изменения, популяционные и видовые особенности растений, флористический
состав и структура сообществ, границы и пространственное распределение
фитоценозов. Наиболее существенными на клеточно-организменном уровне
являются изменение проницаемости мембран, активности ферментов, разрушение белка, нарушение фотосинтетической деятельности, минерального,
липидного и углеводного обменов и др.
Предложены показатели состояния растительного покрова для выявления чрезвычайной экологической ситуации, экологического бедствия или относительно удовлетворительной обстановки (таблица).
Таблица - Состояние растительности как индикатора экологического состояния территории
Существуют различные классификации биоиндикационных показателей, на основании их обобщения принята следующая иерархическая система
признаков (таблица).
Таблица - Классификация фитоидикационных признаков
К числу наиболее распространенных методов оценки состояния окружающей среды по различным параметрам индикаторных видов, а также по
структуре и строению растительных сообществ относятся:
— анализ химического состава растений для оценки взаимосвязи химического состава живой и неживой природы, трансформации химических
элементов по звеньям пищевой цепи и др.;
—морфологический метод - изучение внешнего облика растений и его
изменений под действием внешних факторов;
— флористический метод - исследование особенностей видового состава, индикаторных видов, характера распространения и динамики ареала,
популяционный анализ и др.;
— спектрофотометрический - исследование спектрального отклика
растений и растительности на загрязнение окружающей среды;
— фитоценотический - состоящий из ряда методик изучения состава,
вертикальной и горизонтальной структуры и строения растительных сообществ: анализ видового разнообразия,
обилия и проективного покрытия показательных групп видов, анализ
продуктивности, анализ жизненного состояния ярусов и др.;
— лихеноиндикация — изучение и анализ лишайникового покрова растительных сообществ;
60
— бриоиндикационный метод - изучение и анализ мохового покрова;
—дендроиндикация - изучение и анализ древесной растительности.
Дендроиндикация
Дендроиндикация - это метод биоиндикации, позволяющий на основе
анализа характеристик древесного яруса и полога подроста (радиальный и
линейный прирост, продолжительность жизни хвои, наличие некроза и хлороза, жизненное состояние древостоя и т. д.) судить о состоянии природной
среды. Древесные растения наиболее часто выбираются для биоиндикационных исследований в силу их высокой индикаторной значимости.
Ведущая роль в биоиндикации состояния окружающей среды принадлежит древесным растениям. Они способны поглощать и нейтрализовать
часть атмосферных поллютантов, задерживать пылевые частицы, а также индицировать особенности загрязнения посредством разнообразия ответных
реакций. Реакция древесных пород на загрязнение окружающей среды существенно различается. Установлено, что, чем больше рекреационное воздействие или техногенная нагрузка на лесные экосистемы, тем разнообразнее
моховой покров. Для чистых территорий характерны 4-5 видов мхов.
Существует бриоиндикационная методика Е. Н. Андреевой (1990), основанная на индикационных возможностях бриоценоморф. Под бриоценоморфой понимается экологически связанный между собой комплекс видов
мхов, образующих систему, в которой целостные множества особей выступают как пространственно-ценотическая единица мохового покрова. При выделении бриоценоморф на первое место выступают внутренние связи, которые возникают между особями (одного или разных видов) (в результате их
совместного роста, что и определяет внешний вид дерновинки. Характерным
признаком незагрязненных таежных лесов является развитие бриоценоморфы
Pleurozium schreberi + Hylocomium splendens. Например c2Н, нарушения, вызванные рекреационной нагрузкой, фиксируются структурными изменениями
в моховом ярусе: он не образует сплошного покрова, сильно разрежен и отличается увеличением видового состава бриоценоморф при сокращении занимаемых площадей. Е. Н. Андреевой был сделан вывод, что при изменении
условий природной среды происходит приспособление к новым условиям не
отдельных видов, а бриоценоморф, которые фиксируют степень повреждения
мохового покрова, но не указывают на причины, его вызывающие.
Лихеноиндикация.
Биологические реакции на антропогенное воздействие отчетливо прослеживаются при исследовании лишайников. Практическое значение этой
группы организмов определяется высокой чувствительностью к изменению
химического состава атмосферного воздуха. Они отвечают основным требованиям, предъявляемым к индикаторным видам. Прежде всего, лишайники
распространены по всей поверхности суши, хотя и неравномерно. Они играют доминирующую роль во многих экосистемах полярных и жарких пустынь, высокогорий. Напочвенные и эпифитные лишайники являются важ61
ным компонентом лесных сообществ. Они часто образуют большую биомассу и играют существенную роль в круговороте веществ в биогеоценозах.
Отсутствие кутикулярного слоя обеспечивает свободное поглощение
воды и химических соединений в организм лишайника практически всей поверхностью. Среди лишайников имеются чувствительные виды, исчезающие
уже при небольшом загрязнении. В то же время есть виды со средней и относительно высокой устойчивостью к загрязнению. Устойчивые к антропогенным воздействиям лишайники накапливают в своих слоевищах различные
химические элементы, что указывает на загрязнение среды этими элементами. По сравнению с высшими растениями лишайники концентрируют в 5 раз
больше Fe, в 2-3 раза больше Pb, Cd, Hg и других химических соединений.
Кроме того, лишайники являются достаточно хорошо изученным таксоном низших растений, хотя многие из них трудны для определения в полевых условиях. Лишайники издавна используются в мониториговых исследованиях экологического состояния городов и антропогенно нарушенных территорий. Определены основные факторы, определяющие зависимость развития лишайникового покрова от условий местообитания. К ним относятся:
расположение на стволе, угол наклона, высота над землей и экспозиция; возраст дерева (так как по мере его роста происходит увеличение поверхности
ствола и времени для заселения его лишайниками) и условия увлажнения.
Чаще всего метод лихеноиндикации применяется для оценки уровня аэротехногенного загрязнения. Под воздействием поллютантов у лишайников отмечается ряд изменений на разных уровнях.
На биохимическом и физиологическом уровне происходит торможение
фотосинтеза, подавление интенсивности дыхания, уменьшение жизнеспособности диаспор лишайника и др.
У лишайников практически отсутствуют механизмы регуляции процессов обмена с окружающей средой, так что они беспрепятственно поглощают
различные химические вещества из атмосферного воздуха. Специфичным
при этом является накопление поллютантов в организме, указывающее на качественный состав загрязнений и интенсивность антропогенной нагрузки. Их
содержание в талломе зависит от времени воздействия, от концентрации
поллютантов в атмосферном воздухе, от удаленности от источника эмиссии,
от степени увлажненности таллома и т. д.
Морфологические изменения выражаются в модификации характера
поверхности таллома и типичной окраски. При этом значительно уменьшаются размеры слоевищ, отмечаются пролификация апотециев и некроз талломов.
Разработана шкала жизненности лишайников, основанная на оценке
степени развитости слоевища и способности к репродуктивным процессам:
fl - фертильное, пышно развитое слоевище;
f2 - фертильное, нормально (средне) развитое слоевище;
f3 - фертильное, недоразвитое слоевище;
s4 - стерильное, пышно развитое слоевище;
62
s5 - стерильное, нормально развитое слоевище;
s6 - стерильное, недоразвитое слоевище.
Простым и часто используемым параметром, применяемым для оценки
чистоты атмосферного воздуха, является проективное покрытие индикаторных видов. Загрязнение воздуха приводит к снижению проективного покрытия и в конечном счете к образованию так называемой лишайниковой пустыни.
Используются такие показатели, как:
- показатель обилия-плотности - в соответствии с предложенной методикой пробная площадь разбивается на квадраты, на которых по 5-балльной
шкале определяются обилие и плотность лишайников. Для каждого вида рассчитывается показатель обилия-плотности:
N
LD
LD j j
видовj
å( )10
=,
где L - число относительного обилия, D - относительная плотность, N число квадратов.
—индекс чистоты атмосферы , вычисляемый по формуле
()
10
1å
=
n
Qf
IAP
где п - число видов на участке, f - частота встречаемости или проективное покрытие вида, Q
- экологический индекс видов - среднее число видов, растущих с исследуемыми видами в ареале.
Величины встречаемости и проективного покрытия выражаются в соответствии с 5-балльной шкалой:
5 - виды с очень высокой частотой встречаемости и высокой степенью
проективного покрытия на большинстве деревьев;
4 - виды с высокой частотой встречаемости и высокой степенью проективного покрытия;
3 - виды, встречающиеся не часто или имеющие среднюю степень проективного покрытия;
2 - виды, встречающиеся очень редко и имеющие низкую степень проективного покрытия;
0 - виды очень редкие с очень низкой степенью проективного покрытия.
63
—индекс чистоты воздуха:
ИЧВ = п + 0, 1(P1 + Р2) + Н1, + Н2 + D1 + D2,
где п - - число видов лишайников на пробной площади, Р - процент заселения хвойных (1) и лиственных (2) пород, Н - высота заселения деревьев
(см), D - плотность заселения коры деревьев (баллы от 0 до 10). Была разработана шкала зависимости величины значений индекса от величины среднегодовой концентрации загрязнений в воздухе.
В целом можно сделать следующие выводы о лихеноиндикационном
методе оценки аэротехногенного загрязнения.
• Лишайники являются хорошими индикаторами загрязнения атмосферного воздуха, отвечающими основным требованиям к биоиндикаторам.
• Использование метода требует хорошей изученности экологии лишайников, так как при оценке уровня загрязнения необходимо учитывать видоспецифические требования к местообитанию и индивидуальные особенности видов лишайников.
• При оценке уровня загрязнения атмосферного воздуха необходим
строгий учет всех факторов воздействия, а не только антропогенных. Такие
природные факторы, как освещенность, степень увлажнения таллома, экспозиция лишайников на стволе, господствующие ветры, играют важную роль в
жизнедеятельности лишайников и во многом определяют их чувствительность к поллютантам.
• Применение метода лихеноиндикации несколько ограничено в крупных городах, где часто присутствуют зоны «лишайниковой пустыни» (зоны с
полным отсутствием лишайников).
2 Методы биотестирования
Биотестированием называется метод определения степени токсического воздействия физических, химических и биологических факторов среды, потенциально опасных для живых организмов данной экосистемы. Биотестирование осуществляется экспериментально в лабораторных или в естественных условиях путем регистрации изменения биологически значимых
показателей исследуемых природных или природно-техногенных объектов с
последующей оценкой их состояния в соответствии с выбранными критериями токсичности.
Тест-объектами (организмами) могут быть бактерии, дрожжи, простейшие, водоросли,пиявки, моллюски, рыбы и т.д. Кроме того, наравне с целостными организмами в качестве тест-объектов выступают отдельные органы, ткани или клетки. Биотест ставится на определение общей токсичности,
на мутагенность и канцерогенность. В первом случае фиксируются показатели гибели организмов, морфологические нарушения, морфофункциональные
изменения и отклонения в их поведении и двигательной активности. Изучение мутагенности и канцерогенности проводится посредством кратковременных тестов по фиксации хромосомных повреждений,генных мутаций и
повреждений ДНК с оценкой опасности вещества.Воздействие на тест-объект
64
может осуществляться посредством имитации возможных путей поступления
вредного вещества в организм. Основными тестируемыми средами являются
вода, реже атмосферный воздух. Возможно также изучение опосредованного
воздействия на тест-объект твердых компонентов окружающей среды: почв,
донных осадков, грунтов. В этом случае используют поровые воды этих сред
или водные вытяжки из них, получаемые с использованием общепринятых
методик. Кроме того, биотесты могут проводиться в фазе взвешенных частиц. Однако основным объектом применения методов биотестирования являются все же сточные и природные воды.
В последние годы методы биотестирования стали активно применяться
при оценке качества морской среды. В первую очередь это связано с масштабным освоением нефтеуглеводородных ресурсов континентального
шельфа и материкового Мирового океана. Тесты направлены на оценку качества морской среды, а также токсичности промышленных и буровых вод и
буровых шламов. При этом наиболее сложной проблемой тестирования морской среды остается выбор тест-объектов, которые в уже сложившейся практике биологического контроля представлены в основном пресноводными
формами организмов. Поэтому в настоящий период при проведении биотестирования морской среды предпочтение отдается видам, естественно обитающим на данных акваториях.В основе методики биотестирования лежит
сравнение тестируемых образцов с контрольными пробами в течение определенного времени. При этом могут проводиться экспериментальное биотестирование (до нескольких часов), оценка токсического воздействия (в течение
1-3 суток экспозиции), хронического токсического воздействия (через 7-10
суток экспозиции), а также прогноз отдаленных последствий (через 2-3 недели экспозиции). Всего к настоящему времени разработано более 50 стандартов. Наиболее часто используемыми тест-объектами является рачок Daphnia
magna, который применяется при контроле токсичности сточных вод и выявлении источников загрязнения. Широкую апробацию получили тесты на поведенческие и физиологические реакции рыб (метод рыбной пробы), в частности на реакцию ухода рыбы из опасной зоны. В качестве показателей токсичности среды используются также изменения двигательной функции пиявок, реакции закрытия створок моллюсков, скорости потребления кислорода
голотурии и др.
Для определения токсичности природных пресных вод и донных отложений, сточных вод и отработанных буровых растворов рекомендовано применение методик биотестирования по снижению уровня биолюминесценции
бактерий Photobacterium phosphoreum, снижению прироста количества инфузорий Ttlrahymena, pyriformis, угнетению роста пресноводных водорослей
Scenedesmus quadricauda, гибели ракообразных Daphnia magna и
Ceriodaphnia affinis, выживаемости и плодовитости ракообразных
Ceriodaphnia affinis, гибели рыб гуппи РоесгШа reticulata.
Оценку токсичности морских вод и донных отложений, сточных вод
разной степени солености и отработанных буровых растворов, сбрасываемых
65
в морские воды, рекомендуется проводить с помощью методик биотестирования по угнетению роста одноклеточных морских водорослей Phaeodactilum
tricomutum, гибели ракообразных Artemia salina и рыб РоесгШа reticulata,
снижению уровня биолюминесценции бактерий Photobacterium phosphoreum.
Для комплексного экологического мониторинга изменения морской
среды в районах разработки морских нефтегазовых месторождений используют тест-реакции бактерий, простейших,одноклеточных водорослей, макрофитов, зоопланктона и макробентоса (таблица).
Таблица - Рекомендуемые группы и виды морских организмов и их
тест-реакции для использования при биотестировании
Донные осадки, поровые воды, элюаты, шламы, стоки .Снижение выживаемости, изменения темпов размножения и скорости роста, нарушения
подвижности и морфологии Одноклеточные водоросли, региональные доминанты (Coscinodiscus,Ditylum, Gyrodinium, Exuviella и др.)Вода, стоки Изменение скорости деления и численности клеток, нарушения интенсивности
фотосинтеза и флуоресценции, аномалии пигментного состава и др.
Макрофиты (Laminaria, Macroсуstis pyrifera и др.) Вода, стоки Изменение скорости роста, нарушения оседания зооспор морфологические и элетрофизиологические аномалии
Зоопланктонные фильтраты (Acartia,Eurotimora, Tigriopus, Calanipeda,
Artemia salina и др.) Вода, ПМС, стоки Снижение выживаемости и плодовитости, нарушение воспроизводства, поведения и трофической активности, морфологические и другие аномалии Рыбы (икра, личинки, молодь)
(Salmo gairdner, Tmchurus trachurus, Limanda limanda, Gadus morhua, Scophthalmus maximus, Sprattus sprattus, Spicara smaris и др.)Вода, ПМС, стоки Повышение смертности и частоты морфологических аномалий,нарушения питания, роста, дыхания, поведения, физиологических и других показателей
Макробентос (взрослые эмбрионы, личинки) (Mytilus edulis, Crassostrea gigans, Macoma, Echinocardium, Arenicola и др.)Вода, ПМС, донные осадки,
стоки, шламы Снижение выживаемости, нарушение размножения, замедление роста, поведенческие, физиологические и другие отклонения от нормы.
Для оценки устойчивости растений к повышенному содержанию в
среде ТМ в лаборатории экологии растительных сообществ Ботанического
института РАН разработана модификация метода корневого теста (Алексеева-Попова, 1985, 1991).Благодаря простоте и оперативности (экспрессности),
достаточно высокой чувствительности он занимает первое место среди вегетативных опытов. Это экспресс-метод определения устойчивости объектов
на проростках в течение 2-3 недель: состав контрольного раствора позволяет
выращивать растения разных таксонов и опробовать большой диапазон концентраций металлов. В условиях одного опыта возможна оценка специфичности действия отдельных металлов, а также сравнение устойчивости разных
видов и популяций одного вида к определенному металлу. Под воздействием
токсичных концентраций ТМ наблюдается ингибирование ростовых процессов, Снижение прироста корней коррелирует с концентрацией металлов. Ре66
акция корней ярко проявляется даже на незначительное увеличение дозы металла. С помощью метода корневого теста установлены меж- и внутривидовые различия устойчивости к Cu, Ni, Mn, Zn, Pb, Cd растений различных систематических таксонов (злаков сем. Роасеае:пшеницы, овса, ячменя; двудольных: сем.бобовых Fabaceae, сем. Kpестоцветных Brassicaceae,
сем.сложноцветных Asteraceae, сем. губоцветных Lamiacea и др.). Результаты проведенных лабораторных исследований позволяют рекомендовать метод корневого теста для выделения металлоустойчивых популяций видов,
пригодных для выращивания на сельхозугодьях в загрязненных условиях, а
также для рекультивации нарушенных земель.В последние годы практикуется проведение биотестирования с несколькими тест-организмами одновременно, например с аквариумными рыбками гуппи, моллюсками и рачками
дафнии. При этом используются следующие критерии: при гибели 50% одного организма вода оценивается как слабо токсичная, а в случае 50% гибели
всей группы тест-объектов каксильно токсичная.Биотестирование является
значительно более оперативным способом оценки качества вод и может использоваться при проведении экологического контроля. Этот способ менее
дорогостоящ,а методы его проведения и результаты более доступы для понимания неспециалистом.
В целом метод биотестирования при оценке уровня токсичности среды,
как дополняющий химико-аналитический комплекс, обладает рядом несомненных достоинств:
1)
тест-объект, как правило, реагирует на относительно слабые антропогенные нагрузки вследствие эффекта кумуляции дозы
вредного воздействия;
2)в тесте суммируется действие всех без исключения биологически
вредных антропогенных факторов, включая физические и химические воздействия;
3)по результатам тестов достаточно надежно вскрываются тенденции
изменения ситуации в окружающей среде.
Однако выявлен и целый ряд трудностей применения обсуждаемого
метода. Существенной проблемой использования простейших организмов
является их несопоставимость с многоклеточными, реакция которых на те же
самые изменения в водной среде может быть отличной. Так, например, для
инфузории реакция на ТМ отмечается уже при концентрациях на несколько
порядков ниже ПДК в воде. В отношении биогенных соединений все наоборот: реакция проявляется при концентрациях, на несколько порядков превышающих ПДК. Кроме того, недостатками метода являются низкая надежность, сложность трактовки результатов и их переноса с одного вида на другой, отсутствие разработанных оценочных шкал. Все это сильно осложняет
процесс стандартизации метода, без чего сам механизм государственного тестового контроля отладить практически невозможно.Во избежание хотя бы
части перечисленных трудностей в последние годы специалистами предлагаются новые научно-методические подходы к выбору тест-организмов на
67
основе эволюционных, физиологических, психо-поведенческих и других
особенностей (Зайцева, Ковалев, 1994).Суть этих предложений заключается в
учете основных особенностей адаптационных процессов и данных о чувствительности и резистентности тест-организмов, во введении в практику биотестирования элементов этологического анализа, а также правильность определения сроков тестирования. По перечисленным критериям наиболее подходящими являются беспозвоночные гидробионты (ракообразные и брюхоногие моллюски), обладающие достаточно высоким уровнем организации. В
отношении тестирования донных осадков в качестве тест-объектов рекомендуются донные беспозвоночные (Гудимов, Гудимова, 2002). Обосновывается
целесообразность одновременного с общей оценкой токсичности вод проведения тестов на загрязняющие вещества. В этом случае могут быть использованы свойства некоторых организмов реагировать на конкретные поллютанты.Серьезные усилия необходимо приложить к разработке единых шкал биологической оценки токсичности сред.Верификация комплекса биоиндикационных методов для оценки состояния окружающей среды может проводиться
как в лаборатории в условиях контролируемого эксперимента, так и с помощью различных статистических приемов оценки достоверности взаимосвязи
индикатора с объектом индикации. К их числу относятся регрессионный,
факторный и кластерный анализы.Выбор метода зависит от конкретных задач и масштабов индикационной оценки территории.
Таким образом, в настоящее время разработано и широко используется
в практике экологи-ческого мониторинга большое количество методов и
приемов биоиндикации. Фитоиндикационный метод позволяет оценить комплексное антропогенное воздействие и его экологические последствия в
естественных природных и техногенно нарушенных ландшафтах. Он незаменим при выполнении изысканий в труднодоступных районах и там, где отсутствуют посты мониторинговых наблюдений.
Контрольные вопросы
1. Фитоидикационные методы экологического состояния природной
среды.
2. Показатели состояния растительности как индикатора экологического состояния территории
3. Классификация фитоидикационных признаков
4. Методы биоидикации по структуре и строению растительных сообществ
5 Метод дендроиндикации
6. Метод бриоиндикации
7. Метод лихеноиндикации
8. Биоиндикационные показатели лихенондикации (показатель обилияплотности, индекс чистоты атмосферы, индекс чистоты воздуха).
9. Методы биотестирования, их преимущества и достоинства.
10. Тест-объекты, стандартные и наиболее часто используемые в практике.
68
Лекция 6
Биоиндикация загрязнения атмосферного воздуха
План
1. Основные вещества – загрязнители атмосферного воздуха и их
источники
2. Биоиндикация загрязнения атмосферы с помощью растений
3. Газоустойчивость и газочувствительность растений
4. Неспецифическая и специфическая индикация
5. Растения-индикаторы и растения-мониторы
6. Оценка реакции растений на загрязнение
7. Отбор и подготовка биологических материалов для биоиндикации
1 вопрос лекции. Основные вещества – загрязнители атмосферного
воздуха и их источники
Воздух - материальная среда, которая окружает большинство живых
организмов и определяет их существование. С одной стороны, воздух является источником воздушного питания биоты, из воздуха все живые организмы
получают кислород, необходимый для процессов жизнедеятельности. С другой необходимо учитывать изменение условий местообитания, и прежде всего температурного и водного режимов, обусловленное передвижением воздуха. Поэтому воздух является важнейшим как прямо, так и косвенно действующим экологическим фактором. Движение воздуха влияет на особенности анатомо-морфологического строения и хода физиологических процессов
в организмах. В обобщенном виде воздействие его, например, на растения
можно представить следующим образом:
1) механическое воздействие: ветровалы, деформация роста (эксцентричный прирост, наклон стволов, флагообразная крона), снежная коррозия ;
2) влияние на ход физиологических процессов. Усиление ксероморфизации признаков;
3) анемофилия: приспособления, облегчающие перенос пыльцы ветром: раннее цветение,
особое устройство соцветий, форма и размеры пыльцы;
4) анемохория: развитие приспособлений для распространения семян с
помощью ветра,форма и размеры плодов, увеличивающие парусность.
Одним из наиболее распространенных видов загрязнений природной
среды являются выбросы в атмосферу токсичных газообразных соединений.
Основными из них считаются: двуокись серы, окись углерода, фтористый водород, сероводород, окислы азота, хлористый водород и др.
Поступление их в атмосферу связано с деятельностью различных предприятий, сжиганием мусора и выбросами автотранспорта (таблица).
Таблица - Основные источники поступления токсичных газов в
атмосферу. Загрязняющее вещество Источник загрязнения ПДК, мг/мл
69
В особых метеоусловиях образуются из выхлопных газов в нижних
слоях воздуха
Экологические последствия загрязнения атмосферного воздуха обусловлены воздействием газообразных соединений, проникающих в организм,
и выпадением кислотных осадков при соединении поллютантов с атмосферной влагой.
Озон (О3) - газообразное загрязняющее вещество, которое образуется
вследствие сложной реакции между окислами азота с участием солнечного
света. Озон попадает в растение через листву вследствие обычного газообмена между растением и окружающей средой. Наиболее чувствительны к действию озона молодые листья, но он поражает и старые листья растения. Общим признаком поражения растений озоном является пятнистость, которая
указывает на его острое действие. Специфический признак острого действия
озона на растение - появление точек, которые с течением времени сливаются
и образовывают пятна на поверхности листа. Точки могут быть белыми, черными, красными или пурпурными. При низких концентрациях О3 листья
приобретают красно-бурый или бронзовый цвет, что приводит к хлорозу,
старению и опаданию листьев.
Двуокись серы (SO2) - бесцветный, с резким запахом газ, образующийся при сжигании серосодержащего горючего и обжиге сернистых руд. Небольшое количество (около 5%) двуокиси серы окисляется в атмосфере, превращаясь в серный ангидрид (SОз), который образует с атмосферной влагой
серную кислоту. По разным расчетам, на долю двуокиси серы приходится от
60 до 70% кислотных осадков. Туман или влажный воздух, содержащий серную кислоту, воздействует на кожу и слизистую оболочку человека, животных, наносит значительные повреждения растительности.
S02, попадая на листву, окисляется до високотоксического соединения
S03, а потом медленно превращается в сульфат S04, менее токсичный. При
низких концентрациях S02 в воздухе S03 практически полностью окисляется
до сульфату, и растения не страдают. При высокой концентрации S02 до S03
превращается быстрее, чем S03 до S04, вследствие чего происходит острое
повреждение - листва у широколиственных растений обесцвечивается, между
жилками (появляется бурый или белый цвет) или на краях некоторых листков наблюдается эффект «елки». Признаком хронического действия S02 являетя хлороз, или обесцвечивания листвы с изменением их цвета к краснобурого; у хвойных хлороз - покраснение игл сверху вниз. Концентрация S02
свыше 0,4 мг/м3 даже при кратковременном воздействии может вызвать значительные нарушения в органах ассимиляции хвойных пород и некрозные
изменения.
Сероводород и органические сульфиды (H2S) - являются источниками
неприятного запаха даже в очень низких концентрациях. Мерканты, дисульфиды и сероводород входят в состав отработанных газов сульфатноцеллюлозной промышленности, производства вискозы и искусственного
шелка, они образуются при производстве кокса, смолы, перегонке нефти и
70
природного газа. Сероводород - клеточный и ферментный яд, который может
не только вызвать отравления и нервные заболевания у людей и животных,
но и нанести вред растительным ферментам и вызвать, таким образом, практически необратимые повреждения.
Соединения фтора (HF, SiF4 ) - находятся в атмосфере в виде газа, твердой примеси или газообразного фторида, адсорбированного другим твердым
веществом и обладают очень сильным токсическим действием даже в небольших концентрациях. Фтористый водород (НF) в виде газа токсичнее, чем
в твердом состоянии. Основными их источниками являются заводы по производству алюминия, кирпича, керамических изделий, фосфатных удобрений. Образование их происходит при выплавке стали и сжигании угля. Растения очень восприимчивы к фтористому водороду в концентрации выше 10
мг/м3. Соединения фтора легко поглощаются растениями и вовлекаются в
биологический круговорот. Хроническое действие НF вызывает у растений
хлороз вдоль прожилок листа, острое действие НF - некроз краев листвы .
Однодольным растением, которое используют как индикатор, является гладиолус. Особенностью фторидов является их способность накапливаться в
листьях, в особенности на краях и верхушках. Для оценки степени повреждения растений НF применяют анализ ткани листка. Корма, содержащие фтор,
вызывают у животных рвоту и приводят к серьезным заболеваниям. Высокой
чувствительностью к фтору отличаются пчелы.
Нитрозные газы (окислы азота) - смесь окиси азота NO, двуокиси азота N02, триокиси азота N203, получетырехокиси азота N204. Они выделяются как побочные продукты при получении азотной и серной кислот, нитровании органических соединений, производстве нитратных удобрений. В большом количестве окислы азота выходят вместе с отработанными газами автомобилей. В окружающей среде окислы азота принимают участие в образовании кислотных дождей. Организм человека в большей степени подвержен
влиянию нитрозных газов. При попадании через дыхательные органы окислы
азота взаимодействуют с гемоглобином, образуя метгемоглобин, и после
первоначальной стадии раздражения вызывают учащенное дыхание и отек
легких.
Аммиак (NH3) поступает в атмосферу в результате аварий на производстве. Он в особенности поражает растения близ места аварии. Как и в случае
действия NОХ растения повреждаются только при высокой концентрации
аммиака. Наиболее подвержена действию NH3 листва среднего возраста и
может изменить цвет от тускло-зеленого до бурого или черного. Действие
низких концентраций NH3 предопределяет появление на нижней стороне
листка глянцевитости или серебристости.
Достаточно хорошо изучены случаи повреждения растительности аммиаком, наблюдающиеся вблизи животноводческих ферм. Наиболее чувствительны к его воздействию хвойные породы, хвоя которых под действием
аммиака принимает красно-бурую окраску и опадает.
71
Хлор (Сl) и хлористый водород (НСl) - применяются при производстве
пластмасс и инсектицидов, образуются при сжигании хлорсодержащих материалов. Пары хлора и хлористого водорода быстро оседают на землю, поэтому повреждают биоту вблизи источника эмиссии. Они наносят сильные повреждения растительности. На краях листка появляются пятна от темнозеленого до черного цвета, которые потом обесцвечиваются до белого или
становятся бурыми. Признаки повреждения листьев между жилками подобны
признакам, вызванным действием SО2. Возможно также появление точек,
напоминающих результат влияния озона. У хвойных, как и при действии
озона, может возникать некроз кончиков игл и пятнистость. Чувствительны к
действию хлора горчица и подсолнух. При попадании в организм человека
приводят к тяжелым нарушениям здоровья, в том числе к ожогам слизистой
оболочки и отеку легких.
Бор (В) - вещество серовато-черного цвета, его действие на растения,
которые растут близ источников выбросов, предопределяет некроз на краях
листвы и между жилками, а также пятнистость. Листва приобретает чашевидную форму, деформируется. Острые повреждения возможны на расстоянии до 200 м от источника. Чувствительными к действию бора являютя орех
серый, клен, шелковица, дикий виноград, а устойчивы - вяз, сирень, груша и
большинство травянистой растительности.
Етилен (С2Н4) - естественный растительный гормон, который образуется при повреждении растений разными загрязнителями воздуха. Он сказывается на процессах цветения, созревания плодов, старения и опадания листьев. Етилен также присутствуюет в выхлопных газах автотранспорта. К
признакам повреждений растений етиленом можно отнести ухудшение их
роста, преждевременное старение и опадение листьев, ухудшения цветения,
преждевременное раскрытие почек, замедленное распускание листьев, их
скручивание.
Пропилен(С3Н6) - ненасыщенный ациклический углеводород, бесцветный газ. Влияние пропилена на растения подобно действию етилена, но его
его вызывают более высокие концентрации.
Пропилен подавляет цветение у хризантем, замедляет вертикальный
рост, но стимулирует появление листьев. Растения, пораженные пропиленом,
имеют меньшие размеры, но более толстые листья.
Взвешенные частицы (пыль) и тяжелые металлы. Они проникают
сквозь листву или поврежденные клетки эпидермиса. Мелкие частички могут
оседать на листьях, снижая светопоглощение и соответственно фотосинтез,
отрицательно влияют на опыление цветков, размеры и состояние листьев.
Тяжелые металлы из атмосферы, оседая на растение или земную поверхность, имеют тенденцию накапливаться, в особенности в верхних слоях почвы, откуда могут попасть в растение. Концентрация тяжелых металлов в почве зависит от содержания в ней глины и органического вещества. Наиболее
распространенным металлом, который может попадать в растение и почву свинец. Он накапливается в почве, но убедительных доказательств относи72
тельно того, что он поражает растение, нет. Цинк, кадмий, медь в середине
лета вызывают межжилковый хлороз с последующим покраснением листьев
деревьев, которые растут близ источника.
Ртуть - единственный тяжелый металл, который находится в жидком
состоянии при нормальной температуре. Она поражает почти все растения. В
особенности чувствительной к ртути является роза, на листьях которой появляются бурые пятна, они желтеют, а потом опадают. Молодые бутоны буреют и опадают. Определение содержания тяжелых металлов в растениях возможно с помощью метода атомно-адсорбционной спектрофотометрии.
Выхлопные газы автомобилей - токсичными компонентами являются
окись углерода, нитрозные газы, ненасыщенный водород и их фотохимические продукты реакции (пероксиацетилнитрат (ПАН), озон (О3), а также
ПАУ, сажа и свинцовые соединения. Состав выхлопных газов различен и в
значительной степени зависит от конструкции мотора, принципа его действия, технического состояния и вида топлива. Загрязнение выхлопными газами отмечается вблизи дорог с оживленным автомобильным движением и
на селитебных территориях, особенно в городах и крупных поселках.
Смеси загрязняющих веществ. В воздухе содержится несколько потенциальных фитотоксичных загрязнителей. Смеси загрязняющих веществ могут вызывать те же повреждения растений, что и отдельные загрязнители, а
смесь газов может изменять пороговую чувствительность растений.
Смесь озона и диоксида серы. Признаки повреждений ею подобны признакам поражения О3 или SО2 в зависимости от их концентраций. Если концентрация О3 и SО2 ниже пороговой для SО2, но равняется или ниже пороговой для О3, то наблюдаются признаки повреждений, похожие на полученные
вследствие действия О3. Влияние смеси сказывается на люцерне, капусте,
лука, фасоли.
Диоксид серы и диоксид азота. Действие смеси этих веществ в концентрациях более низких, чем пороговые значения для каждого газа, проявляется в повреждении верхней поверхности листьев редьки, помидоров, соевых
бобов.
2. Биоиндикация загрязнения атмосферы с помощью растений
Растительный покров как важная составная биосферы отображает ее
общее состояние и ход почти всех процессов, которые происходят на планете. Жизнь на Земле было бы невозможна без беспрерывного процесса фотосинтеза, который происходит в зеленых частях растений, которые являются
основным стабилизатором углекисло-кислородного баланса воздушного бассейна. Растения как важный компонент биогеоценоза заметно влияют на другие его элементы, оказывают содействие формированию почвенного покрова,
влияют на химизм почвы и ее плодородие, а также на жизнь всех животных и
живых организмов, одновременно реагируя на все внешние факторы.
Хорошими индикаторами загрязнения воздушной среды являются растения, поскольку они в большей степени поражаются загрязненным воздухом
и сильнее реагируют на те концентрации большинства вредных примесей,
73
которые у людей и животных не оставляют видимых явлений отравления.
Действие газовых поллютантов на растения зависит от вида вредных веществ, концентрации загрязняющих веществ, длительности воздействия, относительной восприимчивости видов растений к действию газов и стадии
физиологического развития, в которой находится растение в момент воздействия вредных веществ.
Токсичные газы проникают в мезофилл листа главным образом через
устьица. Попадая в подустичную полость и диффундируя через межклеточные пространства, они растворяются в межфибриллярной воде клеточной
стенки, образуя соединения, разрушающие наружную клеточную мембрану.
Повреждения мембран проявляются в их повышенной проницаемости, в изменении рН и редокс-потенциала. Изменение свойств биомембран может
приводить к трансформации ферментативного обмена, сдвигам в содержании
неорганических ионов и низкомолекулярных веществ.
Первые нарушения в анатомическом строении прослеживаются в строении хлоропластов.
На ранних стадиях повреждений наблюдаются округление хлоропластов, редукция гранов, разрушение оболочки хлоропластов, раздувание тилакоидной системы. В дальнейшем отмечаются разрушение цитоплазмы и
сжимание клетки. Кроме того, в хлоропластах возможны появление липидоподобных капель, изменения очертаний клеточных органелл, растяжение
оболочек хлоропластов, раздувание и закручивание тилакоидов. Выделяют
три стадии повреждений хвои ели и сосны: повреждаются только хлоропласты, повреждаются и другие органеллы, органеллы исчезают или превращаются в бесструктурную массу.
Интенсивность воздействия кислотных осадков зависит от смачиваемости поверхности растений. Смачиваемость, в свою очередь, определяется рельефом кутикулы, наличием кроющих волосков, тургором листа, характером
поверхности и морфологии эпикутикулярного воска. Степень повреждения
фитомассы изменяется в зависимости от видовой принадлежности. Так, кутикула листьев тополя Populus sp., сосны Pinus sylvestris не разрушается от
воздействия SО2. Некоторые виды увеличивают восковой налет при загрязнении воздуха: плевел Lolium perenne, горох Pisum sativum, рапс Bras-sica тара
характеризуются увеличением числа мелких пластинок и трубочек воска на
единицу поверхности. У фасоли Phaseolus vulgaris, наоборот, происходит
уменьшение количества эпикутикулярного воска. При воздействии кислотных осадков наблюдается разрушение воскового налета у сосны обыкновенной. В нормальных условиях естественное разрушение воскового покрова
хвои наступает на 4-5-й год, при воздействии кислотных осадков этот процесс проходит в 2-5 раз быстрее, поэтому вокруг устьиц восковой налет отсутствует даже на хвое 1-2-летнего возраста. Поскольку процесс разрушения
воскового покрова необратим, это приводит к резкому снижению жизненности хвои.
3. Газоустойчивость и газочувствительность растений
74
При биоиндикационных исследованиях и анализе реакции организма
на воздействие загрязнения воздуха следует различать газоустойчивость и
газочувствителъностъ растений.
Газоустойчивостъ - способность сохранять свойственные организму
процессы жизнедеятельности и семенного воспроизводства в условиях загрязнения газами и парами атмосферного воздуха. Уровень газоустойчивости
вида или особи оценивается по предельным концентрациям токсичного вещества, которые не вызывают функциональных и структурных нарушений в
организме в период наивысшей физиологической активности и чувствительности к действующим атмосферным примесям.
Газочувствителъность - реакция организма на воздействие загрязняющего вещества в конкретный период его развития.
Выделяют следующие формы газоустойчивости:
1. Анатомическая. К приспособлениям, снижающим воздействие токсичных газов, относятся: ксероформные признаки - утолщение эпидермиса,
развитие кутикулы, воскового налета, опушения, плотное сложение тканей,
наличие пробкового слоя при слабом развитии паренхимы.
2. Физиологическая. Включает изменения в фотосинтезе, дыхании, работе устьиц и изменение интенсивности транспирации, снижение интенсивности газообмена.
3. Биохимическая. Объединяет те особенности метаболизма, которые
затрудняют или исключают повреждаемость ферментных систем, белкового
и других обменов. Буферность цитоплазмы по отношению к подкисляющему
действию сернистого газа, бесхлорофильность тканей.
4. Габитуалъная. Включает особенности строения кроны, ветвления и
высоты, надземных частей, уменьшающих контакт листьев и цветков с токсичными газами. Образование стланниковых и подушкообразных форм, пирамидальных крон деревьев.
5. Феноритмическая. Смещение и изменения в ходе фенологических
фаз, преждевременное пожелтение и опадение листвы.
6. Анабиотическая. Представляет крайний случай физиологической газоустойчивости. К числу признаков этой формы относятся резкое сокращение газообмена и значительные анатомические изменения у зимующих видов
деревьев и кустарников.
7. Регенерационная. Способность повторного облиствления и отрастания надземной фитомассы.
8. Популяционная. Включает изменения возрастного состава, модификации особей, полиморфизм.
9. Фитоценотическая. Объединяет признаки растительных сообществ,
снижающие токсичное воздействие газов: структура ярусов, густота насаждений, особенности горизонтального и вертикального строения фитоценозов.
Сила реакции организмов на действие поллютантов зависит от особенностей внешней среды, биологических и систематических особенностей самих организмов, их фенологического состояния, возраста и т. д.
75
Освещенность, температура, влажность и минеральное питание оказывают существенное влияние на чувствительность растений к загрязняющим
газам. Решающим образом влияют на газочувствительность влажность воздуха и освещенность. При высокой влажности воздуха и почвы растения становятся более чувствительными к токсическому воздействию. В условиях затенения и в ночные часы повреждаемость листьев резко снижается, что связано, прежде всего, с интенсивностью освещения и температурой воздуха.
Установлено, что устойчивость растений к воздействию SO2 может возрастать в ночные часы в 4 раза. Дневное похолодание может вызвать значительное снижение токсичности газов. Затенение также способно полностью снимать губительное воздействие газообразных токсикантов. Летом и весной
растения менее устойчивы, чем осенью и зимой.
Однако зимняя оттепель способна резко снижать устойчивость древесных пород.
Биологические особенности, снижающие, газочувствителъностъ. Поглощение токсичных газов является функцией градиента концентраций,
направленных от поверхности внутрь листа, и сопротивления к токсикантам.
Сопротивление, в свою очередь, складывается из:
1) аэродинамического - особенностей структуры кроны, расположения
ветвей и листьев, наличия опушения надземной массы и др.;
2) кутикулярного - развития мощных покровных тканей, препятствующих проникновению поллютантов;
3) устьичного - подвядания листьев, снижающего повреждаемость тканей;
4) внутреннего - плотной структуры тканей, биохимической устойчивости к загрязняющему веществу.
Снижению газочувствительности способствует ксероморфная структура - плотное сложение тканей, образование мощных покровных тканей, развитие кутикулы, воскового налета и т.д.
Световые листья менее чувствительны к воздействию воздушных токсикантов, чем теневые.
Большое значение при определении газоустойчивости имеет возраст
листьев и особей. В жизни растений выделяется несколько критических периодов, когда они наиболее чувствительны к воздействию токсикантов: появление всходов, зимовка однолетних сеянцев, раскрывание почек, распускание цветков, созревание плодов.
Большое значение при определении чувствительности видов имеет неоднородность популяции. У растений возможны быстрая адаптация и формирование структуры, устойчивой к поллютантам.
В биоиндикационных исследованиях необходимо учитывать систематическую принадлежность видов и изменение степени их газоустойчивости.
По степени уменьшения устойчивости к смеси нефтяных газов и SO2 располагают виды в следующий ряд: тополь бальзамический Populus balsamifera липа мелколиственная Tilia cordata - желтая акация Сагадапа arborescens 76
береза пушистая Betula pubescens - ясень Fraxinus excelsior - клен Acer campestre. При воздействии SO2 особую устойчивость имеют: чубушник венечный Philadelphus coronarius,роза морщинистая Rosa rugosa, дерен белый
Swida alba. Низкой устойчивостью характеризуются: лиственница сибирская
Larix sibirica, пихта сибирская Abies sibirica, кизильник блестящий
Cotoneaster lucidus.
Учитывая особенности газочувствительности и газоустойчивости растений, в качестве биоиндикационных признаков можно использовать различные специфические и неспецифические признаки.
Неспецифическая индикация аэротехногенного загрязнения может проводиться по различным биохимическим и физиологическим реакциям. Основными индикаторными признаками, отражающими стрессовую нагрузку, являются:
1. Изменение активности ферментов.
2.Разрушение пигментов в листьях растений под действием аэротехногенного загрязнения. Хорошо изучено снижение количества хлорофилла,
прежде всего хлорофилла а. В качестве индикатора используется изменение
соотношения хлорофилл а/хлорофилл b.
3.Изменение количества и соотношения каротиноидов. При воздействии SО2 увеличивается содержание лютеина и уменьшается количество ркаротина.
4.Преждевременное появление гормонов старения - этилена и абсцизовой кислоты.
5.Изменение минерального обмена. Индикаторными признаками являются изменение содержания жирных кислот, увеличение содержания сахарозы и глюкозы.
4. Неспецифическая и специфическая индикация
К числу наиболее показательных признаков специфической индикации
относится изменение химического состава биомассы и накопление поллютантов. Наблюдается зависимость содержания поллютантов от возраста листьев.
I группа видов отличается максимальным содержанием поллютантов в
молодых листьях (май) - липа мелколиственная Tilia cordata, клен платановидный Acer platanoides, лох узколистный Elaeagnus angustifolia, сирень
обыкновенная Syringa vulgaris.
II группа видов характеризуется преимущественной аккумуляцией в
зрелых листьях (июль) - конский каштан Aesculus hippocastanum, тополь канадский Populus canadensis, чубушник венечный Philadelphus coronarius, бирючина обыкновенная Ligustrum vulgare, жимолость татарская Lonicera
tatarica, дерен белый Swida alba, пузырештодник калинолистный Physocarpus
opulifolia.
Неспецифическая индикация проводится по различным морфологическим, анатомическим и поведенческим параметрам. Широко распространенными индикаторными признаками является наличие хлорозов и некрозов.
77
В результате поражения надземной массы хлорозом и некрозом происходит преждевременное опадение листвы - дефолиация.
Биоиндикационным признаком служат изменение размеров клеток тканей, смоляных ходов, листьев, трансформация размеров стеблей и в целом
организмов. Так, при воздействии S02 наблюдается укорачивание, изменение
толщины хвои сосны и др. Отмечена достоверная корреляционна связь снижения радиального прироста сосны Pinus sylvestris с объемом выбросов. В то
же время длина хвои в меньшей степени зависит от аэротехногенного загрязнения, основными факторами ее варьирования являются положение ветвей в
кроне, возраст и порядок ветвления побега, сомкнутость древостоя.
Нарушение процессов жизнедеятельности под влиянием токсичных газов может приводить к изменению строения тканей, отдельных органов и в
целом формы роста растений.
Крайним случаем проявления воздействия токсикантов является образование уродливых форм -тератов. Часто происходит деформация листовых
пластинок древесных пород и кустарников -возникают уродливые перетягивания, вздутия или искривления листовых пластин, изменяется форма слоевища лишайников. У насекомых могут возникать изменения структуры поверхности тела. Индикаторами загрязнения воздуха является смертность пчелы медоносной, клещей-орибатидов. Некоторые симптомы изменения параметров развития биоиндикаторов указаны в таблице.
Таблица - Организмы-мониторы вредных веществ в воздухе
Интегральным признаком токсического воздействия является снижение биопродуктивности и запасов биомассы. При оценке ее изменения на
этом уровне могут быть использованы величины радиального и линейного
прироста древесных пород, изменение суммарной длины листовых пластинок
у розеточных форм травянистых видов. Возможен учет наземной и подземной биомассы растительности с определенной единицы площади или биомассы особей исследуемого индикаторного вида. Хорошим индикатором загрязнения атмосферного воздуха является снижение проективного покрытия
или полное исчезновение эпифитных лишайников. Общее проективное покрытие лишайников в зоне воздействия промышленных выбросов уменьшалось по сравнению с фоновым: на расстоянии 30 км от источника выбросов в 4 раза; в 15 км - оно составляло 1/100 от фонового, а на расстоянии 3 км
лишайники, обнаруженные на фоновой территории вообще отсутствовали.
В качестве индикатора может быть использовано изменение плодовитости организмов. При загрязнении воздуха происходит уменьшение образования плодовых тел у лишайников, увеличение количества стерильных
цветков в соцветиях растений, изменение биопродуктивности ягодников
(черники, брусники, клюквы). Отмечается уменьшение числа яиц в кладках
птиц, изменяется репродуктнвиость насекомых, земноводных и других групп
животных.
Некоторые сорта садовой фасоли Phaseolus vulgaris очень чувствительны к воздействию О3. Под действием поллютанта на более старых листьях
78
появляется ожог и/или зернистость с последующим хлорозом и опадением
листьев.
В качестве биоиндикаторов загрязнения О3 рекомендуется использовать также некоторые сорта винограда лабруска Vitis labrusca. Повреждение
оценивается по площади листовой поверхности, на которой появляются маленькие пурпурно-черные точки. Со временем эти точки сливаются, образуя
пятна. В конечном итоге листья становятся хлорозными, буреют и могут отмереть. Толерантность листьев зависит от их возраста: чем старее лист, тем
более он чувствителен к воздействию О3.
В качестве индикатора повышенного содержания в воздухе О3 можно
использовать Веймутову сосну Pinus strobus. Показателем загрязнения служат повреждение игл или побегов и изменение вторичного радиального прироста ствола. Хлороз кончиков игл, их крапчатость, потеря и задержка роста характерные признаки воздействия Оз; высокие концентрации поллютанта
вызывают сильный ожог кончиков хвои и появление бурой окраски. При невысоком загрязнении воздуха поражается молодая развивающаяся ткань
хвои, сопровождающаяся развитием на кончиках самых молодых чувствительных игл хлоротической пятнистости, распространяющейся на более старые иглы. В дальнейшем начинается опадание хвои, так что сильно поврежденные деревья могут потерять всю зрелую хвою, сохранив лишь пучки незрелых хвоинок на концах веток.
Смесь О3 и SО3 индицирует появление низкорослых деревьев с угнетенными верхушками и корнями, короткими скрученными пятнистыми иглами и преждевременной дефолиацией. Такое изменение роста получило
название синдрома хлоротической карликовости. Воздействие SО2 может вызвать изменение цвета концов игл на красный, а затем буровато-серый, могут
появиться отдельные желтые пятна - мозаичность хвои. Неоднократное окуривание SО2 ослабляет деревья и приводит к их отмиранию. Обычно воздействие его в условиях гумидного климата усугубляется также выпадением
кислотных дождей. Повреждение точек роста зачастую приводит в появлению морфологических эндемий. К индикаторам загрязнения воздуха SО2 относятся сосна Веймутова Pinus strobus, сосна обыкновенная Pinus sylvestris,
тополь осинообразный Populus tremuloides.
Большинство древесных пород устойчивы к воздействию ПАН. При
оценке загрязнения атмосферного воздуха ПАН наибольшей индикаторной
значимостью отличаются салат посевной Lactuca sativa, свекла Beta chilensis,
мятлик однолетний Роа аппиа. Листья этих растений чувствительны к ПАН,
но устойчивы к воздействию О3. Первым признаком их повреждения является водянистость или глянцевитость нижней поверхности листа. При продолжении воздействия клетки губчатого мезофилла, расположенные вблизи
устьиц, сжимаются и замещаются воздушными полостями, придавая нижней
поверхности поврежденного листа серебристую окраску. Через два-три дня
серебристый цвет может смениться на бронзовый. Другим индикатором воздействия ПАН служит «фасциация» - полосчатое расположение поврежден79
ных тканей. Она появляется сначала на верхушках молодых листьев, затем
при повторном воздействии реакция повторяется, так что на листе образуется
вторая серия полос, отделенная от первой здоровой тканью. После нескольких воздействий лист поражается полностью.
Токсичность окислов азота определяется главным образом их способностью к кислотообразованию. Появление признаков повреждения при 24часовом окуривании на листьях чувствительных растений отмечается при
концентрации NO2 около 1,0 млн-1. Исследование 60 видов растений при
воздействии на них смесью 1:1 NO и NO2 с концентрацией 6 млн в течение 48 часов показало, что к наиболее чувствительным видам относятся горчица
Sinapis arvensis, горох Pisum sativum, кустовая фасоль Phaseolus vulgans и
люцерна Medicago sativa. Однако эффективных индикаторов, обладающих
специфической реакцией, для мониторинга загрязнения атмосферного воздуха обнаружено не было.
Загрязнение воздуха выхлопными газами индицируется с помощью
кресс-салата. При использовании этого тест-объекта определяются всхожесть
и прирост зародышевых корешков 50 семян, размещенных на территории исследований в чашках Петри. Продолжительность исследований составляет 10
дней.
При постоянном воздействии токсичных газов происходит отбор
наиболее устойчивых экземпляров и формирование на данной территории
специфических популяций видов. Выявить их проще всего с помощью морфометрических исследований. Так, в районе Арнольдштайна в Германии отмечен низкорослый экотип полевицы Agrostis stohnifera с плотно сомкнутыми метелками, ограничивающими воздействие SО2 (Kutschera-Mitter et al.,
1982). В местах вулканической деятельности формирются природные устойчивые популяции растений, отличающиеся повышенной толерантностью к
токсичным газам. Исследования показывают, что японская лиственница
устойчивее к воздействию SО2, чем европейская.
На флористическом, фаунистическом, биоритмическом и поведенческом уровнях наиболее показательными биоиндикационными признаками
являются изменение годового состава и отбор устойчивых экотипов. В таежных биогеоценозах при воздействии токсичных газов наблюдается смена
сосновых и еловых лесов на березовые. За счет разреженности крон, осветления лесов снижается количество сциофитов кислицы обыкновенной Oxalis
acetosella, седмичника европейского Trientalis europ, щитовника игольчатого
Dryopteris spinulosa, голокучника Gymnocarpium dryoptt, Thelipteris
phaegopteris и др., увеличивается доля гелиофитов земляники лесной Fragaria
vesca, золотарника Solidago virgaurea и др.
В качестве биоиндикаторов загрязнения атмосферного воздуха широко
используются лишайники. Наиболее чувствительной частью организма лишайника к действию SО2 является симбиотическая водоросль. Установлено,
что даже кратковременное действие сернистого газа в концентрации 0,5
мг/м3 губительно для лишайников, а 0,1 мг/м3 повреждает большинство ви80
дов. В зоне лишайниковой пустыни среднегодовая концентрация SО2 обычно
превышает 0,3 мг/м3. В таких условиях может встречаться лишь лишайник
Lecar conizaeoides, обладающий самой высокой устойчивостью. При средней
концентрации сернистого газа в воздухе 0,05-0,2 мг/м3 могут существовать
виды лишайников родов Xanthoria, Hypogymnia, Parmelia, Physcia, Lecanora.
Произрастание лишайников из родов Ramalina, Usnea, Alectoria, Evernia возможно при среднегодовом содержании SО2 менее 0,05 мг/м3, a Lobaria
pulmonaria способна произрастать только в чистом воздухе. На эпифитных
лишайниках четко прослеживается так называемый, городской эффект уменьшение количества видов от периферии к центру города или с приближением к источникам загрязнения.
Уменьшение видового разнообразия с 68 видов в лесопарках на окраине г. Санкт- Петербурга до 1-2 видов в центральной части города. На примере Подмосковья показаны значительные изменения видового состава эпифитных лишайников под действием аэротехногенного загрязнения за период
с 1966 по 1987 г. Общее количество видов за это время практически не изменилось и составило соответственно 28 видов в 1966 г. и 27 - в 1987 г. Однако
общих таксонов, зафиксированных участке в оба срока, оказалось только 14,
а коэффициент общности составил лишь 34%. К 1987 г. исчезли 14 видов, в
то же время появилось 13 видов, не отмечавшихся ранее.
При хроническом загрязнении воздуха происходят изменения в составе, структуре и строении фито- и зооценозов. При сильном загрязнении отмечаются деградация лесных сообществ и замена их на разреженные группировки вейника Calamagro arundinaceae. В районах Уральских медеплавильных заводов, выбрасывающих в атмосферу SО2, вырубки остаются безлесными, отсутствует возобновление лесов из-за гибели всходов. Происходит
смыв почвенного покрова, образуются каменистые склоны с фрагментами
горной степи или разреженные группировки вейника лесного Calamagrostis
arundinaceae, пырея ползучего Elytrigia repens, покров из травянистого яруса
лиственничников.
Вблизи источников выброса фтора отмечено формирование мертвопокровных лесов. Наиболее устойчивой древесной породой является береза.
Сосна сильно страдает при воздействии фтористых соединений, ее продуктивность и обилие снижаются, воспроизводимость сокращается.
Сосновые леса уступают место березовым. В связи с высокой устойчивостью в березовых лесах сохраняется сравнительно богатая фауна беспозвоночных. Основу составляют питающиеся березой насекомые и хищники, связанные с березой по звеньям пищевой цепи. Видовое разнообразие амфибий
сокращается до 2 видов по сравнению с 6 видами на контроле. Численность
мелких млекопитающих в зоне до 10 км от источника загрязнения фтором на
порядок меньше, чем на контроле.
Перспективной группой по выявлению воздействия фтора являются
муравьи. При хроническом загрязнении воздуха увеличивается количество
покинутых муравейников. Муравьи переходят на подземный образ жизни,
81
формируют жилища в россыпях камней. Лучшими биоиндикаторами фтористых выбросов являются пауки. Снижение разнообразия и численности пауков в местах выбросов фтора служит первым сигналом о неблагополучии
лесного биогеоценоза.
Неблагоприятное воздействие фтора проявляется в угнетении почвенной микрофлоры, падении биологической активности почв, снижении азотфиксации и плодородия.
Изменения видового состава фито-, зоо- и микробоценозов приводят к
изменениям всего биогеоценоза. Происходят нарушения в системе трофических связей. Через поедаемые растения, содержащие фтор, первыми страдают филлофаги, уменьшаются их численность, видовое разнообразие (пилильщики, тли, цикады, клопы и др.) Но на их развитие действуют два взаимосвязанных и противоположно направленных фактора: благоприятный
(ослабление кормового растения) и неблагоприятный (токсичное действие
газов). Поэтому вблизи источника загрязнения численность вредителей низка
из-за токсичности газов. По мере удаления от источника загрязнения на
ослабленных деревьях отмечается массовое распространение филлофагов,
которое постепенно сокращается в связи с восстановлением сопротивляемости древесных пород. Многие исследователи подчеркивают, что численность
вредителей может рассматриваться как биоиндикационный признак только в
сочетании с другими характеристиками загрязнения, поскольку возможны
локальные преобразования в сообществах беспозвоночных. Так, причиной
массового развития тлей могут явиться муравьи, уничтожающие грызущих
хищников тлей на стадии личинок.
5. Растения-индикаторы и растения-мониторы
В зависимости от особенностей реакции на влияние поллютантов растения разделяют на растения-индикаторы и растения-мониторы.
Растение-индикатор - растение, у которого признаки повреждения проявляются при влиянии фитотоксичной концентрации загрязняющих веществ
или их смеси.
Растение-индикатор служит химическим сенсором, который может обнаружить в воздухе присутствие загрязняющего вещества, но наблюдения за
ним не дают возможности получитьколичественные данные.
Индикаторами могут быть такие растения, которые аккумулируют в
тканях загрязняющее вещество или продукты метаболизма, образованные
вследствие взаимодействия растения с внешними факторами: тяжелыми металлами (свинец и кадмий), газообразными веществами, такими как фтористый водород (НF) или сульфат (SО4). Вследствие их действия у растений
могут изменяться параметры развития: скорость и качество роста и созревания, цветения, образования плодов и семян, процессов размножения; снижаться продуктивность и урожайность. Каждый параметр в отдельности или
их комплекс можно использовать, чтобы определить наличие загрязняющих
веществ в воздухе и (с помощью проведения опытов) в контролируемых
условиях для того, чтобы сопоставить признаки повреждения или изменения
82
в состоянии растения с наличием определенного загрязняющего вещества
или их смеси. Такие исследования удостоверили, например, что табак очень
чувствительный к действию озона и реагирует характерными повреждениями. Также выявлено, что количество завязи и урожайность помидор значительно уменьшаются при хроническом влиянии на это растение озона в низких концентрациях. У соевых бобов за действия определенных доз SО2 появляются нежелательные признаки, изменяются скорость роста и урожайность.
Лишайники и мхи известны как накопительские загрязняющих веществ, преимущественно тяжелих металлов, которые эти растения могут аккумулировать в количествах, которые значительное превышают их концентрацию в окружающей среде.
Итак, появление у растений типичного признака повреждения указывает на наличие в воздухе загрязняющего вещества или их смеси.
Учитывая важность количественной оценки, в особенности информативными являются организмы, которые определенным образом реагируют
именно на количество поллютанта в окружающей среде, то есть растениямониторы.
Растение-монитор - растение, по признакам повреждения которого
можно получить информацию о количестве загрязняющих веществ или их
смеси в окружающей среде.
Конечно, с этой целью используют разнообразные приборы. Однако
приборы стоят очень дорого, для их работы необходимы калибровка, наблюдения за функцонированием. Иногда они весьма чувствительны и непригодны для работы в условиях сурового климата. В отличие от них растения дешевые, легко восстанавливаются, быстро размножаются и по-разному реагируют на влияние, давая возможность выбрать одну или несколько самых характерных реакций для определенного исследования. Можно также использовать короткоживущие (травянистые) растения, которые обновляются каждый сезон или несколько раз на протяжении одного вегетационного периода,
или древесные растения (деревья, кустарники), которые можно высадить на
нужных участках и использовать как индикаторы на протяжении длительного периода.
Для того чтобы индикатор стал монитором, то есть мог информировать
о качественных и количественных характеристиках поллютанта, необходимо
определить и использовать зависимости между реакцией растений на загрязнение и концентрацией этого вещества в окружающей среде. Для этого используют три основных способа:
—сопоставления степени повреждения, вызванного загрязняющим веществом, с известной концентрацией загрязняющего вещества в окружающей
среде;
—использования растения как живого коллектора (накопителя загрязняющих веществ);
—измерения количества загрязняющего вещества или метаболитов
(новообразовавшихся веществ), которые появились в растительных тканях
83
после действия поллютанта, и сопоставления полученных значений с концентрацией загрязняющего вещества в воздухе.
Поскольку вследствие присущей растениям изменчивости виды и сорта
растений поразному реагируют на влияние отрицательных факторов, следует
отбирать те растения, реакция которых предвиденна. Такими являются мхи,
папоротника, голо- и покрытосеменные, которые используют как биоиндикатори и (или) биомониторы.
2. Оценка реакции растений на загрязнение.
В полевых условиях необходим тщательный отбор растений для установления зависимости «доза - реакция». Если растение реагирует на влияние
повреждением листьев, изменением темпов роста, урожайности, следует экспериментально выяснить, как она реагирует на разные дозы одного и того же
вещества или смеси.
Повреждения листьев можно анализировать с помощью серии фотоснимков методом прямых сравнений снимков пораженных листьев с контрольными снимками листвы растений, которые испытали влияние известных концентраций загрязняющих веществ в лабораторных условиях.
Деление исследуемого участка с большим количеством растений на
квадраты дает возможность выразить количественно данные о повреждение
листвы, выяснив количество их повреждений; степень повреждения; численность повреждений на единицу поверхности. С помощью линейных графиков
можно отобразить зависимости повреждения листва от периода действия дозы загрязняющего вещества. Эти кривые можно сравнить с кривыми «доза реакция», полученными в лабораторных условиях. Таким образом можно
определить качественный состав воздуха на протяжении определенного периода и установить вид загрязняющего вещества или состав смеси.
Определенный метод количественной оценки избирают в зависимости
от растительного материала, загрязняющего вещества и измеренных параметров. Степень повреждения травянистых растений выясняют визуально,
определяя площадь (в процентах) поврежденной поверхности листвы. В случае наблюдения за хвойными растениями оценивают длину игл, их цвет и
форму, возраст хвои, количество поврежденных игл на ветви (в процентах).
Результаты наблюдений можно объединить в две группы: площадь поврежденной листовой поверхности (в процентах); площадь новых повреждений каждого растения за определенный период времени.
Если уровень загрязнения определяется по объему поглощения загрязняющего вещества, выясняют количество загрязняющего вещества или количество метаболитов, вызванных поллютантом.
Растения-коллекторы можно успешно использовал ты для мониторинга
трудных металлов.
Например, лишайники способны поглощать такие трудные металлы,
как цинк, свинец, кадмий, никель, медь и магний. Метали не только накапливаются в письме лишайников, а и поглощаются их телом и аккумулируются в
тканях. Высушив, взвесив и осуществив химический анализ ткани собранных
84
растений, можно определить количество поглощенного металла. Изменяя
промежутки времени между сборами растений, можно сопоставить содержимое металла в их тканях с концентрацией металла в воздухе.
Лишайники можно использовать для контроля содержимого SО2 в
окружающей среде. Способность к аккумуляции SО2 зависит от вида этих
растений. Объединения методов инструментального мониторинга со наблюдениями за лишайниками даст возможность установить зависимость между
их ростом и концентрацией SО2 в окружающей среде. Скорость роста и цвет
лишайника указывают на присутствие или отсутствие SО2 и его приблизительную концентрацию в воздушных массах. Этот метод используют при
мониторинге SО2 в Англии, Ирландии, Канаде, Франции, Швеции и США.
7. Отбор и подготовка биологических материалов для биоиндикации
Получение достоверных, полных и точных данных с помощью биоиндикации возможно лишь в случае точного соблюдения ряда требований. Так,
при выборе растения для использования его в роли биомонитора необходимо
придерживаться таких условий:
—наличие у растения выраженной реакции на влияние загрязняющего
вещества, то есть заметных признаков повреждения, изменений скорости роста, морфологических изменений, нарушений цветения, изменений производительности или урожайности;
—отбор растений, непритязательных к условиям выращивания и ухода;
—отбор растений, которые мало поддаются влиянию вредителей и болезней.
Получение усредненных образцов материалов растительного происхождения (сформированных с 5-6 разовых проб) является сложной задачей,
которая требует правильного выбора места, способа и времени. Растительные
образцы следует собирать на достаточно большом расстоянии от зданий, дорог и источников загрязняющих веществ. Исследуемый участок условно разделяют на несколько квадратов, из каждого равномерно отбирают растительный материал (листва, стебли,корни) в необходимом количестве. Пробу растений (целые или отдельные части) собирают в первой половине дня при сухой погоде. На ранних стадиях развития (2-3 листа) в ней может быть не
меньше 10 растений с одного гектара; для гречки, гороха, зерновых – 25; у
высокорослых растений берут нижние, хорошо развитые листки (не меньше
50 растений). Проба должна быть репрезентативной, то есть обеспечивать
соответствие ее химического состава химическому составу анализируемого
материала (например, количество растительного материала цветов - 300 г,
измельченной листвы и травы - 200 г, травы – 400-600 г, коры и корней –
600-650 г). Параллельно с отбором проб проводят биологический учет отобранных растений (высота растений, количество побегов на одной растении,
фазы развития).
Анализы растительных образцов проводят сразу, или сохраняют их в
холодильнике. Предназначенный для анализа растительный материал перед
85
все очищують от песка, земли и других механических примесей. После этого
листки, плоды и семена обязательно просушивают к воздушно-сухому состоянию (кроме случаев, когда необходимо сделать анализ растительного образца в сыром виде), пробу гомогенізують (измельчают). Сырые растительные
материалы измельчают в миксере или другому гомогенизаторе, используя
чистую стеклянную посуду и сделанное из нержавеющий стали дробильное
оснащение. Интенсивной вентиляции образца при гомогенизации надо избегать, так как это может привести к потерям некоторых компонентов, в особенности тех, которые легко окисляются.
Сухие и высушенные продукты (зерно, семена) измельчают специальными мельничками, иногда просеивают ситом с определенными размерами
отверстий, чтобы получить нужную зернистость. Образцы биологического
происхождения перед анализом, зазвичай, минерализуют сухим сжиганием
органического вещества за свободного доступа воздуха, в результате чего
остаются минеральные элементы преимущественно в виде оксидов металлов)
или влажным (озоления органического вещества растворами кислот, вследствие чего получается раствор с минеральными веществами) методами. Чтобы при сухой минерализации (озоленні) не утратить летающие компоненты,
растительный образец нагревают к температуре не выше 450°С. Поскольку
при этом в большинстве случаев не удается полностью избавиться органических компонентов, к золе прибавляют концентрированную азотную кислоту
и выпаривают насухо. Для лишения от остатков углерода используют метод
выпаривания с соляной кислотой на песчаной бане. Элементы минерального
остатка определяют с помощью определенных химических реакций.
В некоторых случаях применяют метод минерализации образца влажным способом с помощью таких веществ, как азотная кислота, азотная кислота и соляная кислота с добавкой перекиси водорода, серная кислота и соляная кислота. В исследуемую пробу доливают смеси кислот, оставляют на
определенный период к обвуглення растительной массе. После этого раствор
подогревают на слабом огне 5-7 мин. к образованию однородной коричневобурой массы, температуру озолення повышают и продолжают его. Полное
озолення длится 15-20 мин. После его окончания раствор охлаждают, разбавляют дистиллированной водой и определяют нужные элементы, применяя
характерные для того или другого элемента химические реакции.
В качестве примера рассмотрим деградацию 2-го по величине, после
Байкала, озера Балхаш, площадью S=16400 км2.
Это озеро среди Барханов является одним из древнейших озер мира. В
бассейне озера Балхаш, на относительно небольшой территории разместились все 5 климатических поясов, начиная от ледников Таниртау и заканчивая жаркими пустынями Прибалхашья. Здесь происходят интенсивные процессы круговорота веществ: в горной области идет конденсация влаги,
накопление ее в ледниках и формирование подземного и поверхностного
стока многочисленных рек, во впадине озера происходит испарение, аккуму86
ляция и переработка загрязнений, солей и наносов, смываемых со всей площади бассейна.
Экологическое равновесие природы Прибалхашья нарушено. «Озеро
больное» - этот диагноз выносился уже не раз, в том числе в 1989 году, когда
в Балхаше побывали участники Международного форума «За спасение озер
мира». Наблюдение за озером велись в рамках первой экологической программы, проведенной казахстанским космонавтом Т.Аубакировым. Проблемы Балхаша обсуждались правительством, в 1997 году было принято специальное постановление о необходимости разработать на Балхашском горнометаллургическом комбинате природоохранную систему.
В Балхаш впадают реки Или, Каратал, Аксу, Моинты , Лепсы. Из них
только Или дает около 70% всего водного стока озера. Однако , начиная с
1987 года площадь акватории уменьшилась почти на треть, или на 21,5%. Но
озеро, как и любой живой организм, способно к саморегуляции. Летом 2000
года уровень воды превысил 341 мм, несколько увеличилась площадь водного зеркала. Это, по мнению ученых, является благоприятным признаком для
восстановления природного баланса.
С одной стороны, происходит интенсивное загрязнение озера выбросами Балхашского горно-обогатительного комбината, с другой – прогрессирует
интенсивная деградация пойменных и прибрежных земель. Деградация земель вызвана, во-первых, застройкой прибрежных земель животноводческими фермами и выращиванием сельскохозяйственных культур. Фермы загрязняют берега озера органическими отходами, а поля обрабатываются удобрениями и пестицидами против вредителей, которые в процессе круговорота
веществ попадают в воды озера. Во-вторых, в 50-х годах в озеро были интродуцированы судак, жерех, сом, которые являются активными хищниками.
Хуже того, несмотря на бурный рост судака, его в течение 5 лет запрещали
ловить. Судак уничтожил не только мелкие виды сорных рыб, такие как прибрежный окунь и губач, но и запасы ценных промысловых рыб (балхашская
маринка и окунь, сазан и некоторые виды осетровых). Более того, судак оказался в массовом порядке заражен болезнями кожи онкологического характера.
Серьезный ущерб нанесен и флоре и фауне: балхашский тигр остался
лишь в литературных воспоминаниях, исчезли кабаны. Редеют птичьи стаи,
хотя раньше на озере водились лебеди, розовые пеликаны, гуси. Разбойничий
промысел ондатры снизил ее поголовье с 102 млн. до 50 тыс. из 87 видов
редких и исчезающих животных Казахстана, занесенных в Красную Книгу,
47 приходится на Прибалхашье.
Редеет и зеленый пояс вокруг озера: сократились площади тростника –
естественного очистителя воды, камыша – места обитания многих видов
птиц и зверей, приходит в упадок туранговая роща, перестал действовать некогда известный питомник по выращиванию деревьев и кустарников, Балхашское опытное поле.
87
Средняя продолжительность жизни балхашцев сократилась до 50 лет.
Вместе с увеличением детской смертности отмечается рост аномалий у новорожденных. За последние 10 лет в городе Балхаш родилось две пары «сиамских близнецов», что является большой редкостью о всем мире. Прогрессирует болезнь Дауна, онкологические заболевания, туберкулез.
Таким образом, увеличивающаяся антропогенная нагрузка на природные воды приводит к постепенной деградации их биоценозов с последующими неблагоприятными медико-гигиеническими последствиями для человека.
Балхаш может повторить сценарий Аральской катастрофы. Исчезновение такого большого водного зеркала и замена его на песчано-солевую пустыню самым неблагоприятным образом скажется на экологической обстановке. Экологи предсказывают усиленное таяние высокогорных родников за
счет увеличения концентрации пыли в атмосфере, осушение воздуха и вследствие этого более континентальный характер климата, что приведет к снижению продуктивной влаги в почве в вегетативный период развития растений и
образованию обширнейшей области опустынивания.
Опыт Аральской трагедии показывает, что во избежание создания в
Балхашском бассейне дефицита в качественной питьевой воде, особенно в
низовьях рек Или, Каратал, Лепсы и др., необходимо разработать программу
перевода питьевого водоснабжения всех населенных пунктов на подземные
воды. Сейчас в районе озера разведано 33 месторождения подземных вод
(13898,8 тыс.м3/ сут.). из них 8960,8 имеют минерализацию до 3 г/л и
пригодны для орошения.
В целях стабильности экосистемы рекомендуется сокращение здесь
площадей орошения, возможна замена риса на другую, менее влаголюбивую
культуру, приоритетное в районах песчанных пустынь отгонное животноводство, требующего незначительного количества вод. Орошаемое земледелие
за счет подземных вод возможно развивать только в предгорной части Заилийского и Джунгарского Алатау, где ресурсы ежегодно возобновляются.
Дальнейшее изучение гидрогеологических условий должно быть
направлено на научное обоснование экологической и экономической целесообразности использования подземных вод для различных целей; расширение существующей региональной сети, изучению взаимосвязи водоносных
горизонтов между собой и с водами Или, Каратала, Лепсы, Аксу и их притоков, а также с озера Балхаш. Требуется более углубленное изучение закономерностей формирования химического состава подземных вод и разработка
мероприятий по их улучшению с применением методов экологического моделирования и новых технологических возможностей.
Неотложные комплексные меры, которые могут помочь Балхашу,
предложенные на основе экологического моделирования и прогнозирования
на основе Аральской ситуации.
-проектирование
и
строительство
в
кратчайший
срок
контррегулирующего гидроузла в нижнем течении Или, для обеспечения
88
рационального использования водных ресурсов реки и предотвращения
нежелательных изменений в русле;
-обеспечение экологической безопасности водных объектов, стабилизация и последовательное снижение на 20-30% объемов забора воды на орошение, восстановление всех гидропостов;
-проведение мелиоративных работ в дельте с расчетом обеспечения
пропуска воды по всем ее основным протокам, тем самым создание условий
для воспроизводства запасов ценных видов рыб, прежде всего сазана;
-строительство в устье Или рыбопитомника для воспроизводства запасов сазана и растительноядных, а также завода по разведению осетровых рыб
(шип, осетр);
-ужесточение контроля за использованием водных ресурсов всех рек,
подпитывающих Балхаш. Для этой цели реконструировать оросительные ирригационные системы, обеспечив их современными водомерными и рыбозащитными устройствами;
-осуществление охранных мероприятий по животному и растительному
миру на Прибалхашье путем создания заказников и заповедных зон;
-введение единого управления природными ресурсами бассейна;
-создание Ассоциации рыбацких артелей, лицензия на лов рыбы должна предоставляться организованным рыболовецким хозяйствам;
Антропогенное загрязнение почвы вызывается различными по
масштабу и по территориальному размаху явлениями, поэтому при их
определении и оценке используют различные предпосылки и соответственно
различные способы.
Выделяют:
1. Широкомасштабное территориальное (глобальное) загрязнение почвы,
вызываемое совокупностью большого числа отдельных источников, не
поддающихся более детальной идентификации;
2. Территориально ограниченное загрязнение, причиной которого являются
более или менее известное небольшое число ограниченных по своему территориальному влиянию источников;
3. Локальное узко ограниченное загрязнение почвы с кратко или долговременным воздействием на отдельные организмы и экосистемы;
Загрязнение почвы проявляется в основном в двух формах:
водная эрозия;
эоловые отложения (особенно вследствие промышленных
выбросов);
Изменение почвенных параметров касается прежде всего сложения и
структуры почвы, что может привести к уменьшению вентиляции и дренажа.
Загрязнение почвы, обусловленное химическими причинами, значительно превосходит по своему воздействию как в количественном так и в качественном отношении все виды её физического изменения. Загрязнение
почвы происходит либо сознательно, либо непреднамеренно. Исходя из агре89
гатного состояния и способа действия загрязнителей, упрощенно их можно
подразделить на следующие группы:
1) газы (особенно серосодержащие промышленные выбросы, галогениды и окислы азота);
2) пыль (зола, известковая пыль, частицы, содержащие тяжелые металлы, особенно промышленные выбросы);
3) соли (переносимые воздухом и водой, особенно при посыпании зимой улиц или при добыче и переработке соли, рыбы);
4) агрохимикаты (средства защиты растений, удобрений);
5) органические газы и жидкости (прежде всего продукты ископаемых
видов топлива);
6) радиоактивные осадки:
Изменение химических параметров почвы отражается спустя короткий
или длительный период на росте и продуктивности отдельных видов, их популяций или приводит к более или менее сильным нарушениям структуры
фитоценозов и даже к развитию сукцессий.
Консументы и деструкторы часто испытывают при этом косвенное
влияние в результате изменений структуры фитоценозов, количественных
или качественных перемен в доступности пищи. Это в свою очередь, отражается на их обилии и изменении нескольких трофических уровней.
По причине физико-химической специфике отдельных почв при
одинаковой интенсивности и продолжительности действия химического
стрессора степень и форма возникающего химического загрязнения может
быть различной. Для биоиндикации это важно, т.к. между химической
обстановкой и её влиянием на биоценоз не обязательно существует линейная
зависимость. Решающее значение для действий на биологическом уровне
имеет по этой причине соотношение интенсивности стрессора и
специфической реакции буферной системы почвы.
Загрязнение почвы SO2, SO3, SO42- в полевых условиях выражается
прежде всего в подкислении почвы, в поверхностных горизонтах.
Таблица. Действия SO2 и NOx на изменение рН почвы
Осадки
рН
ПоСоступ-ление отноН+
шение
0,022
1
Дождь
в допро5,65
мышлен-ный период
Дождь в настоящее
4,07
0,814
37
время
Дождь под елью
3,38
3,09
140
Дождь под буком
3,79
1,39
63
Эти данные дают представление как об изменениях в историческом
плане, так и о специфической роли доминирующих элементов фитоценоза в
возникновении того или иного уровня загрязнения.
90
Специфическое воздействие подкисления почвы на растения объясняется во многих случаях не столько их непосредственной чувствительностью
к снижению рН, сколько:
1. дефицитом важных минеральных веществ в результате повышения их
подвижности и вымывания (Ca2+, Mg2+, K+)
2. токсичностью растворимых ионов Al3+, появляющихся при падении pH
ниже 4, и косвенными последствиями их растворимости (связыванием
фосфат -иона);
Влияние кислотного дождя на почву определяется:
1. опытами по выращиванию специально подобранных кислотоустойчивых
или кислоточувствительных видов на субстратах с соответственным химическим загрязнением;
2. оценкой изменений естественных фитоценозов по структурным параметрам вдоль градиента загрязнения.
Воздействие пыли на почвы и наземные экосистемы в целом существенно различается в зависимости от её происхождения и состава. Экологически существенные воздействия при загрязнении пыль оказывает в двух основных направлениях:
1. Изменение общей насыщенности основаниями;
2. Накопление металлов
Особое значение загрязнения пылью, содержащей тяжелые металлы
связано с группами организмов, которые потребляют тяжелые металлы вместе с питательными веществами непосредственно из почвы и включают их в
свой обмен веществ. К тяжелым металлам относятся как микроэлементы
(Fe, Zn, Mg, Cu, Ko молибден) так и элементы с ограниченными функциями
(никель, Ва, Cd, Ag, Hg, Pb, уран, хром) и важной экологической ролью. Почвы, обогащенные тяжелыми металлами без участия человека (например у выходов руд), в которых концентрация металлов достигает уровня микроэлементов существующих в различных частях света, дают основу для эволюционного развития устойчивых к тяжелым металлам популяций растений, которые существовали еще до антропогенного загрязнения. Решающим при токсичном действии тяжелых металлов на растительные организмы является не
столько их общее содержание в почве, сколько концентрация в доступном
для организма состоянии. В антропогенно загрязненных тяжелыми металлами почвах она может превышать фоновые значения в 10 – 10.000 раз.
Для биоиндикации тяжелых металлов используются:
1) Опыты по изменению обмена веществ методом раннедиагностического тестирования по особенностям ферментов (пероксидаза, эстераза, фосфотаза) с одновременным учетом их активности и электрофорезным разделением на фракции.
2) Опыты по культивированию саженцев: используются следующие
параметры: выживаемость, рост корней, некрозы.
91
3) Опыты по проверке предположения, насколько растения уже обладают устойчивостью к тяжелым металлам. Для этого используется сравнительное измерение роста корней и метод сравнительной протоплазматики.
Антропогенное загрязнение почвы раствором или твердыми солями
щелочных или щелочноземельных металлов возникает в результате:
1) недостаточной эффективности дренажных систем в орошаемых
землях;
2) деятельности соледобывающих предприятий;
3) применения солей для различной очистки.
Антропогенные изменения естественных факторов местообитания относительно быстро проявляются в увеличении доли одних экологоценотических групп и снижении доли других. Например, интенсивное удобрение навозом полей вызовет перемены в ценотическом положении сорняков. Мелиоративные мероприятия ведут к появлению растений, либо сухих
местообитаний, либо влажных. При выносе верхнего слоя почвы в результате
ветровой или водной эрозии на пашнях появляются места с маломощным
грунтом, где на растения сильнее всего влияет материальная порода. Растения-индикаторы извести на карбонатах и кислотности на кислых породах
позволяют легко узнавать такие почвы.
Контрольные вопросы:
1.
Лекция № 7
Тема лекции: «Требования к характеристикам биотестов»
План лекции:
1. Тест-объекты и требования к ним.
92
2. Экспресс-методы биотестирования
Под биотестированием (bioassay) обычно понимают процедуру установления токсичности среды с помощью тест-объектов, сигнализирующих об
опасности независимо от того, какие вещества и в каком сочетании вызывают
изменения жизненно важных функций у тест-объектов.
Благодаря простоте, оперативности и доступности биотестирование
получило широкую признание во всем мире и его все чаще используют наряду с методами аналитической химии.
Биотестирование как метод оценки токсичности водной среды используется:
1.
2.
3.
4.
5.
6.
при проведении токсикологической оценки промышленных, сточных
бытовых, сельскохозяйственных, дренажных, загрязненных природных
и пр. вод с целью выявления потенциальных источников загрязнения,
в контроле аварийных сбросов высокотоксичных сточных вод,
при проведении оценки степени токсичности сточных вод на разных
стадиях формирования при проектировании локальных очистных сооружений,
в контроле токсичности сточных вод, подаваемых на очистные сооружения биологического типа с целью предупреждения проникновения
опасных веществ для биоценозов активного ила,
при определении уровня безопасного разбавления сточных вод для
гидробионтов с целью учета результатов биотестирования при корректировке и установлении предельно допустимых сбросов (ПДС) веществ, поступающих в водоемы со сточными водами,
при проведении экологической экспертизы новых материалов, технологий очистки, проектов очистных сооружений и пр.
Тест-объект (test organism) - организм, используемый при оценке токсичности химических веществ, природных и сточных вод, почв, донных отложений, кормов и др.
Тест-объекты, по определению Л.П.Брагинского - "датчики" сигнальной информации о токсичности среды и заменители сложных химических
анализов, позволяющие оперативно констатировать факт токсичности (ядовитости, вредности) водной среды ("да" или "нет"), независимо от того, обусловлена ли она наличием одного точно определяемого аналитически вещества или целого комплекса аналитически не определяемых веществ, какой
обычно представляют собой сточные воды. Тест-объекты с известной степенью приближения дают количественную оценку уровня токсичности загрязнения водной среды - сточных, сбросных, циркуляционных и природных вод.
93
Для биотестирования используются различные гидробионты - водоросли, микроорганизмы, беспозвоночные, рыбы. Наиболее популярные объекты
- ювенальные формы (juvenile forms) планктонных ракообразныхфильтраторов Daphnia magna, Ceriodaphnia affinis. Cемидневный тест на суточной молоди цериодафнии Ceriodaphnia affinis позволяет за более короткий срок (7 сут), чем на Daphnia magna (21 сут) дать заключение о хронической токсичности воды.
Важное условие правильного проведения биотестирования - использование генетически однородных лабораторных культур, так как они проходят
поверки чувствительности, содержатся в специальных, оговоренных стандартами лабораторных условиях, обеспечивающих необходимую сходимость и
воспроизводимость результатов исследований, а также максимальную чувствительность в токсическим веществам.
Стандартные методики, регламентированные нормативными документами, определяют тест-объекты, которые используются при определении
токсичности тех или иных сред. В Украине в качестве стандартных приняты
тесты с ветвистоусыми и жаброногими ракообразными, водорослями, инфузориями, светящимися бактериями.
Токситы - новое поколение биотестов, разработанных в лаборатории
экологической токсикологии и водной экологии (LETAE), Университет Гент,
Бельгия под руководством проф. G. Persoone. Токскиты предназначены для
проведения исследований острой токсичности природных сред и содержат
все обходимые материалы для выполнения биотестирования или экотоксикологических исследований (тест-организмы в анабиотическом состоянии,
эфиппиумы дафний (resting eggs), покоящиеся яйца коловраток, яйца артемии, культуры водорослей). Toxkit® реализуются вместе со всеми необходимыми приспособлениями, посудой и средами культивирования.
Жизненная функция или критерий токсичности (toxicity criterion), используемые в биотестировании для характеристики отклика тест-объекта на
повреждающее действие среды.
Тест-фукнкции, используемые в качестве показателей биотестирования
для различных объектов:
1.для инфузорий, ракообразных, эмбриональных стадий моллюсков, рыб,
насекомых - выживаемость (смертность) тест-организмов.
2.для ракообразных, рыб, моллюсков - плодовитость, появление аномальных
отклонений в раннем эмбриональном развитии организма, степень синхронности дробления яйцеклеток.
94
3.для культур одноклеточных водорослей и инфузорий - гибель клеток, изменение (прирост или убыль) численности клеток в культуре, коэффициент
деления клеток, средняя скорость роста, суточный прирост культуры.
4.для растений - энергия прорастания семян, длина первичного корня и др.
Длительность биотестирования зависит от задачи, поставленной исследователем. Острые биотесты (acute tests), выполняемые на различных тестобъектах по показателям выживаемости, длятся от нескольких минут до 2496 ч. Краткосрочные (short-term chronic tests) хронические тесты длятся в течение 7 суток и заканчиваются, как правило, после получения первого поколения тест-объектов. Хронические тесты (chronic tests) на общую плодовитость ракообразных, охватывающие 3 поколения, длятся до рождения молоди
в F3.
Токсический эффект (toxic effect) - изменение любого показателя жизнедеятельности или функций организма под воздействием токсиканта. Зависит от особенностей яда, специфики метаболизма организма, факторов внешней среды (содержание кислорода, рН, температуры и др.).
Токсичность (toxicity) - cвойство химических веществ проявлять поверждающее или летальное действие на живые организмы. Вещество, оказывающее токсическое дейтствие, называется токсикантом, а процесс воздействия токсиканта на организм - токсикацией (на экосистему - токсификацией). По Н.С.Строганову, количественно токсичность вещества для отдельного организма определется как величина, обратная медианной летальной концентрации: Т = 1/LC50.
Токсичность водной среды (toxicity of water environment) - токсичность
воды и донных отложений для гидробионтов, возникающая вследствие появления в ней токсических веществ природного или антропогенного происхождения (ксенобиотиков), загрязнения сточными водами, токсическими атмосферными осадками и пр. При возникновении токсичности водной среды вода из среды, поддерживающей жизнь, становится средой, губительной для
жизни. Степень токсичности водной среды оценивается методами биотестирования, а также по превышению ПДК (предельно допустимых концентраций).
Острая токсичность выражается в гибели отравленного организма за
короткие промежуток времени - от нескольких секунд до 48 ч. Хроническая
токсичность среды проявляется через некоторое время в виде нарушений
жизненных функций организмов и возникновения патологических состояний
(токсикозов). У водных организмов хроническая токсичность выражается в
гонадотропном и эмбриотропном действии токсиканта, что приводит к
нарушению плодовитости (продуктивности), эмбриогенеза и постэмбрио95
нального развития, возникновению уродств (мутаций) в потомстве, сокращению продолжительности жизни, появлению "карликовых" форм.
Интегральная токсичность (integral toxicity), по определению
Л.П.Брагинского, токсичность сложных смесей, сточных вод, многокомпонентных факторов для водных организмов.
Количественно интегральная токсичность определяется как величина,
обратная максимальному разведению (1:2, 1:5, 1:10, 1:50, 1:100 и т.д.), при
котором не наблюдается каких-либо нарушений жизненно важных функций
тест-организмов при 24-48 часовом биотестировании.
Выражается в баллах токсичности (БТи) целыми числами (2, 5, 10, 50,
100 и т.д.) соответственно величинам разведения.
Баллы токсичности могут быть четко ранжированы и позволяют выстраивать ряд исследуемых веществ или вод по снижению (повышению)
уровня их токсичности.
Толерантность (tolerance) - выносливость (устойчивость) организма к
повреждающим воздействиям.
Диапазон толерантности - пределы колебаний концентраций токсических веществ, при которых не происходит нарушений функций организма.
Толерантный лимит (tolerance limit, TLm) - количественное выражение
концентрации токсиканта, при которой гибнет или выживает 50% тесторганизмов за 48 ч опыта.
Токсикорезистентность (toxin resistance)- сопротивляемость живых организмов к воздействию токсических веществ.
Токсобность (toxobity) - способность водных организмов существовать
в токсической среде, сорбируя или используя определенное количество токсического вещества.
Токсикометрия (toxicometry) совокупность приемов оценки токсичности веществ. Основними приемами токсикометрии являются установление
минимально переносимой или пороговой (threshold concentration) концентрации (LC0), медианной летальной концентрации (LС50), или дозы (LD50), и
зоны токсического действия (toxic effect limits) - диапазона токсических концентраций - от LC0 до абсолютно летальной (LC100).
Биомаркеры – это организмы и их характеристики, которые позволяют
диагностировать текущее состояние окружающей среды. В качестве харак96
теристик могут выступать физиологические, биохимические, иммунологические и другие свойства (процессы) организмов.
Биотические индексы – это интегрированные показатели состояния
условий среды, рассчитанные на основании балльной оценки различных биоиндикаторов.
Существуют количественные меры токсичности веществ для живых
организмов. Это показатели острой токсичности NOEC, LC0, LC50, LC100,
устанавливаемые для "чистого" вещества при его лабораторном исследовании. Показатели не имеет универсального значения и устанавливается для
каждого тест-объекта индивидуально.
NOEC - no observed effect concentration - максимально недействующая
концентрация вещества;
LC0 - минимальный порог чувствительности, при котором отмечаются
специфические тест-реакции или смертность тест-объектов;
LC50 - cтандартная мера токсичности вещества, показывающая, какая
концентрация вещества вызывает гибель 50% тест-организмов за установленное время (24, 48 или 96 ч)
LC100 - высший смертельный порог для всех животных или тесткультуры водорослей, использованных в опыте.
В случае несоблюдения основных требований содержания тестобъекты могут изменить чувствительность и в этом случае данные исследований будут носить только любительский характер. В соответствии с требованиями нормативных документов, исследования качества природных сред
проводятся на базе аттестованных лабораторий, обладающих необходимым
набором поверенных приборов, реактивов и квалифицированным персоналом.
Биотестирование, как правило, используют до химического анализа,
т.к. этот метод позволяет провести экспресс-оценку природной среды и выявить"горячие точки", указывающие на наиболее загрязненные учаскти акватории (территории, полигона). На участках, где методами биотестирования
выявлены какие-либо отклонения и исследуемая среда характеризуется как
токсичная, аналитическим путем необходимо установить причины этого явления.
На наиболее загрязненных акваториях (территориях) тест-объекты демонстрируют минимальную выживаемость (плодовитость) в тестируемых
средах, на основании чего делается вывод об острой (хронической) токсич97
ности тестируемой среды. Токсикометрические показатели, используемые в
биотестиоровании, позволяют картировать загрязненные районы.
Как правило, биотестирование не дает ответа на вопрос о характере загрязняющего вещества, вызывавшего ту или иную реакцию тест-объекта.
Тест-функции в биотестировании носят общий, неспецифический характер.
Однако количество загрязняющих веществ, попадающих в окружающую
среду, неуклонно возрастает и не исключено, что какое-либо вещество, или
смесь веществ, может привести к возникновению специфических реакций у
тест-объектов, особенно на клеточном или тканевом уровнях организации.
Присутствие в водоеме живых организмов еще не означает, что в нем
способны выживать и другие виды организмов, или некоторые, особенно
чувствительные их стадии развития. Иногда в водоемах наблюдают явление
"цветения" одноклеточных водорослей, некоторые из которых выделяют токсические продукты жизнедеятельности - метаболиты, вызывающие гибель
других видов водорослей, ракообразных, рыб.
Существует два методических подхода для определения токсичности
почв. Для экспресс-диагностики используют водные экстракты, содержащих
водорастворимые фракции почв. В этом случае биотестирование выполняют
на традиционных для водной токсикологии тест-объектах - ракообразных,
инфузориях, водорослях. При необходимости исследовать фитотоксические
свойства почв в качестве тест-объектов используют семена культурных растений - овса, кресс-салата и др. В этом случает показателями токсичности
служат энергия прорастания семян, морфометрические характеристики листа
и др.
Результаты исследований токсичности сточных вод методами биотестирования используются при расчетах и корректировке предельно допустимых сбросов (ПДС) веществ, поступающих в водные объекты со сточными
водами.
Пробы воды установленного объема должны быть отобраны в чистую
посуду c этикетками и помещены в холодильник с температурой 4°С. Образцы донных отложений или грунтов должны буть упакованы в полиэтиленовые мешки для проб, снабжены этикетками и помещены в холодильник с
температурой 0-4°С.
Исследования проводят как можно быстрее, не позднее, чем через 6 часов после отбора проб. При невозможности соблюдения этих требований ,
пробы охлаждают до 4 Ос на месте отбора. В этом случае анализ проводят не
позднее, чем через 48 часов после отбора.
98
При отсутствии возможности исследований в течение 48 часов, пробу
можно сохранять в замороженном состоянии 2 месяца.
Массовые виды организмов можно использовать для первичной оценки
острой токсичности среды, а также для введения в лабораторную культуру
необходимых для экспериментов животных. Однако необходимо помнить,
что организмы, взятые в природных водоемах, генетически неоднородны, часто и обитают в загрязненных водоемах и адаптированы к различным загрязняющим веществам. Для корректного использования таких организмов в качестве тест-объектов для биотестирования следует, как минимум, провести
их акклимацию в стандартных лабораторных условиях.
Оптимальным подходом можно считать более длительный и сложный,
но оправданный путь - получения достаточного для экспериментов количества потомства во втором и последующих поколениях. У ветвистоусых ракообразных, например, потомство от одной партеногенетической самки может
дать начало новой лабораторной культуре.
Из эндемиков или вселенцев растительного планктона или зоопланктона Каспийского моря для биотестирования можно использовать любые организмы для экотоксикологических исследований, однако распространенной
ошибкой будет считать эти исследования биотестированием.
Для выполнения биотестирования используют только стандартные методы и применяют их только к лабораторным тест-организмам, полученным
в аттестованных лабораториях или музейных коллекциях и культивируемым
в стандартных условиях, оговоренных в методиках. Ясно, что собранные в
природе организмы не отвечают этим условиям.
Существует практика введения в культуры тест-объектов, рекомендованных нормативными документами, из природных местообитаний. В этих
случаях обязательными этапами являются акклимация организмов к стандартными лабораторным условиям и проведение их проверки на чувствительность к стандартному токсиканту. В случае, если культура удовлетворяет
требованиям, предъявляемым к стандартным тест-объектам, ее можно содержать в музее культур и использовать для биотестирования.
В настоящее время рекомендованы универсальные тест-объекты, используемые как для биотестирования воды, так и для биотестирования донных осадков. При этом для биотестирования донных осадков готовят водные
экстракты (вытяжки), а тестирование происходит в жидкой фазе.
Известны зарубежные стандарты для биотестирования донных отложений
морских, солоноватоводных и пресноводных водоемов: морские бентосные
амфиподы (Corofium volutator), пресноводные и солоноватоводные хирономиды.
99
В 1984 г. в США Д. Маунтом и Т. Норбергом разработан 7-и суточный
тест на цериодафниях. Для использования в СССР тест был адаптирован в
лаборатории физиологии и токсикологии водных животных ИБВН РАН под
руководством проф. Б.А.Флерова.
Гибель тест-объектов – это не единственный критерий токсичности.
Существует достаточно много методов биотестирования, которые дают прекрасные результаты, но вытеснить выживаемость. а также плодовитость и
качество потомства они не смогли. Показатель "выживаемость/смертность" ,
конечно, не самый чувствительный. Но с него обычно начинают оценку токсичности природных или морских вод. Более важным для водной экосистемы
является критерий плодовитости и качества потомства. В биотестировании
используется лабораторная культура партеногенетических самок, которые
каждые 8-14 день рождают молодь, которая отличается от взрослых самок
только размерами. Это позволяет изучать влияние отдельных веществ в ряде
поколений, что очень важно для прогнозирования последствий попадания в
водную среду тех или иных токсикантов.
Этот же подход оценки характера движения тест-объектов реализован
в приборе "Биотестер", в который вставляются кюветы с инфузориями, обладающих отрицательным геотаксисом в норме (метод Пожарова, г. СанктПетербург). Луч прибора регистрирует количество организмов в верхней части кюветы именно благодаря движению инфузорий, так как оптически они
практически прозрачны.
2 вопрос лекции.
В целом человечество синтезировало свыше 7 млн. химических веществ, 70 тыс. из которых применяются в повседневной жизни. По данным
ВОЗ, вода сейчас содержит 13 тысяч потенциально токсичных веществ и
каждый год добавляется от 500 до 1000 новых. Выявлено и нормировано же
только около тысячи вредных веществ для водных объектов хозяйственнобытового и культурно-бытового использования и около 700 веществ для
рыбно-хозяйственных водоемов. При этом существующие методы анализа
могут выявить ПДК лишь 10% общего количества нормированных веществ.
К тому же, процессы эти сложны и длительны. Чтобы определить все показатели воды, нужно иметь соответствующее техническое оснащение, научный
и технический потенциал, средства на приобретение реактивов. А это далеко
не каждой лаборатории под силу. Стоимость анализа на определение содержания высокотоксичных соединений с низкими значениями ПДК может составлять сотни и тысячи долларов, причем такой анализ необходимо проводить в нескольких пунктах и с определенной периодичностью. Таким образом, проводить хороший анализ воды с каждым годом все сложнее.
100
Правда, на практике можно, конечное, проводить и экспресс-анализ воды на основе обобщенных показателей, таких как биохимическое или химическое потребление кислорода, содержание общего или растворимого органического углерода (для определения суммарного количества органических
веществ, потребляющих кислород), содержание адсорбируемых или экстрагируемых органических галогенов (для выявления суммарного содержания
галогеносодержащих органических соединений, представляющих серьезную
опасность для окружающей среды), измерение уровня рН, мутности, цвета
воды, органолептики и др. Внедрение обобщенных показателей в практику
экспресс анализа существенно снижает число определяемых методами аналитической химии структурных компонентов, и в ряде случаев ограничивается лишь определением следов тяжелых металлов такими аппаратными методами, как атомно-абсорбционная или атомно-эмиссионная спектроскопия,
о которых уже говорилось на нашем сайте.
Но даже если полный перечень вредных веществ и загрязнений определен, и количество каждого из них ниже ПДК, гарантировать высокое качество воды методом экспресс-анализа достаточно сложно. Связано это с групповым воздействием на организм содержащихся в воде веществ и химических элементов. Их взаимовлияние может настолько трансформировать воздействие на организм человека, что ПДК на отдельное вещество или химический элемент не будет отражать их истинную токсичность.
Все эти проблемы свидетельствуют о необходимости определять качество питьевой воды не только по структурному составу, но и по интегральной функциональной характеристике. Такой функциональный подход можно
использовать как метод оперативного экспресс-анализа, что весьма существенно для системы экомониторинга. Существующая система обеспечения
единства измерений физических параметров жидких сред на современной
промышленной метрологически аттестованной аппаратуре разработана достаточно хорошо только для традиционных химических показателей. По бактериологическим показателям измерения проводятся стандартизированными
“лабораторными” методами, характеризуемыми исключительной надежностью. Но эти методы анализа длительны и трудоемки (результаты можно получить только через 24-48 ч), их нельзя реализовать в системе автоматизированного контроля и трудно использовать в полевых условиях.
Из методов исследования интегральных характеристик среды наиболее
доступно биотестирование. Биотестирование воды на токсичность проводят
на совокупности водных организмов, позволяющей оценивать действие того
или иного химического компонента на сложный биоценоз. В качестве оценочного критерия функционального качества воды могут быть выбраны выживаемость, скорость размножения, жизненная активность микроорганизмов.
При проведения экспресс-анализа этим методом должны быть стандартизированы условия проведения опыта (температура среды, освещенность, кис101
лотность, состав питательного раствора, количество живых организмов и
т.д.).
При этом наиболее сложная задача мониторинга экспрессными методами – измерение бактериального и вирусного состава водной среды. Из современных инструментальных средств можно отметить лазерные системы
проведения микробиологических исследований (лазерной, инфракрасной
спектроскопии).
Многие вопросы аппаратного обеспечения гидромониторинга могут
быть решены с помощью сенсоров – чувствительных элементов устройств
экспресс-анализа, которые можно устанавливать непосредственно в местах
загрязнения, а показания считывать дистанционно в автоматическом режиме
работы аппаратуры. Для определения загрязнений природных и сточных вод
наиболее распространены электромеханические преобразователи (амперометрические, потенциометрические, ионоселективные, на основе полевых
транзисторов). Так, амперометрические сенсоры применяют для определения
содержания в сточных водах СО2, аммиака, этанола, глутаминовой кислоты.
Биосенсоры просты в исполнении, доступны, обладают широкими возможностями распознавания индивидуальных компонентов, в том числе и
различных бактериальных форм, при массовом производстве дешевы. Ферментативные реакции биохимической природы по своей скорости на 9-12 порядков превосходят аналогичные химические реакции. Их проведение не
требует жестких агрессивных условий (высокой температуры, сильной щелочности или кислотности). Фермент в ходе реакции не расходуется, действуя лишь как высокоспецифичный катализатор, и может быть использован
многократно и в малых количествах. Отличительная особенность ферментных сенсоров и иммуносенсоров – исключительная селективность при определении отдельных органических веществ, в том числе пестицидов.
На основе биосенсоров могут быть созданы многокомпонентные анализаторы, способные распознавать одновременно несколько биологических
компонентов. С созданием многокомпонентных датчиков-анализаторов появляется возможность построения автоматизированной информационноизмерительной системы на базе низкоскоростной компьютерной сети.
Широкое применение сенсоры также могут найти в экспрессных тестсистемах. Принцип их действия заключается в введении исследуемой пробы
воды в систему, содержащую выявляемый фермент и его субстрат, с последующей регистрацией изменения оптических свойств тест-системы. Этот
процесс в первую очередь – тест на наличие в пробах воды ингибирующих
ферменты загрязняющих веществ антропогенного происхождения (органические вещества и тяжелые металлы, поступающие с выносом рек), а также на
возникающую в таких условиях неблагоприятную ситуацию, способствую102
щую развитию патогенной микрофлоры. Предназначены тест-системы для
контроля функционального состояния и качества различных многокомпонентных природных сред (природных вод, донных отложений, взвесей и др.).
На сегодняшний день существуют следующие методы анализа воды,
которые могут быть использованы для экспресс-анализа:
титрометрия
потенциометрия
спектрофотометрия
турбидиметрия
нефелометрия
кондуктометрия
атомно-абсорбционная спектрофотометрия
фотометрия и пламенная фотометрия
газовая хроматография
флюорометрия
Лекция 8
Боиндикация состояния почвенного покрова
План
1. Основные последствия действия пыли и золы на ПТК
2. Изменение кислотности почв, растения-индикаторы кислотности и богатства почв
3. Механический состав почв, литоиндикаторы
4. Показатели и индикаторы почвенного плодородия
5. Индикация засоленности почв – постоянные, переменные, отрицательные индикаторы
6. Индикация типов почв
1 вопрос лекции. Основные последствия действия пыли и золы на
ПТК
При оценке экологического состояния окружающей среды огромную
роль играет изучение почвенного покрова. Почва - это единственный компонент ландшафта, который возникает в результате взаимодействия всех других его компонентов: горных пород, климата, природных вод, растительности, микроорганизмов и животных. Являясь основной депонирующей средой,
почвы сами могут рассматриваться как интегральный индикатор загрязнения
природно-территориального комплекса (ПТК), дающий представление о качестве связанных с почвами жизнеобеспечивающих сред - атмосферного воздуха, природных вод и литогенной основы. Однако загрязненные почвы являются источниками вторичного загрязнения приземного слоя воздуха, по103
верхностных и грунтовых вод; из почв растения поглощают минеральные
вещества, вовлекая их в биологический круговорот. Таким образом, почвенный покров определяет миграцию химических элементов по цепи питания,
поэтому изучение его состояния представляет собой существенную часть работ по оценке влияния антропогенных факторов на природную среду.
В предыдущих лекциях были рассмотрены вопросы биоиндикации воздействия аэротехногенного загрязнения. С выбросами промышленных предприятий и транспорта в воздух попадают твердые частицы, осаждающиеся в
дальнейшем на поверхности земли. Действие пыли и золы на ПТК многообразно и в результате происходит следующее:
1. Оседание на надземные органы растений и фолиарное поглощение,
вовлечение доступных форм в биологический круговорот.
2. Изменение физических и химических характеристик почв:
—изменение механического состава,
—изменение общей насыщенности основаниями (сдвиги рН и т. д.),
—накопление токсичных веществ.
3. Водная миграция поллютантов и загрязнение природных вод.
4. Корневое поглощение растениями, поступление в биологический
круговорот, миграция по цепи питания.
Среди наиболее распространенных загрязняющих веществ следует указать: биогенные компоненты (N, Р, К, Са и др.), макрокомпоненты (Fe, Al, Si,
Na, Mg и др.), микрокомпоненты, в том числе ТМ (Си, Zn, Pb, Cd, Ni, Cr, Hg,
As, Sb, Co, Mn, Ba Sr, Mo, V и др.).
Геохимическая оценка состояния окружающей среды составляет
неотъемлемую часть экологических исследований, на базе которой осуществляется верификация реакций биоты на стрессовые воздействия и строится система методов биоиндикации. В качестве эталонов сравнения используется кларк содержания химических элементов в почвах и растениях континентов (Брукс, 1986; Добровольский, 1998; и др.). При работе в конкретных
условиях одной из основных задач является выявление региональных фоновых содержаний химических элементов, так называемого регионального фона. Именно сравнение содержаний поллютантов в фоновых и антропогенно
нарушенных местообитаниях позволяет дать качественнную и количественную оценку характера загрязнения.
Почва составляет единую систему с населяющими ее популяциями
разных организмов. В зависимости от сочетания природных и антропогенных
факторов почвы отличаются составом биоты и направленностью биохимических процессов. Различные показатели имеют тесную корреляционную связь
между собой и могут использоваться как биоиндикаторы экологического состояния почвы. Это, прежде всего, показатели биологической активности
почвы, в числе которых могут быть использованы характеристики численности и биомассы микроорганизмов, их продуктивность, интенсивность накопления продуктов метаболизма, газообмена и активность ферментов.
104
Изучение содержания химических элементов в незагрязненных почвах
имеет большое практическое значение. Оно необходимо для контроля за состоянием окружающей среды, охраны ее от загрязнения. Так называемое фоновое количество химических элементов служит точкой отсчета при исследовании загрязнения почв, позволяет определить характер и степень их изменения.
Химический состав растений, получающих элементы минерального питания из почвенных растворов, является важным показателем процессов,
происходящих в экосистеме. Он зависит, прежде всего, от содержания химических элементов в окружающей среде, степени их доступности растениям, а
также от избирательного их поглощения в зависимости от систематической
принадлежности видов. Поэтому одним из важных аспектов оценки состояния природной среды стало изучение состояния почвенного покрова и определение содержания в почвах загрязняющих веществ, в том числе ТМ, радионуклидов, НУ и т.д. Геохимическая оценка состояния окружающей среды
составляет неотъемлемую часть экологических исследований, на базе которой осуществляется верификация реакций биоты на стрессовые воздействия
и строится система методов биоиндикации.
2. Изменение кислотности почв
Одной из важных характеристик почв является их кислотность. Она
определяется содержанием ионов Н+ и А13+ в почвенных растворах. Кислотность почв выражают через величину рН -отрицательный логарифм концентрации ионов Н+ в почвенном растворе. Показатель рН может изменяться от
0 до 14, в природе диапазон его варьирования - от 2,5 до 12,5. В естественных
условиях наиболее кислыми субстратами являются олиготрофные сфагновые
торфяники и сильно-оподзоленные почвы. Сильнокислой реакцией обладают
также латеритные коры выветривания -желтоземы и красноземы. Щелочная
реакция почвенных растворов характерна для солодей, содержащих в почвенно-поглощающем комплексе Na. Нейтральная и близкая к ней реакция
среды, наиболее оптимальная для развития большинства живых организмов,
отмечается в черноземах и дерново-карбонатных почвах. Изменение величины рН почвенных растворов происходит при различных антропогенных воздействиях: сельскохозяйственном использовании земель, заболачивании территорий, выпадении кислотных дождей, аэротехногенных выпадениях и т. п.
В процессе развития живые организмы приспособились к обитанию в
определенных кислотно-щелочных условиях. Для определения кислотности
почв и изменения ее под влиянием природных и антропогенных факторов
удобнее всего использовать индикакторные виды растений и особенности состава фитоценозов.
В экологии растений существует следующая классификация видов
по отношению к рН окружающей среды:
ацидофилы - растения, произрастающие на кислых почвах;
базифлы — растения, произрастающие на щелочных почвах;
нейтрофилы — растения почв с нейтральной реакцией.
105
Приуроченность растений к почвам с определенным значением рН дает
возможность использовать растительность в качестве индикатора кислотнощелочных условий почвенных растворов. Индикаторная значимость видов
дана при их массовом или обильном произрастании.
Биоиндикация процессов закисления, нейтрализации или подщелачивания почвенных растворов проводится с использованием фитоиндикаторов
кислотности почв, а также изменения видового состава биоценоза и его динамики во времени.
Лекция № 9
Тема: «Международная программа по биоиндикации»
План:
1. Международная программа по биоиндикации
Биологические системы, применение которых возможно для выявления
вредных антропогенных веществ, весьма разнообразны. Программа МСБН
"Биоиндикаторы" подразделяет их на шесть подгрупп в соответствии с шестою биологическими- дисциплинами.
Микробиология. Микроорганизмы быстро реагируют на загрязнение
воды и почвы. Некоторые микроорганизмы особо чувствительны к определенным веществам, другие принимают участие в распаде загрязнителей. Указанием на изменение окружающей среды может быть элиминация или увеличение разнообразия видов. Перемены в сообществе микроорганизмов, обеднение видового состава могут быть вызваны присутствием в среде специфических токсических агентов.
Ботаника.
Для обнаружения специфических загрязнений воздушного бассейна и
для прослеживания его динамики возможно применение чувствительных видов. К их числу относятся низшие растения, лишайники, грибы, многие высшие растения. Соответствующий подбор организмов позволяет обнаружить
как длительные, так и кратковременные воздействия загрязнения.
Толерантные или индикаторные виды используются для определения
границ распространения конкретных почвенных условий. Они указывают на
рН почвы, ее плодородие, концентрацию тяжелых металлов и могут быть использованы для картирования почв. Индикационными свойствами обладают
также фитоценотические характеристики растительных сообществ в целом,
степень изменения которых свидетельствует о глубине протекающих в нем
процессов под влиянием загрязнения воздуха и почв.
Зоология.
Изучение отдельных видов, а также целых сообществ может стать источником разнообразных сведений, касающихся накопления химических веществ в теле животных. Исследования дают возможность более эффективного выбора подходящего индикаторного вида, который может быть использо106
ван для определения степени токсичности вещества в продуктах питания людей.
Клеточная биология и генетика.
Превосходными биоиндикаторами являются клеточные и субклеточные
(включая, хромосомы) компоненты организма, адаптированные к определенным условиям природной среды. Уже имеются и, возможно, еще появятся
многочисленные тест-системы in vitro и in vivo для кратковременного и долгосрочного слежения за изменениями природной среды.
Сравнительная физиология.
Многие животные, при появлении новых агентов в окружающей среде,
изменяют свое поведение. Загрязнитель, попав на покровы тела или в органы
дыхания может быть удален рефлекторным путем. Некоторые загрязнители
так изменяют поверхность соприкосновения, что нарушается протекание
жизненно важных обменных процессов. Загрязнение в пище либо выводится
пищеварительным трактом, либо проникает в организм через его различные
отделы. Такие химические вещества проникнув в организм, могут влиять на
функционирование эндокринной, нервной, мышечной, сердечно-сосудистой
и выделительной систем, функциональные изменения могут быть исследованы на морфологическом, биохимическом и физиологическом уровнях и могут указывать на присутствие в окружающей среде опасных веществ.
Гидробиология.
Зоны распределения или спектр видов, чувствительных к качеству воды, отражают состояние водного бассейна. Необходимо только подобрать
соответствующий вид-индикатор для конкретных токсикантов-таких, как тяжелые металлы, пестициды или другие синтетические химические вещества,
кислоты. В последние годы в связи с быстрым развитием атомной энергетики
возникла необходимость выбора видов-индикаторов для оценки теплового
загрязнения.
Лекция № 10
Тема лекции: «Эмиссионно-экологический кадастр»
План лекции:
1. Правила ведения государственного учета, кадастра и
мониторинга животного мира в Республике Казахстан (Постановление
Правительства Республики Казахстан от 5 января 2005 года N 1, САПП
Республики Казахстан, 2005 г., N 1, ст.2).
В соответствии с подпунктом 18 статьи 8 Закона Республики Казахстан от 9 июля 2004 года "Об охране, воспроизводстве и использовании животного мира" Правительство Республики Казахстан утвердило Правила ведения государственного учета, кадастра и мониторинга животного мира в
Республике Казахстан. На основании этого определило ответственными за
107
ведение государственного учета, кадастра и мониторинга животного мира
следующие государственные органы Республики Казахстан:
1) по животным, отнесенным к объектам охоты и используемым в иных
хозяйственных целях, по насекомым - вредителям леса и насекомым, полезным для леса, по животным, занесенным в Красную книгу Республики Казахстан - Комитет лесного и охотничьего хозяйства Министерства сельского
хозяйства Республики Казахстан;
2) по рыбам и другим водным животным, отнесенным к объектам рыболовства и используемым в иных хозяйственных целях - Комитет рыбного
хозяйства Министерства сельского хозяйства Республики Казахстан;
3) по насекомым - вредителям растений (кроме насекомых вредителей
леса) и насекомым, полезным для сельскохозяйственных культур - Министерство сельского хозяйства Республики Казахстан.
Государственные учет, кадастр и мониторинг животного мира в Республике Казахстан ведутся для целей государственного управления охраной,
воспроизводством и устойчивым использованием животного мира, а также
сохранения биологического разнообразия и среды обитания животных. Учет,
кадастр и мониторинг включают совокупность сведений о состоянии и географическом распространении животного мира, среде обитания, численности, результатах регулярных наблюдений, информацию об их хозяйственном
использовании и т.д. на всей территории Республики Казахстан. Учет, кадастр и мониторинг животного мира ведутся по единой для республики системе, методике и показателям по группам животных: млекопитающие, птицы, пресмыкающиеся, земноводные, рыбы, в том числе насекомые.
Кадастр животного мира Республики Казахстан содержит систему необходимых сведений и документов о распространении, биологическом состоянии, численности, характере и интенсивности хозяйственного использования видов (групп видов) диких животных, постоянно или временно обитающих на территории республики в условиях естественной свободы, в неволе
или полувольных условиях, а также основные данные об условиях существования (среде обитания) этих животных, проводимых биотехнических, охранных, восстановительных и иных мероприятий.
Составляющими кадастра животного мира Республики Казахстан являются:
1) книга генетического фонда животного мира - ведется уполномоченным
государственным органом, осуществляющим руководство в области науки и
научно-технической деятельности. Она обеспечивает единую зоологическую
основу учета и кадастра животного мира и содержит сведения о: составе фауны республики; систематическом положении видов животных, их научные
108
названия; распространении и численности животных; тенденции изменения
состояния экологических систем и популяций; хозяйственном использовании
животных;
2) кадастровые книги видов животных, являющихся объектами охоты и
видов животных, используемых в иных хозяйственных целях - ведутся уполномоченным органом в области охраны, воспроизводства и использования
животного мира, за исключением рыбных ресурсов и других водных животных, и уполномоченным государственным органом, осуществляющим руководство в области науки и научно-технической деятельности, по данным,
представляемым его территориальными органами, учреждениями по охране
животного мира, особо охраняемыми природными территориями;
3) кадастровые книги рыб и других водных животных, отнесенных к
объектам рыболовства и рыб и других водных животных, используемым в
иных хозяйственных целях - ведутся уполномоченным органом в области
охраны, воспроизводства и использования рыбных ресурсов и других водных
животных и уполномоченным государственным органом, осуществляющим
руководство в области науки и научно-технической деятельности, по данным, представляемым его территориальными органами, особо охраняемыми
природными территориями;
4) сельскохозяйственная кадастровая книга беспозвоночных животных
- ведется уполномоченным органом в области защиты растений и уполномоченным государственным органом, осуществляющим руководство в области
науки и научно-технической деятельности, по данным, представляемым его
территориальными органами о насекомых - вредителях растений и полезных
для сельского хозяйства;
5) лесная кадастровая книга беспозвоночных животных - ведется уполномоченным органом в области лесного хозяйства и уполномоченным государственным органом, осуществляющим руководство в области науки и
научно-технической деятельности, по данным, представляемым его территориальными органами, особо охраняемыми природными территориями, включающим сведения о насекомых - вредителях леса и полезных для лесного хозяйства;
6) кадастровая книга редких и находящихся под угрозой исчезновения
видов животных - ведутся соответствующими уполномоченными органами и
уполномоченным государственным органом, осуществляющим руководство
в области науки и научно-технической деятельности, на основании данных о
видах животных, занесенных в Красную книгу Республики Казахстан, представляемых их территориальными органами, особо охраняемыми природными территориями;
7) годовые отчеты пользователей животным миром;
109
8) материалы учетов численности животных.
Нельзя забывать о том, что кадастр животного мира ведется на основе
цифровых геоинформационных систем и является составной частью Единой
системы государственных кадастров природных объектов Республики Казахстан. Результаты учета и регистрации объектов животного мира, полученные
в рамках кадастров, передаются в Единую систему государственных кадастров природных объектов Республики Казахстан безвозмездно. Мониторинг
животного мира представляет собой систему регулярных наблюдений за распространением, численностью, физическим состоянием объектов животного
мира, структурой, качеством и площадью среды их обитания. Он проводится
в целях выявления и оценки происходящих изменений, предупреждения и
устранения последствий негативных процессов и явлений для сохранения
экологических систем и биологического разнообразия, обеспечения сбалансированного и устойчивого использования животного мира. Данные мониторинга животного мира используются для ведения кадастров животного мира.
Государственный контроль за ведением учета, кадастра и мониторинга осуществляются соответствующими уполномоченными органами, центральным
исполнительным органом в области охраны окружающей среды и их территориальными органами.
Контрольные вопросы:
1.Кто проводит гос.учет животных, растений, рыб и насекомых в РК?
2. Как проводится мониторинг животного мира?
3. Что такое кадастр и цель его создания?
4. С какой целью был создан Кадастр животного мира в РК?
5. Какие направления работы Кадастра вы знаете?
Лекция № 11
Тема лекции: «Представление о мониторных организмах»
План лекции:
1.Микроорганизмы как индикаторы
2. Использование беспозвоночных в качестве индикаторных организмов
3. Использование позвоночных для определения микроколичеств
элементов
1 вопрос лекции.
110
Характерной чертой современной науки является создание новых методов на стыках различных смежных областей науки. Примером служит развитие биологических методов анализа, базирующихся на достижениях таких
областей биологии, как микробиология, зоология, ботаника, а также аналитической химии.
Биологические методы основаны на том, что для жизнедеятельности роста, размножения и функционирования живых существ необходима среда
строго определенного химического состава. При изменении этого состава,
например при исключении из питательной среды какого-либо компонента
или введении дополнительного (определяемого) соединения, организм через
какое-то время, иногда практически сразу подает соответствующий ответный
сигнал. Установление связи характера или интенсивности ответного сигнала
организма (называемого индикаторным) с количеством введенного в среду
или исключенного из среды компонента служит для его обнаружения или
определения. Аналитическими индикаторами в биологических методах являются различные живые организмы, их органы и ткани, физиологические
функции, биохимические реакции и т.д. Для биологических методов характерны своя методика эксперимента, аппаратура и способ регистрации ответного сигнала индикаторного организма.
Все вещества по отношению к живым организмам можно условно разделить на:
1) жизненно необходимые,
2) токсичные,
3) физиологически неактивные.
Очевидно, только в двух первых случаях можно ожидать сравнительно
быструю ответную реакцию организма (аналитический сигнал). Физиологически неактивные вещества могут дать отдаленный результат, или их можно
перевести в активное состояние в результате реакций взаимодействия с ингибиторами либо стимуляторами процессов жизнедеятельности организмов.
От характера определяемого вещества зависит выбор того или иного
индикаторного организма. Его ответный сигнал на изменение химического
состава твердой, жидкой или воздушной сред может быть самым разнообразным: изменение характера поведения (поведенческие реакции); стимуляция
или подавление роста, накопления биомассы; изменение пигментации, состава крови, биоэлектрической активности органов и тканей; нарушение функций органов пищеварения, дыхания, размножения; патолого-анатомические
изменения организма. Обобщенным показателем эффективности действия
определяемого соединения на индикаторный организм является либо выжи111
ваемость, либо летальный исход. Все перечисленные или какие-либо другие
изменения индикаторного организма в отдельности или в совокупности могут быть использованы в качестве аналитического сигнала, который можно
измерить физико-химическим методом или оценить визуально.
Механизм взаимодействия определяемого химического соединения и
индикаторного организма чрезвычайно сложен, это взаимодействие схематично можно представить следующей схемой:
Выбор способа регистрации ответного сигнала на заключительной стадии выполнения анализа зависит как от целей анализа, так и от механизма и
степени взаимодействия определяемого вещества и индикаторного организма. Чем сложнее организм, тем большее число его жизненных функций можно использовать в качестве аналитических индикаторов, тем выше информативность биологических методов анализа. Ответный сигнал индикаторного
организма на одно и то же вещество зависит от концентрации последнего:
малые концентрации обычно стимулируют процессы жизнедеятельности организма, высокие угнетают. Существенное повышение концентрации биологически активного вещества приводит к летальному исходу.
Диапазон определяемых содержаний, предел обнаружения соединений
зависят от физико-химических и биологических факторов: направленности и
продолжительности воздействия химического соединения на организм; температуры, рН среды; уровня организации индикаторного организма, его индивидуальных, возрастных, половых особенностей.
В роли индикаторного организма могут выступать микроорганизмы,
беспозвоночные, позвоночные. Применение этих индикаторных организмов в
анализе мы и рассмотрим в статье. При этом следует отметить, что в последние годы все большее внимание ученых привлекают растительные индикаторы. Так, например, по скорости роста, увеличению массы, разветвленности
корней растений можно оценить содержание в почве тяжелых металлов
(свинца, кадмия).
Наиболее часто в качестве индикаторных организмов используют микроорганизмы: бактерии (рода Bacilus, Pseudomonas, Escherichia, стафилококки), актиномицеты, плесневые грибы, дрожжи, водоросли. Микроорганизмы
широко распространены в природе - они присутствуют в почве, водоемах,
илах, воздухе; обладают высокой чувствительностью к действию биологически активных веществ; просты в культивировании и хранении; длительное
время сохраняют свои свойства в виде лиофилизированных препаратов.
Методы определения веществ с использованием микроорганизмов
предполагают культивирование чистых индикаторных культур на плотных
или жидких питательных средах при постоянных условиях (температуре, рН,
112
воздухообмене, влажности), а также учет фаз их роста, зависящих от физиологического состояния клетки.
Изменение химического состава питательной среды приводит к подавлению или стимуляции роста как отдельной клетки микроорганизма, так и
популяции в целом, и сопоставление наблюдаемого отклика организма с контрольным опытом, проводимым в постоянной по составу питательной среде,
является основой биологического метода анализа.
На плотных питательных средах регистрируют изменения внешнего
вида колоний, их размеров и формы, характерной для каждого вида микроорганизмов. Методы определения биологически активных веществ при этом
основаны на диффузии их в агаризованную среду с образованием зон угнетения или стимуляции роста. Диаметр этих зон является линейной функцией
концентрации определяемых веществ в некотором ее интервале. При постоянном составе среды, оптимальных для данного организма рН и температуре
величина зон зависит от толщины питательного слоя: чем толще слой, тем
меньше зона. Для анализа микробиологических систем возможно использование явления дифракции света на микроорганизмах.
Характер роста культуры в жидких питательных средах, содержащих
все необходимые компоненты, более однообразен, чем на поверхности твердых питательных сред. В зависимости от количества определяемого компонента, введенного в прозрачную питательную среду, изменяется помутнение
культурального раствора по сравнению с контрольным раствором: при подавлении роста культуры интенсивность помутнения нарастает медленно,
при стимулирующем действии определяемого вещества либо иона анализируемый раствор мутнеет значительно быстрее контрольного. По данным
нефелометрических (фотометрических) измерений строят градуировочный
график зависимости интенсивности изменения оптической плотности исследуемого раствора от концентрации определяемого вещества, с помощью которого и получают результаты анализа. Продолжительность анализа с использованием быстро растущих культур составляет не менее 3,5-4 ч. В зависимости от характера среды интенсивность роста (размножения, угнетения)
популяций оценивают оптическими, диффузионными или электрохимическими методами.
При выборе индикаторной культуры для решения конкретной аналитической задачи следует принимать во внимание пищевые потребности организмов. Так, например, автотрофные микроорганизмы питаются в основном
неорганическими солями и не нуждаются в органических соединениях. Для
питания гетеротрофных бактерий, дрожжевых культур, плесневых грибов
необходимы органические вещества.
113
К широко используемым в неорганическом анализе микроорганизмам
относятся плесневые грибы рода Aspergillus. Наибольшим токсическим действием на эти культуры обладают нитраты ртути (II), кадмия, таллия, что
объясняется блокированием ими SH-групп молекул белка микроорганизмов.
Из анионов наиболее токсичными для исследованных грибов являются и в
концентрациях 1,0 и 0,1 мМ соответственно.
Грибы как аналитические индикаторы широко используют при анализе
почв на содержание (на уровне 1 пг/мл - 10 нг/мл) биогенных элементов минерального питания высших растений, например цинка, меди, марганца, железа, молибдена. Возможно также определять в почвах усвояемые формы калия, фосфора, углерода, азота, серы. При этом учитывают то, что эффективности физиологического воздействия различных элементов на растения и
микроорганизмы принципиально не различаются. Микробиологические методы анализа в данном случае часто оказываются более информативными,
чем химические, так как позволяют определять не валовое содержание элементов, а их физиологически активные формы, влияющие на жизнедеятельность растений. Это позволяет наиболее полно характеризовать плодородие
почв.
Ростовые реакции микроорганизмов, изменяющиеся под действием
различных химических соединений, применяют в анализе природных и сточных вод. С использованием бактерий и дрожжей разработан диффузионный
метод обнаружения в сточных водах фенолов, нефтепродуктов, фосфор- и
элементоорганических соединений. Иллюстрацией возможностей применения микроорганизмов в аналитических целях является схема 1.
Чрезвычайно высокой чувствительностью определения некоторых биологически активных соединений отличается биолюминесцентный метод, основанный на реакции окисления кислородом воздуха субстрата люциферина,
катализируемой ферментами люциферазами, выделенными из различных видов морских светящихся бактерий Photobacterium, Beneckea или жуковсветляков. Наряду с люциферином и люциферазой для протекания указанной
реакции необходима аденозинтрифосфорная кислота (АТФ), которая участвует в многочисленных метаболических реакциях в организме, являясь аккумулятором энергии и ее источником для самых разных процессов, протекающих в живой клетке. Содержание АТФ в тканях, растительных и живых
клетках свидетельствует об энергетическом состоянии клеток. При угнетающем или стимулирующем действии каких-либо веществ на рост микроорганизмов содержание АТФ в них соответственно понижается или повышается.
Специфичность действия люциферазы светляков по отношению к АТФ, высокий квантовый выход реакции позволили создать на этой основе высокочувствительные (с пределами обнаружения 10-17-10-15 М) и селективные
методы определения АТФ, а также различных метаболитов, в процессе превращения которых образуется АТФ. Биолюминесцентный метод определения
114
содержания АТФ в живых (растущих или гибнущих) клетках используют для
экспресс-определения антибиотиков в крови, микробных бактерий в моче,
для изучения повреждения клеточных мембран и других биохимических анализах и исследованиях.
Микроорганизмы широко применяют при изучении антибиотической
активности веществ, их биологической роли, контроле технологических процессов промышленного производства антибиотиков, витаминов и аминокислот. Следует отметить еще один важный аспект применения микроорганизмов в химическом анализе - концентрирование и выделение микроэлементов
из разбавленных растворов. Потребляя и усваивая микроэлементы в процессе
жизнедеятельности, микроорганизмы могут селективно накапливать некоторые из них в своих клетках, очищая при этом питательные растворы от примесей. Например, плесневые грибы применяют для избирательного осаждения золота из хлоридных растворов, очистки растворов от ионов меди, цинка,
железа.
2 вопрос лекции.
Ответным сигналом простейших на изменение химического состава
среды является раздражение, приводящее к каким-либо изменениям других
биохимических и физиологических функций организма.
Наиболее изученными с точки зрения использования в аналитических
целях являются инфузории Paramecium caudatum. C их помощью возможно
определение ионов тяжелых металлов, однако они непригодны для обнаружения и определения анионов. Скорость движения инфузорий повышается
при введении в среду их обитания микроколичеств этанола, сахарозы, фурфурола, альдегидов, уксусной кислоты, хлоридов кальция и аммония; добавление хлорида бария замедляет движение клеток. Элементоорганические соединения при определенных концентрациях могут действовать как стимуляторы их размножения. Поведенческие реакции, скорость размножения инфузорий используют для определения указанных выше веществ (табл. 1).
Водных беспозвоночных - ракообразных (чаще всего ветвистоусых
рачков, дафний) широко применяют для оценки санитарно-гигиенического
состояния вод [5]. В качестве аналитического сигнала в этом случае используют некоторые физиологические показатели: выживаемость, поведенческие
реакции, частоту движения ножек, период сокращения сердца (у дафний),
окраску тел погибших организмов. Патологические процессы в организмах в
зависимости от концентрации определяемого химического соединения могут
протекать быстро: сначала наблюдается общее возбуждение, переходящее в
депрессию, а затем в результате нарушения деятельности органов движения,
дыхания, кровеносной и нервной систем наступают потеря подвижности и
летальный исход.
115
Наиболее исследованными и используемыми в качестве индикаторных
организмов являются дафнии, отличающиеся простотой круглогодичного
культивирования в лабораторных условиях, высокой чувствительностью и
избирательностью к действию различных токсичных органических соединений (см. табл. 1). К важным факторам относится также возможность автоматической регистрации ответного сигнала дафний на загрязнение окружающей
среды. Изменение частоты движения грудных ножек Daphnia magna, так же
как и изменение периода сокращения ее сердца, фиксируемое с помощью
специальной аппаратуры, является критерием оценки чистоты вод. Регистрацию изменения скорости и траектории движения, фототаксического поведения насекомых (личинок комаров, жука долгоносика, дрозофилы), выживаемости этих организмов используют для определения остаточных количеств
пестицидов в воде, экстрактах из почв, растительных и животных тканях.
Наблюдения под микроскопом формы и скорости движения червей,
например нематод, пиявок и коловраток, фиксирование продолжительности
их жизни позволяют определять микроколичества ионов металлов. В зависимости от концентрации металла в растворе нематоды ведут себя по-разному:
в разбавленных растворах они быстро изгибаются то в одну, то в другую сторону, совершая как бы S-образные движения; с повышением концентрации
движения становятся вялыми, замедляются. При достижении определенной
критической концентрации металла организмы могут погибнуть, о чем свидетельствует выпрямление их тел. Методами последовательного разбавления
анализируемого раствора до отрицательной реакции нематод на введение
ионов, а также фиксирования продолжительности их жизни в зависимости от
концентрации ионов металлов возможно определение микрограммовых количеств серебра, кадмия, цинка и меди.
3 вопрос лекции.
Классическими индикаторными организмами, широко используемыми
для решения многих медико-биологических проблем, являются амфибии. На
изолированных органах и тканях лягушки Rana ridibunda либо на всем организме проверяется физиологическая активность многих фармацевтических
препаратов. Биопотенциал нервной ткани можно использовать в качестве индикатора для определения концентрации кислот и щелочей, некоторых тяжелых металлов. По усилению либо угнетению биоэлектрической активности
седалищного нерва лягушки можно оценить содержание хлорида марганца на
уровне 1 нМ либо 1 мкМ соответственно. В биологических методах анализа
возможно использование вазомоторных реакций организма млекопитающих.
Известны несколько путей, по которым реализуется действие химических соединений на тонус сосудов: мембрану гладкомышечных тканей, метаболизм
сосудов, специфические клеточные рецепторы сосудов и т.д. Высокой чувствительностью к микроэлементам обладают мозговые сосуды, что позволяет
определять следовые количества кадмия, ртути, свинца, марганца, кобальта,
116
никеля, меди; при этом предел обнаружения, например, меди(II) составляет
0,6 нг.
Таким образом, биологические методы анализа, основанные на использовании в качестве аналитического сигнала специфических отклонений индикаторных организмов от нормы, позволяют с достаточно высокой чувствительностью определять широкий круг неорганических и органических физиологически активных соединений в различных объектах, прежде всего объектах окружающей среды, лекарственных препаратах. По чувствительности
они превосходят химические методы, сопоставимы, как правило, с традиционными физическими методами анализа, уступая таким современным спектроскопическим методам, как атомная абсорбция с термической атомизацией, атомная эмиссия с возбуждением в высокочастотной плазме, методу инверсионной вольтамперометрии и некоторым другим. Важным преимуществом биологических методов является их простота, отсутствие дорогостоящего и сложного оборудования, необходимого для указанных выше методов.
Избирательность этих методов, которая не всегда достаточно высока, может
быть повышена обычными способами: разделением, маскированием, изменением параметров среды (рН, температуры). Биологические методы часто не
являются экспрессными, но их достоинства заключаются в том, что они не
требуют специальной пробоподготовки и выделения определяемого соединения; позволяют проводить анализ вод, почв в экспедиционных условиях
непосредственно на месте отбора проб. С их помощью возможно значительно упростить анализ самых разных, в частности природных, объектов, оценивая на первой его стадии степень общего загрязнения и общей токсичности
объекта для живого организма и целесообразность его дальнейшего детального анализа другими более сложными и дорогостоящими методами.
Лекция № 12
Тема лекции: «Биоиндикационные наблюдения за состоянием ОС»
План лекции:
1.
Проведение оценки нарушенности фитоценоза.
2.
Применение фитоиндикации
3.
Засоленность почв
1 вопрос лекции.
Для растительного покрова выделяют 2 составные, каждая из которых
система:
1. Флора – как материальная система географических популяций видов, она
организована связями между популяциями, которые ощущаются через обмен
генетической информации. Это можно проследить на уровне распределения
жизненного пространства и материально-энергетических ресурсов.
2.Растительность – система фитоценозов, которая организована связью между собственно фитоценозами, связь осуществляется в особых типах материально-энергетического обмена внутри биоценоза.
117
Границы фитоценозных критериев:
1.Генетикоморфологические – элементарные ландшафтные ячейки (луг, равнина, низменности), которые объединены в местности или ландшафты больших территорий.
2.Позиционно-динамический – объединение по сходству позиций, относительно каркасных линий рельефа (горы, реки, низины).
3.Цитрирование – объединение по направлению ландшафто-генеза.
4.Гидрофункционирование, т.е. объединение или интегрирование в ландшафтные системы высшего ранга (материки, континенты).
Для оценки нарушенности растительности обширного региона
необходимо выделить фитоценозы одного вида иерархии по одному виду
критерия.
Сравнивая особенности фитоценоза можно судить о степени нарушенности территории большего размера, т.е. изучение особенностей фитоценоза
сводится к изучению его структуры.
Структура фитоценоза включает:
1.Структура как синоним состава – это элементная структура (растительность и др.). Оценка нарушенности по данному элементу проводится по основе сравнения ботаникогеографических характеристик фитоценоза, выявления коренного сообщества, определения первоначальной степени разнообразия, определения количества нарушенных сообществ с учетом ботанической
родословной, определение степени трансформированности и экологического
своеобразия, т.е. характерность антропогенной сукцессии.
2.Структура как синоним строения – морфологическая или пространственная
структура. Моделью этого элемента является карта, на которой каждый элемент представлен в пространстве. Оценка нарушенности по данному элементу проводится путем определения доли, занимаемой сообществом в пространстве, а также определение формы и определение участков по частоте
встречаемости.
3.Структура как совокупность связей – функциональная структура. Критерием является фитомасса всех слагающих ее элементов. При этом очень важно
учитывать:
а) суммарный и фракционарный запас фитомассы в сыром и абсолютно сухом состоянии;
б) суммарный и фракционарный прирост фитомассы за несколько лет;
в) элементарный химический состав фитомассы;
г) состав основных групп органических веществ, входящих в состав фитомассы и ее фракции;
д) запасы энергии в фитомассе в ккал.
Запас энергии складывается из синтропии (энергетический обмен между авто и гетерофрофами). Оценка нарушенности по данному элементу идет
путем сравнения указанных величин, что позволяет судить о характере антропогенной сукцессии.
118
Особенностью антропогенной сукцессии является замена главных видов на сорные виды (например, путем замены сосны на березу).
В целом с учетом системного подхода оценка нарушенности растительных территорий, включая растительные фитоценозы, сводится к процедуре сравнения структур фитоценозов, и в результате выявляется та часть
территории, где при наибольшем разнообразии нарушенности сообществ,
наиболее велики изменения продукции органического вещества, и результаты структуры закладываются в многофакторные или многомерные модели,
т.е. системный подход и является обязательным, но не единственным приемом.
В моделировании используется принцип оптимальности в экологии.
Принцип оптимальности – оптимальное строение вида в отношении
экономического материала и расхода энергии, необходимых для жизнедеятельности вида.
2 вопрос лекции
Фитоиндикация как учение о растительных индикаторах, развилась на
основе теоретических представлений, высказанных еще в конце прошлого
века В. В. Докучаевым, Е. Вармингом и другими учеными, о всеобщей взаимосвязи и взаимообусловленности элементов природы, а следовательно, и о
возможности судить об изменениях одних элементов по изменению других.
Индикационное значение растительного покрова особенно велико, поскольку
среди элементов природы он легко доступен наблюдениям, более чуток и
пластичен. По выражению автора первой сводки о растительных индикаторах Клементса Ф. (Сктегйз Р., 1920), растение или растительное сообщество
представляет лучшую меру условий, в которых оно произрастает; это своеобразный «прибор», отражающий особенности среды. Практические потребности, способствовавшие развитию фитоиндикации,— необходимость быстрой оценки пригодности земель для сельскохозяйственного и прочего использования, в том числе для определения важнейших свойств почвы (плодородия, засоления, увлажнения и т. д.) по характеру растительного покрова.
Практические возможности фитоиндикации значительно расширились в последнее время в связи с появлением дистанционных методов исследования
растительности (аэрофотосъемки и др.).
Фитоиндикация охватывает широкий круг явлений, связанных с распознаванием тех или иных особенностей среды или ее измене-' ний. Например,
она может включать определение солености водоемов по характеру водной
растительности; определение загрязнения воздуха в городах по составу и состоянию растений и т. д. Но особенно широко используется фитоиндикация
для определения почвенно-грунтовых условий.
Что может служить в этой области объектом фитоиндикации, на какие
признаки могут указывать растения и растительные сообщества?
Это:
1) свойства почв (химический состав, плодородие, степень засоления,
кислотность, режим увлажнения);
119
2) состав и свойстза грунтов и горных пород (геологическая индикация), в том числе и такие особенности, как новейшие тектонические процессы;
3) антропогенные изменения в почвенной среде как современные (всякого рода загрязнения), -гак и прошлые (следы окультуривания и различных
нарушений).
В качестве индикаторов особенно пригодны виды с узкой экологической амплитудой, приуроченные к определенному сочетанию условий.
Так, ольха черная — более надежный индикатор почвенных условий, чем
сосна обыкновенная, поскольку распространение первого вида ограничено
эутрофными местообитаниями с избыточным (но не застойным) увлажнением, а сосна встречается и на сухих песках, и на сильно обводненных болотных мае сивах, и на меловых обнажениях.
Различают индикаторы положительные и отрицательные. Первые
указывают на ту или иную особенность среды (например' обилие гигрофитов
означает избыточное увлажнение почвы), вторые исключают определенные
условия в данном местообитании, поскольку не переносят или избегают их
(так, произрастание растений-гликофитов исключает высокую концентрацию
солей в почвенном растворе).
Индикаторными признаками, указывающими на определенные условия, могут служить различные признаки целых растительных сообществ
(флористический состав, наличие или отсутствие видов-индикаторов или
экологических групп, их обилие) и отдельных растений (внешний вид, морфологические и анатомические особенности — форма роста, ветвления, необычная окраска или форма цветков, листьев и т. д.; химический состав, интенсивность отдельных физиологических процессов, например уровень
транспирации при разном водном режиме почвы).
Ниже даются примеры фитоиндикации наиболее важных характеристик почвенно-грунтовых условий.
Индикация почвенного плодородия (богатства почвы) — один из
наиболее широко применяемых на практике разделов фитоиндикации. Преобладание видов — эутрофов или олиготрофов, количественное соотношение
разных по «трофности» групп, присутствие нитрофилов или растений — индикаторов богатства почвы фосфором — все эти данные помогают довольно
точно оценить степень богатства почвы с помощью растений. В частности, на
обилие доступного азота указывает пышное развитие листьев и их темнозеленый цвет (причем не только у нитрофильных видов). Иногда уже издали
заметно темное пятно лугового травостоя там, Иде по каким-либо причинам
(чаще зоогенным) в почве скапливаются нитраты или соли аммония.
Для отдельных районов и типов растительности разработаны специальные индикационные шкалы, таблицы и справочники, позволяющие по
растительности оценить степень плодородия почв. Индикация кислотности
почв проводится по наличию и соотношению в растительном покрове ацидофилов, базифилов, нейтрофилов.
120
3. Засоленность почв
Почти четвертая часть почв земного шара засолена в той или иной степени. Незасоленными считаются почвы, содержащие < 0,25% солей, засоленными - содержащие > 0,25% солей;
слабосолончаковатые содержат более 0,25% солей в нижних горизонтах (80-150 см), солончаковатые - на глубине 30-80 см, солончаковые – на
глубине 5-30 см. По составу солей различают сульфатно-содовое, хлоридносульфатное, сульфатно-хлоридное, хлоридное засоления.
Засоленные почвы характеризуются особенными физико-химическими
свойствами и являются токсичными для большинства живых организмов. В
процессе развития выделились группы организмов, способные переносить
избыточное содержание легкорастворимых солей в подстилающем субстрате.
На засоленных землях формируются характерные экосистемы с развитием
солеустойчивых видов. В биоиндикации широко развит раздел галоиндикации, изучающий возможности оценки интенсивности, качественного солевого состава, характера и других особенностей засоленных почв.
Приоритетными видами-галоиндикаторами являются растения. П. А.
Генкель (1954) выделил следующие экологические группы растений по отношению к засолению:
Галофиты (галофилы) - растения засоленных местообитаний, легко
приспосабливающиеся в процессе своего индивидуального развития к высокому содержанию солей в почве благодаря наличию ряда анатомоморфологических особенностей. Среди них выделяются эугалофиты и криногалофиты.
Эугалофиты - типичные солянки, соленакапливающие растения. К ним
относятся виды родов Salicornia, Suae-da, Petrossimonia, Salsola. Они могут
содержать до 10% и более солей, что вызывает увеличение осмотического
давления клеточного сока.
Криногалофиты - солевыделяющие растения: виды родов Tamarix,
Prankenia, Limonium.
Среди них выделяют растения кумуляционного типа - возможно накопление солей при нарушении солевыделения, и регуляторного типа - увеличение концентрации солей в тканях существенно не возрастает даже при отсутствии их выделения (связывание солей происходит органическими веществами протопласта).
Гликогалофиты (гликофиты) - соленепроницаемые растения, произрастающие на засоленных почвах, но не накапливающие легкорастворимых
солей в тканях. К ним относятся виды родов Artemisia, Elaeagnus.
Галофобы (гликофиты) - виды растений, избегающие засоленных почв.
Группа галофитов неоднородна по устойчивости к составу и концентрации легкорастворимых солей в почвах. По степени солеустойчивости выделяются: олигогалофиты, растущие при малых содержаниях солей в почве;
мезогалофиты довольствуются средним содержанием солей;
эугалофиты - настоящие галофиты.
121
Кроме того, выделяют факультативные и облигатные галофиты, эвригалинные и стеногалинные виды, способные произрастать в условиях широкой или узкой амплитуды концентрации солей и переносить различное по составу засоление или приуроченные к конкретному виду засоления.
Большинство галофитов принадлежит к очень ограниченному перечню
семейств. Все они практически относятся к маревым Chenopodiaceae, свинчатковым Plumbogin-асеае, франкениевым Frankeniaceae, тамариксовым Татаггхасеае. Анатомо-морфологические и физиологические приспособления,
выработанные для снижения токсичного воздействия легкорастворимых солей, привели к образованию особого облика этих растений. Он получил
название «галоморфное строение». Оно включает:
1) суккулентность, отличную от ксерофитов;
2) увеличение размера клеток;
3) высокое осмотическое давление клеточного сока;
4) связывание солей в составе органических соединений, безвредных
организму;
5) быстрый рост, способствующий увеличению солеемкости.
В биоиндикационных исследованиях используются различные виды
эугалофитов, криногалофитов и гликогалофитов. По степени связи индикатора с объектом индикации выделяют: постоянные, переменные и отрицательные индикаторы.
Постоянные индикаторы - облигатные галофиты.
Евгалофиты (эугалофиты) - солепроникающие растения: Salicornea
europaea, виды рода Climacoptera, Suaeda, Petrosimonia.
Солевыделяющие галофиты - криногалофиты: кермек Гмелина
Limonium gmelinii, кермек кустарниковый L. suffroticosum.
Таблица 28. Постоянные индикаторы грунтовых вод (Виноградов,
1964)
Переменные индикаторы - виды, преимущественно, произрастающие
на засоленных почвах. Они могут встречаться на почвах с достаточно широким диапазоном засоления как на сильно-, так и на слабоминерализованных
субстратах. К ним относятся саксаул черный Haloxylon aphyllum, древовидные солянки Salsola arbus-cula, S. richteri и др.
Отрицательные индикаторы - виды, встречающиеся только на незасоленных почвах. К ним относятся типичные гликофиты (гликогалофиты):
Carex physodes и др.
В природных условиях существует приуроченность видов к почвам с
определенным качественным составом засоления.
Хлоридное засоление - соотношение ионов Cl-1 :SO4 -2 = 2. Постоянные индикаторы - солерос Salicornea europaea и сарсазан Halocnemum
strobilaceum.
Сульфатно-хлоридное - соотношение ионов Cl-1 :SO4 -2 = 1 - 2. Индикаторами являются прибрежница Aeluropus litoralis, соляноколосник каспийский Halostachys caspica.
122
Хлоридно-сульфатное - соотношение ионов Cl-1 :SO4 -2 = 0,2 - 1. Индикатор – полынь черная Artemisia pauciflora.
Сульфатное - соотношение ионов Cl-1 :SO4 -2 = 0,2 - 2. Индикаторные
виды - грудница татарская Galatella tatarica, грудница мохнатая G. villosa.
Антропогенное загрязнение легкорастворимыми солями довольно широко распространено. Оно возникает в областях с аридным и семиаридным
климатом при избыточном орошении земель, когда капиллярная кайма в
почвах смыкается с засоленными грунтовыми водами, расположенными на
значительной глубине. В этом случае происходит подтягивание ионов легкорастворимых соединений к поверхности земли и наблюдается вторичное засоление почв. Кроме того, проблема воздействия засоления хорошо известна
в крупных городах, где в зимний период улицы посыпают солью. Источниками поступления легкорастворимых солей в окружающую среду являются
также предприятия по производству минеральных (калийных) удобрений и
т.д.
Биоиндикация антропогенного загрязнения и изменения солевого режима почв осуществляется по изменению химического состава живых организмов и видовому составу сообществ. При вторичном засолении почв основными индикаторами негативных изменений в экосистемах выступают галофиты, изменение обилия и видовое разнообразие которых указывает на интенсивность и качественный состав засоления.
Накопление легкорастворимых солей в зеленых насаждениях является
хорошим показателям стрессовых воздействий в урбоэкосистемах. Высокие
концентрации токсикантов в организме приводят к появлению хлороза и
некроза листьев растений. Широко используются шкалы хлорозов и некрозов
для оценки интенсивности воздействия, хотя всегда следует учитывать, что
преждевременное пожелтение или отмирание листвы растений не является
специфическим признаком на воздействие определенного загрязняющего
вещества. Реакция организма обусловлена в данном случае воздействием
всего комплекса негативных факторов урбоэкосистемы: загрязнением воздуха выхлопными газами, ТМ, легкорастворимыми солями, уплотнением почвы
и другими факторами, приводящими к изменению воздушного, водного и
минерального питания живых организмов.
Индикация засоления почвы возможна по появлению в растительном
покрове растений-галофитов и степени их обилия, по преобладанию и количественному соотношению видов, принадлежащих к разным типам галофитов. В ряде случаев характер растительности дает возможность установить не
только степень засоления, но и состав солей в почвенном растворе.
Гидроиндикация особенно важна для засушливых районов. Она включает определение по растительному покрову свойств грунтовых вод; глубина
и характер залегания, степень минерализации и ее сезонный режим и т. д.
Так, тамарикс ветвистый в полупустынях и пустынях произрастает при глубине грунтовых вод от 1 до 7 м, а оптимум развития имеет при глубине от 1,8
до 2,4 м. Индикаторами пресных грунтовых вод в дельтах пустынных рек
123
служат некоторые кустарники: солянка кустарниковая, галостахис и др. Есть
и специальная группа индикаторов, указывающих на не связанные с грунтовыми водами линзы верховодки (воды поверхностного стока в западинах,
просочившиеся до вод0. упорного горизонта). В лесостепи и степи Северного
Казахстана индикаторами таких пресноводных линз служат березняки с тра.
вяным покровом, в котором преобладают гигромезофиты и мезофиты (костяника — Rubus saxatilis, таволга — Filipendula ulmaria, вейник наземный и
др.). Ясно, что индикаторами грунтовых вод могут быть лишь виды с достаточно глубокой корневой системой из групп фреатофитов — растений, корни
которых достигают грунтовых вод, и отчасти трихо-гидрофитов, использующих влагу капиллярной каймы. Растения- омбриофиты с неглубокой корневой системой, живущие, лишь за счет атмосферных осадков, в этом случае в
качестве индикаторов непригодны.
Другая область гидроиндикации — определение по растительности
условий увлажнения в верхних корнеобитаемых слоях почвы. В этом случае
большую индикаторную роль играют присутствие и степень обилия в растительном покрове видов разных экологических типов по отношению к воде:
гигрофитов, мезофитов, ксерофитов, а также групп, переходных между ними.
Существуют подробно разработанные
шкалы
растений-индикаторов
влажности по Раменскому Л. Г. и др., 1956.
Некоторые виды могут указывать не только на степень, но и на сезонный режим увлажнения. Так, в долго Ахтубинской пойме пырей ползучий — Agropyron repens свидетельствует о местообитаниях с переменным и
непродолжительным увлажнением, а бекмания обыкновенная — Beckmannia
gruciformis, напротив, о длительном и устойчивом затоплении.
Индикация некоторых свойств торфяных залежей — мощности,
химического состава, возраста, режима увлажнения и т. д.— также может
быть проведена с использованием свойств растительности.
Следует отметить, что некоторые растительные индикаторы приурочены не к какой-то одной особенности почвы, а к определенному сочетанию почвенных факторов, что делает возможным индикацию почвенных
условий одновременно по двум или нескольким признакам. На этом принципе построены некоторые индикационные шкалы, например Л. Г. Раменского
(1938), дающие возможность по составу луговой растительности определить
и богатство почвы, и условия увлажнения.
Геологическая индикация по растительному покрову включает характеристику горных пород (например, их состав), глубину залегания и режим вечной мерзлоты и др. Особое развитие получила такая важная отрасль
геологической фитоиндикации, как использование растительных индикаторов при поисках полезных ископаемых. Минералогический состав горных
пород в определенной степени влияет и на почвенный слой: возникают так
называемые поля специфической минерализации почв, которые отражаются
на составе растительного покрова и состоянии растений. Один из индикаторных признаков —состав флоры. Известны индикаторные виды приуро124
ченные к породам и почвам с определенной минерализацией. Такие индикаторы в иных условиях не встречаются и отличаются устойчивостью (а иногда
и требовательностью) к определенным элементам.
Известны соответствующие «флоры»:
«галмейная» (Viola calaminaria и др.), указывающая на обогащение
почвы цинком;
«серпентинитовая (или серпентинная)» на серпентинитах, содержащих
много магния;
«доломитовая»,
«медная» (в том числе «медные» мхи);
растения — индикаторы селена, кобальта и др.
Виды, приуроченные исключительно к металлоносным участкам,
в целом получили название металлофитов.
В геологической фитоиндикации индикаторным признаком может быть
также изменение внешнего облика растений (например, у чабреца горного —
Salureia montana, приуроченного к серпентинитам Балкан, приземистый рост,
суккулентность листьев) и особенно окраски цветков. Так, белый миндаль
под влиянием магния становится розовым, оранжевая эшольция в присутствии меди— сизой; белые цветки чабреца на серпентинитах — яркофиолетовыми. Недаром формы некоторые видов на серпентинитах иногда
описывают как особые морфологические расы.
Наконец, геологическая фитоиндикация может основываться и на изменении химического состава растений (биогеохимический метод поиска полезных ископаемых). Известно, что многие растения способны концентрировать определенные элементы. Иногда такая концентрация происходит в любых условиях, даже при незначительном содержании элементов в окружающей среде, и тогда не имеет индикаторного значения. Например, береза
накапливает железо и Марганец независимо от местообитания, морские водоросли — иод, плаун сплюснутый — Lycopodium complanatum — алюминий, орех водяной — Trapa natans — марганец и т. д. Список таких «ложных
индикаторов» хорошо известен в геологии. В других случаях концентрация того или иного элемента в теле растения повышается только в пределах
местообитаний (геохимических полей) с его высоким содержанием, что служит надежным индикационным, признаком. Поиск считается перспективным, если содержание элемента в растениях в 5 и более раз превышает
обычные для данного района величины («биогеохимическая аномалия»).
Например, в некоторых районах поиски никеля возможны по концентрации
его в таких обычных видах, как степные ковыли, овсяница овечья — Festuca
ovina, овсец пустынный — Helictotrichon desertorum; поиск вольфрама ведут
по накоплению его в ковыле, полыни холодной — Artemisia frigida и других
видах.
Применение фитоиндикации в археологии. Изменения, вносимые в
почвенную среду деятельностью человека при окультуривании территории
(строительство поселений, дорог, гидротехнических сооружений), сохраня125
ются чрезвычайно долго даже после разрушения и исчезновения наземных
следов этих сооружений; а значит, они так или иначе должны отразиться на
растительности, четко реагирующей на особенности почвы. Вот почему индикаторные свойства растительности успешно используются для поисков заброшенных и погребенных построек, горных выработок, дорог, оборонительных и ирригационных систем. Особенно помогает в этом аэрофотосъемка, фиксирующая необычные черты растительного покрова с «птичьего полета». Как правило, участки растительности на местах бывших сооружений отличаются по цвету. Эти аномалии окраски имеют более или менее правильные геометрические очертания в виде прямых линий, квадратов, кругов и т.
д. Так были открыты древние кельтские могильники в Южной Англии, развалины этрусских крепостей в Италии, обнаружено пограничное сооружение
древних римлян в Сирии — Троянский вал, прослеженный на протяжении
многих километров по густой полосе сообществ эфемеров, резко выделяющихся на фоне ксерофильной растительности пустыни. В Средней Азии по
растительности обнаружены древние системы арыков и колодцев. Даже в
тундре можно открыть места древних оленеводческих стоянок по скоплению
злаков, сопутствующих человеку.
6. Биоиндикация типов почв
Один из важных разделов биоиндикации - выявление показателей, характеризующих тип и подтип почв. Установлено, что тип почв характеризуется рангом растительности на уровне формации (сообщества одновидовых
эдификаторов). Подтип, род, вид, разновидность почв индицируются более
мелкими таксономическими единицами - классом или группой ассоциаций, а
также собственно индикаторными ассоциациями. В лесной зоне установлена
следующая взаимосвязь почвенных разностей и растительности: группы и
классы ассоциаций ельников указывают на распространение подзолистых и
торфяно-болотных почв. Степень оподзоливания, оглеения и торфонакопления позволяют установить доминанты и содоминанты травянокустарничкового и мохово-лишайникового ярусов.
Таблица Взаимосвязь почв и растительности (Морозов, 1930; Андреева, 1958; Ниценко, 1971)
Важным аспектом практической деятельности является диагностика
физико-химических свойств черноземов, представляющих основной агропотенциал страны. Смена доминантов и эдификаторов фитоценоза, обилие и
проективное покрытие индикаторных видов позволяют определить мощность, механический состав, плодородие почв, формирующихся под тем или
иным степным сообществом.
Контрольные вопросы
1. Основные последствия действия пыли и золы на ПТК
2. Изменение кислотности почв, растения-индикаторы кислотности и богатства
почв
3. Механический состав почв, литоиндикаторы
4. Показатели и индикаторы почвенного плодородия
126
5. Индикация засоленности почв – постоянные, переменные, отрицательные индикаторы
6. Индикация типов почв
Практическая работа № 1.
Тема работы «Индикационные методы определения загрязнения
ОС»
Цель занятия: Изучить механизм действия ТМ как стрессоров на
живой организм.
Соли тяжелых металлов в водной среде распадаются на ионы. Все ионы
металлов могут быть разделены на две группы: биогенные (Сu, Zn, Co, Mn,
Fe и др.) и небиогенные (Pb, Hg, Sn, Ni, Al, Cd, Sr, Cs и др.). Среди последней
группы ионы стронция и цезия действуют как биогенные при замене в органических веществах кальция на стронций и калия на цезий. Биогенные ионы
входят в состав ферментных систем, которые обеспечивают регуляцию всех
процессов в клетке и организме. Поэтому их ПДК значительно выше, чем у
небиогенных. При поступлении в растения воздушным (через устьица) или
капельным (роса, туман, слабые осадки) путями определенная доза биогенных тяжелых металлов включается в состав ферментных систем, что стимулирует метаболические процессы. Так, медь входит в состав ферментов,
участвующих в процессах темновых реакций фотосинтеза, способствует поглощению других элементов; цинк входит в состав ферментов, расщепляющих белки, увеличивает устойчивость растений к жаре, засухе, болезням. Лишь при более высоких концентрациях они действуют как токсиканты. На рис. 5 показано биологическое действие биогенной (Сu) и небиогенной (Сd) солей на живые тест-системы. В малых концентрациях Сu оказывает отрицательное влияние (недостаток микроэлементов). С повышением
концентрации появляется стимулирующий эффект, который усиливается, достигая своего оптимума, а затем снижается и, переходя точку ПДК (стрелка),
оказывает отрицательное действие. Cd ведет себя иначе. В очень малых концентрациях он оказывает нейтральный эффект, затем его токсическое действие усиливается, достигая точки ПДК (пунктирная стрелка), наступает перелом с усилением токсического эффекта.
127
Оборудование, реактивы, материалы
1) микроскоп; 2) предметные и покровные стекла; 3) препаровальная
игла; 4) бритвы; 5) пипетка на 1-3 мм; 6) стаканы с дистиллированной водой;
7) кусочки фильтровальной бумаги; 8) 5%-ный растворы солей CuSO4,
Pb(NO3)2, HgNO3 и др.; 9) луковица синего лука или фиолетовые листья традесканции.
Ход работы
С поверхности сильноокрашенной синей луковицы сделать несколько
срезов эпидермиса, состоящего из 1-2 слоев окрашенных клеток, содержащих
антоциан. Поместить срезы по отдельности в капли воды на предметные
стекла, закрыть покровными стеклами и рассмотреть в микроскоп. Клетки с
окрашенным клеточным соком зарисовать; найти и рассмотреть устьица.
А. Определить начало и характер плазмолиза клетки под действием
одинаковых концентраций биогенных и небиогенных солей. Для этого: заменить воду в препаратах 5%-ным раствором CuSO4 на одном предметном
стекле и таким же раствором Pb(NO3)2 на другом. Эта замена производится
способом 4-5-кратного накалывания раствора соли с одной стороны покровного стекла и отсасывания кусочком фильтровальной бумаги с другой до
полной замены воды раствором соли. Оставить клетки в растворе солей на 15
мин, когда плазмолиз будет хорошо заметен, рассмотреть в микроскоп. Зарисовать и сделать выводы относительно действия солей биогенных и небиогенных тяжелых металлов на характер плазмолиза клетки.
Б. Выявить комплексное действие повышенной температуры и одной
из наиболее токсичных солей. Для этого препараты, в которых вода заменена
на раствор соли, выдерживают 10 мин на водяной бане при температуре
40°С, а потом рассматривают в микроскоп и зарисовывают. При этом часто
наблюдается усиление плазмолиза и почернение содержимого некоторых
клеток. Очевидно, соли свинца при реакции с сероводородными группами
белков дают этот черный цвет.
128
Задание 2. Устный опрос.
1. Назовите основные этапы развития биоиндикации.
2. Дайте понятие биоиндикации, ее основным направлениям.
3. Дайте понятие «стрессор», его действие на организм.
4. Виды стрессоров, виды ответной реакции на их действие.
5. Объясните механизм действия ТМ как загрязнителей ОС.
Практическая работа № 2.
Тема занятия «Понятие о биоиндикаторах».
План занятия.
1. Ответить на вопросы.
2. Сформулировать выводы по пройденным темам.
Методические указания к практическому занятию:
Изучить раздаточный материал, изучить вопросы для текущей проверки знаний. В конце занятия сформулировать вывод по пройденным темам.
Цель занятия: Закрепить полученные знания путем выполнения работы.
Литература:
Задание 1. Устный опрос.
1. Экологические факторы и их классификация в биоиндикации.
2. Что такое предел выносливости? Схематическое представление «закона минимума» Либиха.
Либиха, «закона толерантности» Шелфорда, «закона оптимума».
3. Какие виды называют эври- и стенобионтными? Какие из них являются лучшими биоиндикаторами?
4. Чем определяется индикаторная ценность вида?
5. Понятие «стресс». Виды стресса. Ход адаптации и устойчивость к
стрессу.
6.Назовите
преимущества
метода
биоиндикации
над
инструментальными методами оценки
7.Объясните
сущность
биоиндикации.
Основные
методы
биоиндикации.
8.Формы биоиндикации.
9.Сформулировать основные принципы биоиндикации.
10.Какие показатели можно использовать как абсолютные стандарты в биоиндикации?
11.Какие показатели можно использовать как относительные стандарты в
биоиндикации?
129
12.Возможные варианты изменения выходых параметров биологческих систем на антропогенное воздействие.
13.Специфическая и неспецифическая индикация.
14.Уровни биоиндикации, их характеристика – объекты, показатели.
15. Критерии при выборе биоиндикационных показателей.
16.Возможности и практическое значение биоиндикации.
17.Биоиндикация и шесть основных групп биологических дисциплин.
18.Понятие «биоиндикатор», классификация биоиндикаторов.
19.Прямая и косвенная биоиндикация. Примеры.
20.Положительные и отрицательные биоиндикаторы. Примеры.
21. Типы чувствительности биоиндикаторов. Ранняя и аккумулятивная биоиндикация.
22.Достоверность биоиндикации. Группы индикаторов по степени достоверности результатов, примеры.
23.Требования к биоиндикаторам, критерии отбора биоиндикаторов. Примеры.
24.Критерии к выбору биоиндикаторов при фитоиндикационных исследованиях.
Практическая работа № 3.
Тема: Живые организмы как индикаторы качества ОС
План работы:
1. Изучение теоретического материала.
2. Ответить на вопросы.
Методические указания к практическому занятию:
Изучить раздаточный материал, изучить вопросы для текущей проверки знаний. В конце занятия сформулировать вывод по пройденным темам.
Цель работы: Изучить свойства лишайников в качестве биоиндикаторов радионуклидов.
Литература:
Задание 1.
Изучите материал, охарактеризуйте свойства лишайников как биоиндикаторов.
Определение степени нарушенности природных сред вследствии радиационных нагрузок или воздействий проводится при использовании в качестве видов-индикаторов сквозных видов: мхов и лишайников.
Лишайниками как индикаторами радионуклидов впервые заинтересовались в ботаническом саду Латвии.
Особенности лишайника:
1. Медленный рост
2. Симбиоз и др.
При сравнении уровня загрязнения радионуклидами используются 4
жизненные формы лишайника :
1. Бородатые лишайники рода - Parmelia
2. Листоватые лишайники рода – Hypogimnia, Usnea
3. Кустистые лишайники рода - Romalinea
4. Накипные лишайники рода – Getrelia, Lobaria
Для сравнения с этих мест и пород всегда отбираются пробы слоевищ
эпифитного мха рода – Neccera
130
Первые работы проводились по выявлению загрязнителями веществ
уранового и ториевого рядов.
Сравнительная таблица для полония – 210
в растительных пробах и почвенных образцах
Вид растительной пробы
Радиактивность
Ро210
в 10-2 Бк/г сухой массы
Лишайники
Виды-индикаторы накопиParmelia
тели
Hypogimnia
203
Usnea
121
Romalinea
61
Getrelia
22
Lobaria
20
12
Эпифитный мох Neccera
35
Сосна Pinus
2 причины накопления в хвое и в
коре:
1. Наружное воздействие
2. Эндогенное действие нуклидов
Это виды-индикаторы особо чувствительные
Опад хвои
2
Свежая хвоя
5
Ветви
7
Кора
10
Ель – Abies
Хвоя
7
Ветви
10
Кора
13
Почва на глубине
0,1 см
6
2,5 см
10-30
5-10 см
15-25
Задание 2. Устный опрос.
1. В чем отличие по чувствительности к стрессорам биологических систем на субклеточном, клеточном, организменном и экосистемном уровне?
2. В чем состоит диагностическая ценность биоиндикации на биохимическом и физиологическом уровне?
3. В чем заключается достоинство биоиндикации на молекулярном
уровне?
131
4. Какие основные этапы обмена веществ подвергаются воздействию
стрессоров и наблюдение за которыми имеет решающее значение для биоиндикации?
5. Какие из индикационных признаков на физиолого-биохимическом
уровне пригодны для ранней биоиндикации?
6. Показательные повреждения молекулярного уровня как биоиндикационные показатели,примеры.
7. Показательные повреждения клеточного уровня как биоиндикационные показатели
Практическая работа № 4.
Тема: Уровни биоиндикации и принципы отбора биологических
показателей для биоиндикации
План работы:
3. Изучение теоретического материала.
4. Ответить на вопросы.
Методические указания к практическому занятию:
Изучить раздаточный материал, изучить вопросы для текущей проверки знаний. В конце занятия сформулировать вывод по пройденным темам.
Цель работы: Изучить свойства грибов в качестве биоиндикаторов радионуклидов.
Литература:
Задание 1.
Изучите материал, охарактеризуйте свойства грибов как биоиндикаторов.
Преимущества грибов
1.Высокая роль грибов в системе биогеоценоза – гетеротрофный блок
системы.
2.Высокая чувствительность к воздушному загрязнению нуклидами и тяжелыми металлами.
3.Широкая толерантность к факторам внешней среды.
4.Широкая способность аккумулировать химические вещества.
5.Биологические особенности питания: поглощение органических и неорганических веществ в грибнице – путем осмоса из субстрата.
Индикаторные показатели использования грибов:
1. Критерий «Присутствие – отсутствие»
2. Видовое разнообразие
3. Обилие в % на территорию
4. Уровни содержания загрязнителей
132
Способы оценки:
1.Сравнение территории различной степени воздействия или нарушенности
2.Анализ экопрофиля
3.Информативность и репрезентативность
Анализ экологического профиля – для моделирования загрязнения
нуклидами используются следующие виды грибов
Тип грибов
Их характеристика
Ксилотрофы (на деревьях)
Дереворазрушающие грибы, их плодовые тела существуют несколько лет, они
связаны с древостоем через деревоопад.
Оптимальные условия в сухостое и в валежинах.
Подстилочные
сапротрофы Обладают эфемерными карпофорами,
(на разлагающихся остатках)
достигают максимальной численности и
видового разнообразия в хвойных лесах.
Значительная масса карпофоры к массе
подстилки достигает 1:5.
Микоризообразователи
Способствуют образованию микоризы у хвойных, аккумулируют механизмы минерального питания в верхнем
горизонте почвы.
Вместе образуют тест-систему для определения загрязнений
радионуклидами для нижнего яруса. На примере грибов можно проследить
логический ряд моделирования:
1. Индикаторный вид
2. Тест-объект
3. Тест-система
4. Тест-экосистема
Оценка состояния окружающей среды в цепи индикации
Уровень оценки
Критерии оценки
1. Индикаторный вид
1. Присутствие-отсутствие
(количественное)
2.Видовое разнообразие в %
3.Обилие
4.Концентрация радионуклидов
2. Тест-объект
1.Встречаемость группы по профилю в
%
2.Биоценотическая значимость
3.Концентрация радионуклидов
3. Тест-система
1.Значимость экосистемы более выше
порядка
2.Концентрация радионуклидов
Оценка информативности и репрезентативности проводится по формуле:
133
Подстилка – 100 %
Содержание нуклидов – Х %
Х = 100% содержание радионуклидов
подстилка
Задание 2. Устный опрос.
1. Критерии отбора биоиндикационных показателей тканевого и организменного уровня.
2. Показательные признаки поврежедения на ткневом уровне, примеры.
3. Характеристика и типы некрозов у растений.
4. Характеристика стандарнтных тест-растений для биоиндикации на
тканевом уровне.
5. Показательные патологические проявления неблагоприятного внешнего воздействия у животных как биоиндикационные показатели, примеры.
6. Показательные повреждения организменного уровня у рстений, примеры.
7. Изменение окраски листьев у растений и тела у животных как биоиндикационные показатели, примеры.
8. Изменение размеров и продуктивности растений и животных как
биоиндикационные признаки.
9. Экобиоморфные признаки как биоиндикационные покажзатели,
примеры.
Практическая работа № 5.
Тема: «Биохимические и физиологические реакции на антропогенные стрессоры»
План работы:
1. Изучение теоретического материала.
2. Ответить на вопросы.
Методические указания к практическому занятию:
Изучить раздаточный материал, изучить вопросы для текущей проверки знаний. В конце занятия сформулировать вывод по пройденным темам.
Цель работы: Изучить свойства водорослей в качестве биоиндикаторов
Литература:
Задание 1.
Изучите материал, охарактеризуйте свойства водорослей как биоиндикаторов.
Преимущества водоросли:
1.Обладают специфической чувствительностью к экофакторам (температура,
влажность, свет)
2.Хорошо воспроизводят экспериментальные реакции
3.Невысокая продолжитеьность жизни, что позволяет проследить серию генераций и оценки. Эффект после действия в нескольких поколениях. (степень
наследуемости)
134
4.Хорошо растут на искусственных питательных средах
В качестве жестких организмов в жесткой системе используют одновидовые культуры микроскопических водорослей. Чаще всего используют
азотфиксирующие или зеленые водоросли.
Они имеют отличительные черты:
1.Повсеместно встречаются в почве.
2.Высокая чувствительность к тяжелым металлам и органическим компонентам выбросов.
3.Высокая скорость роста.
4.Относится к N-фиксаторам.
5.В питательных средах образуют быстро и хорошо растущие колонии с четкими границами.
Токсичность оценивается по скорости роста колоний (по диаметру
колонии (Д), через каждые 2 суток снимают динамику роста. Степень
влияния оценивается по отношению:
К = Д в опыте . 100%
Д контроля
«К» показывает степень влияния фактора на скорость роста
колоний.
В варианте колебания «К»:
1. К = 1 – нет влияния
2. К > 1 – стимуляция
3. К < 1 – ингибирует
Сопоставляя коэффициент влияния токсикантов на одной тест-системе
и концентрации одного токсиканта в разных дозах, можно получить ряды
токсичности:
Влияние кадмия на скорость роста колонии Nostock
Единица ПДК
Диаметр в опыте
К
0
0,05
26
1,1
0,15
20
0,8
0,30
18
0,7
0,5
10
0,4
1
9
0,4
1,5
2
0,1
2
2
0,1
3
погибли
6
погибли
С увеличением ПДК кадмия диаметр колонии уменьшается, в
соответствии коэффициент токсичности падает.
Достоинства метода:
1.простота
2.доступность
3.валидность (возможность проверки)
135
4.возможность оперативной сравнительной оценки токсичности
Недостатки метода:
1.невысокая точность
2.сложность подбора специфической тест-системы, реагирование на фактор
воздействия.
Задание 2. Устный опрос.
1. Отбор показательых видов на популяционном уровне биоиндикации
2. Показатели популяционного уровня биоиндикации.
3. Воздействие антропогенных стрессоров на динамику растительных
популяций
4. Воздействие антропогенных стрессоров на характер распространения
растений
5. Показательные признаки экосистемного уровня
6. Метод комплексной биоиндикации, его этапы и преимущества
7. Экологические индексы, используемые в методе комплексной индикации (индекс Шеннона, идекс домиантности, индекс сходства)
8. Модель оценочной шкалы при использовании метода комплексной
индикации
Практическая работа № 6.
Тема: Живые организмы как индикаторы качества ОС
План работы:
5. Изучение теоретического материала.
6. Ответить на вопросы.
Методические указания к практическому занятию:
Изучить раздаточный материал, изучить вопросы для текущей проверки знаний. В конце занятия сформулировать вывод по пройденным темам.
Цель работы: Дать оценку почвенной среды по фитопригодности.
Литература:
Задание 1.
Изучите материал, охарактеризуйте свойства микроорганизмов как
биоиндикаторов.
Для оценки фитопригодности почв используются следующие критерии:
1.Изучение динамики микробной ассоциации по экологическому профилю
2.Изучение динамики микробной ассоциации в молодых почвах на примере
динамики микробной ассоциации в техногенных отвалах.
Для этого используются следующие микробные ассоциации:
1. Актиномицеты
2. Пенициллум
3. Клостридиумы
4. Азотфиксаторы (N – бакторы)
Используемые показатели:
1. Количество в тыс/г почвы
2. Встречаемость микроорганизмов
136
Часто используются колонии пенициллума и клостридума (белые и
желтые колонии), грибы, мхи, лишайники.
Оценка почвенной среды по состоянию микрофлоры почв экосистем техногенных ландшафтов
Возраст
Грибы
Общее колГруппы микроорганизмов
почвы
тыс/г
во микроор- N – бак- ОлигоЦеллюпочвы
ганизмов
терии
нитролозоразфилы
рушители
1 год
1-3
1000010-30
100008-10
12000
12000
3 года
8-9
2000040-55
1200010-75
22000
13000
6 лет
8-10
2300060-70
400090-100
25000
5000
12 лет
10-11
3000080-100
4000100-150
35000
5000
Контроль 9-10
35000100-120
4000150-170
25 лет
40000
5000
С увеличением возраста почвы возрастает количество общего количества микроорганизмов, в их числе N-бактерии и целлюлозоразрушители и
др., что ведет к улучшению качества почвы. Идет монотонное формирование
гумусного горизонта.
Сложность заключается в правильном подборе микроорганизмов для
применения в с/хозяйстве.
Интегрирование показателей
1.Функция желательности. Диапазон от 0 до 1 - то, что прогнозируем
2.Функция схожести от 1 до 10 – отражает степень нарушенности опытного
участка в сравнении с контролем.
Формализация показателей
Дает возможность интерполяции (переноса) результатов, полученных в
экосистеме низкого порядка на экосистему высшего порядка.
Nij = (9 Nij – Nij) / (max Nij – min Nij) + 1
где: i – нормализуемый параметр
j – порядковый номер участка, где снимаем этот параметр
Nij – нормализованный параметр
Функция схожести рассчитывается:
m
Сij =  Nij · m-1
i=1
где: m – общее число параметров
Cij – степень схожести изучаемого предмета с эталоном
m-1 – делить на 5.
Показатель схожести отражает линейное соотношение между сравниваемыми участками.
137
Рассчитать показатель схожести Cij для нормализации участка по
микроорганизмам (берется среднее арифметическое содержание микроорганизмов):
С1 =  (2+11000+20+11000+9)=  (2+11·103+20+11·103+9)= 4406,2
5
5
3
3
Сконтр. =  (9,5+37,5·10 +110+4,5·10 +160)=
5
С2 =  (8,5+2,1·103+47+12,5·103+67) = 6724,7
5
3
3
С3 =  (9+24·10 +65+4,5·10 +95) = 5733,8
5
3
С4 =  (10,5+32,5·10 +90+4,5·103+125) =
5
Получаем ряд соотношений делением друг на друга Сij=Ск/С1.
Реализация модели:
Сij1 = 8,456/4406 = 1,9
Сij2 = 1,25
Сij3 = 1,4
Сij4 = 1,1
Схожесть ландшафтов с контролем:
Сландшафта =
Сij
Почва / лет
Смолод.
Сландшафт
1
1,9
3
1,25
6
1,4
12
1,1
25(контроль)
1,4
Коэффициент меняется от 10 до 1. По мере старения почвы этот коэффициент падает. По мере увеличения возраста почвы повышается доля Nбактеров, создаются условия для роста бактерий, соответственно растут целлюлозоразрушители. Внутри изменяются соотношения видов отдельных
тест-систем. Чем выше величина, тем больше различие.
Задание 2. Устный опрос.
1. Фитоидикационные методы экологического состояния природной
среды.
2.Показатели состояния растительности как индикатора экологического
состояния территории
3. Классификация фитоидикационных признаков
4. Методы биоидикации по структуре и строению растительных сообществ
5 Метод дендроиндикации
6. Метод бриоиндикации
138
7. Метод лихеноиндикации
8. Биоиндикационные показатели лихенондикации (показатель обилияплотности, индекс чистоты атмосферы, индекс чистоты воздуха).
9. Методы биотестирования, их преимущества и достоинства.
10. Тест-объекты, стандартные и наиболее часто используемые в практике.
Практическая работа № 7.
Тема: «Биоиндикация на тканевом и организменном уровнях»
План работы:
7. Изучение теоретического материала.
8. Ответить на вопросы.
Методические указания к практическому занятию:
Изучить раздаточный материал, изучить вопросы для текущей проверки знаний. В конце занятия сформулировать вывод по пройденным темам.
Цель работы: Изучить методику проведения фитопригодности почвы.
Литература:
Задание 1.
Изучите материал, проведите оценку фитопригодности.
Оценка фитопригодности проводится по высшим растениям.
Преимущество в:
1.Наглядности
2.Валидности
а) необходимо подбирать древесные породы, адаптивные к местности;
б) учитывать характер техногенного загрязнения;
в)учитывать физико-химические параметры рекультивированной плотности.
Для оценки фитопригодности используются виды рода Salex (ива).
Преимущества этих видов:
1.Пионеры нарушенных техногенных земель;
2.Высокая регенерационная способность за счет вегетативного размножения;
3.Обладают эковидоспецифичностью (например, на серых бескарбонатных
глинах лучше всего растут ива плакучая, ива-триандра);
Для оценки фитопригодности практикуется:
1.Использование черенков;
2.Учет динамики развития над и подземной биомассы;
3.Общее состояние растений;
Обычно используют черенки 1, 2 летние, с 7-12 почками. Время посадки и заготовки различное – в мае или в июне, августе.
В конце разрабатывается шкала пригодности почвы в баллах.
Задание 2. Устный опрос.
1.Дайте общую характеристику анатомо-морфологических отклонений в результате стрессовых воздействий
2.Дайте общую характеристику отклонений в результате стрессовых воздействий на тканевом уровне
139
3. Назовите макроскопические изменения морфологии растений в результате
стрессовых воздействий;
4. Назовите патологические проявления у животных в результате стрессовых
воздействий;
5. Дайте общую характеристику отклонений на организменном уровне;
6. Изменение окраски листьев и тела животных, а также скульптуры поверхности в результате стрессовых воздействий;
7. Изменение размеров и продуктивности растений и животных в результате
стрессовых воздействий;
8. Изменение формы роста, экобиоморфных признаков в результате стрессовых воздействий;
9. Показатели поведения животных в результате стрессовых воздействий.
Практическая работа № 8.
Тема: «Биоиндикационные наблюдения за ОС»
План работы:
1. Изучение теоретического материала.
2. Ответить на вопросы.
Методические указания к практическому занятию:
Изучить раздаточный материал, изучить вопросы для текущей проверки знаний. В конце занятия сформулировать вывод по пройденным темам.
Цель занятия: рассмотреть основные причины, вызывающие глобальные изменения биологического разнообразия. Промоделировать возможные
последствия уменьшения биологического разнообразия.
Литература:
1.Красная Книга РК.
2.А.М. Никаноров, Т.А. Хоружая Экология. – Москва.: «Издательство ПРИОР», 1999. -304
Задание 1. Устный опрос.
А) Что понимается под биологическим разнообразием видов? Какие
уровни биоразнообразия вам известны, охарактеризуйте их.
Б) Роль биоразнообразия на Земле?
В) Известно, что количественное описание биоразнообразия зависит от
множества факторов. Одним из таких факторов является временной фактор.
Приведите примеры влияние данного фактора на точность количественного
описания биоразнообразия. Приведите примеры расчета биоразнообразия в
зависимости от временного фактора.
Задание 2. Работа в тетрадях.
А) Рассмотрите основные причины утраты видов. Ответ изобразите
схематично.
Б) Для каждой причины приведите конкретный пример, подтверждающий данный факт.
140
УТРАТА ВИДОВ
В) Сформулируйте, к каким последствиям может привести утрата видового разнообразия.
Г) Охарактеризуйте меры по сохранению биоразнообразия.
Д) Назовите основные функции Красной Книги. Сколько новых видов
внесено в последнее издание Красной Книги РК.
Е) Каковы основные функции особо охраняемых территорий (ООПТ) в
сохранении биоразнообразия видов? Какие виды ООПТ вам известны: Дайте
краткую характеристику каждому из них.
Е) как изменяется видовое «богатство» от экватора к полюсам. Предложите вариант схематичного рисунка, изображающего данную закономерность.
Задание 3. Схематично раскройте последствия уничтожения лесов на
примере Семипалатинского соснового бора. Приведите не менее 10 фактов,
установите между данными фактами причинно-следственные связи.
Практическая работа № 9.
Тема: «Популяционный и экосистемный уровни биоиндикации»
План работы:
1. Изучение теоретического материала.
2. Ответить на вопросы.
Методические указания к практическому занятию:
Изучить раздаточный материал, изучить вопросы для текущей проверки знаний. В конце занятия сформулировать вывод по пройденным темам.
Цель занятия: Рассмотреть основные биоиндикационные параметры
популяционного и экосистемного уровней, дать им характеристику.
Литература:
2.А.М. Никаноров, Т.А. Хоружая Экология. – Москва.: «Издательство ПРИОР», 1999. -304
Задание 1. Устный опрос.
1.Критерии отбора биоиндикационных показателей тканевого и организменного уровня.
2. Показательные признаки повреждения на тканевом уровне, примеры.
3. Характеристика и типы некрозов у растений.
4. Характеристика стандартных тест-растений для биоиндикации на тканевом
уровне.
5. Показательные патологические проявления неблагоприятного внешнего
воздействия у животных как биоиндикационные показатели, примеры.
6. Показательные повреждения организменного уровня у растений, примеры.
141
7. Изменение окраски листьев у растений и тела у животных как биоиндикационные показатели, примеры.
8. Изменение размеров и продуктивности растений и животных как биоиндикационные признаки.
9. Экобиоморфные признаки как биоиндикационные покажзатели, примеры.
10. Отбор показательых видов на популяционном уровне биоиндикации
11. Показатели популяционного уровня биоиндикации.
12. Воздействие антропогенных стрессоров на динамику растительных популяций
13. Воздействие антропогенных стрессоров на характер распространения
растений
14. Показательные признаки экосистемного уровня
15. Метод комплексной биоиндикации, его этапы и преимущества
16. Экологические индексы, используемые в методе комплексной индикации
(индекс Шеннона, индекс доминантности, индекс сходства)
17.Модель оценочной шкалы при использовании метода комплексной
индикации
Практическая работа № 10.
Тема: «Требования к характеристикам биотестов»
План работы:
1. Изучение теоретического материала.
2. Ответить на вопросы.
Методические указания к практическому занятию:
Изучить раздаточный материал, изучить вопросы для текущей проверки знаний. В конце занятия сформулировать вывод по пройденным темам.
Цель занятия: Рассмотреть основные биоиндикационные параметры
популяционного и экосистемного уровней, дать им характеристику.
Литература:
2.А.М. Никаноров, Т.А. Хоружая Экология. – Москва.: «Издательство ПРИОР», 1999. -304
Задание 1. Устный опрос.
1. Фитоидикационные методы экологического состояния природной
среды.
2. Показатели состояния растительности как индикатора экологического состояния территории
3. Классификация фитоидикационных признаков
4. Методы биоидикации по структуре и строению растительных сообществ
5 Метод дендроиндикации
6. Метод бриоиндикации
7. Метод лихеноиндикации
142
8. Биоиндикационные показатели лихенондикации (показатель обилияплотности, индекс чистоты атмосферы, индекс чистоты воздуха).
9. Методы биотестирования, их преимущества и достоинства.
10. Тест-объекты, стандартные и наиболее часто используемые в практике.
Практическая работа № 11.
Тема: «Требования к характеристикам биотестов»
План работы:
1. Изучение теоретического материала.
2. Ответить на вопросы.
Методические указания к практическому занятию:
Изучить раздаточный материал, изучить вопросы для текущей проверки знаний. В конце занятия сформулировать вывод по пройденным темам.
Цель занятия: Изучить тест-объекты, дать им характеристику.
Литература:
2.А.М. Никаноров, Т.А. Хоружая Экология. – Москва.: «Издательство ПРИОР», 1999. -304
Задание 1. Устный опрос.
1. Тест-объекты и требования к ним.
2. Экспресс-методы биотестирования
3. Токсичность водной среды.
4. Острая токсичность, ее показатели.
5. Тест-функции.
6. Виды токсичности, их характеристика.
7. Токсикорезистентность.
8. Токсобность.
9. Толерантный лимит.
10.Токсикометрия.
11.Биотические индексы.
12.Экспресс-диагностика токсичности почв.
13.Биотестирование.
14.Прибор «Биотестер», его принцип работы.
Практическая работа № 12.
Тема: « Биондикация состояния почвенного покрова»
План работы:
1. Изучение теоретического материала.
2. Ответить на вопросы.
Методические указания к практическому занятию:
Изучить раздаточный материал, изучить вопросы для текущей проверки знаний. В конце занятия сформулировать вывод по пройденным темам.
Цель занятия: Изучить тест-объекты, дать им характеристику.
143
Литература:
2.А.М. Никаноров, Т.А. Хоружая Экология. – Москва.: «Издательство ПРИОР», 1999. -304
Задание 1. Устный опрос.
1. Основные последствия действия пыли и золы на ПТК
2. Изменение кислотности почв, растения-индикаторы кислотности и богатства почв
3. Механический состав почв, литоиндикаторы
4. Показатели и индикаторы почвенного плодородия
5. Индикация засоленности почв – постоянные, переменные, отрицательные
индикаторы
6. Индикация типов почв
Практическая работа № 13.
Тема: « Биондикация состояния водных объектов»
План работы:
1. Изучение теоретического материала.
2. Ответить на вопросы.
Методические указания к практическому занятию:
Изучить раздаточный материал, изучить вопросы для текущей проверки знаний. В конце занятия сформулировать вывод по пройденным темам.
Цель занятия: Изучить тест-объекты для индикации и биотестирования водных объектов, дать им характеристику.
Литература:
2.А.М. Никаноров, Т.А. Хоружая Экология. – Москва.: «Издательство ПРИОР», 1999. -304
Задание 1. Устный опрос.
1. Назовите наиболее часто используемые тест-объекты для контроля токсичности сточных вод и выявлении источников загрязнения.
2. Объясните метод рыбной пробы. Какие еще параметры используются для
индикации водных объектов?
3. Какие методики рекомендованы для определения токсичности природных
пресных вод и донных отложений, сточных вод и отработанных буровых
растворов?
4. Какие тест-системы используют для комплексного экологического мониторинга изменения морской среды в районах разработки морских нефтегазовых месторождений?
5. В каких целях используют макрофиты?
6. Для цего используют зоопланктонные фильтраты?
7. Для чего используют макробентос?
Практическое занятие № 14
144
Тема: «Международная программа по биоиндикации»
План работы:
1. Изучение теоретического материала.
2. Ответить на вопросы.
Методические указания к практическому занятию:
Изучить раздаточный материал, изучить вопросы для текущей проверки знаний. В конце занятия сформулировать вывод по пройденным темам.
Цель занятия: Изучить направления международной программы по
биоиндикации, дать им характеристику.
Литература:
2.А.М. Никаноров, Т.А. Хоружая Экология. – Москва.: «Издательство ПРИОР», 1999. -304
Задание 1. Устный опрос.
1. Какие толерантные и чувствительные виды используют в ботанике для индикации?
2. Какие виды животных используют для определения химических веществ в
теле животных по направлению зоологии в биоиндикации?
3. Какие индикаторы используют в клеточной биологии и генетике?
4. Какую реакцию организма используют в сравнительной физиологии?
5. Что используют в гидробиологии для индикации качества воды?
Практическое занятие №15
Тема: «Эмиссионно-экологический кадастр»
План работы:
1. Изучение теоретического материала.
2. Ответить на вопросы.
Методические указания к практическому занятию:
Изучить раздаточный материал, изучить вопросы для текущей проверки знаний. В конце занятия сформулировать вывод по пройденным темам.
Цель занятия: Изучить Правила ведения государственного учета, кадастра
и мониторинга животного мира в Республике Казахстан
Литература:
2.А.М. Никаноров, Т.А. Хоружая Экология. – Москва.: «Издательство ПРИОР», 1999. -304
Задание 1. Устный опрос.
1.Кто проводит гос.учет животных, растений, рыб и насекомых в РК?
2. Как проводится мониторинг животного мира?
3. Что такое кадастр и цель его создания?
145
4. С какой целью был создан Кадастр животного мира в РК?
5. Какие направления работы Кадастра вы знаете?
146