Методы биоиндикации загрязнений наземных и водных экосистем

При проведении лихеноиндикационных исследований необходимо учитывать всю информацию, так как от этого зависят точность и правильность оценок качества воздуха.

3.2 Сосна в качестве тест-объекта в радио- и общеэкологических исследованиях атмосферного воздуха

Индикаторные растения могут использоваться как для выявления отдельных загрязнений воздуха, так и для оценки общего состояния воздушной среды.

Факт исключительно высокой радиочувствительности хвойных древесных пород был отмечен во многих исследованиях зарубежных и российских ученых. Так, на территории Восточно-Уральского радиоактивного следа (ВУРС) сосна погибла на участке с плотностью радиоактивного загрязнения более 6,7 * 10¹⁴ Бк/км² (поглощенные дозы 30 - 40 Гр). Сосна по радиочувствительности близка к человеку (LD₅₀ = 20 Гр), поэтому она является одним из основных природных тест-систем в радио- и общеэкологических исследованиях [4].

Радиационные эффекты оцениваются по следующим критериям: гибель и восстановление деревьев; сроки восстановления; морфологические изменения хвои и побегов; количественные характеристики (радиальный и вертикальный прирост, масса и размер хвои и побегов). Репродуктивная способность оценивается по изменчивости семян.

Большинство выявленных морфологических изменений (морфозов) сосны, которая произрастала в радиоактивно загрязненных районах, связаны с изменениями в меристемных тканях - это группа клеток в стадии активного деления и роста. Такая ткань представляет собой два типа клеток: одна с высокой репродуктивной способностью, другая с различной степенью дифференциации. Известно, что чувствительность клеток прямо пропорциональна степени их дифференциации. Именно поэтому при высоких дозах облучения наблюдаются гибель верхушечных побегов и появление побегов из боковых почек, находящихся на ранних стадиях дифференциации. Более глубокие причины различий радиочувствительности меристемных тканей следует связать с биохимическими нарушениями в метаболизме клеток. При радиоактивном облучении наблюдаются: гибель почек, хвои, побегов; торможение роста побегов и хвои; двойной прирост в течение одного года вегетации; неравномерный рост хвои на побегах; укороченность побегов при интенсивном росте хвои («метлообразные» побеги); многопочечность (появление на побегах верхних мутовок до 30 почек вместо 5 - 6 в норме); нарушение ориентации хвои и побегов в пространстве (появление «мятой» хвои); искривление побегов; изменение формы хвои; появление гигантизма и карликовости побегов и хвои. Известно, что репродуктивные органы сосны обыкновенной более чувствительны к облучению, чем вегетативные. Особенно высокой радиочувствительностью обладают мужские генеративные органы. Подтверждение этому специалисты наблюдали в зоне сильного и среднего радиоактивного загрязнения после аварии на Чернобыльской АЭС: мужские цветки отсутствовали в течение первых двух лет после аварии, женские цветки также были частично или полностью поражены [4].

Хвойные породы, помимо их высокой радиочувствительности, особенно сильно страдают от сернистого газа. Чувствительность к нему убывает в последовательности: ель - пихта - сосна веймутова и обыкновенная - лиственница. Продолжительность жизни хвои сосны в нормальных условиях составляет 3 - 4 года. За это время она накапливает такое количество сернистого газа, которое существенно превышает пороговое значение. Под влиянием токсиканта хвоя сосны в зонах сильного загрязнения становится темно-красной, окраска распространяется от основания иглы к ее острию, и, просуществовав всего один год, хвоя отмирает и опадает. Лиственница, ежегодно сбрасывающая хвою, значительно устойчивее к сернистому газу. Поэтому по продолжительности жизни хвои сосны и характеру некрозов можно определить степень поражения сосновых насаждений сернистым газом [7].

По наблюдению ученых толщина воскового слоя на хвое сосны тем больше, чем выше концентрация или продолжительность воздействия на нее сернистого газа. Это послужило основанием для разработки количественного метода индикации данного соединения в атмосфере. Суть метода «помутнения по Гертелю» заключается в том, что степень помутнения экстракта хвои прямо пропорциональна количеству воска, покрывающего хвою. Чем выше мутность, устанавливаемая фотоколориметрически, тем больше концентрация сернистого газа в воздухе. Однако современные исследования показали, что помутнение водного экстракта из хвои вызвано не только воском, но и целым рядом других веществ, присутствующих в растительных тканях. В связи с этим возникли сомнения относительно достоверности результатов теста по Гертелю. Между тем накопление эпикутикулярного воска под влиянием сернистого газа обнаружено и у других растений, например у райграса. По этой причине, возможно, следует определять не интенсивность помутнения экстракта, а непосредственно содержание воска в растительном материале [7].

Вместе с тем двуокись серы вызывает у сосны обыкновенной характерные изменения в содержании фенольных соединений, которые наблюдаются задолго до появления видимых симптомов повреждения.

Классы повреждения: 1 - хвоинки без пятен; 2 - хвоинки с небольшим числом мелких пятен; 3 - хвоинки с большим числом черных и желтых пятен. Классы усыхания: 1 - на хвоинках нет сухих участков; 2 - на хвоинках усох кончик 2 - 5 мм; 3 - усохла 1/3 хвоинки; 4 - вся или большая часть хвоинки сухая [6].

3.3 Биоиндикация с помощью животных, обитающих в почве и характеристика качества почвы с помощью растений-индикаторов

Животные, обитающие в верхнем слое почвы, благодаря тесной связи с ней и наличию ответной реакции на изменения среды обитания, представляют перспективный объект, позволяющий на разных стадиях антропогенной трансформации обнаружить отклонения в функционировании почвенного блока и природного комплекса в целом. Некоторая сложность определяется тем, что реагирование почвенных организмов и их сообществ на присутствие токсического или загрязняющего ингредиента может происходить одновременно на всех уровнях организации биологических систем - от субклеточного до экосистемного. Возникает сложная мозаика прямых и опосредованных эффектов действия антропогенных факторов на фоне естественной изменчивости продукционных и структурных характеристик сообществ [14].

В зависимости от целей и возможности применяемых методов объектами экологического мониторинга могут быть: общая численность и биомасса обитающих в почве беспозвоночных на 1 м², таксономический состав сообществ, трофическая структура зооценоза, численность и биомасса доминирующих видов на 1 м². В целом для экологического контроля в определенной степени могут использоваться те же оценочные критерии, что и для биодиагностики состояния природных комплексов. Чтобы ограничить число наблюдений и объем анализируемого материала, необходимо из общего набора показателей вычленить ведущие или «индикаторные» параметры [11].

Выбор биоиндикаторов и характеристик для слежения за состоянием природной среды должен осуществляться дифференцированно для различных природных зон и высотных поясов в зависимости от структурно-функциональной организации экосистем в сфере антропогенного воздействия. При использовании биологических объектов для целей мониторинга важным аспектом является установление изменчивости показателей во времени. Особенностью динамики зооценозов почв в течение вегетационного периода является регистрация максимальных значений биомассы доминирующих групп в июле - во время «биотического зенита» [6].

Одним из направлений экологического мониторинга является контроль за уровнем загрязнения биотического компонента биосферы, т.е. за накоплением токсикантов, проникающих через покровы тела и пищеварительный тракт беспозвоночных в зонах промышленных аномалий. Являясь сорбентами природных и синтезируемых или привнесенных человеком токсических соединений, педобионты выполняют активную роль в трансформации и перераспределении поступающих в почву веществ. Определение корреляционных зависимостей между содержанием загрязняющих веществ в почвах, растениях и тканях животных может использоваться для оперативного и прогнозного биотестирования.

Среди почвенных беспозвоночных по реакции на прямое, либо опосредованное воздействие техногенного фактора выделены три группы (представлено на рисунке 4) [8].

Рис. 4 - Группы почвенных беспозвоночных по реакции на прямое, либо опосредованное воздействие техногенного фактора.

Например: чувствительные, положительно реагирующие на умеренные дозы техногенного вещества - люмбрициды, немикроскопические энхитреиды, моллюски и диплоподы. Чувствительные, испытывающие негативное влияние - литобиоморфные многоножки и герпетобионтные насекомые. Индифферентные, не имеющие индикационного значения для данного типа загрязнения - большинство насекомых, развитие которых протекает в почве.

Изменения биоты наземных экосистем могут прослеживаться на двух уровнях - видовом или ценотическом, когда происходит сокращение биологического разнообразия за счет выпадения отдельных таксонов, и ландшафтном, когда под воздействием антропогенных факторов наблюдается нивелирование различий между отдельными биогеоценозами или полная деградация некоторых из них. Вероятность проявления нежелательных последствий увеличивается адекватно росту степени воздействия, преломляясь через экологические параметры среды [15].

Фитоиндикация представляется весьма перспективной и развивается весьма стремительно, находят все новые и новые сферы приложения. При этом она берет на вооружение самые последние достижения науки и техники, в частности современные способы аэрофотосъемки земной поверхности.

Однако, к сожалению, некоторые аспекты фитоиндикации остаются неразработанными. Не исследован и не систематизирован опыт использования растений-индикаторов для практических целей. Недостаточно изучены физиолого-биохимические основы фитоиндикации. В результате растения-индикаторы выявляются эмпирически, путем наблюдений, что не исключает элемента случайности. Между тем, разработка физиолого-биохимических основ позволила бы целенаправленно отбирать растения-индикаторы, повысила бы эффективность их использования в практике. До сих пор не вполне выяснены механизмы биологических часов, причины избирательного поглощения определенными растениями химических элементов, роль магнитотропизма в пространственной ориентации растений [6].

Принцип метода основан на учете видового разнообразия макрофитов и их индикаторной значимости. Фитоиндикаторами называют растения, растительные сообщества или их особенности, указывающие на какие-то конкретные свойства среды. Так, с помощью растений можно выявить отдельные признаки почв: их механический состав, влажность, кислотность, засоленность, обеспеченность питательными веществами.

Различают прямые и косвенные индикаторы. Первые непосредственно связаны с объектом индикации, т.е. с каким-то конкретным условием среды, и зависят от него. Косвенные индикаторы не имеют непосредственной связи с объектом индикации, они показывают предметы или явления, которые, в свою очередь, могут быть связаны с индикатором, интересующим человека. Например, на урановых месторождениях очень часто можно встретить различные виды астрагалов (Astragalus pattersonii, A. bisulcutus, A, mcemasus в штате Колорадо, США). Эти растения, накапливая до 1,5% селена, являются прямыми его индикаторами, но, поскольку селен встречается на урановых месторождениях, то по отношению к урану астрагалы будут косвенными индикаторами [14].

Растения могут быть индикаторами, как на всем протяжении своего ареала, так и в какой-то его части. В зависимости от этого выделяют универсальные (панареальные) и локальные индикаторы. Если связь между индикатором и объектом индикации наблюдается по всему ареалу, индикатор называется универсальным. Гораздо чаше приходится иметь дело с локальными индикаторами, связанными с объектом индикации только в какой-то части своего ареала.

Для практических целей следует знать, насколько надежен и эффективен тот или иной индикатор, поэтому индикаторы характеризуют по достоверности и значимости. Достоверность - это степень сопряженности индикатора с объектом индикации. Абсолютно достоверным считается индикатор, которому в 100% случаев соответствует объект индикации. Для расчета показателя достоверности берут определенное число эталонных участков или площадок (обычно 100), где обязательно имеется индикатор. Среди них есть и такие, где индикатор встречается вместе с объектом индикации. Процентное соотношение этих участков и участков с индикатором, но без объекта индикации служит количественным показателем достоверности индикатора. Эталонные участки обычно выбираются в одном экотопе с помощью квадратной рамп размером 100 x 100 см.

Коэффициенты достоверности и значимости являются важными характеристиками индикаторных свойств растения. Если они достаточно высокие, можно начинать фитоиндикацию. Для этого в таблицу вносят названия всех индикаторных видов, обнаруженных на площади 10 м². Растениям, характеризующим свойства почвы, присуждаются номера:

1. оценка влажности: а) гигрофиты (бодяк болотный, вейник незамечанный, звездчатка длиннолистная, камыш лесной и озерный и др.); б) ксерофиты (молочай тонкий, очиток едкий, мятлик луковичный и др.);

2. механический состав: а) пелитофиты (звездчатка средняя (мокрица), копытень европейский, лебеда серая и др.); б) алевритофиты (астрагал датский, клевер пашенный, купена лекарственная, смолевка лежачая и др.); в) псаммофиты (белокопытник ложный, житняк сибирский, пырей ситниковидный, фиалка песчаная и др.);

3. оценка кислотности: а) крайние ацидофилы (рH = 3,0 - 4,0) (марьянник луговой, осока волосистоплодная, росянка круглолистная, черника и др.); б) умеренные ацидофилы (рH = 4,5 - 6,0) (багульник болотный, калужница болотная, лютик едкий, седмичник европейский и др.); в) слабы ацидофилы (рH = 5,0 - 6,7) (белокрыльник болотный, горец змеиный, медуница неясная, осока желтая и др.); г) ацидофилнейральные (рH = 4,5 - 7,0) (вейник наземный, иван-чай узколистный, ландыш майский, хмель вьющийся и др.); д) околонейтральные (рH = 6,0 - 7,3) (василисник малый, клевер горный, очиток едкий, полынь широколистная, таволга обыкновенная и др.); е) нейтрально-базофильные (рH = 6,7 - 7,8) (василек русский, кизильник среднерусский, люцерна серповидная, мать-и-мачеха, молочай тонкий и др.);

4. достаток питательных веществ в почве: а) эвтрофы (герань лесная, горец перечный, иван-чай узколистный, ландыш майский, мятлик обыкновенный, папоротник страусник и др.); б) мезотрофы (бересклет бородавчатый, земляника, купальница европейская, папоротник щитовник мужской, смолевка поникшая и др.); в) олиготрофы (брусника, клюква болотная, лишайник кладония, осока топяная, щавель малый и др.).

Частоту встречаемости учитывают по девятибалльной шестиступенчатой шкале со следующими обозначениями: 1 - очень редко, 2 - редко, 3 - нередко, 5 - часто, 7 - очень часто, 9 - масса [6].

4 Биоиндикация водных экосистем

4.1 Обитатели пресноводного водоема как объекты биоиндикации

В своем естественном состоянии различные природные водоемы могут сильно отличаться друг от друга. На водную флору и фауну действуют такие показатели, как глубина водоема, скорость течения, кислотно-щелочные свойства воды, мутность, кислородный и температурный режим, количество растворенной органики, соединений азота и фосфора, и многие другие. На все эти параметры влияет как антропогенная нагрузка, так и естественные процессы, происходящие в водоемах. Для водоемов разных типов в норме будет характерен разный видовой состав и обилие водных организмов (гидробионтов).

Оценка качества воды водоемов и водотоков может быть проведена с использованием физико-химических и биологических методов. Биологические методы оценки - это характеристика состояния водной экосистемы по растительному и животному населению водоема [1].

Любая водная экосистема, находясь в равновесии с факторами внешней среды, имеет сложную систему подвижных биологических связей, которые нарушаются под воздействием антропогенных факторов. Прежде всего, влияние антропогенных факторов, и в частности, загрязнения отражается на видовом составе водных сообществ и соотношении численности слагающих их видов. Биологический метод оценки состояния водоема позволяет решить задачи, разрешение которых с помощью гидрофизических и гидрохимических методов невозможно [2].

Биологические методы изучения водоемов дают комплексную оценку качества воды, учитывают взаимодействие разных загрязняющих веществ и могут помочь в том случае, когда источник загрязнения имеет переменную мощность или непостоянный химический состав [6].

Биоиндикация выявляет уже произошедшее или происходящее загрязнение водоёма по индикаторным организмам и функциональному состоянию популяций и биоценозов. К, примеру, зоопланктон может быть использован при индикации степени загрязнения водоёмов, прежде всего органическими веществами, особенно когда сравниваются разные водоёмы или достаточно большие участки рек, крупных озёр и водохранилищ.

При оценке качества вод и обобщении результатов наблюдений по гидрохимическим показателям сопоставляют полученные от исследований данные со стандартными показателями качества воды, установленными нормативными документами. Но использование для оценки качества воды только гидрохимических показателей имеет свои недостатки [1].

Вода - самое распространенное соединение в природе, не бывает абсолютно чистой. Природная вода содержит многочисленные растворенные вещества - соли, кислоты, щелочи, газы (углекислый газ, азот, кислород, сероводород), продукты отходов промышленных предприятий и нерастворимые частицы минерального и органического происхождения. Свойства и качество воды зависят от состава и концентрации содержащихся в ней веществ [4].

О чистоте воды природного водоема можно судить по видовому разнообразию и обилию животного населения. В таблице 2 приведены индикаторные таксона определяющие эколого-биологическую полноценность воды, класс качества и использование воды [6].

Таблица 2 - Шкала загрязнений по индикаторным таксонам

Показателем качества воды может служить биотический индекс, который определяется по количеству ключевых и сопутствующих видов беспозвоночных животных, обитающих в исследуемом водоеме. Самый высокий биотический индекс определяется числом 10, он отражает качество воды экологически чистых водоемов, вода которых содержит оптимальное количество биогенных элементов и кислорода, в ней отсутствуют вредные газы и химические соединения, способные ограничить обитание беспозвоночных животных. Роль биоиндикаторов в этом случае играют личинки комаров-дергунов или хирономусы (в народе «мотыль») и малощетинковые кольчецы (трубочники). Об их количестве судят о степени эвтрофикации водоема. Токсичность природных вод можно определять, используя в качестве биоиндикатора дафнии.

Хорошим биоиндикатором является водоросль Ностак сливовидный. Наличие этого вида говорит о чистой воде. Первый признак тревоги - измельчение и нарушение правильной округлой формы изумрудных "шаров" этой водоросли.

Бурное развитие других сине-зеленых водорослей, например, осциллятории - хороший индикатор опасного загрязнения воды органическими соединениям.

Большую роль для результатов биоиндикации состояния водоёма играет выбор тех групп живых организмов, которые учитываются исследователем. Дело в том, что водные сообщества очень разнообразны и включают в себя несколько крупных экологических группировок, реакции которых на загрязнения могут серьёзно различаться. Это экологические группы животных: зоопланктон, зообентос, перифитон, нектон; и растений: фитопланктон, фитобентос. Каждая группа организмов в качестве индикатора имеет свои преимущества и свои недостатки.

Так, сообщества планктонных организмов (т.е. пассивно парящих в толще воды) очень быстро реагируют на любые изменения её качества. Они представляют собой как бы «моментальный снимок» состояния водоёма. Но методы биоиндикации, основанные на реакциях планктонных сообществ, применимы прежде всего для озер, и только с большой осторожностью - для текущих водоёмов [16].

Лучший индикатор опасных загрязнений - прибрежное обрастание, располагающиеся на поверхностных предметах у кромки воды. В чистых водоемах эти обрастания ярко-зеленого цвета или имеют буроватый оттенок. Для загрязненных водоемов характерны белые хлопьевидные образования. При избытке в воде органических веществ и повышения общей минерализации обрастания приобретают сине-зеленый цвет, так как состоят в основном из сине-зеленых водорослей. При плохой, с избытками сернистых соединений могут сопровождаться хлопьевидными налетами нитчатых серобактерий - теотриксов [1].

Рясковые - самые мелкие цветковые растения при благоприятных условиях размножаются круглогодично. Вегетативное тело рясковых называется листецом. Листецы одиночные или собранны в небольшие группы с помощью гиалиновой нити - тонкого выроста мембраны. Листецы состоят из паренхимных клеток хлоренхимы, разделенных большими межклеточными полостями, заполненными воздухом.

Ряску называют «экологической дрозофилой». Особенности морфологического строения, высокая скорость размножения, чувствительность к среде обитания - все это сделало ряску удобным объектом для биоиндикации.

Ряска малая (Lemna minor L.) и ряска тройчатая (Lemna trisulcs L.) чувствительны к загрязнению воды при содержании в ней до 10 мкг/мл ионов Ba, Cu, Mg, Fe, Zn, Co и др (в соответствии с таблицей 3) [6].

Таблица 3 - Специфические реакции ряски малой (Lemna minor L.) на соли металлов (Cu, Zn, Ba, Co)

Методы биоиндикации применимы только к водоёмам, имеющим собственную биоту. Они учитывают факт присутствия в нём индикаторных организмов, их обилие, наличие у них патологических изменений, реакцию на загрязнение целых сообществ водных организмов или же отдельных систематических групп. Несмотря на то, что и естественные условия водоёмов, и виды загрязнений очень разнообразны, можно выделить несколько универсальных реакций сообществ водных организмов на ухудшение качества воды. Прежде всего, это уменьшение видового разнообразия (в два - четыре, а иногда и в десятки раз) и изменение обилия водных организмов.

Причём обилие может, как снижаться (при очень высоком уровне загрязнения или при наличии токсичных загрязнителей), так и расти по сравнению с нормальным состоянием сообщества. Этот рост объясняется тем, что в водоёмах, особенно при их загрязнении органическими веществами, могут оставаться немногие, но устойчивые к загрязнению виды животных. В таких условиях они достигают очень высокого обилия. Именно эти закономерности применяются во многих методиках биоиндикации. К их числу относятся индексы видового разнообразия и методы, учитывающие соотношение обилия разных групп водных организмов. Кроме этого, часто учитывается способность определённых групп организмов обитать в водоёмах с тем или иным уровнем загрязнённости [6].

Кроме того, организмы фитопланктона (водоросли и сине-зелёные бактерии) не обладают достаточной чувствительностью к фекальному загрязнению и тяжёлым металлам.

Биоиндикационные методы на основе видового состава сообществ и обилия водорослей дают интегральную оценку результатов всех природных и антропогенных процессов, протекавших в водном объекте. Кроме того, биоиндикация по сообществам водорослей - дешевый экспресс-метод, в то время как химические анализы дорогостоящи, а основным преимуществом автотрофов является то, что водоросли первыми в трофической цепи реагируют на загрязнители, не успевая их накапливать. Реакцией на изменение условий среды является изменение состава и обилия водных организмов, причем смена сообщества водорослей может произойти за несколько часов при смене условий среды. Экосистемный биоиндикационный подход к оценке качества среды обитания по существу аналогичен антропоцентрическому, так как человек реагирует на среду в целом, а не на отдельные ее факторы [1].

Зоопланктон, в свою очередь, слабо реагирует на изменения в водоёме концентрации соединений азота и фосфора.

Организмы бентоса (т.е. обитающие на дне водоёма, в толще донных осадков или в придонном слое воды) менее динамично реагируют на быстрые изменения уровня загрязнённости. Зато, благодаря продолжительному жизненному циклу многих донных животных, их сообщества надёжно характеризуют изменения водной среды за длительные периоды времени.

Значение макрофитов (высшая водная растительность) наиболее существенно при предварительном гидробиологическом осмотре водных объектов. При загрязнении водоемов изменяется видовой состав, биомасса и продукция макрофитов, возникают морфологические аномалии, происходит смена доминантных видов, обусловливающих особенности ценоза. Данные по ихтиофауне важны при оценке состояния водного объекта в целом и особенно при определении допустимых уровней загрязнения водных объектов, имеющих рыбохозяйственное значение [16].

Для изучения рек и ручьев большое значение имеют перифитонные организмы (т.е. обрастатели), те, которые дают картину общего состояния воды за достаточно длительный промежуток времени, предшествующий исследованию. Быстрые колебания степени загрязнения воды плохо уловимы с помощью перифитона и для их наблюдения лучше подходят гидрохимические и бактериологические методы.

При сбросе в водоем токсических веществ, содержащихся в промышленных сточных водах, происходит угнетение и обеднение фитопланктона. При обогащении водоемов биогенными веществами, содержащимися, например, в бытовых стоках, значительно повышается продуктивность фитопланктона. При перегрузке водоемов биогенами возникает бурное развитие планктонных водорослей, окрашивающих воду в зеленый, сине-зеленый, золотистый, бурый или красный цвета ("цветение" воды). "Цветение" воды наступает при наличии благоприятных внешних условий для развития одного, редко двух-трех видов. При разложении избыточной биомассы, выделяется сероводород или другие токсичные вещества. Это может приводить к гибели зооценозов водоема и делает воду непригодной для питья. Многие планктонные водоросли в процессе жизнедеятельности нередко выделяют токсичные вещества. Увеличение в водоемах содержания биогенных веществ в результате хозяйственной деятельности человека, сопровождаемые чрезмерным развитием фитопланктона, называют антропогенным эвтрофированием водоемов [6].

4.2 Биологический контроль водоема методом сапробности

Под сапробностью принято понимать степень распада органических веществ в загрязненных водоемах. Сапробионты, или сапробные организмы могут служить индикаторами загрязнения или различных степеней разложения органических веществ в водоеме. Распад органики в водоеме приводит к дефициту кислорода и накоплению ядовитых продуктов (углекислоты, сероводорода, органических кислот и др.). Способность организмов обитать в условиях разной степени сапробности объясняется потребностью в органическом питании, устойчивостью к дефициту кислорода и выносливостью к вредным веществам, образующимся в процессе разложения органического вещества [16].

Принцип метода сапробных индикаторов основан на взаимосвязи организмов со средой обитания. Понятие сапробности, с одной стороны, приближается к значению эвтрофикации, так как включает трофическую характеристику, а с другой стороны, сапробность, близка к токсичности или загрязненности, поскольку характеризует действие в среде отрицательных факторов (дефицит или отсутствие кислорода, продукты разложения органики т.д.). Таким образом, понятие сапробности приобретает значение характеристики качества воды [6].

Организмы водоема относятся к планктону и бентосу, ряд из них составляет перифитон (обрастания). В планктон включают те формы животных и растений, которые проводят всю свою жизнь во взвешенном состоянии в толще водоема. К фитопланктону принадлежат микроводоросли, к зоопланктону - простейшие животные. Простейшие являются высокочувствительными индикаторами сапробного состояния водоемов.

Наиболее показательны для оценки загрязнения водоема бентос и перифитон. В состав биоценозов бентоса входят все формы растений и животных, которые своей жизнью тесно связаны с дном водоема. Организмы обрастания прикрепляются к камням, днищам судов, железным и бетонным арматурам мостов [16].

В полевых условиях для оценки сапробности проводят предварительное обследование водоема. Следует указать, что водоем реагирует на загрязнение целым комплексом взаимосвязей биотической и абиотической среды. Поэтому при биологическом исследовании изучают водоем в целом - воду, дно, берега, а не только организмы, населяющие водоемы. Прежде чем приступить к обследованию, необходимо иметь сведения о гидрологическом режиме водоема: расходах воды, характере водосборной площади, расположении, количестве и качестве выпусков сточных вод, наличии загрязненых территорий вдоль берега водоема. В момент осмотра водоем в полевом журнале отмечают температуру воды, ее прозрачность (по белому диску Секке), наличие или отсутствие пленок на поверхности, запах и особенности цвета воды, наличие водной растительности, загрязнение берегов, заиленность дна и характер ила, пленки нефтепродуктов на дне и поверхности водоема.

При окончательном обследовании водоема производят отбор и обработку проб. Пробы отбирают ниже источника загрязнения, по возможности, на всем протяжении загрязненности водоема, а также для сравнения - в чистом пункте выше сброса. Для полной биологической диагностики водоема должны быть учтены все сообщества: перифитон, бентос, планктон, плейстон, нектон, макрофиты. Но практически при единичном обследовании можно ограничиться рассмотрением наиболее типичных сообществ: например, в малых водостоках исследуют перифитон, в реках - планктон, бентос и перифитон, в прудах - заросли макрофитов т.д.

Перифитон собирают скребком, переносят в лабораторию в термосе, чтобы сохранить пробу для микроскопирования в живом виде. Впоследствии фиксируют формальдегидом, доведя его концентрацию в пробе до 2 - 4%, и затем окончательно определяют виды. Учитывают сапробность и частоту встречаемости организмов.

Зоны сапробности выделяют по различной степени разложения органического вещества. От чистого водоема к загрязненном увеличивается индекс сапробности водоема: ксеносапробные - 0 - 0,05 > олигосапробные - 0,51 - 1,50 > бета-мезосапробные - 1,51 - 2,50 > альфа-мезосапробные - 2,51 - 3,50 > полисапробные - 3,51 - 4,0.

Наиболее распространен способ определения сапробности водоема по методу Пантле и Бука. Данный метод позволяет сравнить состояние водоема в разных пунктах, например по продольному профилю реки, и представить результаты в цифровом и графическом виде [6].

5 Заключение

Таким образом, из выше сказанного можно сделать вывод, что методы биоиндикации являются важными в проведение экологического мониторинга, что они, в последнее время получили широкое признание и распространённость. Какой бы современной ни была аппаратура для контроля загрязнения и определения вредных примесей в окружающей среде, она не может сравниться со сложно устроенным «живым прибором», реагирующим на те или иные изменения, отражающим воздействие всего комплекса факторов, включая сложные соединения различных ингредиентов.

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

а) адекватно отражать уровень воздействия среды, включая комплексный характер загрязнения с учетом явлений синергизма действующих факторов;

б) диагностировать ранние нарушения в наиболее чувствительных компонентах биотических сообществ и оценивать их значимость для всей экосистемы в ближайшем и отдаленном будущем [1].

Было выяснено, что биоиндикация основана на тесной взаимосвязи живых организмов с условиями среды, в которой они обитают. Изменения этих условий, например повышение солености или рН воды, изменение газового состава воздуха может привести к исчезновению определенных видов организмов, наиболее чувствительных к этим показателям и появлению других, для которых такая среда будет оптимальной.

Существуют также «виды-универсалы», обладающие высокой экологической пластичностью и способные переносить значительные колебания степени загрязнённости водоёма. Понятно, что такие виды не представляют интереса для биоиндикации.

Из этого следует, что:

1. для оценки состояния воды при помощи биологических объектов необходимо выбирать надёжный, проверенный метод, подходящий для данного типа водоёма и поставленных задач;

2. нужно чётко придерживаться методики отбора и обработки проб;

3. все биологические закономерности являются закономерностями статистическими. Поэтому объём используемого материала должен быть достаточно велик [13].

Установлено, что биоиндикаторы имеют ряд преимуществ перед химическими методами оценки состояния окружающей среды, а именно: а) они суммируют влияние всех без исключения биологически важных воздействий и отражают состояние окружающей среды в целом, включая ее загрязнение и другие антропогенные загрязнения; б) в условиях хронических антропогенных нагрузок биоиндикаторы могут реагировать даже на относительно слабые воздействия вследствие кумулятивного эффекта; в) делают необязательным применение дорогостоящих и трудоемких физических и химических методов для измерения биологических параметров; г) живые организмы постоянно присутствуют в окружающей человека среде и реагируют на кратковременные и залповые выбросы токсикантов, которые можно не зарегистрировать при помощи автоматической системы контроля с периодичным отбором проб на анализы; д) указывают пути и места скоплений в экологических системах различного рода загрязнений и ядов, возможные пути их попадания в пищу человека; е) позволяют судить о степени вредности любых синтезируемых человеком веществ для живой природы и для него самого, причем дают возможность контролировать их действие; ж) помогают нормировать допустимую нагрузку на экосистемы, различающиеся по своей устойчивости к антропогенному воздействию, так как одинаковый состав и объем загрязнений может привести к различным реакциям природных систем в разных географических зонах [6].

В ходе написания работы было установлено, что с помощью растений, животных и микроорганизмов можно проводить биоиндикацию всех природных сред: воздуха, воды, почвы.

Фитоиндикация представляется весьма перспективной и развивается весьма стремительно, находят все новые и новые сферы приложения. При этом она берет на вооружение самые последние достижения науки и техники

Так, с помощью растений можно выявить отдельные признаки почв: их механический состав, влажность, кислотность, засоленность, обеспеченность питательными веществами.

Также индикаторные растения могут использоваться как для выявления отдельных загрязнений воздуха, так и для оценки общего состояния воздушной среды.

Оценку чистоты воздуха можно проводить, как с помощью низших растений - эпифитных лишайников (было установлено, что на них губительно действует, прежде всего, вещества, увеличивающие кислотность среды, ускоряющие окислительные процессы, т.е. такие соединения как SO₂, HF, HCl, оксиды азота, озон), так и с помощью высших растений, например голосеменных - отличные индикаторы чистоты атмосферы.

А по составу флоры и фауны вод, численному составу их отдельных представителей судят о степени и характере загрязнений, пригодности вод для питья, ее санитарное состояние и пригодность для хозяйственных целей, а так же об эффективности работы очистных сооружений.

6 Список использованных источников

1. Ашихмина Т. Я. Экологический мониторинг: Учебн. - методическое пособие / Т.Я. Ашихмина, Н.Б. Зубкина; под ред. Т.Я. Ашихминой - М.: Академический проект, 2005. - 205 с.

2. Емельянов А. Г. Основы природопользования / А. Г. Емельянова. - М.: Издательский центр «Академия», 2004. - 304 с

3. Захаров В.Н. Практикум по микробиологии / В.Н. Захаров, Ф.А. Тихомиров. - М.: Колос, 1998. - 108 с.

4. Криволуцкий Д.А. Экологическое нормирование на примере радиоактивного загрязнения экосистем //Д.А. Криволуцкий и др.// Методы биоиндикации окружающей среды в районах АЭС. - М.: Наука, 1988. - 145 с.

5. Лемеза Н.А. Малый практикум по низшим растениям / Н.А. Лемеза, А.С. Шуканов. - Минск, 1994. - 94 с.

6. Мелехова О.П. Биологический контроль окружающей среды: биоиндикация и биотестирование. Учебное пособие для студентов высших учебных заведений / О.П. Мелехова, Е.И. Егорова, Т.И. Евсеева; под ред. О.П. Мелеховой, Е.И. Егоровой. - М.: Издательский центр «Академия», 2007. - 288 с.

7. Мэнниг У.Д. Биомониторинг загрязнения атмосферы с помощью растений / У.Д.Мэнниг, У.А. Федер. - Л.: Гидрометеоиздат, 1985. - 156 с.

8. Николаев Л.А. Металлы в живых организмах / Л.А. Николаев. - М.: Просвещение, 1986. - 127 с.

9. Полетаев П.И., Швецов М.М. Рациональное природопользование и охрана окружающей среды / П.И Полетаев. - М.: Знание, 1982. - 64 с.

10. Рянский Ф.Н. И экология, и экономика / Ф.Н. Рянский. - Благовещенск: АО Благ. кн.изд., 1990. - 160 с.

11. Соловых Г.Н. Биотехническое направление в решении экологических проблем / Г.Н. Соловых и др. - Екатеринбург: Ур. отд. РАН, 2003. - 178 с.

12. Сынзыныс Б.И. Экологическая диагностика качества атмосферного воздуха с помощью лишайников / Б.И. Сынзыныс, Е.И. Егорова. - М.: Русполиграф, 1997. - 105 с.

13. Федорова А.И., Никольская А.И. Практикум по экологии и охране окружающей среды: Учеб. пособие для студ. высш. учеб. заведений - М.: Гуманит. изд. центр ВЛАДОС, 2003. - 142 с.

14. Христофорова Н.К. Основы экологии: Учебное пособие / Н.К. Христофорова, К.В. Яновская. - Владивосток: Дальнаука, 1999. - 516 с.

15. Цветкова Л.И. Экология: Учебник для технических вузов / Л.И. Цветкова.- М.: Химиздат, 2001. - 192 с.

16. Яковлев А.С. Общая гидробиология. / А.С. Яковлев. - М.: Высшая школа, 1990. - 187 с.