Мониторинг в биологических исследованиях сообщение. Наземные

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ и науки РФ

Федеральное государственное образовательное автономное учреждение

высшего образования

«Южный федеральный УНИВЕРСИТЕТ»

Академия биологии и биотехнологии

Биологический мониторинг и биоиндикация

Учебное пособие

для студентов биоэкологов

Ростов-на-Дону

Пособие разработано по программе и утверждена на заседании кафедры экологии и природопользования биолого-почвенного факультета, протокол № от «______» _______________ 2007 г.

д.г.н., профессор кафедры экологии и природопользования Южного федерального университета К.Ш. Казеев.

ЭКОЛОГИЧЕСКИЙ МОНИТОРИНГ

В конце 60-х гг. двадцатого века многие страны осознали, что необходима координация усилий по сбору, хранению и переработке данных о состоянии окружающей среды. В 1972 г. в Стокгольме прошла конференция по охране окружающей среды под эгидой ООН, где впервые возникла необходимость договориться об определении понятия “мониторинг”. Решено было под мониторингом окружающей среды понимать комплексную систему наблюдений, оценки и прогноза изменений состояния окружающей среды под влиянием антропогенных факторов. Термин появился как дополнение к термину “контроль состояния окружающей среды”.

В настоящее время под мониторингом понимают совокупность наблюдений за определенными компонентами биосферы, специальным образом организованными в пространстве и во времени, а также адекватный комплекс методов экологического прогнозирования.

Основные задачи экологического мониторинга: наблюдение за состоянием биосферы, оценка и прогноз ее состояния, определение степени антропогенного воздействия на окружающую среду, выявление факторов и источников воздействия.

В конечном счете целью экологического мониторинга является оптимизация отношений человека с природой, экологическая ориентация хозяйственной деятельности.

Экологический мониторинг возник на стыке экологии, биологии, географии, геофизики, геологии и других наук.

Выделяют различные виды мониторинга в зависимости от критериев:

Биоэкологический (санитарно-гигиенический);

Геоэкологический (природо-хозяйственный);

Биосферный (глобальный);

Геофизический;

Климатический;

Биологический;

Здоровья населения и др.

Особую роль в системе экологического мониторинга играет биологический мониторинг, т. е. мониторинг биотической составляющей экосистем (биоты).

Биологический мониторинг - это контроль состояния окружающей природной среды с помощью живых организмов. Главный метод биологического мониторинга - биоиндикация, которая заключается в регистрации любых изменений в биоте, вызванных антропогенными факторами. В биологическом мониторинге могут быть использованы не только биологические, но и любые другие методы, например химический анализ содержания загрязняющих веществ в живых организмах.

В России мониторинг природной среды осуществляется многими ведомствами, в рамках деятельности которых имеются соответствующие задачи, уровни и составляющие подсистемы мониторинга. Так, например, в системе мониторинга, осуществляемого Росгидрометом, различают три уровня экологического мониторинга окружающей природной среды: глобальный, региональный и локальный. Цели, методические подходы и практика мониторинга на разных уровнях отличаются.

Наиболее отчетливо критерии качества окружающей природной среды определены на локальном (импактном) уровне. Цель регулирования здесь - обеспечение такой стратегии, которая не выводит концентрации определенных приоритетных антропогенных загрязняющих веществ за допустимый диапазон, который является своего рода стандартом. Он представляет собой величины предельно допустимых концентраций (ПДК).

ПДК в России закреплены законодательно. Соответствие качества окружающей природной среды этим стандартам контролируется соответствующими органами надзора. Также для оценки допустимого интенсивности источника загрязнений используются величины ПДВ - предельно допустимые выбросы и ПДЭН - предельно допустимая нагрузка, для оценки допустимой экологической нагрузки на отдельную экосистему или в рамках целого региона. Для выработки ПДЭН необходимо учитывать возможность комбинированного и комплексного воздействия на экосистему. Например, ртуть попадая в водные объекты путем вымывания из почвы переходит в высокотоксичную форму, что делает проблему загрязнения ртутью чрезвычайно серьезной (даже при первичных количествах ртути в воздухе в пределах ПДК).

Задачей мониторинга на локальном уровне является определение параметров моделей “поле выбросов - поле концентраций”. Объектом воздействия на локальном уровне является человек.

На региональном уровне подход к мониторингу основан на том, что загрязняющие вещества, попадая в окружающую среду, рассеиваются, включаются в круговорот веществ в биосфере, изменяют состояние абиотической составляющей и, как следствие, вызывают изменения в биоте (экзогенные сукцессии).

Любое хозяйственное мероприятие, проводимое в масштабе региона, сказывается на региональном фоне - изменяет состояние равновесия абиотической и биотической компоненты. Так, например, состояние растительного покрова, в первую очередь лесов, существенно влияет на климатические условия региона.

Биомониторинг

Поскольку оценка качества почвы, воды и воздуха приобретает в настоящее время жизненно важное значение, необходимо определять как реально существующую, так и возможную в будущем степень нарушения окружающей среды. Для этой цели используют два принципиально разных подхода: физико-химический и биологический. Биологический подход развивается в рамках направления, которое получило название биоиндикации и биомониторинга.

Биомониторинг является составной частью экологического мониторинга - слежения за состоянием окружающей среды по физическим, химическим и биологическим показателям. В задачи биомониторинга входит регулярно проводимая оценка качества окружающей среды с помощью специально выбранных для этой цели живых объектов.

Лучше других отработана система биомониторинга водной среды. Госгидромет использует классификатор качества вод, включающий шесть классов. Оценивают показатели донных беспозвоночных, перифитона (обитатели водных растений), фито-, зоо- и бактериопланктона.

3. Классификация качества вод суши по биопоказателям

Класс вод	Воды	Относительная численность олигохет от общего количества зообентоса, %	Биотический индекс Вудивисса (расчетом, ниже)
	Очень чистые	1-20	10-8
	Чистые	21-35	7-5
	Умеренно загрязненные	36-50	4-3
	Загрязненные	51-65	2-1
	Грязные	66-85	1-0
	Очень грязные	86-100 или макробентос отсутствует

В 1990 г. экономическая комиссия Европы под эгидой ООН приняла программу интефированного мониторинга (1М) окружающей среды по следующим группам показателей (в скобках указано их количество): общая метеорология (6), химизм воздуха (3), химизм почвенных и подземных вод (4), химизм поверхностных вод (4), почва (6), биологические показатели (11).

Среди отслеживаемых показателей видное место заняли биологические индикаторы: эпифитные лишайники, напочвенная растительность, кустарниковая и древесная растительность, проективное покрытие деревьев, биомасса деревьев, химический состав хвойных игл, микроэлементы в хвое, почвенные ферменты, микориза, скорость разложения растительных остатков и один из прочих методов биомониторинга по выбору.

На территории бывшего СССР было намечено шесть площадей для проведения регионального мониторинга по перечисленным выше биологическим показателям.

Наиболее развиты системы регионального мониторинга в Германии и Нидерландах.

Для примера рассмотрим одну из систем биомониторинга, принятую в Германии (земля Баден-Вюртемберг). Она предполагает оценку следующих показателей:

Степени дефолиации (преждевременной потери листвы) бука, ели и пихты;

Состава поллютантов в листьях и хвое;

Сукцессии (закономерной смены) травянистой растительности;

Жизненности травостоя и содержания в нем поллютантов;

Площади покрытия эпифитных лишайников;

Численности коллембол (мелких почвенных членистоногих) и наземных моллюсков;

Аккумуляции поллютантов в дождевых червях.

Результаты мониторинга представляют в виде таблиц и графиков. К числу удачных способов относится метод «Амебы». Рисуют круг, который делят линиями на равные секторы по числу измеряемых показателей. Линия окружности означает их нормальные значения. Показатели могут быть химическими (содержание тяжелых металлов, фосфора и т.д.), физическими (уровень фунтовых вод, мутность и пр.) и биологическими (численность, разнообразие и другие характеристики биоиндикаторов). Далее в каждом секторе закрашивают площадь, пропорциональную значениям соответствующего показателя. Линии могут выходить за пределы круга, если значения «зашкаливают», тогда у «Амебы» появляются «выросты-ложноножки». Результаты мониторинга, представленные в виде ряда таких рисунков, наглядно выявляют направление «движения Амебы» и, соответственно, направление изменений в экосистеме.

Биоиндикация

Биоиндикация - это оценка состояния среды с помощью живых объектов. Живые объекты (или системы) - это клетки, организмы, популяции, сообщества. С их помощью может проводиться оценка как абиотических факторов (температура, влажность, кислотность, соленость, содержание поллютантов и т.д.), так и биотических (благополучие организмов, их популяций и сообществ). Термин «биоиндикация» чаще используется в европейской научной литературе, а в американской его обычно заменяют аналогичным по смыслу названием «экотоксикология».

Существуют по крайней мере три случая, когда биоиндикация становится незаменимой.

1. Фактор не может быть измерен. Это особенно характерно для попыток реконструкции климата прошлых эпох. Так, анализ пыльцы растений в Северной Америке за длительным период показал смену теплого влажного климата сухим прохладным и далее замету лесных сообществ на травяные. В другом случае остатки диатомовых водорослей (соотношение ацидофильных и базофильных видов) позволили утверждать, что в прошлом вода в озерах Швеции имела кислую реакцию по вполне естественным причинам.

2. Фактор трудно измерить. Некоторые пестициды так быстро разлагаются, что не позволяют выявить их исходную концентрацию в почве. Например, инсектицид дельтаметрин активен лишь несколько часов после его распыления, в то время как его действие на фауну (жуков и пауков) прослеживается в течение нескольких недель.

3. Фактор легко измерить, но трудно интерпретировать. Данные о концентрации в окружающей среде различных поллютантов (если их концентрация не запредельно высока) не содержат ответа на вопрос, насколько ситуация опасна для живой природы. Показатели предельно допустимой концентрации (ПДК) различных веществ разработаны лишь для человека. Однако, очевидно, эти показатели не могут быть распространены на другие живые существа. Есть более чувствительные виды, и они могут оказаться ключевыми для поддержания экосистем. С точки зрения охраны природы, важнее получить ответ на вопрос, к каким последствиям приведет та или иная концентрация загрязнителя в среде. Эту задачу и решает биоиндикация, позволяя оценить- биологические последствия антропогенного изменения среды. Физические и химические методы дают качественные и количественные характеристики фактора, но лишь косвенно судят о его биологическом действии. Биоиндикация, наоборот, позволяет получить информацию о биологических последствиях изменения среды и сделать лишь кос венные выводы об особенностях самого фактора. Таким образом, при оценке состояния среды желательно сочетать физико-химические методы с биологическими.

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.

Аккумуляция вредных веществ

Хорошим показателем загрязнения среды может служить повышенная концентрация поллютантов в клетках живых организмов. Так, обнаружена корреляция между содержанием свинца в листьях тиса и интенсивностью движения в городах.

Накопление ртути в перьях птиц позволило с помощью чучел проследить динамику загрязнений ртутью. Обнаружено, что с начала 40-х годов XX века содержание ртути в перьях фазана, куропаток, сапсана и других увеличилось в 10-20 раз, по сравнению с 1840-1940 гг.

Изменение размеров клеток

Показано, что при газодымном загрязнении:

Увеличиваются клетки смоляных ходов у хвойных деревьев;

Уменьшаются клетки эпидермиса листьев.

Нарушение физиологических процессов в клетке

Плазмолиз. В клетках растений под действием кислот и SO 2 цитоплазма отслаивается от клеточной стенки.

Организменный уровень

Еще в древности некоторые виды растений использовали для поиска руд и других полезных ископаемых. Повреждения растений дымом были отмечены в середине XIX века вокруг содовых фабрик Англии и Бельгии.

Преимущества биоиндикации на этом уровне - это небольшие затраты труда и относительная дешевизна, поскольку не требуются специальные лаборатории и высокая квалификация персонала.

Морфологические изменения растений, используемые в биоиндикации:

1. Изменения окраски листьев (неспецифическая, реже специфическая, реакция на различные поллютанты):

Хлороз - бледная окраска листьев между жилками. Отмечали при избытке в почве тяжелых металлов и при газодымовом загрязнении воздуха.

Пожелтение участков листьев. Характерно для лиственных деревьев при засолении почвы хлоридами.

Покраснение, связанное с накоплением антоциана. Возникает под действием сернистого газа.

Побурение или побронзовение. Часто означает начальную стадию некротических повреждений.

Листья как бы пропитаны водой (как при морозных повреждениях).

Возникает под действием ряда окислителей, например, пероксиацетил-нитрата.

Серебристая окраска листьев. Возникает под действием озона на листьях табака.

2. Некрозы - отмирание участков ткани листа, их форма иногда специфична.

Точечные и пятнистые. Серебристые пятна на листьях табака сорта | Bel W3 возникают под действием озона.

Межжилковые - некроз тканей между боковыми жилками 1 порядка. Часто отмечаются при воздействии сернистого газа.

Краевые. На листьях липы под влиянием соли (хлорида натрия), которой зимой посыпают городские улицы для таяния льда.

«Рыбий скелет»- сочетание межжилковых и краевых некрозов.

Верхушечные некрозы. У однодольных покрытосеменных и хвойных растений. Например, хвоинки пихты и сосны после действия сернистого газа становятся на вершине бурыми, верхушки листьев гладиолусов после окуривания фтористым водородом становятся белыми.

3. Преждевременное увядание. Под действием этилена в теплицах не раскрываются цветки у гвоздики, увядают лепестки орхидей. Сернистый газ вызывает обратимое увядание листьев малины.

4. Дефолиация - опадание листвы. Обычно наблюдается после некрозов и хлорозов. Например, осыпание хвои у ели и сосны при газодымовом зафязнении воздуха, листьев лип и конских каштанов - от соли для таяния льда, крыжовника и смородины - под действием сернистого газа.

5. Изменения размеров органов обычно неспецифичны. Например, хвоя сосны вблизи заводов удобрений удлиняется от нитратов и укорачивается от сернистого газа. У ягодных кустарников дым вызывает уменьшение размеров листьев.

6. Изменения формы, количества и положения органов. Аномальную форму листьев отмечали после радиоактивного облучения. В результате локальных некрозов возникает вздувание или искривление листьев, 1 сращение или расщепление отдельных органов, увеличение или уменьшение частей цветка.

7. Изменение жизненной формы растения. Кустовидная или подушечная форма роста свойственна деревьям, особенно липе, при сильном устойчивом загрязнении воздуха (HCI, SO 2).

8. Изменение жизненности. В присутствии многих поллютантов бонитет деревьев понижается от 1-2 класса до 4-5. Обычно это сопровождается изреживанием кроны и уменьшением прироста. Изменения прироста неспецифичны, но широко применяются, так как чувствительнее, чем некрозы. Измеряют радиальный прирост стволов, прирост в длину побегов и листьев, корней, диаметр таллома лишайника.

9. Изменение плодовитости. Обнаружено у многих растений. Например, при действии поллютантов уменьшается образование плодовых тел у грибов, снижается продуктивность у черники и ели. Некоторые виды лишайников не образуют плодовых тел в сильно загрязненном воздухе, но способны размножаться вегетативно.

Примеры биоиндикации на организменном уровне

Растения

1. Мониторинг озона по табаку BEL W3. Этот сорт табака специально выведен для биоиндикации. Уже при слабом воздействии озона через несколько дней на всей листовой пластинке образуются некротические пятна серебристого цвета. Для сравнения одновременно высаживают устойчивый к озону сорт BEL В.

2. Мониторинг загрязнения почвы и воздуха с помощью кресс-салата. Семена проращивают в чашках Петри на фильтрах или исследуемой почве. Наблюдение длится 10 дней. При наличии вредных веществ снижается процент всхожести семян и уменьшается скорость роста зародышевых корешков. У растений, высаженных в открытом грунте в городских центрах с интенсивным движением транспорта, под влиянием газовых выбросов отчетливо снижается длина проростков.

3. Индикация соли (применяемой для таяния льда) по листве липы. Сначала возникают ярко-желтые неравномерно расположенные краевые зоны, затем край листа отмирает, а желтая зона передвигается к середине и основанию листа. Разработана бонитировочная шкала, позволяющая по степени нарушения листовых пластинок оценить уровень засоления почвы. Метод ограничен во времени второй половиной лета.

4. Индикация общего газодымового загрязнения по продолжительности жизни хвои. Для определения у 25 взрослых деревьев ели из средней части кроны вырезают по 1 ветви. Определяют среднее количество хвоинок на побегах разного возраста. Поскольку хвоинки живут в норме 4 года, то четырехлетние побеги должны быть покрыты хвоинками. При загрязнении продолжительность жизни хвои сокращается вплоть до одного года, соответственно большая часть ветвей оголена, а хвоинки остаются лишь на концах ветвей. Бонитировочная шкала некрозов и продолжительности жизни хвои позволяет количественно оценить степени загрязнения среды.

Животные

Наблюдать за изменениями животных в нарушенной среде значительно сложнее, чем за неподвижными растениями. Более доступны насекомые и моллюски. Эти группы чаще других и используют в целях биоиндикации.

1. Морфологические изменения (размеров, пропорций, покровов, окраски, уродства):

а) размеры и пропорции тела на загрязненных участках достоверно отличаются:

У ряда тлей (ширина головы, длина бедра и голени, усиков, хвостика и сифона);

Некоторых брюхоногих моллюсков в почве (размеры раковинок);

На загрязненном корме размеры личинок и имаго насекомых обычно уменьшаются;

б) покровы. У тли (Aphis fabae ) после добавления к пище сульфит-ионов существенно изменялись полигоны и зернистость кутикулы у потомков;

в) окраска. Явление промышленного меланизма (более темной окраски) в загрязненных районах отмечено у:

Бабочки пяденицы березовой;

Двухточечной божьей коровки (доля черных форм обычно 2-3%, а в загрязненных районах много выше);

Коллемболы (Orchesella villosa );

г) уродства. Под действием ксенобиотиков (дизельного топлива, ДДТ и др.) возникают нарушения формообразующих процессов в онтогенезе насекомых. В опытах доля аномальных бабочек огневки выросла от 5 до 35% при добавлении в пищу РbО.

д) изменение толщины скорлупы яиц у птиц. Индекс Ратклифра отражает зависимость толщины скорлупы яиц от концентрации ДДТ.

2. Физиологические изменения . Следующие примеры покажут принцип использования физиологических показателей в целях биоиндикации:

а) у личинок водных насекомых имеются хлоридные клетки, способные активно поглощать анионы, особенно хлорид-ионы, обеспечивая постоянство их концентрации в гемолимфе. Эти клетки обычно расположены на жабрах (личинки поденок) или на брюшке (личинки ручейников). Число этих клеток обратно пропорционально уровню солености. При каждой линьке их число приводится в соответствие с соленостью среды. От линьки к линьке можно определить тенденции в изменении солености водоема;

б) общее физиологическое состояние организма насекомого может быть охарактеризовано общим количеством гемоцитов (клеток гемолимфы) в единице объема и соотношением их основных типов. Например, в зоне загрязнения сернистым газом количество гемоцитов у гусениц сосновой пяденицы падает вдвое, при этом возрастает количество фагоцитов с 5 до 32%;

в) неспецифическая биоиндикация индустриальных загрязнений возможна по содержанию гемоглобина в крови обыкновенной полевки;

г) в тканях моллюсков при загрязнении водоемов возрастает удельное содержание каротиноидов.

3. Размножение . Плодовитость обычно падает, например:

У тлей и непарного шелкопряда при окуривании их сернистым газом;

У птиц при действии тяжелых металлов и ДДТ уменьшается кладка;

повышается смертность зародышей и птенцов. Иногда плодовитость повышается, например:

У коллембол (Onychiurus armatus, Orchesella cincta ) на участках, загрязненных тяжелыми металлами.

В лабораторных условиях в качестве тест-организмов могут быть использованы саранчовые (Acrotylus patruelis, Aiolopus thalassinus ). При действии хлорида ртути у этих видов возрастает число яиц в кладке, при действии мочевины (>0,055 г/кг почвы) уменьшается число яиц в кладке и количество кладок.

4. Онтогенез и продолжительность жизни:

а) нарушение течения линек у насекомых:

При загрязнении у бабочек снижается доля окукливающихся гусениц и процент вылета имаго;

Удлинение личиночной стадии у совки (Scotia segetum ) при интоксикации медью и у непарного шелкопряда при фумигации фтористым водородом (HF) и метилмеркаптаном;

б) сокращение сроков развития:

У совки (Scotia segetum ) на 4-7 дней при добавлении хлорида кадмия (CdCl);

У коллембол (Isotoma notabilis, Onychiurus armatus ) при загрязнении тяжелыми металлами;

в) изменение срока жизни. Обычно он сокращается, например:

У кобылки (Acrotylus patruelis ) при увеличении концентрации HgCl;

У гусениц (особенно младших возрастов) непарного, тутового и соснового шелкопрядов, сосновой пяденицы и многих других при питании загрязненным кормом и фумигации промышленными выбросами;

У личинок мухи (Calliphora vicina ) пропорционально концентрации сернистого газа.

Реже наблюдают удлинение срока жизни, например, у дрозофилы при добавлении в пищу 0,3% антиоксиданта гаропилгаллата срок жизни возрастает на треть.

5. Поведение - это чувствительный индикатор нарушений в среде:

а) изменение циркадного (суточного) ритма рыб в рыборазводных прудах - пример неспецифической биоиндикации. Двигательная активность рыб отражает условия содержания, реагируя на обеспеченность кислородом и органическое загрязнение;

б) у крабов (Pachygrapsus ) после воздействия масляного экстракта (результат утечки горючего) нарушается половое поведение: самцы не реагируют на самок.

Примеры биоиндикации на популяционно-видовом уровне

Популяция - естественная пространственная группировка особей одного вида. Характеризуется плотностью, структурой (половозрастной, экологической и пр.), особенностями динамики. Отклонения этих показателей от нормы и положены в основу биоиндикации с помощью популяций.

Растения

1. Плотность - количество особей вида на единицу площади или объема (величины которых выбираются в зависимости от размера организмов и среды обитания: 1м 2 , 1 км 2 , 1 га, 1 см 3 и т.д.).

В целом, под влиянием антропогенного вмешательства у большинства видов, особенно чувствительных, плотность, популяций падает. Биоиндикация основана на учете плотности популяции чувствительных к нарушениям видов, например, площади, покрытой лишайником леканора (Lecanora conizaeoides ). Этот относительно дымостойкий лишайник встречается в Европе на всех древесно-кустарниковых породах, что позволяет произвести первую оценку интенсивности многолетнего загрязнения воздуха на данной территории. Площадь покрытия лишайника хорошо коррелирует с концентрацией сернистого газа в воздухе, причем в безлесных ландшафтах влияние последнего намного сильнее, чем в лесных.

Увеличивать плотность могут популяции сорняков, галофитов и других устойчивых к антропогенному прессу видов, что также может служить целям биоиндикации.

2. Возрастная структура популяций . При антропогенном вмешательстве нарушается соотношение между молодыми, размножающимися и старыми особями в популяции:

а) популяция омолаживается, если смертность возрастает, а стадии развития укорачиваются. Это отмечено на сенокосных лугах, по сравнению с некосимыми, на городских газонах, в напочвенной растительности после прореживания лесов;

б) популяция стареет, если нарушается возобновление. Например, загрязнение сернистым газом нарушает возобновление в букняках.

3. Экологическая структура популяций . Природные популяции обычно состоят из нескольких экотипов - групп особей, приспособленных к разным условиям среды. Экотипы способствуют выживанию популяции при изменении условий местообитания. Популяции многих видов включают экотипы с высокой устойчивостью к определенным антропогенным воздействиям. Распространение устойчивых, вытеснение ими чувствительных экотипов происходит иногда очень быстро. Например, химизация и механизация сельского хозяйства привела к сильному сужению спектра изменчивости у мака-самосейки, что обнаружено при сравнении данных за 1950 и 1980гг.

Известно много случаев отбора экотипов в природе, способствующих выживанию видов в нарушенной среде. Злак полевица побегоносная растет по морским побережьям и выносит засоление почвы, а полевица тонкая, у которой такие экотипы не обнаружены, избегает засоленных участков.

Сернистого газа в природе много вблизи вулканов, растущие здесь растения относительно устойчивы к этому газу. Например, японская лиственница, по сравнению с европейской, лучше переносит высокую концентрацию SO 2 в воздухе.

Популяции многих видов (ежа сборная, овсяница красная) из областей с сильным загрязнением SO 2 ; устойчивее к нему и к кислотным дождям, чем растущие в чистых районах. У подорожника ланцетолистного обнаружены экотипы, устойчивые к мышьяку, у полевицы тонкой - к меди.

4. Изменение ареалов видов растений под влиянием антропогенного вмешательства

В глобальном масштабе:

Сокращение ареала лесных видов, особенно в тропиках;

Распространение сорных рудеральных видов и галофитов. Засоление почвы происходит при орошении почвы в отсутствии достаточного дренажа. Например, Месопотамская низменность сейчас представляет собой огромные солончаки. Вместо природных лесов здесь галофитная растительность, а также ивы и тополя.

Животные

1. Плотность популяций. Для биоиндикации важен выход этого показателя за пределы нормы:

а) сокращение популяций:

Многочисленные примеры редких и вымирающих видов;

Хлорорганические соединения (ДДТ) привели к сокращению популяций дневных хищных птиц;

Тяжелые металлы в сочетании с SO 2 ; приводят к резкому сокращению численности дождевых червей - начало уменьшения численности наблюдается, когда фоновое загрязнение превышено в 2,0-2,3 раза, при 4,0,4,5-кратном превышении черви исчезают;

Активный мониторинг: почвообитающих клещей-орибатидов (Humerobates rostrolamellatus ) выдерживают в специальных камерах в течение недели в разных районах города. Существует корреляция между смертностью клещей и концентрацией в воздухе сернистого газа;

б) рост популяций:

Озерных чаек в Средней Европе обусловлен эвтрофизацией культурных ландшафтов;

Короеда-типографа при действии газодымовых выбросов;

Сосущих растительноядных насекомых (в основном тлей) при действии выхлопных газов (причины - уменьшение врагов, а также физиологические и биохимические изменения растений-хозяев под действием поллютантов).

2. Динамика популяций. Обычно возрастает амплитуда колебаний плотности популяций:

Рудеральные, навозные и компостные виды коллембол в городе;

Сезонные пики численности могут смещаться на иные сроки (в городе, где среднегодовая температура выше, чем в природе, на несколько градусов, коллемболы имеют ранневесенний пик, как в более южных зонах).

3. Пространственная структура. Распределение особей в пространстве обычно становится более мозаичным, поскольку животные концентрируются на менее нарушенных участках. С другой стороны, нарушается размещение особей, свойственное природным популяциям.

4. Изменение ареала. По антропогенным территориям (полям, городам) южные виды распространяются далеко на север, за пределы своей зоны.

Примеры биоиндикации на биоценотическом уровне

Сообщества (или биоценозы) представляют собой совокупность видов растений, животных, микроорганизмов и грибов определенного местообитания. Принято также говорить о сообществах птиц, почвенных членистоногих, растений и т.д.

Для описания сообществ используют такие показатели, как общая численность, видовое богатство и разнообразие, видовая структура, экологическая структура (спектры жизненных форм, биотопических групп), а также их изменение во времени. Отклонения этих показателей от нормы - симптом нарушений окружающей среды.

1. Общая численность . Обычно падает, а если повышается, то за счет численности очень немногих устойчивых к нарушениям видов. Например, в городе численность птиц поддерживают стаи голубей, воробьев. ворон. На полях высокая численность насекомых достигается за счет вспышек численности вредителей.

2. Видовой состав и разнообразие сообществ . При слабом нарушении среды (будь то загрязнение, рекреация или другие формы антропогенного воздействия) количество видов растет, так как сообщество становится «открытым» для видов других сообществ, больше становится рудеральных и синантропных видов. Дальнейшее усиление воздействия сопровождается выпадением редких и чувствительных к нарушению видов.

Таким образом, с ростом нарушения количество видов меняется нелинейно (гипотеза промежуточного нарушения Коннела).

3. Видовая структура . Все виды в сообществе можно разделить на 4 группы: а) многочисленные - доминанты, б) менее многочисленные субдоминанты, в) малочисленные и г) редкие виды. Распределение видов по группам численности в природном и нарушенном сообществе четко различается (р и с. 4.4). При нарушении в сообществе сокращается «запас прочности» - группы малочисленных и редких видов. Иногда для выделения этих групп используют не численность, а биомассу, встречаемость или проективное покрытие, как у растений, но закономерность сохраняется рост нарушения

Спектр жизненных форм

При нарушениях наблюдается замещение одних жизненных форм другими. При рекреации в сообществе коллембол начинают исчезать группы подстилочной жизненной формы, но сохраняются почвенная и поверхностно-обитающая группы.

5. Спектр биотопических групп . Антропогенное воздействие любой природы сопровождается заменой специализированных видов сообщества на эврибионтные. Дальнейшее усиление нагрузки ведет к тому, что в сообществе сохраняются в основном рудеральные и синантропные виды.

6. Изменение во времени . При нарушениях среды сообщества сильнее меняются по годам; первыми - доминирующие виды, жизненные формы, биотопические группы и т.д.

Примеры биоиндикации на экосистемном уровне

Экосистемный уровень предполагает изучение круговорота веществ и потоков энергии. Круговорот веществ осуществляется при участии запаса биогенов, организмов-продуцентов (растения, создающие органическое вещество из неорганических), организмов-консументов (животные, распределяющие и регулирующие потоки вещества и энергии) и организмов-редуцентов (грибы и бактерии, которые разрушают органические вещества, пополняя запас биогенов).

Среди различных показателей экосистем для биоиндикации представляют интерес трофическая структура и сукцессионные изменения.

Трофическая структура . Нарушение соотношения между блоками продуцентов, консументов, редуцентов. Например, вблизи комбинатов цветной металлургии, расположенных в таежной зоне, толщина подстилки достигает 20 см, превышая норму в 3-4 раза. Это происходит из-за угнетения почвенных беспозвоночных, ускоряющих процесс разрушения растительных остатков.

Сукцессии - естественные смены сообществ от простых и неустойчивых до сложных и устойчивых. Последние получили название зрелых, или климаксных. Антропогенный пресс нарушает естественный ход сукцессий. Страдают, прежде всего, заключительные стадии - зрелые климаксные сообщества, они не формируются. Процесс все время отбрасывается на более ранние стадии. Например, полная сукцессия лесов в Подмосковье предполагает не только смену березняков ельниками. но и формирование сложных смешанных лесов с участием дубов. Редкость таких лесов свидетельствует о глубоких преобразованиях территории. Попытки воспроизвести естественную сукцессию встречают большие трудности. При лесной рекультивации отвалов угледобывающей промышленности посаженные деревья не образуют настоящих лесов. Даже спустя 30 лет в почве под ними не развивается характерный для лесов комплекс сапрофагов-разрушителей лесной подстилки, что свидетельствует о существенном отличии почвенных и лесорастительных условий на отвалах, по сравнению с лесами. Беспозвоночные животные являются в данном случае биоиндикаторами формирования «неполноценных» экосистем.

В целом, нарушения среды на ценотическом и экосистемном уровнях приводят к:

Упрощению структуры сообществ и экосистем;

Нарушению внутренних связей (между видами, экологическими группами, блоками экосистемы и т.д.), т.е. механизмов саморегуляции сообществ и экосистем.

Выявление этих признаков - основной путь биоиндикации на высших уровнях организации живого.

Биоиндикация на уровне биосферы

Некоторые примеры индикаторов глобальных изменений среды:

«ползучая эвтрофикация». Присутствие в морской воде сточных вод все чаще индицируют красные и бурые приливы. Они возникают из-за вспышек численности одноклеточных водорослей: токсичных динофлагеллят (красные) и диатомовых (бурые);

Основной задачей биологического мониторинга является определение состояния биотической составляющей биосферы, ее отклика, реакции на антропогенное воздействие, определение функции состояния и отклонения этой функции от нормального естественного состояния на различных уровнях организации биосистем.

Исследование содержания различных ингредиентов в биоте лишь условно можно отнести к биологическому мониторингу. Этот вопрос относится к измерению загрязнителей в различных средах. К биологическому мониторингу можно отнести также наблюдения за состоянием биосферы с помощью биологических индикаторов.

Биологический мониторинг включает мониторинг живых организмов-популяций (по их числу, биомассе, плотности и другим функциональным и структурным признакам), подверженных воздействию. В этой подсистеме мониторинга целесообразно выделить следующие наблюдения:

а) за состоянием здоровья человека, воздействием окружающей среды на человека (медико-биологический мониторинг);
б) за важнейшими популяциями как с точки зрения существования экосистемы, характеризующей своим состоянием благополучие той или иной экосистемы, так и с точки зрения большой хозяйственной ценности (например, ценные сорта рыб);
в) за наиболее чувствительными к данному виду воздействия (либо к комплексному воздействию) популяциями (например, растительность к воздействию двуокиси серы) или за "критическими" популяциями по отношению к данному воздействию (например, зоопланктон эпишура в оз. Байкал к сбросам целлюлозных предприятий);
г) за популяциями-индикаторами (например, лишайники).

Особое место в биологическом мониторинге должен занять генетический мониторинг (наблюдение возможных изменений наследственных признаков у различных популяций).

Экологический мониторинг (глобальный мониторинг биосферы) является более универсальным, он обобщает результаты и биологического, и геофизического мониторинга на уровне экологических систем.

В настоящее время наиболее развита система биологического мониторинга поверхностных вод (гидробиологический мониторинг) и лесов. Однако даже в этих областях биологический мониторинг существенно отстает от мониторинга абиотических характеристик среды - как по методологическому, методическому и нормативному обеспечению, так и по количеству наблюдений. Например: наблюдениями за загрязнением поверхностных вод суши по гидрохимическим показателям охвачены 1166 водных объектов. Отбор проб ведется на 1699 пунктах (2342 створа) по физическим и химическим показателям с одновременным определением гидрологических показателей. В то же время, наблюдения за загрязнением поверхностных вод суши по гидробиологическим показателям производятся лишь в пяти гидрографических районах, на 81 водном объекте (по 170 створам), причем программа наблюдений включает от 2 до 6 показателей.

В работах по созданию Единой государственной системы экологического мониторинга (ЕГСЭМ) принимает участие Госкомрыболовство России (создание Единой государственной системы мониторинга водных биоресурсов, наблюдений и контроля за деятельностью российских и иностранных рыболовных судов с использованием космических средств связи и специализированных информационных технологий). Мониторинг водных биоресурсов предусматривает:

- мониторинг объектов животного мира, принадлежащих к объектам рыболовства;
- мониторинг состояния загрязнения биоресурсов рыбохозяйственных водоемов Российской Федерации и среды их обитания;
- информационный бюллетень "Радиационная обстановка в рыбопромысловых районах Мирового океана";
- отраслевой кадастр промысловых рыб Российской Федерации.

Наземные методы экологического мониторинга.

Физико-химические методы

-Качественные методы . Позволяют определить, какое вещество находится в испытуемой пробе. Например на основе хроматографии . -Количественные методы . -Гравиметрический метод . Суть метода состоит в определении массы и процентного содержания какого-либо элемента, иона или химического соединения, находящегося в испытуемой пробе. -Титриметрический (объемный) метод. В этом виде анализа взвешивание заменяется измерением объёмов, как определяемого вещества, так и реагента, используемого при данном определении. Методы титриметрического анализа разделяют на 4 группы: а) методы кислотно-основного титрования; б) методы осаждения; в) методы окисления-восстановления; г) методы комплексообразования. -Колориметрические методы. Колориметрия - один из наиболее простых методов абсорбционного анализа. Он основан на изменении оттенков цвета исследуемого раствора в зависимости от концентрации. Колориметрические методы можно разделить на визуальную колориметрию и фотоколориметрию. -Экспресс-методы . К экспресс методам относятся инструментальные методы, позволяющие определить загрязнения за короткий период времени. Эти методы широко применяются для определения радиационного фона, в системе мониторинга воздушной и водной среды. -Потенциометрические методы основаны на изменении потенциала электрода в зависимости от физико-химических процессов, протекающих в растворе. Их разделяют на: а) прямую потенциометрию (ионометрию); б) потенциометрическое титрование.

Методы биологического мониторинга

Биоиндикация - метод, который позволяет судить о состоянии окружающей среды по факту встречи, отсутствия, особенностям развития организмов-биоиндикаторов . Биоиндикаторы - организмы, присутствие, количество или особенности развития которых служат показателями естественных процессов, условий или антропогенных изменений среды обитания. Условия, определяемые с помощью биоиндикаторов, называются объектами биоиндикации.

Биотестирование - метод, позволяющий в лабораторных условиях оценить качество объектов окружающей среды с помощью живых организмов.

Оценка компонентов биоразнообразия - является совокупностью методовсравнительного анализа компонентов биоразнообразия .

Методы статистической и математической обработки данных

Для обработки экомониторинговых данных используются методы вычислительной и математической биологии (в том числе и математическое моделирование), а также широкий спектр информационных технологий .

Географические информационные системы

ГИС является отражением общей тенденции привязки экологических данных к пространственным объектам. Как считают некоторые специалисты, дальнейшая интеграция ГИС и экологического мониторинга приведёт к созданию мощных ЭИС (экологических информационных систем) с плотной пространственной привязкой.

19) Биологический мониторинг

Под биологическим мониторингом следует понимать систему наблюдений, оценки и прогноза любых изменений в биоте, вызванных факторами антропогенного происхождения.

Основной объект наблюдения данного вида мониторинга - отклики биологических систем разного уровня и факторы среды, воздействующие на них. Первоочередная задача - наблюдение за уровнем загрязнения биоты, при которой отклики или биологические последствия, связанные с воздействием загрязнений, регистрируются в рамках специальных подпрограмм.

Биологами накоплен большой объем информации о функционировании биологических систем как в норме, так и в случае отрицательного воздействия антропогенных факторов. Структура программы биологического мониторинга состоит из отдельных подпрограмм, составленных на основе уровней организации биологических систем. Так, субклеточному уровню организации биоты соответствует генетический мониторинг, клеточному - биохимический, организменному - физиологический, популяционному и биоценологическому (сообщества) - экологический биомониторинг. Кроме перечисленных, существуют подпрограммы мониторинга загрязнения биоты, продуктивности биосферы, исчезающих или находящихся на грани исчезновения видов.

Для каждой подпрограммы биомониторинга разрабатывается своя методика наблюдений и устанавливается определенный набор функциональных характеристик. Например, в программах биомониторинга на организменном уровне используются такие показатели как питание, дыхание, выделение и азотный баланс, рост, воспроизводство, состав крови, показатели поведения организмов. В программах биомониторинга на популяционном уровне - это ростовые показатели, воспроизводство, распределение и обилие видов, структура популяции.

Параметры популяционного уровня широко используются для мониторинга летальных и сублетальных концентраций загрязняющих веществ в зависимости от целей программ мониторинга и специфики контролируемых систем. При этом выбранные для наблюдения популяции должны быть частью систем, подвергающихся наибольшему воздействию со стороны загрязняющих веществ.

Отбор видов для данного вида мониторинга является сложной задачей, поскольку для отбора видов необходимы подробные данные о биоте изучаемого района. Объектом наблюдения может быть любая группа организмов: от микрофлоры до мегафауны и морских птиц. Предпочтение отдается видам, чувствительным к потенциальным загрязнениям (даже если они имеют ограниченное экологическое и промысловое значение), представляющим различные трофические уровни, а также ключевым видам, если их роль в сообществе известна. Трудности отбора связаны с особенностями поведения организмов в зависимости от сезона, возраста и миграции во время приливов. При отборе видов учитывают их пространственное распределение и подвижность. Подвижность выбранного вида должна быть невысокой, чтобы иммиграция и эмиграция не влияли на конечные результаты. Предпочтительны виды, ведущие оседлый образ жизни, так как если подвижность вида высокая, данные о структуре популяции и росте будут малоценными, поскольку продолжительность воздействия загрязняющего вещества на них окажется неизвестной из-за возможного избегания мест загрязнения. Виды бентосных систем используются чаще, так как они с пространственной и временной точек зрения менее изменчивы.

Биомониторинг на уровне сообщества. Напомним, что под сообществом обычно понимают ассоциацию популяций, которые взаимодействуют как между собой, так и с окружающей средой. В качестве показателей биомониторинга сообществ выступают биомасса, обилие, видовое разнообразие, число высших таксонов, трофическая структура, а также результаты сравнения сообществ.

В качестве критериев оценки экологического состояния популяций и сообществ выступают структурные и функциональные показатели, характеризующие состояние растительного и животного населения. Под структурными показателями в мониторинге сообществ являются число особей и список видов в сообществе, их изменчивость в пространстве и во времени. Функциональная характеристика сообщества включает качество и количество энергии, протекающей через сообщество.

Оценка воздействия загрязяющих веществ на экосистемном уровне сводится к использованию данных, полученных для уровней популяции или сообществ, из которых оно состоит. Однако эта оценка может оказаться неполной, так как при таком подходе могут отсутствовать данные об изменении важных переменных, характеризующих состояние экосистемы как самостоятельной субъединицы иерархической структуры живого.

Структурной основой экосистемы являются неорганические и органические вещества, факторы среды (температура, свет, ветер и др.), продуценты, консументы и редуценты. Сложные взаимозависимые процессы функционирования экосистемы осуществляется за счет потока энергии, пищевых цепей, круговорота питательных веществ, изменения разнообразия, развития и эволюции во времени и пространстве.

При мониторинге экосистем необходимо выявить чувствительные звенья экосистемы, по которым можно было бы судить о его состоянии. Другим не менее важным подходом является создание имитационных моделей экосистем.

Контроль за изменением популяций и биоценозов и их функционированием под влиянием разных видов антропогенного воздействия проводится в стационарах как на эталонных участках, так и на территориях, подверженных антропогенному воздействию. Особый интерес представляют наблюдения за аккумуляцией растениями и животными химических веществ, выделяемых в процессе промышленного производства, при аварийных выбросах или применяемые в сельском и лесном хозяйстве. Прослеживается их миграция по цепям питания и распределением по трофическим уровням в биоценозах, расположенных в различных природных зонах.

С точки зрения информативности, все подпрограммы биологического мониторинга одинаково ценны и не имеют преимуществ друг перед другом, однако в настоящее время больше внимания уделяется экологическому мониторингу.

Важными функциями биомониторинга является разработка систем раннего оповещения, диагностика и прогнозирование изменения биологических сообществ.

При разработке систем раннего оповещения необходим отбор подходящих организмов и создание автоматизированных устройств, позволяющих достаточно четко выявлять реакцию биоты на антропогенные изменения окружающей природной среды. Такие устройства могут быть использованы для определения качества воды в водоемах и получения оперативной информации о возникновении опасной токсикологической ситуации.

Диагностический блок мониторинга предполагает обнаружение, идентификацию и определение концентрации загрязняющих веществ в биотической составляющей на основе широкого использования организмов-мониторов.

Данные диагноза служат информационной базой для прогнозирования эволюции живых организмов. Прогнозирование позволяет установить скорости накопления загрязняющих веществ, пути их миграции по цепям питания и в конечном итоге определить будущее состояние биологических объектов и среды их обитания.

Биомониторинг

Биомониторинг является составной частью экологического мониторинга – слежение за состоянием окружающей среды по физическим и биологическим показателям. В задачи биомониторинга входит регулярно проводимая оценка качества окружающей среды с помощью специально выбранных для этой цели живых объектов.

Лучше других отработана система биомониторинга водной среды. Росгидромет использует классификатор качества вод, включающий 6 классов. Оценивают показатели донных беспозвоночных, перифитона (обитатели водных растений), фито-, зоо- и бактериопланктона. Для примера приведем таблицу классификации вод суши по показателям зообентоса:

Классификация качества вод суши по биопоказателям

В 1990 г. экологическая комиссия Европы под эгидой ООН приняла программу интегрированного мониторинга (IM) окружающей среды по следующим группам показателей (в скобках указано их количество: общая метеорология(6), химия воздуха(3), химизм почвенных и подземных вод(4), химизм поверхностных вод (4), почва(6), биологические показатели(11).

Среди отслеживаемых показателей видное место заняли биологические индикаторы: эпифитные лишайники, напочвенная растительность кустарниковая и древесная растительность, проективное покрытие деревьев, биомасса деревьев, химический состав хвойных игл, микроэлементы в хвое, почвенные ферменты, микориза, скорость разложения растительных остатков и один из прочих методов мониторинга по выбору.

На территории бывшего СССР было намечено 6 площадей для проведения регионального мониторинга по перечисленным выше биологическим показателям.

Наиболее развиты системы регионального мониторинга в Германии и Нидерландах.

Для примера рассмотрим одну из систем биомониторинга в Германии (земля Баден-Вюртемеберг).Она предполагает оценку следующих показателей:

· Степени дефолиации (преждевременной потери листвы) бука, ели и пихты;

· Состава поллютантов в листьях и хвое;

· Сукцессии (закономерной смены) травянистой растительности;

· Жизненности травостоя и содержания в нем поллютантов;

· Площади покрытия эпифитных лишайников;

· Численности коллембол (мелких почвенных членистоногих) и наземных моллюсков;

· Аккумуляции поллютантов в дождевых червях.

Результаты мониторинга представляют в виде таблиц и графиков. К числу удачных способов относится метод «Амебы». Рисуют круг, который делят линиями на равные секторы по числу измеряемых показателей. Линия окружности означает их нормальное значения. Показатели могут быть химическими (соединения тяжелых металлов, фосфора и т.д.), физическими (уровень грунтовых вод, мутность и пр.) и биологическими (численность, разнообразие и другие характеристики биоиндикаторов). Далее в каждом секторе закрашивают площадь, пропорциональную значениям соответствующего показателя. Линии могут выходить за пределы круга, если значения «зашкаливают», тогда у «Амебы» появляются «выросты-ложноножки». Результаты мониторинга, представленные в виде ряда таких рисунков, наглядно выявляют направление «движения Амебы» и, соответственно направление изменений в экосистеме.

Биоиндикация

Биоиндикация – это оценка состояния среды с помощью живых объектов. Живые объекты (или системы) – это клетки, организмы, популяции, сообщества. С их помощью может производиться оценка как абиотических факторов (температура, влажность, кислотность, соленость, содержание поллютантов и т.д.) так и биотических (благополучие организмов, их популяций и сообществ). Термин «биоиндикация» чаще используется в европейской научной литературе, а в американской его обычно заменяют аналогичным по смыслу названием «экотоксикология».

Часто задают вопрос: «Почему для оценки качества среды приходится использовать живые объекты, когда это проще делать физико-химическими методами?» По мнению Ван Штраалена (1998), существуют по крайней мере 3 случая, когда биоиндикация становится незаменимой.

1. Фактор не может быть измерен. Это особенно хар-но для попыток реконструкции климата прошлых эпох. Так, анализ пыльцы растений в Северной Америке за длительный период показал смену теплого влажного климата сухим прохладным и далее замену лесных сообществ на травяные. В другом случае остатки диатомовых водорослей (соотношение ацидофильных и базофильных видов) позволило утверждать, что в прошлом вода в озерах Швеции имела кислую реакцию по вполне естественным причинам.

2. Фактор трудно измерить. Некоторые пестициды так быстро разлагаются, что не позволяют выявить их исходную концентрацию в почве. Например, инсектицид дельтаметрин активен лишь несколько часов после его распыления, в то время как его действие на фауну (жуков и пауков) прослеживается в течение нескольких недель.

3. Фактор легко измерить, но трудно интерпретировать. Данные о концепции в окр. среде различных поллютантов (если их концентрация не запредельно высока) не содержат ответа на вопрос, насколько ситуация опасна для живой природы. Показатели предельно допустимой концепции (ПДК) различных веществ разработаны лишь для человека. Однако, очевидно, эти показатели не могут быть распространены на другие живые существа. Есть более чувствительные виды, и они могут оказаться ключевыми для поддержания экосистем. С точки зрения охраны природы, важнее получить ответ на вопрос, к каким последствиям приведет та или иная концентрация загрязнителя в среде. Эту задачу и решает биондикация, позволяя оценить биологические последствия антропогенного изменения среды. Физические и химические методы дают качественные и количественные хар-ки фактора, но лишь косвенно судят о его биологическом действии. Биоиндикация, наоборот, позволяет получить информацию о биологических последствиях изменения среды и сделать лишь косвенные выводы об особенностях самого фактора. Таким образом, при оценке состояния среды желательно сочетать физико-химические методы биологическими.

Во всех случаях, когда речь идет о контроле, без которого биоиндикация в принципе невозможна, встает вопрос, что считать нормой для того или иного биоиндикатора? В одних случаях ответ будет простой. Например, появление на листьях растений некротических пятен любой формы и размера – всегда индикатор загрязнения среды, поскольку в норме их быть не должно.

Ситуация усложняется, когда нормой является не одно конкретное состояние биоиндикатора, а целый набор, диапазон таких состояний. К таким индикаторам относятся численность популяции, разнообразие сообществ, их видовой состав и т.д. эти характеристики меняются по сезонам и по годам, они могут отличаться в различных местообитаниях, следовательно, чтобы установить норму для таких биоиндикаторов, нужно располагать данными об их сезонной и многолетней динамике, их изменении по местообитаниям. Так, численность мелких почвенных членистоногих коллембол на одном и том же участке ненарушенного леса может меняться в течение года в 10–20 раз, разнообразие их сообществ- в 2–3 раза.

Биоиндикация на разных уровнях организации живого

Биоиндикация может осуществляться на всех уровнях организации живого: биологических молекул, клеток, тканей и органов, организмов, популяций (пространственная группировка особей одного вида), сообществ, экосистем и биосферы в целом. Признание этого факта – достижение современной теории биоиндикации.

На низших уровнях биоиндикации возможны прямые и специфические формы биоиндикации, на высших – лишь косвенные и неспецифические. Однако именно последние дают комплексную оценку влияния антропогенных воздействий на природу в целом.

Клеточный и субклеточный уровни

Биоиндикация на этих уровнях основана на узких пределах протекания биотических и физиологических реакций. Её достоинства заключаются в высокой чувствительности к нарушениям, позволяющим выявить даже незначительные концентрации поллютантов, и выявить их быстро. Именно на этих уровнях возможно наиболее ранее выявление нарушений среды. К числу недостатков относится то, что биоиндикаторы – клетки и молекулы требуют сложной аппаратуры.

Результаты действия поллютантов следующие:

· нарушение биомембран (особенно их проницаемости);

· изменение концентрации и активности макромолекул (ферменты, белки, аминокислоты, жиры, углеводы, АТФ);

· аккумуляция вредных веществ;

· нарушение физиологических процессов в клетке;

· изменение размеров клеток.

Чтобы разобрать тот или иной способ биоиндикации на этом уровне, необходимо выяснить механизмы действия поллютантов.

Влияние поллютантов на биомембраны (на примере клеток растений)

1. Сернистый газ . SO2 проникает в листву через устьица, попадает в межклеточное пространство, растворяется в воде с образованием SO3 2 – /HSO3 - ионов, разрушающих клеточную мембрану. В итоге снижается буферная емкость цитоплазмы клетки, изменяются её кислотность и редокспотенциал.

2. Озон и другие окислители, например, пероксиацетилнитрата. Нарушают проницаемость мембран. Этот эффект усугубляется в присутствии ионов тяжелых металлов.

- 183.50 Кб

Введение

1.1 Метод биоиндикации

1.2 Метод биотестирования

2.1 Основные биоиндикаторы для оценки загрязнения атмосферы

2.2 Основные биоиндикаторы для оценки загрязнения водных объектов

2.3 Основные биоиндикаторы для оценки загрязнения почв

3. Биоиндикация окружающей среды

3.1 Особенности использования растений в качестве биоиндикаторов

3.2 Особенности использования животных качестве биоиндикаторов

4. Использование метода биологического мониторинга в разных странах

Заключение

Введение

Биомониторинг является составной частью экологического мониторинга слежения за состоянием окружающей среды по физическим, химическим и биологическим показателям. В задачи биомониторинга входит регулярно проводимая оценка качества окружающей среды с помощью специально выбранных для этой цели живых объектов. В 1990 г. экономическая комиссия Европы под эгидой ООH приняла программу интегрированного мониторинга (IM) окружающей среды по следующим группам показателей (в скобках указано их количество): общая метеорология (6), химизм воздуха (3), химизм почвенных и подземных вод (4), химизм поверхностных вод (4), почва (6), биологические показатели (11).

Мониторинг биологический – это слежение за природными и антропогенными процессами, протекающими в биоценозах и на более высоких уровнях биологической организации, с целью выявления изменений, возникающих при взаимодействии живого с факторами внешней среды (колебания численности популяций, накопление тяжёлых металлов в организмах и др.) и изучения ответных реакций всех биологических уровней на эти воздействия (изменение климата, разрушение биоценозов, заболевания организмов и др.).

Биоиндикация является одним из методов биологического мониторинга. Биоиндикация (bioindication) – это обнаружение и определение экологически значимых природных и антропогенных нагрузок на основе реакций на них живых организмов непосредственно в среде их обитания. Живые объекты (или системы) – это клетки, организмы, популяции, сообщества. С их помощью может проводиться оценка как абиотических факторов (температура, влажность, кислотность, соленость, содержание поллютантов и т.д.), так и биотических (благополучие организмов, их популяций и сообществ) .

Существует еще один метод биологического мониторинга. Биотестирование (bioassay) – это процедура 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. Для оценки параметров среды используются стандартизованные реакции живых организмов (или отдельных органов, тканей, клеток и молекул).

Для проведения различных исследований в области биомониторинга требуются биоиндикаторы, с помощью которых определяются показатели качества водных объектов, атмосферы, а также состояния почв. Основные биоиндикаторы более подробно будут рассмотрены далее.

1. Методы биологического мониторинга

1. Биоиндикация - метод, который позволяет судить о состоянии окружающей среды по факту встречи, отсутствия, особенностям развития организмов-биоиндикаторов. Биоиндикаторы - организмы, присутствие, количество или особенности развития которых служат показателями естественных процессов, условий или антропогенных изменений среды обитания. Условия, определяемые с помощью биоиндикаторов, называются объектами биоиндикации.

2. Биотестирование - метод, позволяющий в лабораторных условиях оценить качество объектов окружающей среды с помощью живых организмов.

3. Оценка компонентов биоразнообразия - является совокупностью методов сравнительного анализа компонентов биоразнообразия .

1.1 Метод биоиндикации

Объективные факты свидетельствуют о существовании тесного влияния факторов среды на биотические процессы экосистемы (плотность популяций, динамику видовой структуры, поведенческие особенности). Такие факторы среды, как свет, температура, водный режим, биогенные элементы (макро- и микроэлементы), соленость и другие имеют функциональную важность для организмов на всех основных этапах жизненного цикла. Однако можно использовать обратную закономерность и судить, например, по видовому составу организмов о типе физической среды. Поэтому «биоиндикация»– это определение биологически значимых нагрузок на основе реакций на них живых организмов и их сообществ. В полной мере это относится ко всем видам антропогенных загрязнений”.

Существенные методологические трудности биоиндикации возникают и при оценке состояния биоценоза по соотношению видов в конкретной экосистеме выборочным методом. Если исходить из понимания популяции, как совокупности особей, то информация, которую мы получили, не может быть экстраполирована за пределы временного периода или станции (полигона), на котором осуществлена выборка. Необходимо получить информацию о форме распределения вероятностей нахождения особей в той или иной точке пространства экосистемы. Исходя из найденного закона распределения, можно рассчитать число необходимых проб, обеспечивающих заданную точность интерполяции. Такой подход возможен для оценки состояния популяций на небольших площадях, например, в небольших замкнутых мелководных водоемах. Для крупных водоемов количество выборок ограничивается временем, за которые можно сделать пробы в сходных условиях (например, даже в течение суток может произойти перераспределение планктонных особей в пространстве). Проблемы, связанные с изучением пространственно-временной дифференциации зоопланктона при проведении мониторинговых исследований, показаны, например, на большом экспериментальном материале О.М. Кожовой и Б.К. Павловым .

Таким образом, биоиндикацию можно определить как совокупность методов и критериев, предназначенных для поиска информативных компонентов экосистем, которые могли бы:

адекватно отражать уровень воздействия среды, включая комплексный характер загрязнения с учетом явлений синергизма действующих факторов;
диагностировать ранние нарушения в наиболее чувствительных компонентах биотических сообществ и оценивать их значимость для всей экосистемы в ближайшем и отдаленном будущем.

С точки зрения математики поставленная задача биоиндикации в реальных условиях относится к классу плохо формализуемых задач, поскольку характеризуется следующими особенностями:

существенной многомерностью факторов среды и измеряемых параметров экосистем;
сильной взаимообусловленностью всего комплекса измеренных переменных, не позволяющей выделить в чистом виде функциональную связь двух индивидуальных показателей F(x);
нестационарностью большей части информации об объектах и среде;
трудоемкостью проведения всего комплекса измерений в единых координатах пространства и времени, в результате чего обрабатываемые данные имеют обширные пропуски.

1.2 Метод биотестирования

Биотестирование - использование в контролируемых условиях биологических объектов (тест-объектов) для выявления и оценки действия факторов (в том числе и токсических) окружающей среды на организм, его отдельную функцию или систему организмов.

Наиболее полно методы биотестирования разработаны для гидробионтов и позволяет использовать их для оценки токсичности загрязнений природных вод, контроля токсичности сточных вод, экспресс - анализа в санитарно-гигиенических целях, для проведения химических анализов в лабораторных целях и решения целого ряда других задач.

В зависимости от целей и задач токсикологического биотестирования в качестве тест - объектов применяются различные организмы: высшие и низшие растения, бактерии, водоросли, водные и наземные беспозвоночные и другие .

1.3 Метод оценки значимости воздействий

Значимость воздействия непосредственно зависит от его вида или природы (шумовое, радиационное, выбросы определенных веществ в воздух и т.д.), физической величины и вероятности его возникновения [Черп и др., 2000]. Понятие величины охватывает здесь несколько факторов, таких как интенсивность воздействия (например, повышение величины показателя БПК5 в реке до 10 мг/л); продолжительность воздействия; масштаб распространения воздействия. При этом масштаб распространения воздействия оценивается как в терминах площади (например, территория, на которой зафиксировано повышение радиационного уровня), так и в терминах численности биологических объектов, наличия особо охраняемых территорий и т.д., подвергающихся воздействию данного фактора. Дополнительным аспектом, который чаще всего не учитывается при оценке значимости воздействий, является его контекст. Воздействия, одинаковые по величине и вероятности, могут рассматриваться как более или менее важные, влиять на принимаемые решения в большей или меньшей степени в зависимости от того, где именно они имеют место, как они воспринимаются заинтересованными лицами, какова сложившаяся социальная обстановка и т.д.

Для оценки значимости существует множество методов: например, Н. Ли описывает 24 метода. Наиболее простым и часто применяемым методом оценки значимости является сравнение их с универсальными стандартами. Стандарты могут быть количественными (например, предельно допустимые концентрации загрязняющих веществ) или носить характер качественных норм (например, ограничения на определенные виды хозяйственной деятельности в пределах особо охраняемой природной территории или вблизи культурных памятников). Однако следует иметь в виду важные ограничения применимости стандартов для оценки значимости:

на многие виды воздействия стандарты отсутствуют (например, в момент написания этой книги в России не существовало стандарта на концентрации или выбросы диоксинов);
многие стандарты разработаны на основе приблизительных данных (недостаточно проверенных, неточных или неполных) и, таким образом, их область применения ограничена;
стандарты основаны на представлении о "пороговом воздействии", в то время как многие виды воздействия (например, ионизирующее излучение) не имеют порогового значения: не исключено, что их влияние проявляется при сколь угодно малых величинах;
стандарты не всегда годятся для учета непрямых, кумулятивных воздействий, синергетического действия нескольких факторов;
стандарты редко применимы для учета уникальных условий, характерных для конкретной ситуации.

Очень близок к сравнению со стандартами метод оценки значимости, основанный на сравнении величины воздействия с усредненными значениями данного параметра для рассматриваемой местности. Такой метод вносит в оценку значимости элемент "контекста", учета местной ситуации. К этому типу методов относится сравнение параметров состояния окружающей среды с фоновыми значениями. Сравнение величины воздействий со стандартами или с характерными значениями является "объективным" методом оценки значимости воздействий (хотя стандарты, конечно, могут рассматриваться как субъективная величина).

Объективные факты свидетельствуют о существовании тесного влияния факторов среды на биотические процессы экосистемы (плотность популяций, динамику видовой структуры, поведенческие особенности). Такие факторы среды, как свет, температура, водный режим, биогенные элементы (макро- и микроэлементы), соленость и другие имеют функциональную важность для организмов на всех основных этапах жизненного цикла. Однако можно использовать обратную закономерность и судить, например, по видовому составу организмов о типе физической среды. Поэтому «биоиндикация– это определение биологически значимых нагрузок на основе реакций на них живых организмов и их сообществ. В полной мере это относится ко всем видам антропогенных загрязнений».

2. Основные характеристики биоиндикаторов 1.1 Метод биоиндикации
1.2 Метод биотестирования
1.3 Метод оценки значимости воздействий
2. Основные характеристики биоиндикаторов
2.1 Основные биоиндикаторы для оценки загрязнения атмосферы
2.2 Основные биоиндикаторы для оценки загрязнения водных объектов
2.3 Основные биоиндикаторы для оценки загрязнения почв
3. Биоиндикация окружающей среды
3.1 Особенности использования растений в качестве биоиндикаторов
3.2 Особенности использования животных качестве биоиндикаторов
4. Использование метода биологического мониторинга в разных странах
Заключение