ГосударственноеОбщеобразовательное Учреждение
ВысшееПрофессиональное Образование
ВятскийГосударственный Университет
Биологическийфакультет
Кафедрамикробиологии
Рефератна тему:
Растения и животные – индикаторы загрязнения окружающей среды
Киров,2010
Введение
В последнеевремя весьма актуальными являются наблюдения за изменениями состояния окружающейсреды, вызванными антропогенными причинами. Система этих наблюдений и прогнозовсоставляет суть экологического мониторинга. В этих целях все чаще применяется ииспользуется достаточно эффективный и недорогой способ мониторинга среды – биоиндикация,т.е. использование живых организмов для оценки состояния окружающей среды.
Последствиязагрязнения окружающей среды отражаются на внешнем виде растений. У растений подвлиянием вредных веществ происходит увеличение числа устьиц, толщины кутикулы, густотыопушения, развивается хлороз и некроз листьев, раннее опадание листвы. Некоторыерастения наиболее чутко реагируют на характер и степень загрязнения атмосферы. Этоозначает, что они могут служить живыми индикаторами состояния среды. В настоящеевремя разработана концепция комплексного экологического мониторинга природной среды,составной частью которого является биологический мониторинг. Индикаторные растениямогут использоваться как для выявления отдельных загрязнителей воздуха, так и дляоценки качественного состояния природной среды. Обнаружив по состоянию растенийприсутствие в воздухе специфических загрязнителей, приступают к измерению количестваэтих веществ различными методами, например, испытанием растений в лабораторных условиях.
На уровне видаи сообщества о состоянии природной среды можно судить по показателям продуктивностирастений. Индикаторами присутствия сернистого газа являются лишайники и хвойныепороды, наиболее сильно страдающие от загрязнений. Во многих промышленных городахвокруг заводов возникают зоны, где лишайники вообще отсутствуют – «лишайниковыепустыни». Хвоя сосны образует на своей поверхности тем более толстый слой воска,чем выше концентрация или продолжительнее действие на нее сернистого газа. На этомосновании был разработан метод индикации в атмосфере сернистого газа – «тест помутненияпо Гертелю». Другой признак действия двуокиси серы на растения – снижение рН содержимогоклеток.
Весь комплексэкологических факторов (температура воздуха и почвы, влагообеспеченность, рН среды,загрязнение почв и воздуха металлами) сказывается на биосинтезе пигментов, изменяяокраску различных частей растения. Этот биоиндикатор может оказаться наиболее информативным.
Исследования,проведенные на древесных растениях показали, что тяжелые металлы могут накапливатьсяв растениях, и по их содержанию можно оценить экологическую обстановку территории.Загрязнение медью сказывается на росте растений, цинком – приводит к отмиранию листьеву растений, кобальтом – к ненормальному развитию и т.д. Индикаторами присутствияфтора являются чувствительные растения, накапливающие его и реагирующие на этотфитотоксикант некрозом листьев (гладиолусы, фрезия).
Приведенныепримеры свидетельствуют о том, что селекционеры могут сделать многое для созданиябиоиндикаторов различного рода загрязнений. Чувствительные растения могут заменитьдорогостоящую установку для газовых анализов. Такой «газоанализатор» окажется доступнымкаждому человеку.
1. Биологическиеиндикаторы
(Б.и.) — организмы,которые реагируют на изменения окружающей среды своим присутствием или отсутствием,изменением внешнего вида, химического состава, поведения.
При экологическоммониторинге загрязнений использование Б.и. часто дает более ценную информацию, чемпрямая оценка загрязнения приборами, так как Б.и. реагируют сразу на весь комплексзагрязнений. Кроме того, обладая , Б.и. своими реакциями отражаютзагрязнения за длительный период. На листьях деревьев при загрязнении атмосферыпоявляются некрозы (отмирающие участки). По присутствию некоторых устойчивых к загрязнениювидов и отсутствию неустойчивых видов (например, лишайников) определяется уровеньзагрязнения атмосферы городов.
При использованииБ.и. важную роль играет способность некоторых видов аккумулировать загрязняющиевещества. Последствия аварии на Чернобыльской АЭС были зафиксированы в Швеции прианализе лишайников. Сигнализировать о повышенном содержании бария и стронция в окружающейсреде могут береза и осина неестественно зеленым цветом листьев. Аналогично в ареалерассеяния урана вокруг месторождений лепестки иван-чая становятся белыми (в норме- розовые), у голубики темно-синие плоды приобретают белый цвет и т. д.
Для выявленияразных загрязняющих веществ используются разные виды Б.и.: для общего загрязнения- лишайники и мхи, для загрязнения тяжелыми металлами — слива и фасоль, диоксидомсеры — ель и люцерна, аммиаком — подсолнечник, сероводородом — шпинат и горох, полициклическимиароматическими углеводородами (ПАУ) — недотрога и др.
Используютсяи так называемые — растения-индикаторы, высаженные на грядках,помещенные в вегетационные сосуды или в специальных коробочках (в последнем случаеиспользуют мхи, коробочки с которыми называются бриометрами). устанавливают в наиболее загрязненных частях города.
При оценке загрязненияводных экосистем в качестве Б.и. могут использоваться высшие растения или микроскопическиеводоросли, организмы зоопланктона (инфузории-туфельки) и зообентоса (моллюски идр.). В средней полосе России в водоемах при загрязнении воды разрастаются роголистник,рдест плавающий, ряски, а в чистой воде — водокрас лягушачий и сальвиния.
С помощью Б.и.можно оценивать засоление почвы, интенсивность выпаса, изменение режима увлажненияи т. д. В этом случае как Б.и. чаще всего используется весь состав фитоценоза. Каждыйвид растений имеет определенные пределы распространения (толерантности) по каждомуфактору среды, и потому сам факт их совместного произрастания позволяет достаточнополно оценивать экологические факторы.
Возможностиоценки среды по растительности изучаются специальным разделом ботаники — индикационнойгеоботаникой. Ее основной метод — использование экологических шкал, т. е. специальныхтаблиц, в которых для каждого вида указаны пределы его распространения по факторамувлажнения, богатства почвы, засоления, выпаса и т. д. В России экологические шкалыбыли составлены Л. Г. Раменским.
Широкое распространениеполучило использование деревьев как Б.и. изменения климата и уровня загрязненияокружающей среды. Учитывается толщина годичных колец: в годы, когда выпадало малоосадков или в атмосфере повышалась концентрация загрязняющих веществ, образовывалисьузкие кольца. Таким образом, на спиле ствола можно видеть отражение динамики экологическихусловий.
1.2 Биологическийконтроль окружающей среды
Биологическийконтроль окружающей среды включает две основные группы методов: биоиндикацию и биотестирование.Применение в качестве биоиндикаторов растений, животных и даже микроорганизмов позволяетпроводить биомониторинг воздуха, воды и почвы.
Биоиндикация(bioindication) – обнаружение и определение экологическизначимых природных и антропогенных нагрузок на основе реакций на них живых организмовнепосредственно в среде их обитания. Биологические индикаторы обладают признаками,свойственными системе или процессу, на основании которых производится качественнаяили количественная оценка тенденций изменений, определение или оценочная классификациясостояния экологических систем, процесса и явлений. В настоящее время можно считатьобщепринятым, что основным индикатором устойчивого развития в конечном итоге являетсякачество среды обитания.
Биотестирование(bioassay) – процедура установления токсичностисреды с помощью тест-объектов, сигнализирующих об опасности независимо то того,какие вещества и в каком сочетании вызывают изменения жизненно важных функций утест-объектов. Для оценки параметров среды используются стандартизованные реакцииживих организмов (отдельных органов, тканей, клеток или молекул) В организме, пребывающемконтрольное время в условиях загрязнения, происходят изменения физиологических,биохимических, генетических, морфологических или иммунных систем. Объект извлекаетсяиз среды обитания, и в лабораторных условиях проводится необходимый анализ.
Хотя подходыочень близки по конечной цели исследований, надо помнить, что биотестирование осуществляетсяна уровне молекулы, клетки или организма и характеризует возможные последствия загрязненияокружающей среды для биоты, а биоиндикация – а уровне организма, популяции и сообществаи характеризует, как правило, результат загрязнения. Живые объекты – открытые системы,через которые идёт поток энергии и круговорот веществ. Все они в той или иной мерепригодны для целей биомониторинга.
Контроль качестваокружающей среды с использованием биологических объектов в последние десятилетияоформился как актуальное научно-прикладное направление. При этом необходимо отметитьдефицит учебной литературы по этим вопросам и большую потребность в ней.
1.3 Принципыорганизации биологического мониторинга
Под экологическим качеством среды обитания человека понимают интегральнуюхарактеристику природной среды, обеспечивающую сохранение здоровья и комфортноепроживание человека.
Поскольку человек адаптирован и может комфортно существовать тольков современном биологическом окружении, в при родных экосистемах, понятие «экологическоекачество среды» подразумевает сохранение экологического равновесия в природе (относительнойустойчивости видового состава экосистем и со става сред жизни), которое и обеспечиваетздоровье человека.
Необходимо различать цели и способы нормирования и оценки качествасреды обитания человека по основным физико-химическим параметрам, с одной стороны,и экологического прогноза будущего изменения состояния экосистемы и здоровья людейв условиях антропогенного пресса — с другой.
Для общей оценки состояния окружающей среды и определения доли участияотдельных источников в ее загрязнении применяют санитарно-гигиенические и токсикологическиенормативы (предельно допустимые концентрации — ПДК — поллютантов, предельно допустимыеуровни воздействия — ПДУ). Однако для прогноза результатов влияния антропогенныхфакторов как на экосистемы, так и на здоровье людей необходимо учитывать так жеи многие показатели, характеризующие реакцию отдельных организмов и экосистемы вцелом на техногенное воздействие.
Антропогенные загрязнения действуют на живые организмы, и в том числена человека, в самых различных сочетаниях, комплексно. Их интегральное влияние можнооценить только по реакции живых организмов или целых сообществ. Прогноз действияна человека загрязненной воды, химических добавок в пище или за грязненного воздухаправомочен, если в оценку токсичности входят не только аналитические методы, нои биологическая диагностика действия среды на животных. Кроме того, многие ксенобиотики(чуждые для биосферы вещества) накапливаются в организме, и в результате длительноевоздействие даже малых концентраций этих веществ вызывает патологические измененияв организме. Наконец, известен парадоксальный эффект малых доз многих биологическиактивных соединений, когда сверхслабые дозы (ниже ПДК) оказывают на организм болеесильное действие, чем их средние дозы и концентрации.
Универсальным показателем изменения гомеостаза тест-организма являетсясостояние стресса при попадании из «чистой» среды в «загрязненную».
В биологии под стрессом понимается реакция биологической системы наэкстремальные факторы среды (стрессоры), которые могут в зависимости от силы, интенсивности,момента и продолжительности воздействия более или менее сильно влиять на систему.
Стрессовое воздействие среды приводит к отклонению основных параметроворганизма от оптимального уровня.
В настоящее время оценка степени экологической опасности традиционноосуществляется путем определения в окружающей среде отдельных потенциально вредныхвеществ или воздействий и сравнения полученных результатов с законодательно установленнымидля них предельно допустимыми величинами.
Реализация основных принципов устойчивого развития цивилизации в современныхусловиях возможна лишь при наличии соответствующей информации о состоянии средыобитания в ответ на антропогенное воздействие, собранной в ходе проведения биологическогомониторинга. Оценка качества среды является ключевой задачей любых мероприятий вобласти экологии и рационального природопользования. Сам термин «мониторинг» (отангл. monitoring— контроль) подразумевает проведение мероприятий по непрерывному наблюдению,измерению и оценке состояния окружающей среды.
Объектами мониторинга являются биологические системы и факторы, воздействующиена них. При этом желательна одновременная регистрация антропогенного воздействияна экосистему и биологического отклика на воздействие по всей совокупности показателейживых систем.
Основополагающим принципом биологического мониторинга является установлениеоптимального — контрольного — уровня, любые отклонения от которого свидетельствуюто стрессовом воз действии. Обычно при оценке оптимума по какому-либо одному параметрувозникает вопрос о том, будут ли данные условия оптимальными также для других характеристикорганизма. Однако если исследуемые параметры характеризуют основные свойства организмав целом, то их оптимальный уровень оказывается сходным. Например, столь разные и,казалось бы, совершенно независимые параметры, как асимметрия морфологических признаков,показатели крови, интенсивность потребления кислорода, ритмика роста и частота хромосомныхаберраций, могут изменяться синхронно, когда при определенном стрессовом воздействиив действительности изменяется наиболее общая базовая характеристика организма —гомеостаз развития.
2.Биоиндикация окружающей среды
2.1 Общие принципы использования биоиндикаторов
Биоиндикаторы (от био и лат. indico— указываю, определяю) — организмы, присутствие, количество или особенностиразвития которых служат показателями естественных процессов, условий или антропогенныхизменений среды обитания. Их индикаторная значимость определяется экологическойтолерантностью биологической системы. В пределах зоны толерантности организм способенподдерживать свой гомеостаз. Любой фактор, если он выходит за пределы «зоны комфорта»для данного организма, является стрессовым. В этом случае организм реагирует ответнойреакцией различной интенсивности и длительности, проявление которой зависит от видаи является показателем его индикаторной ценности. Именно ответную реакцию определяютметоды биоиндикации. Биологическая система реагирует на воздействие среды в целом,а не только на отдельные факторы, причем амплитуда колебаний физиологической толерантностимодифицируется внутренним состоянием системы — условиями питания, возрастом, генетическиконтролируемой устойчивостью.
Многолетний опыт ученых разных стран по контролю состояния окружающейсреды показал преимущества, которыми обладают живые индикаторы:
· в условиях хронических антропогенных нагрузок могут реагировать дажена относительно слабые воздействия вследствие кумулятивного эффекта; реакции проявляютсяпри накоплении не которых критических значений суммарных дозовых нагрузок;
· суммируют влияние всех без исключения биологически важных воздействийи отражают состояние окружающей среды в целом,включая ее загрязнение и другие антропогенные изменения;
· исключают необходимость регистрации химических и физических параметров,характеризующих состояние окружающей среды;
· фиксируют скорость происходящих изменений;
· вскрывают тенденции развития природной среды;
· указывают пути и места скоплений в экологических системах различногорода загрязнений и ядов, возможные пути их попадания в пищу человека;
· позволяют судить о степени вредности любых синтезируемых человекомвеществ для живой природы и для него самого, при чем дают возможность контролироватьих действие.
Выделяют две формы отклика живых организмов, используемых в целях биоиндикации,— специфическую и неспецифическую. В первом случае происходящие изменениясвязаны с действием одного какого-либо фактора. При неспецифической биоиндикацииразличные антропогенные факторы вызывают одинаковые ре акции.
В зависимости от типа ответной реакции биоиндикаторы под разделяютна чувствительные и кумулятивные. Чувствительные биоиндикаторы реагируютна стресс значительным отклонением от жизненных норм, а кумулятивные накапливаютантропогенное воздействие, значительно превышающее нормальный уровень в природе,без видимых изменений.
В качестве биоиндикаторов могут быть использованы представители всех«царств» живой природы. Для биоиндикации не при годны организмы, поврежденные болезнями,вредителями и паразитами. Идеальный биологический индикатор должен удовлетворятьряду требований:
· быть типичным для данных условий;
· иметь высокую численность в исследуемом экотопе;
· обитать в данном месте в течение ряда лет, что дает возможность проследитьдинамику загрязнения;
· находиться в условиях, удобных для отбора проб;
· давать возможность проводить прямые анализы без предварительного концентрированияпроб;
· характеризоваться положительной корреляцией между концентрацией загрязняющихвеществ в организме-индикаторе и объекте исследования;
· использоваться в естественных условиях его существования; »иметь короткийпериод онтогенеза, чтобы была возможность отслеживания влияния фактора на последующиепоколения.
Ответная реакция биоиндикатора на определенное физическое или химическоевоздействие должна быть четко выражена, т.е. специфична, легко регистрироватьсявизуально или с помощью приборов.
Для биоиндикации необходимо выбирать наиболее чувствительные сообщества,характеризующиеся максимальными скоростью отклика и выраженностью параметров. Например,в водных эко системах наиболее чувствительными являются планктонные со общества,которые быстро реагируют на изменение среды благо даря короткому жизненному циклуи высокой скорости воспроизводства. Бентосные сообщества, где организмы имеют достаточнодлинный жизненный цикл, более консервативны: перестройки происходят в них при длительномхроническом загрязнении, приводящем к необратимости процессов.
К методам биоиндикации, которые можно применять при ис следовании экосистемы,относится выявление в изучаемой зоне редких и исчезающих видов. Список таких организмов,по сути, является набором индикаторных видов, наиболее чувствительных к антропогенномувоздействию.
2.2 Особенности использования растений в качестве биоиндикаторов
С помощью растений можно проводить биоиндикацию всех природных сред.Индикаторные растения используются при оценке механического и кислотного составапочв, их плодородия, увлажнения и засоления, степени минерализации грунтовых води степени загрязнения атмосферного воздуха газообразными соединениями, а также привыявлении трофических свойств водоемов и степени их загрязнения поллютантами. Например,на содержание в почве свинца указывают виды овсяницы (Festucaovinaи др.), полевицы (Agrostistenuisи др.); цинка — виды фиалки (Violatricolorи др.), ярутки (Tlaspialpestreи др.); меди и кобальта — смолевки (Silenevulgarisи др.), многие злаки и мхи.
Чувствительные фитоиндикаторы указывают на присутствие загрязняющеговещества в воздухе или почве ранними морфологическими реакциями — изменением окраскилистьев (появление хлорозов; желтая, бурая или бронзовая окраска), различной формы некрозами, преждевременным увяданием и опаданием листвы. У многолетних растенийзагрязняющие вещества вызывают изменение размеров, формы, количества органов, направленияроста побегов или изменение плодовитости. Подобные реакции обычно неспецифичны.
Б. В. Виноградов классифицировал индикаторные признаки растений какфлористические, физиологические, морфологические к фитоценотические. Флористическимипризнаками являются различия состава растительности изучаемых участков, сформировавшиесявследствие определенных экологических условий. Индикаторное значение имеет как присутствие,так и отсутствие вида. К физиологическим признакам относятся особенности обменавеществ растений, к анатомо-морфологическим признакам — особенности внутреннегои внешнего строения, различного рода аномалии развития и новообразования, к фитоценотическимпри знакам – особенности структуры растительного покрова: обилие и рассеянностьвидов растений, ярусность, мозаичность, степень сомкнутости.
Очень часто в целях биоиндикации используются различные аномалии ростаи развития растения — отклонения от общих закономерностей. Ученые систематизировалиих в три основные группы, связанные: (1) с торможением или стимулированием нормальногороста (карликовость и гигантизм); (2) с деформациями стеблей, листьев, корней, плодов,цветков и соцветий; (3) с возникновением новообразований (к этой группе аномалийроста относятся также опухоли).
Гигантизм и карликовость многие исследователи считают уродствами. Например,избыток в почве меди вдвое уменьшает размеры калифорнийского мака, а избыток свинцаприводит к карликовости смолевки.
В целях биоиндикации представляют интерес следующие де формации растений:
· фасциация — лентовидное уплощение и сращение стеблей, корней и цветоносов;
· махровость цветков, в которых тычинки превращаются в лепестки;
· пролификация — прорастание цветков и соцветий;
· асцидия — воронковидные, чашевидные и трубчатые листья у растений с пластинчатымилистьями;
· редукция — обратное развитие органов растений, вырождение;
· нитевидность — нитчатая форма листовой пластинки;
· филлодий тычинок — превращение их в плоское листовидное образование.
Биомониторинг может осуществляться путем наблюдений за отдельными растениями-индикаторами,популяцией определенного вида и состоянием фитоценоза в целом. На уровне вида обычнопроизводят специфическую индикацию какого-то одного загрязнителя, а на уровне популяцииили фитоценоза — общего состояния природной среды.
2.3 Особенности использования животных в качестве биоиндикаторов
Позвоночные животные также служат хорошими индикатора ми состояниясреды благодаря следующим особенностям:
· являясь консументами, они находятся на разных трофических уровнях экосистеми аккумулируют через пищевые цепи загрязняющие вещества;
· обладают активным обменом веществ, что способствует быстрому проявлениювоздействия негативных факторов среды на организм;
· имеют хорошо дифференцированные ткани и органы, которые обладают разнойспособностью к накоплению токсических веществ и неоднозначностью физиологическогоотклика, что позволяет исследователю иметь широкий набор тестов на уровне тканей,органов и функций;
· сложные приспособления животных к условиям среды и чет кие поведенческиереакции наиболее чувствительны к антропогенным изменениям, что дает возможностьнепосредственно наблюдать и анализировать быстрые отклики на оказываемое воз действие;
· животных с коротким циклом развития и многочисленным потомством можноиспользовать для проведения ряда длительных наблюдений и прослеживать воздействиефактора на последующие поколения; для долгоживущих животных можно выбрать особочувствительные тесты в соответствии с особо уязвимыми этапами онтогенеза.
Основное преимущество использования позвоночных животных в качествебиоиндикаторов заключается в их физиологической близости к человеку. Основные недостаткисвязаны со сложностью их обнаружения в природе, поимки, определения вида, а такжес длительностью морфо-анатомических наблюдений. Кроме того, эксперименты с животнымизачастую дороги, требуют многократной повторяемости для получения статистическидостоверных выводов.
Оценка и прогнозирование состояния природной среды с при влечениемпозвоночных животных проводятся на всех уровнях их организации. На организменномуровне с помощью сравнительного анализа оцениваются морфо-анатомические, поведенческиеи физиолого-биохимические показатели.
Морфо-анатомические показатели описывают особенности внешнего и внутреннегостроений животных и их изменение под воздействием определенных факторов (депигментация,изменение покровов, структуры тканей и расположения органов, возникновение уродств,опухолей и других патологических проявлений).
Поведенческие и физиолого-биохимические параметры особенно чувствительнык изменению внешней среды. Токсиканты, проникая в кости или кровь позвоночных животных,сразу же воз действуют на функции, обеспечивающие жизнедеятельность. Даже при узкоспецифичномвлиянии токсиканта на определенную функцию ее сдвиги отражаются на состоянии всегоорганизма вследствие взаимосвязанности процессов жизнедеятельности. Достаточно отчетливоприсутствие токсикантов проявляется в нарушении ритма дыхания, сердечных сокращений,скорости пище варения, ритмике выделений, продолжительности циклов размножения.
Для того чтобы иметь возможность сравнивать материал, со бранный разнымиисследователями в различных районах, набор видов-индикаторов должен быть един иневелик. Вот некоторые критерии пригодности различных видов млекопитающих для биоиндикационныхисследований:
· принадлежность к разным звеньям трофической цепи — рас тительноядным,насекомоядным, хищным млекопитающим;
· оседлость или отсутствие больших миграций;
· широкий ареал распространения (сравнительно высокая эвритопность),т.е. этот критерий исключает использование в качестве тест-индикаторов эндемиков;
· принадлежность к естественным сообществам: критерий исключает синантропныевиды, питающиеся вблизи жилища чело века и неадекватно характеризующие микроэлементныйсостав загрязнения данного региона;
· численность вида должна обеспечивать достаточный матери ал для анализа;
· простота и доступность методов добывания видов.
Анализируя по данным критериям представителей всех отрядов млекопитающих,встречающихся на территории стран СНГ, можно остановиться на семи видах: обыкновеннаябурозубка (Soresareneus), европейский крот (Talpaeuropaea), алтайский крот (Talpaaltaica), бурый медведь (Ursusarctos), лось (Alcesalces), рыжая полевка (Clethrionomysglareolus), красная полевка (Clethrionomysrubilus).
2.4 Симбиотические методы в биоиндикации
Симбиоз широко распространен в природе, а симбиотические ассоциациичасто играют ключевую роль в поддержании нормального функционирования наземных,пресноводных и морских эко систем. Симбиоз грибов и азотфиксирующих бактерий с высшимирастениями и водорослей с грибами обеспечил процветание этих ассоциаций в наземнойсреде. Лишайники, симбиотическая ассоциация водорослей и грибов, очень чувствительнык качеству среды и уже давно используются как традиционные биомаркеры состоянияатмосферного воздуха. Мадрепоровые кораллы (скле-рактинии) — симбиоз одноклеточныхводорослей зооксантелл с кишечнополостными животными, определяющий важную ландшафтообразующуюроль этой ассоциации в тропических морях. Все более значительной признается рольсимбиотических микроорганизмов в трофике практически всех видов организмов. Прямоили косвенно регулируя численность своих хозяев, симбионты оказывают существенноевлияние на их динамику численности и структуру популяции. Биоразнообразие симбионтов(паразитов, комменсалов, мутуалистов), как правило, значительно превышает разнообразиеих хозяев. Так, на Большом Барьерном рифе (коралловая постройка) водится около 2000 видов рыб, а их паразитофауна представлена более чем 20 000 видов; три видаавстралийских промысловых креветок в качестве симбионтов имеют 38 видов организмовиз разных систематических групп.
Помимо уточнения оценки биоразнообразия по числу видов учет симбионтовпозволяет получать достоверную информацию о качестве среды, так как степень интенсивностиинвазии (относи тельное количество хозяев, имеющих симбионтов) и экстенсивностьинвазии (среднее количество симбионтов на хозяине) на прямую зависят от условий,в которых находится популяция хозяев. Многие симбионты чувствительны к изменениямвнешней среды, в частности симбионты водных организмов — к загрязнению и опреснению,а симбионты наземных организмов — к радионуклидам. При оценке разнообразия фаунысимбионтов широко используют статистические методы. Учет симбиотических, в том числеи паразитических, организмов, а также исследование состояния симбиотических ассоциацийпозволяют более точно оценить биоразнообразие и характер динамических процессовв экосистемах и могут быть рекомендованы в качестве важных элементов экодиагностическихисследований.
2.5 Областиприменения биоиндикаторов
2.5.1 Оценкакачества воздуха
От загрязнения воздуха страдают все живые организмы, но особенно растения.По этой причине растения, в том числе низшие, наиболее пригодны для обнаруженияначального изменения состава воздуха. Соответствующие индексы дают количественноепредставление о токсичном эффекте загрязняющих воздух веществ.
Лишайники являются симбиотическими организмами. Многими исследователямипоказана их пригодность для целей биоиндикации. Они обладают весьма специфическимисвойствами, так как реагируют на изменение состава атмосферы, обладают отличнойот других организмов биохимией, широко распространены по разным типам субстратов,начиная со скал и кончая корой и листьями деревьев, удобны для экспозиции в загрязненныхрайонах.
Выделяют четыре основные экологические группы лишайников: эпифитные— растущие на коре деревьев и кустарников; зпиксильные — растущие наобнаженной древесине; эпигейные — на почве; эпилитные — на камнях.Из них наиболее чувствительны к загрязнению воздуха эпифитные виды. С помощью лишайниковможно получать вполне достоверные данные об уровне загрязнения воздуха. При этомможно выделить группу химических соединений и элементов, к действию которых лишайникиобладают сверхповышенной чувствительностью: оксиды серы и азота, фторо- и хлороводород,а также тяжелые металлы. Многие лишайники погибают при невысоких уровнях загрязненияатмосферы эти ми веществами. Процедура определения качества воздуха с помощью лишайниковносит название лихеноиндикации.
Оценку чистоты воздуха можно проводить с помощью высших растений. Например,голосеменные — отличные индикаторы чистоты атмосферы. Возможно также изучение мутацийв волосках тычиночных нитей традесканции. Французские ученые подмети ли, что приувеличении в воздухе окиси углерода и окислов азота, выбрасываемых двигателями внутреннегосгорания, окраска ее тычиночных нитей меняется от синей к розовой. По следствиянарушений в индивидуальном развитии растений могут быть выявлены также по частотевстречаемости морфологических отклонений (фенодевиантов), величине показателей флуктуирующейасимметрии (отклонение от совершенной билатеральной и радиальной симметрии), методоманализа сложноорганизованных комплексных структур (фрактал-анализ). Уровни любыхотклонений от нормы оказываются минимальными лишь при оптимальных условиях и возрастаютпри любых стрессирующих воз действиях.
окружающийсреда загрязнение биоиндикатор
2.5.2 Оценкакачества воды
Для биологической индикации качества вод могут быть использованы практическивсе группы организмов, населяющие водоемы: планктонные и бентосные беспозвоночные,простейшие, водоросли, макрофиты, бактерии и рыбы. Каждая из них, выступая в ролибиологического индикатора, имеет свои преимущества и недостатки, которые определяютграницы ее использования при решении задач биоиндикации, так как все эти группыиграют ведущую роль в общем круговороте веществ в водоеме. Организмы, которые обычноиспользуют в качестве биоиндикаторов, ответственны за самоочищение водоема, участвуютв создании первичной продукции, осуществляют трансформацию веществ и энергии в водныхэкосистемах. Всякое заключение по результатам биологического исследования строитсяна основании совокупности всех полученных данных, а не на основании единичных находокиндикаторных организмов. Как при выполнении исследования, так и при оценке полученныхрезультатов необходимо иметь в виду возможность случайных, местных загрязнений вточке наблюдения. Например, разлагающиеся растительные остатки, труп лягушки илирыбы могут вызывать местные изменения в характере населения водоема.
2.5.3 Диагностикапочв
Теоретической предпосылкой применения почвенно-зоологического методадля целей диагностики почв является сформулированное М.С.Гиляровым в 1949 г. представлениеоб «экологическом стандарте» вида — потребности вида в определенном комплексе условийсреды. Каждый вид в пределах своего ареала встречается только в тех местообитаниях,которые обеспечивают полный комплекс необходимых для проявления жизнедеятельностиусловий. Амплитуда варьирования отдельных факторов среды характеризует экологическуюпластичность вида. Эврибионты мало пригодны для индикационных целей, тогда как стенобионтыслужат хорошими индикаторами определенных условий среды и свойств субстрата. Этоположение представляет собой общий теоретический принцип в биологической диагностике.Однако использование для индикации одного вида не дает полной уверенности в правильностивыводов (здесь имеет место «правило смены местообитаний» и как следствие смена экологическиххарактеристик вида). Лучше исследовать весь комплекс организмов, из которых однимогут быть индикаторами на влажность, другие — на температуру, третьи — на химическийили механический со став. Чем больше общих видов почвенных животных встречаетсяна сравниваемых участках, тем с большей долей вероятности можно судить о сходствеих режимов, а следовательно, о единстве почвообразовательного процесса. Менее другихполезны микроскопические формы — простейшие и микроартроподы (клещи, ногохвостки).Их представители отличаются космополитизмом в силу того, что почва для них не выступаеткак единая среда обитания: они живут в системе пор, капилляров, полостей, которыеможно найти в любой почве. Из микроартропод наиболее хорошо изучены индикаторныесвойства панцирных клещей. Состав их комплексов сообществ зависит не только от почвенныхусловий, но и от характера и флористического состава растительности, поэтому данныйобъект перспективно использовать для индикации повреждающих воздействий на почву.
Особенно ценны и удобны для индикационных работ сообщества крупныхбеспозвоночных (дождевые черви, многоножки, личинки насекомых). Так, стафилинидырода Blediusи чернотелки рода Belopusпоказательны для солончаково-солонцовых почв, многоножки-кивсяки, некоторыемокрецы и легочные моллюски служат индикаторами содержания в почве извести. Дождевыечерви Octolasiumlacteumи некоторые виды проволочниковявляются показателями высокого содержания кальция в грунтовых водах.
Интерес представляет почвенно-альгологическая диагностика, в основекоторой лежит положение о том, что зональности почв и растительности соответствуетзональность водорослевых группировок. Она проявляется в общем видовом составе икомплексе доминантных видов водорослей, наличии специфических видов, характере распространенияпо почвенному профилю, преобладании определенных жизненных форм.
3. Биотестированиеокружающей среды
3.1 Задачи иприёмы биотестирования качества среды
В выявленииантропогенного загрязнения среды наряду с химико-аналитическими методами находятприменение приёмы, основанные на оценке состояния отдельных особей, подвергающихсявоздействию загрязнённой среды, а также их органов, тканей и клеток. Их применениевызвано технической усложнённостью и ограниченностью информации, которую могут предоставитьхимические методы. Кроме того, гидрохимические и химико-аналитические методы могутоказаться неэффективными из-за недостаточно высокой их чувствительности. Живые организмыспособны воспринимать более высокие концентрации веществ, чем любой аналитическийдатчик, в связи с чем биота может быть подвержена токсическим воздействиям, не регистрируемымтехническими средствами.
Биоиндикацияпредусматривает выявление уже состоявшегося или накапливающегося загрязнения поиндикаторным видам живых организмов и экологическим характеристикам сообществ организмов.Пристальное внимание в настоящее время уделяется приёмам биотестирования, т.е. использованияв контролируемых условиях биологических объектов в качестве средства выявления суммарнойтоксичности среды. Биотестирование представляет собой методический приём, основанныйна оценке действия фактора среды, в том числе и токсичного, на организм, его отдельнуюфункцию или систему органов и тканей. Кроме выбора биотеста существенную роль играетвыбор тест-реакции – того параметра организма, который измеряется при тестировании.
3.2 Основныеподходы биотестирования
«Подходами»можно условно назвать группы методов, характеризующих сходные процессы, происходящиес тест-объектами под влиянием антропогенных факторов. Основные подходы:
· Биохимический подход
· Генетический подход
· Морфологический подход
· Физиологический подход
· Биофизический подход
· Иммунологический подход
Биохимический подход
Стрессовое воздействие среды можно оценивать по эффективности биохимическихреакций, уровню ферментативной активности и накоплению определённых продуктов обмена.Изменение содержания в организме определённых биохимических соединений, показателейбазовых биохимических процессов и структуры ДНК в результате биохимических реакциймогут обеспечить необходимую информацию о реакции организма в ответ на стрессовоевоздействие.
Генетический подход
Наличие и степень проявления генетических изменений характеризует мутагеннуюактивность среды, а возможность сохранения генетических изменений в популяциях отражаетэффективность функционирования иммунной системы организмов.
В норме большинство генетических нарушений распознаются и элиминируютсяклеткой, например путем апоптоза за счет внутриклеточных систем или посредствомиммунной системы. Достоверное превышение спонтанного уровня таких нарушений являетсяиндикатором стресса. Генетические изменения могут выявляться на генном, хромосомноми геномном уровнях. Принято выделять следующие типы мутаций. Генные, илиточковые, — их делят на две группы: замены оснований в ДНК и вставки иливыпадения нуклеотидов, приводящие к сдвигу рамки считывания генетического кода.Генные мутации делят также на прямые и об ратные (реверсии). Мутации типа сдвигарамки считывания значительно менее склонны к спонтанным реверсиям, чем мутации типазамен оснований. Хромосомные перестройки (аберрации) заключаются в различныхнарушениях структуры хромосом. Геномные мутации — изменение количества хромосомв ядре.
Для диагностики воздействия загрязнений на морфологические характеристикиприменяются методы оценки флуктуирующей асимметрии.
В качестве тест-функций применяются физиологические параметры пресноводныхбеспозвоночных гидробионтов разных уровней филогенеза.
Иммунологический подход при оценкесостояния окружающей среды заключается в изучении изменений врождённого и приобретённогоиммунитета у беспозвоночных и позвоночных животных.
Список литературы
1.Биологический контрольокружающей среды: биоиндикация и биотестирование: учебное пособие для студ.высш. учеб. Заведений/ О.П. Мелехова, Е.И. Сарапульцева, Т.И. Евсеева и др; подред. О.П. елеховой и Е.И. Сарапульцевой. – 2-е издание, испр. – М.: Издательскийцентр «Академия», 2008
2.Биологические методыоценки природной среды/Под редакцией Н.Н. Смирнова – М.: издательство«Наука»,1978 г.
3.Биологическая рольмикроэлементов. – М.: Наука, 1983, 238с.