Реферат.
Мониторинг биоты (на разных уровнях его проведения) напримере водной среды.
Москва 2004г.
МОНИТОРИНГ БИОЛОГИЧЕСКИХ ПЕРЕМЕННЫХ
Для биоиндикации могутиспользоваться показатели биосистем всех рангов. Обычно, чем ниже ранг биосистемы,используемой вкачестве биоиндикатора, тем более частными могут быть выводы о воздействиях факторовсреды и наоборот.
Организмы и суборганизменные структуры. K биосистемам суборганизменныхрангов относятся молекулы и молекулярные комплексы (белки, нуклеиновые кислоты и др.), клеточныеорганоиды, клетки, ткани, органы исистемы органов. Для биоиндикациинаиболее показательны следующие характеристики
· химический состав клеток;
· состав, структураи степень функциональной активности феноменов;
· структурно-функциональныехарактеристики клеточныхорганоидов;
· размеры клеток,их морфологические характеристики, уровень активности;
· гистологическиепоказатели;
· концентрации поллютантов в тканях и органах;
· частота и характер мутаций, канцерогенеза, уродств.
Тератогенный эффект факторов среды — способность вызывать y тест-организмов различные уродства, пороки развития. Последствия тератогенныхвоздействий различны: в одних случаях тератогенез может проявляться только на уровнеклеточных органоидов,отдельных клеток; в других затрагивает ткани, органы и весь организм.
Большоезначение для биоиндикации состояния окружающей среды и её антропогенных изменений имеютмногочисленные структурные(анатомические) и функциональные (физиологические) характеристики организма.
Использованиенекоторых структурных и функциональных характеристик сообществ (особенно фито-, зоо- и бактериопланктона и бентоса) для оценкикачества водной среды (наряду с абиотическими показателями) являетсяобязательным (ГОСТ 17.1. 3 . 07-82; ГОСТ 17. 1. 2. 04-77; Рд52. 24. 565-%о; Рд 52. 24. 564-96; Рд 52. 24. 420-95 и др.).
Наиболеешироко применяется оценка скоростиаэробной деструкции органических веществ — биохимическое (или биологическое)потребление кислорода (БПК) планктоном.
ВПК легко определяетсяэкспериментально, оно выражается обычно вмиллиграммах кислорода, расходуемогопри деструкции в единице объёма воды в условиях изоляции от солнечного света за период экспозиции (обычно 5суток). Соответствующая величина БПКобозначается БПК5. БПК5 являетсяодним их шести обязательных показателей при расчете индекса загрязненности воды.
Первичная продуктивностьводных экосистем и их способность ксамоочищению обычно оценивается по величине первичной продукции планктона и по соотношению скоростейобразования валовой первичнойпродукции и деструкции (Р/R).
Принятая классификациякачества воды водоемов и водотоков побиотическим показателям (ГОСТ 17. 1. 3. 07-82) учитывает следующиехарактеристики:
· отношение общей плотности олитхег к общей плотности сообщества зообентоса (классOligochaeta — малощетинковые черви; многие их видыхарактеризуются повышенной устойчивостьюк загрязнению и гипоксии, что определяет высокое абсолютное и относительное обилие олигохет в бентосе загрязнённых водоёмом);
· концентрацию вводе всех бактерий и отдельных сапрофитных, т. е., активно разлагающихорганических веществ;
· индекссапробности (и модификации Сладечека) по фитопланктону,зоопланктону, перефитону;биотическийиндекс Вудивисса.
Шкала и индексы сапробности. Сапробностыоназывается степень загрязненности водоёма органическимивеществами, доступными редуцентам.B основную шкалу сапробности положен принцип, отражающий степень оксифильностигидробионтов-индикаторов. Водоёмы и отдельные участки их акватории классифицируются по степени загрязненностиорганическими веществами следующимобразом (ГОСТ 17. 1. З. 07-82):
· ксеносапробная зона (I класс чистоты) — вода “очень чистая”;
· олигосапробная зона (IIкласс чистоты) — вода “чистая”;
· бета-мезосапробная зона (III класс чистоты) — вода “слабо
(умеренно) загрязнённая”;
· альфа-мезасапробнаязона (IV класс чистоты) — вода“загрязнённая”;
· полисапробнаязона (V класс чистоты) — вода “грязная”;
· гиперсапробнаязона (VIкласс чистоты) — вода “очень грязная”.
Биологических переменных, характеризующих состояниеотдельныхособей, группы организмов, целых попуцляий и экосистем, теоретически может быть бесконечное число. Носреди них имеется относительно немного параметров, тесно связанных с важнейшими показателями состояния группы организмовили отдельных особей. K важнейшим показателям относятся прежде всего, признаки предетального состояния организма илигруппы организмов, нарушение репродуктивных способностей, жизненного цикла и некоторые другие.
Наиболeе пoлнo вопросы мониторинга биологических переменных были обсуждены весной 1979г. нa семинаре в США. На семинаре было выделено семь секций: биохимия, физиология, паталогия, поведение, генетика, экология и биотестирование. B опубликованных тpудаx семинара приводятсясписки биологическихпараметром, рекомендуемых для включения в программы биологического мониторинга,и методы их определения.
Эти методы в сочетании с классическими позволяют наиболее полно описать состояниенаблюдаемых экосистем, если известны критерии оценки полезности биологических переменных для мониторинга загрязнения, иопределен диапазон изменений биологических переменных.
Прицнипы отбора биологических переменных.
Возникновение потребности в разработке конкретных программ биологического мониторингапривело к необходимости составления приоритетных списков структурных и функциональных переменных по уровняморганизации.
На пути преодоления этих трудностей за основу было взято несколько существующих в литературе схем уровнейорганизации живого B соответствии со схемой Ю. Одума (1975), спектр уровнейорганизации изображается в видегоризонтального ряда. По мнению Одума,все уровни в равной степени заслуживают внимания исследователей. Двигаясь слеванаправо, от генетическихсисистем до экосистем, однипеременные становятся более важными и изменчивыми,в то время как важность других становится пренебрежительно малой, a их изменчивость едва заметной. Если в основу наложить схему уровней организации,предложенную H. П. Наумовым (1972), токартина будет иная (табл. 1).
Иерархия структуры органического мира. (табл. 1)
Уровни
Ступени
Молекулярно-клеточная
организменная
надорганизменная
Низший
Молекулы однго класса
ткани
Популяции
Средний
Органоиды, клетки
Органы, их системы
Биоценотические комплексы
Высший
Клетки
организмы
биоценозы
при таком подходе H. П.Наумову удалось выделить характерныйуровень иерархии структуры органического мира, на котором живыесистемы способны к изолированному существованию и самостоятельномувоспроизведению. Обычно неизвестен характерсвязи между показателями низшего и среднегоуровней и основным показателем, которым обладает только высшийуровень -воспроизводство. Поэтому в токсикологических опытахпредпочтение отдают наблюдениям заструктурными и функциональными параметрамиименно высшего, a не среднего и низшего уровней. Набор биологических откликовдля низшего и среднего уровней молекулярно-клеточной и организменной ступенейзависит главным образом от степени развития методических приемов, которые приходят из физики, химии, кибернетики идругих наук. Широкий арсенал методических приемов позволяет получать разнообразную информацию как о структуре жизненно важныхмакромолекул, биомембран иорганоидов клетки, так и о кинетике внутриклеточных процессов.
Для практических нужд впервую очередь используются простые методы, с помощью которых можно измерятьфизиолого-биохимические показатели, имеющее высокую корреляцию с такимиважными переметными, как смертность, рождаемость,продолжительность жизни и др.
Механизмы,лежащие в основе поражения отдельных клеток, организмов, популяций илисообществ при воздействии одного и тогоже повреждающего фактора, будут отличаться друг от друга, т.к. каждая из ступеней структуры живого описывается определенным наборомпеременных, принадлежащих только данной ступени
Включениюбиологических переменных в программы биологического мониторинга предшествуетотбор переменных, исходя из определенных критериев.
B первуюгруппу были включены критерии, отражающие фундаментальность биологическоговоздействия, во вторую — оценивающую эффективность биологических измерений и втретью — практическую ценность переменных, предлагаемых для включения впрограммы мониторинга.
Перваягруппа охватывает следующие критерии:
1. существование связи между выбранной переменной и такими показателями,как рост, воспроизводство, выживаемость особей, популяции, сообщества иэкосистемы;
2. характер связи между наблюдаемой переменной и откликами на низших ивысших уровнях организации;
3. специфичность отклика переменной к фактору, его вызывающему;
4. возможность возврата переменной к своему первоначальному значению после прекращения действия возмущающегофактора;
5. специфичность действия фактора дляопределения группы организмов.
Вторуюгруппу составляют следующие критерии:
1. характер связи отклика переменной с действующим загрязнением;
2. интенсивность действующего фактора, вызывающего наблюдаемый откликпеременной;
3. пределы изменения величины действующего фактора, вызывающие наблюдаемыйэффект;
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.
B третью группу критериев входят:
Оценкастоимости измерения отклика переменной, которая включает стоимость капитального оборудования, обученияперсонала и штатов, a также оценка диапазона использования отклика переменной в программах биологического мониторинга.
Обычно программы биологического мониторинга строятся таким образом, чтобы онвключали намерение как неспецифических, так и специфических биологических откликов.Так как отклики на высшихуровнях организации (популяции и сообщества) более важны с экологической точки зрения, по практически не несут информации обизменениях на низшихуровнях организации — клеточноми молекулярном. B то же время последние являются более чувствительными и специфичными показателями. В этом случае выбраннаябиологическая переменная будет либо общим (неспецифическим) показателемизменений окружающей среды,так как загрязнение обычно представляет собой комбинацию разнообразных веществ ипеременных окружающей среды, либо специфическим откликом на известный класс веществ, выбранный для определения связи“причина-эффект”. Если программой биологического мониторинга предусмотрена оценка состояния окружающей среды с учетомобщих и специфических показателей,то в программу надо включать биологические переменные, отвечающие разным уровням биологическойорганизации.
Молекулярный уровень.
Рассматриваядва 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 молекулярно-клеточной организации и биохимических превращений по сравнению с более высокимиуровнями организации не может неудивлять. Это удается проследить припереходе от самого низкого уровня организации живого к высшему. И, несмотря на то, что различие удается установитьтолько на молекулярном уровнеорганизации, атомный, т. е. домолекулярный, уровень не входит в иерархическуюструктуру живого органического мира; оказывается, что именно здесьобеспечивается высокая степеньуниверсализма как структуры и функции молекул, так и биохимических реакций. Заметные различия обнаруживаются даже у близкородственных видов только припереходе на более высокие уровниорганизации (ткань, органы, организм).
Эти соображения позволяют предположить, что ответные реакции разных организмов, относящихся к одному семействуили роду, при действии токсических веществна молекулярном уровне не будутсильно различаться. Это в свою очередь дает возможность экстраполировать результаты, полученные в опытах с одними организмами на тканевом илиорганизменном уровне.
Bнастоящее время имеется большой выбор переменных, используемых в биохимии и молекулярной биологии,которые могут быть включены в программымониторинга, осуществляемого длямолекулярного уровня. B соответствии с ранее описанными критериями к молекулярному уровню отнесеныследующие биологические переменные:отношение концентраций таурин/глицин,концентрация металлотионеинов, содержание стероидов, содержание оксигеназы со смешаннойфункцией, энергетический заряд, хромосомные нарушения.
Перечисленные биологические переменныеможно разделить, на две группы:специфические, реагирующие на определенные вещества, и неспецифические,реагирующие на любые воздействия, включая загрязняющие и биогенные вещества.
Оксигеназы со смешанной функцией.
Цитохром P-450 — гемопротеид,содержащийся в оксигеназных системах, можно без преувеличения отнести к универсальной молекуле. Она обнаружена убактерий, высших растений и млекопитающих.Наряду с основными функциями цитохром;P-450 может принимать участие в метаболизме чужеродных соединений. В определенных условияхизменение активности оксигеназы со смешанной функцией у организмов, взятых в качестве пробы изестественных популяций, можетсвидетельствовать о хроническом или остром загрязнении морской средынефтепродуктами. Вероятно, предсказательнаяценность этого показателя повысится, если будут уточнены границы егоприменимости.
Металлотионеины.
Процессы детоксикации некоторых тяжелых металлов у многих видов морских рыб, моллюсков и ракообразных идутпутем их связывания с металлотионеиновымибелками. Так, например,при действии ртути в концентрации 5 мкг/л налосося было обнаружено значительное увеличение концентрации ртути в тканях, связанное с ферментно-белковымаулом, и снижение значений показателя роста (Сариххо, 1981). При действии ртутив концентрации 1 мкг/л подобного эффекта не наблюдалось, по-видимому, потому, что весь металл образовывалкомплексы с металлотиопеинами. Bтаких случаях о токсическом действии по концентрации металлов в тканяхморских организмов можно судить с определеннойосторожностью. Однако не все тяжелые металлы могут подвергаться детоксикации путемобразования комплексов с металлотионеиновыми белками. Несмотря на это ограничение, содержание металлотионеинов ворганизмах, взятых из загрязненныхэкосистем, следует отнести к перспективным специфическим переменным,которые могут занять достойное место всистеме мониторинга загрязнения морской среды тяжелыми металлами.
Энергетический заряд.
Показатель энергетическогосостояния организмапозволяет оценивать количествохимически связанной энергии, запасеннойв пуле адениновых нуклеотидов и доступной в данный момент для метаболических процессов в организме. Энергетическийпотенциал определяется по формуле
ЭП=(АТФ+1/2АДФ)/ (АТФ+АДФ+АМФ)
Установлено,что активность одних ферментов зависитот концентрации АТФ, активность других определяетсяконцентрациями АДФ, АМФ илисоотношениями АТФ/АМФ; АТФ/АДФ. Энергетический потенциал, являясь показателем энергетического состояния клетки,отражает общее регуляторное воздействиеадениновых нуклеотидов на уровень клеточногометаболизма.
Энергетическийпотенциал может измениться под действиемвнешних факторов. Снижение его значения до 0,5-0,75 означает, что процессы потребления и аккумулирования энергии разбалансированыпод влиянием неблагоприятных факторов. 13стрессовых условиях значения энергетического потенциаланиже 0,5 (Chapman et a1., 1971).
Основныедостоинства метода с использован нем энергетического потенциала в качестве показателя воздействия загрязняющих веществ на биоту заключаются в следующем:
1. разность междузначениями энергетического потенциала внормальных и стрессовыхусловиях есть величина постоянная дляданного 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 использованиидругихпоказателей
к недостаткуэтого показателя относится, прежде всего, то, что при постоянном значении энергетическогопотенциала время обращенияможет значительно варьировать (Кпоw1ев, 1977). Поэтому стрессовые воздействия, влияющие на времяобращения пула адениновых нуклеотидов,зарегистрировать трудно.
Стероиды.
Исследованияметаболизмастероидных гормонов у морских рыб и млекопитающих свидетельствуют о том, чтосублетальные концентрации загрязняющих веществ могут повлиять на ферментные системы,ответственные застероидогенез, который в свою очередьопределяет функционированиегомеостатического механизма животных. Обнаружена достоверная корреляция между влияниемсублетальных концентраций некоторых загрязняющих веществ и метаболизмом стероидных гормонов у птиц, рыб иморских млекопитающих. Однако этиданные были получены на небольшомэкспериментальном материале и лишь внескольких лабораториях. Поэтомупоказатель активности метаболизмастероидных гормонов сможет найти место в программах мониторинга на молекулярномуровне лишь мосле дополнительныхисследований на широкой группе позвоночных и беспозвоночных животных. Именно по этой причине этот показатель не может быть рекомендован длявключения в ныне действующиепрограммы мониторинга.
Хромосомные нарушения.
Хроническоеили случайное присутствие загрязняющих веществ антропогенного может привести, к различным нарушениям генетическогоплана (рис. 1). Например, присутствие загрязняющих веществ
Рис. 1. Генетическиепоследствия влияния загрязнения на популяцию.
может изменить состав генетического пула, что в условияхгенетической изменчивости в пределах популяции приведет в результате адаптации к изменению усредненногофенотипа популяции. Загрязняющеевещество может непосредственно влиять нагенетический материал или вызывать различного рода мутации. При наличии специальной системы лабораторныхтестов на мутагенность генетик может определить, какие вещества, поступающиев среду, обладают мутагенными свойствами.
УРОВЕНЬ ОРГАНОИДОВ
Стабильность лизосом
Лизосомы во многих отношениях являются идеальной клеточной органеллой для исследований интегральногоотклика на воздействие неблагоприятныхфакторов среды. Лизосом-фагосомный комплекс образует вакуолярнуювнутриклеточную пищеварительную систему, которая способнакатаболизировать как эндогенные клеточныекомпоненты, так и экзогенные вещества.Считают, что в норме основнойфункцией лизосом является расщеплениецитоплазматических компонент внутри вакуоли.В стрессовых условиях лизосомы могутперейти на гетерофагию, которая включаетэндоцитоз (пиноцитоз и фагоцитоз)
Главным образомпитательных веществиз внеклеточной среды иих последующий транспорт в лизосом-вакуолярную систему. Таким путем может происходитьвнутриклеточное потребление внеклеточных веществ.
Однимиз фундаментальных биохимических свойствлизосом является изоляция обладающих огромнойразрушительной силой гидролитическихферментов. При нарушении стабильности мембранпри определенных условиях возможны активизациягидролитических ферментов и в некоторыхслучаях выход их в цитоплазму, приводящий к частичному или полномуцитолизу.
Обнаружено,что лизосомы некоторых позвоночных, моллюсков и рыб способны накапливать ароматическиеуглеводороды, асбест, кремнезем, производныеаминоазобензина, бериллит, металлические порошкиивирусы, a также ионы меди,железа, свинца, цинка, никеля, серебра, ртутии плутония.Когда накопление этихвеществ в лизосомах превышало некоторый уровень, мембраны лизосом разрушалисьи, как следствие, наблюдаласьактивация н выход ферментов в цитоплазму. Некоторые исследователи предлагают в качестве показателя Состояниялизосом использовать Латентностьлизосомальных ферментов.
Клеточный уровень
Имеется рядработ, в которых связь между загрязнением и повреждением клетки эпидермы игиподермы ракообразных установленаэлектронно-микроскопическим методом. Использование этого показателя, несмотря на дорогостоящую, сложную методику и аппаратуру, в рядеслучаев считается оправданным в системахмониторинга для выявления ранних повреждений, вызванных загрязнением (Sindermannet a1., 1980).
Тканевой уровень.
O наличии вморской среде загрязняющих веществ можно судитьno морфологическим аномалиям или заболеваниям животных жгли растений. На сегодняшний день описан ряд болезней и патологических изменений уморских и эстуарных рыб, растений и беспозвоночных, возникающих при загрязнении. Однако в практику биологическогомониторинга загрязнения морской среды можно внедрить лишь небольшое число патологических проявлений.
Для отборапоказателей предлагается ввести дополнительныекритерии:
1. наличие данных, показывающих связь заболевания с загрязнением;
2. изменчивостьаномалии в зависимости от места, сезона, a также возраста и размера организма;
3. легкость и точность измерения аномалии;
4. относительная устойчивостьаномалии;
5. затраты времении стоимость получения данных;
6. соответствие специфичности аномалии взагрязнения;
7. виды, для которых характерна данная аномалия;
8. наличие данныхо биологиии экологии используемых видов.
Язвы на коже
Язвы накоже, наблюдались у многих видов рыб, отловленныхвблизи побережья и вдали от него. У трески обитающей в водах Северной Европы, частое появление этих язв получило название “ язвенного синдрома”.
Недавнее исследованияпродемонстрировали связь между сезоннымиизменениями этого синдрома, степень о загрязнения вод углеводородами иувеличением в воде популяций, потенциальнопатогенных для рыб. Весной процент больных рыб у побережья выше, чем вдали, но к лету этазависимость становится менееочевидной. Поэтому при отлове рыб с целью мониторинга нужно учитыватьсезон года. Кроме того, следует проводитьмикробиологические тесты проб, взятых из донных осадков и водной толщи.
Эрозия плавников
эрозияплавников — одно изнаиболее 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 загрязненнымидонными осадками поражаются спинной и. анальный плавники, a у пелагических прибрежных рыб наблюдается общая эрозия, но снекоторым преимущественным поражением хвостового плавника.
Вероятней всего,причины эрозии носят комплексный характери могут включать химическиё агенты (которые влияют на мускус эпителий),дефицит растворенного кислорода в воде и вторичное бактериальное заражение. Систематическоезаражение бактериями необязательно связано с появлением эрозии плавика,хотя в пробе, взятой из язвы, можно выделить многие виды бактерий.
Наблюдение за этим показателемрекомендуетсяпроводить с учетомсезона года, размера рыб, чувствительности вида, условий обитания имиграции.
Аномалии скелета
3a последние годы увеличилось число случаев аномалии скелета у рыб. Приводится множество примеров спинныхфузий и искривлений,позвоночного сжатия (уплощение), аномалий головы и плавника. Такие нарушения встречаются и убольшинства природныхпопуляций, no чаще всего они наблюдаются в загрязненныхакваториях.
Связьмежду частотой появления аномалий скелета водных позвоночных и загрязнением была подтвержденаэкспериментально.Хлорорганический пестицид Кепон, например, вызывал сколиоз у миног, при действиитяжелых металлов у рыб наблюдались искривления и разрывы позвоночника.
Таким образом, мониторинг морских позвоночных на тканевом уровне включает тщательный осмотр рыб длявыявления явных аномалий с последующейрентгеноскопией для обнаружения скрытых деформаций, например позвоночных спаек. Heпредставляет особых трудностейобследование жаберных тычинок и спинныхплавников. Большую пользу могут оказатьпланктонные и планктоновые пробы с целью обнаруженияуродливых личинок и аномалий у раннеймолоди.
Опухоли
Опухоли были обнаружены у представителей всехклассов холоднокровныхпозвоночных, у двустворчатых моллюсков и насекомых. У 60 морских видов животных из разных групп и местообитаний были обнаружены инфекционные опухоли.
Опухоли у рыб и моллюсков являютсяпотенциально полезными показателям для мониторинга морской среды, поограниченное географическое распространениевидов, имеющих опухоли, и отсутствие опухолейу видов, имеющих широкое географическое распространение, a также недостаток данных о причинах; вызывающихопухоли,исключают возможность использования какого-то одного вида морской рыбы в качестве универсального индикатора.
Использование двустворчатых моллюсков для мониторинга химических карциногенов вокружающей среде имеет значительные преимущества,так как они, в отличие от рыб, например, профильтровывают большие количества воды в течениедлительного времени.Важно также то, что относительно небольшое число видов обитает почти во всех эстуариях Мировогоокеана.
Более того, раккрови у двустворок описан длячетырех континентов, и, хотя имеютсядоказательства в пользу как вирусной, так ихимической этиологии этого заболевания, его появление, по-видимому, связано с присутствием загрязняющих Методикаопределения рака крови у моллюсков чрезвычайнопроста и состоит в наблюдении за мутностью 0,5 смз жидкости,полученной из тела. Нормальные гемоциты прилипают стеклу, и каплябыстро становится прозрачной. Раковые клетки становятся круглыми, не прилипают к стеклу, и сама капля очень похожа на каплю молока.
Иммунная реакция
Современнымииммунологическими исследованиями показано, что рыбы в противоположность беспозвоночным вырабатывают высоко специфическиеантитела.
Оказалось, что антитела,патогенные для человека, встречаются в 1,5-6% рыб мороне обитающих в заливе Чесапик. Это было отмеченопреимущественно в эстуарных районахвблизи крупных поселений, причем кросскорреляция сре