Основные принципы биологического мониторинга
Оценка устойчивости природных экосистем к различным видам загрязняющих веществ проводится методами биотестирования и биоиндикации. По мнению С.С. Тимофеевой, биотестирование – это экспериментальная оценка влияния загрязнителей на живой организм из фоновых чистых районов. Г.И. Дьяченко дает следующее определение понятию биотестирование как оценка качества среды обитания при активном вмешательстве в природные процессы путем постановки эксперимента в природных или лабораторных условиях. Суть биотестирования сводится к определению последствий взаимодействия подопытных организмов (тест-объектов) с испытываемой средой. О степени вредного воздействия среды судят, сопоставляя изменения характеристики тест-объектов при различной продолжительности опыта в изучаемых средах.
Например, для водной среды. Наиболее перспективным в биологическом мониторинге водной среды является использование гидробионтов для целей оценки ее качества. При этом в процессе биотестирования дается экспериментальная оценка влияния воды, содержащей загрязнения, на стандартную культуру гидробионтов или организм из чистого района.
В настоящее время состояние биоиндикации характеризуется следующими важнейшими особенностями:
• признание важности использования биоиндикаторов на всех уровнях организации живого;
• предпочтение интегрированных показателей состояния биологических систем;
• рост шкал исследования из-за понимания, что локальная угроза может стать региональной и биосферной;
• переход от точки зрения, что оптимальным является состояние природы до вмешательства человека, к распознаванию многих «приемлемых» состояний под влиянием человека;
• понимание необходимости распознавать ранние симптомы нарушения, пока расходы на восстановление не стали слишком велики.
Метод оценки абиотических и биотических факторов местообитания при помощи биологических систем часто называют биоиндикацией.
Биоиндикация – это обнаружение и определение антропогенных нагрузок по реакциям на них живых организмов и их сообществ. В соответствии с этим организмы или сообщества организмов, жизненные функции которых так тесно коррелируют с определенными факторами среды, что могут применяться для их оценки, называются биоиндикаторами. Они позволяют определять скорость происходящих изменений, пути и места скопления в экосистемах различных токсикантов, делать выводы о степени опасности для человека и биоты конкретных веществ или их сочетаний.
Биоиндикация может осуществляться на различных уровнях организации живого организма (клетка, орган, организм, популяция, биоценоз). Обычно с повышением уровня организации биологических систем возрастает и их сложность, так как одновременно все более усложняются их взаимосвязи с факторами местообитания.
Значительное место среди тест-объектов, которые нашли широкое применение с целью биологической индикации, по праву принадлежит растениям. Не имея возможности перемещаться в пространстве и тем самым уклоняться от влияния окружающей среды, они беспрерывно попадают под влияния неблагоприятных факторов, в связи с чем и могут быть использованы в качестве интегральных тест-систем, которые отображают суммарное воздействие экологических токсикантов (Паушева, 1988; Горовая, и др.и др., 1996, 2003 и др.). На основании полученных результатов можно рассчитать УПП (условный показатель повреждаемости) биопараметра, который вызван неблагоприятными техногенными факторами.
Таким образом, биоиндикация – это оценка качества среды по состоянию тех или иных представителей биоты, осуществляемая путем наблюдения за ними. Объектами таких наблюдений (биоиндикаторами) могут служить биосистемы любого уровня организации. Оценка качества среды производится по биоиндикаторным признакам – тем характеристикам наблюдаемых биосистем, которые наиболее полно и точно отражают степень их благополучия.
По мнению А.И. Федоровой, А.Н. Никольской (2001), выделяются три уровня биоиндикации:
1. Биохимические и физиологические реакции (изменение различных процессов и накопление определенных токсикантов в органах);
2. Анатомические, морфологические, биоритмические, поведенческие реакции;
3. Флористические, фаунистические изменения.
При биоиндикации и биотестировании с целью количественного изучения и нормирования реакций биосистем на факторы окружающей среды используются следующие основные понятия:
1. Пространство лимитирующих экологических факторов;
2. Функция отклика биосистемы на экологические факторы.
3. Функция благополучия биосистемы от экологических факторов.
4. Изобола (от греческого – равное изменение). Изобола характеризует совокупность всех сочетаний значений факторов, оказывающих на биосистему равносильное воздействие, т.е. обуславливающих определенное постоянное значение функций благополучия. Актуальность биоиндикации обусловлена также простотой, скоростью и дешевизной определения качества среды. Например, при засолении почвы в городе листья липы по краям желтеют еще до наступления осени.
Выявить такие участки можно, просто осматривая деревья. В таких случаях биоиндикация позволяет быстро обнаружить наиболее загрязненные местообитания.
Формы биоиндикации. Биоиндикация может быть специфической и неспецифической. В первом случае изменения живой системы можно связать только с одним фактором среды. Например, высокая концентрация в воздухе озона вызывает появление на листьях табака (сорта Bel W3) серебристых некрозных пятен. Во втором случае различные факторы среды вызывают одну и ту же реакцию. Например, снижение численности почвенных беспозвоночных может происходить и при различных видах загрязнения почвы, и при вытаптывании, и в период засухи и по другим причинам.
При другом подходе различают прямую и косвенную биоиндикацию. О прямой биоиндикации говорят, когда фактор среды действует на биологический объект непосредственно. В описанном выше случае серебристые пятна на листьях табака возникают от прямого действия озона. При косвенной биоиндикации фактор действует через изменение других (абиотических или биотических) факторов среды.
Например, применение одного из гербицидов (2,2 дихлорпропионовой кислоты) на лугу ведет к уменьшению злаков в растительном покрове (с 55 до 12%) и, соответственно, увеличению разнотравья, что может рассматриваться как прямая биоиндикация.
Биоиндикаторы– это биологические объекты (от клеток и биологических макромолекул до экосистем и биосферы), используемые для оценки состояния среды. Когда хотят подчеркнуть то, что биоиндикаторы могут принадлежать к разным уровням организации живого, потребляют термин «биоиндикаторные системы».
Критерии выбора биоиндикатора:
• быстрый ответ;
• надежность (ошибка <20%);
• простота;
• мониторинговые возможности (постоянно присутствующий в природе объект).
Типы биоиндикаторов:
1. Чувствительный. Быстро реагирует значительным отклонением показателей от нормы. Например, отклонения в поведении животных, в физиологических реакциях клеток могут быть обнаружены практически сразу после начала действия нарушающего фактора.
2. Аккумулятивный. Накапливает воздействия без проявляющихся нарушений.
Например, лес на начальных этапах его загрязнения или вытаптывания будет прежним по своим основным характеристикам (видовому составу, разнообразию, обилию и пр.). Лишь по прошествии какого-то времени начнут исчезать редкие виды, произойдет смена преобладающих форм, изменится общая численность организмов и т.д. Таким образом, лесное сообщество как биоиндикатор не сразу обнаружит нарушение среды.
Биоиндикаторы принято описывать с помощью двух характеристик: специфичность и чувствительность. При низкой специфичности биоиндикатор реагирует на разные факторы, при высокой – только на один (см. примеры по специфической и неспецифической биоиндикации). При низкой чувствительности биоиндикатор отвечает только на сильные отклонения фактора от нормы, при высокой – на незначительные.
Тест-организмы– это биоиндикаторы (растения и животные), которых используют для оценки качества воздуха, воды или почвы в лабораторных опытах.
Примеры тест-организмов:
• одноклеточные зеленые водоросли (хлорелла, требоуксия из лишайников и пр.);
• простейшие: инфузория-туфелька;
• членистоногие: рачки дафния и артемия;
• мхи: мниум;
• цветковые: злак плевел, кресс-салат.
Одно из основных требований к тест-организмам – это возможность получения культур из генетически однородных организмов. В таком случае отличия между опытом и контролем с большей вероятностью могут быть отнесены на счет нарушающего фактора, а не индивидуальных различий между особями.
Вопросы для самоконтроля:
1. Что такое мониторинг окружающей среды?
2. Какие виды мониторинга существуют?
3. Что такое биоиндикация?
4. Как отличаются биоиндикаторы от тест-организмов?
5. Какие типы биоиндикаторов существуют?
6. Приведите примеры тест-организмов
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
1. Акимова Т.А., Кузьмин А.П., Хаскин В.В. Экология. Природа — Человек — Техника: Учебник для вузов. — М.: ЮНИТИ-ДАНА, 2001.
2. Пехов А.П. Биология с основами экологии. – СПб.: Изд-во «Лань», 2002. – 672с.
3. Шилов И.А. Экология: Учеб.для биол и мед.спец.вузов. – 2-е изд., испр. – М.: Высш.школа, 2000. – 512с
4. Садовникова А.М., Болотов А.В. Биология с основами экологии: конспект лекций - Иркутск: Издательство, 2009 – 80с.
5. Салтыков А.В. Биоэкология: учебное пособие. – Ульяновск: УлГТУ, 2000. – 88 с.
6. Симонова О.И., Долговых С.В. Биология с основами экологии: учебно-методический комплекс (для студентов, обучающихся по специальности 020101 – Химия ) / Горно-Алтайск: РИО ГАГУ, 2009. – 167с.
7. Мелехова О.П., Егорова Е.И., Евсеева Т.И. и др. Биологический контроль окружающей среды: биоиндикация и биотестирование: учебное пособие для студентов высших учебных заведений. – М.: Издетельский центр «Академия», 2007. – 288с.
8. Сохранение и восстановление биоразнообразия./ Под редакцией Н.С. Касимова. Колл. авторов. М.: Издательство Научного и учебно-методического центра, 2002. 286с.
9. Лебедев Н.В., Дроздов Н.Н., Криволуцкий Д.А. Биологическое разнообразие: Учебное пособие для студ. высш. учеб. заведений. – М.: Гуманит. изд. Центр ВЛАДОС, 2004. – 432с.: ил.
10. Миркин Б.М., Наумова Л.Г. Популярный экологический словарь. 2-е изд. - М.: Тайдекс Ко, 2003.
11. Р. Примак. Основы сохранения биоразнообразия / Пер. с англ. О.С. Якименко, О.А.Зиновьевой. М.: Издательство Научного и учебно-методического центра, 2002. 256 с
12. Бродский, А.К. Введение в проблемы биоразнообразия. Иллюстрированный справочник. – СПб.: Издательство С.-Петербурского университета, 2002. 144 с.