Виды и значимость биоиндикаторов

Предмет исследования - биотестирование окружающей среды.

1. БИОИНДИКАЦИЯ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ

1.1 История биоиндикации

Становление биоиндикации шло параллельно с развитием биологической науки. В сохранившихся до наших времен работах античных философов, писателей, агрономов содержатся различные сведения о возможности использования состояния растительного покрова в практических целях. Так, в трудах Катона Старшего (234-149 гг. до н. э.) есть указания на то, что густота травостоя до перепашки помогает выбирать участки, пригодные для посева культур бобовых.

В I в. до н. э. римский писатель и агроном Ю. Колумелла писал, что по листве деревьев, по травам или по уже поспевшим плодам можно судить о свойствах почвы и знать, что может хорошо на ней расти. Описывая выбор места для посадок винограда, он предлагал выбирать участки по тем диким растениям, которые на ней растут.

У Вергилия в «Георгиках» (36-29 гг. до н.э.) подчеркивал, что различные растения требуют различных местообитаний: каштан почву любит легкую, но не песчаную. Ивы сажают во влажном месте, а тростник любит еще более водянистую почву, чем ива.

В высказываниях римского ученого и писателя Плиния Старшего (23 или 24-79 гг.) содержатся предостережения о слишком упрощенном представлении о связи почв и растительности. Он пишет, что не всегда высокие деревья или пышные луга и высокие травы служат признаком плодородия почвы. Среди нескольких признаков плодородия почвы он указывает, в частности, на увеличение толщины стеблей злаков [4].

В ХVII-ХVШ вв. - большое значение имели работы А. Гумбольдта, обосновавшего зонально-климатическое распределение растительности. Ботанико-географические данные послужили А. Гризебаху основой для первой классификации и составления на ее основе карт климатов, опубликованных в 1872 г.

В XIX в. изучение географии растений стало приобретать индикационный характер. Так, в Северном Тироле Ф. Унгер (1838) разделил растения на кальцефилы и силицифилы. По степени приуроченности растений к почвам он выделил три группы: почвобезразличные, почвопредпочитающие, почвопостоянные. Две последние группы растений он назвал «почвенными показателями».

Первые схемы растений-индикаторов горных пород были составлены А.П. Карпинским в 1841 году.

Индикационные основы геоботаники наиболее полно выразили в своих работах А.Н. Краснов (1888) и Р.И. Аболин (1910). А.Н. Краснов развивал учение о формациях как организованных группах растений, приуроченных к определенным, им свойственным, почвам и климату. Растительные формации, согласно А.Н. Краснову, характеризуются свойственными им факторами среды: рельефом, почвами, их водным режимом, уровнем грунтовых вод; экологическим типом основных компонентов и т.д.

Первые десятилетия XX в. ознаменовались широким использованием биоиндикаторов при изучении сельскохозяйственных угодий, климата, микроклимата, палеоклимата, гидрогеологических условий, горных пород и поиске полезных ископаемых. Основополагающими работами следует считать труды Ф. Клементса, Л.Г. Раменского, В.Н. Сукачева, Б.В. Виноградова, Н.А. Отоцкого. Особое значение имели работы по составлению шкал для оценки почв лугов, лесов, залежей Л.Г. Раменского, X. Элленберга, А. Крюденера, Н. Тюксена. Продуктивным оказалось применение биоиндикации при исследовании ареалов грунтовых вод. Основоположниками этого метода с использованием аэроснимков стали С.В. Викторов и Е.А. Востокова.

Учение о тяжелых металлах, возникшее более ста лет тому назад, явилось основой при биоиндикационных исследований загрязнений. Одним из основателей его является К.Я. Тимирязев, который в 1872 г., первым из исследователей установил положительное действие цинка на рост и развитие растений.

Учение В.И. Вернадского о биосфере, ноосфере, явилось основой биогеохимического направления в геологии. Изучение химического состава живого вещества и связь его с химизмом окружающей среды положили начало биогеохимическому методу поисков полезных ископаемых и геохимической экологии. Им было четко сформулировано несколько обобщений о роли организмов в химических процессах Земли, что положило начало новому научному направлению, лежащему на стыке биологии, геологии и химии, биогеохимии.

До последнего времени основное практическое применение биогеохимии было связано с биогеохимическим методом поисков месторождений полезных ископаемых. Суть этого метода заключается в выявлении участков повышенных концентраций рудообразующих элементов в почвах и растениях. В биогеохимии они рассматриваются как вторичные ореолы рассеяния рудной минерализации. Участки повышенных концентраций металлов в растениях и верхнем горизонте почвы - биогеохимические аномалии - дают основание предполагать присутствие на глубине залежей руд [5].

Применение биогеохимического метода поисков полезных ископаемых в сложных климатических и геологических условиях в труднопроходимых районах или территориях, перекрытых рыхлыми аллохтонными отложениями, облегчает обнаружение месторождений. Биогеохимические исследования сыграли важную роль в открытии многих месторождений руд цветных и редких металлов, а также других полезных ископаемых. Известны биогеохимические аномалии тяжелых металлов, возникшие благодаря выходу на поверхность горных пород с повышенной концентрацией металлов, а также подземных вод с высоким содержанием микроэлементов.

Новым направлением биогеохимии в 1950-1970 гг. стала геохимическая экология, получившая широкое развитие в работах В.В. Ковальского и его учеников. Эта наука изучает особенности химического состава живых организмах и влияние естественных и техногенных процессов на изменение их содержаний.

Развитие природоохранной индикации началось сравнительно недавно. Важным этапом в становлении природоохранной направленности биоиндикации стали работы С.В. Викторова по дешифрированию снимков в аридных районах, составление карты охраны окружающей среды под руководством Е.А. Востоковой.

Влиянию выпаса на травостои посвящены многочисленные работы, середине 70-х годов XX в. стало изучение изменения морфологических параметров травостоя и биопродуктивности пастбищ.

В начале 60-х годов сформировалось понятие рекреационной дигрессии. - изменения природной среды в местах массового отдыха -основное внимание уделено физическим, физико-химическим, а также микробиологическим и биохимическим параметрам почв, смене доминантов, изменению видового разнообразия и морфологических характеристик древесного, травяно-кустарничкового и мохово-лишайникового ярусов [6].

Конец XX в. ознаменовался резким усилением внимания к решению экологических вопросов и своего рода «экологизацией» всех наук. В настоящее время установлены и широко используются группы видов индикаторов различных антропогенных воздействий эвтрофирования водных объектов химическому загрязнению почв влияние на биоту рекреационной нагрузки особенности послепожарных сукцессии воздействию на живые организмы радионуклидов приоритетных поллютантов, в том числе ксенобиотиков хлорорганические соединения (полихлорированные бифенилы, диоксины, фураны и т.д.), полициклические ароматические углеводороды, синтетические поверхностно-активные вещества, фенолы и другие.

К настоящему времени в биоиндикационных исследованиях наметились направления, основывающиеся на приоритетном использовании различных групп живых организмов: микроорганизмов, водорослей, растений, животных фитоиндикация загрязнений - применение растений - одно из ведущих мест занимает изучение древесных растений - дендроиндикация, изменению морфологических параметров растений в условиях естественных геохимических аномалий, особенности строения, структуры и динамики древесных.

С конца 60-х годов XX в. в Скандинавских странах начали широко использовать мхи и лишайники при оценке загрязнения атмосферного воздуха. Так, Гриндон в своей работе «Флора Манчестера», опубликованной в 1859 г., отмечал значительное сокращение числа лишайников из-за вырубки старых лесов и притока фабричного дыма. Лихеноиндикационная съемка проведена на территории многих крупных городов: в Казани, Харькове, Лондоне, Львове, Париже, Нью-Йорке, Москве, Санкт-Петербурге. Основными индикаторными показателями признаны общая микробная биомасса, видовое разнообразие, соотношение основных групп микроорганизмов, состав и структура микробных сообществ, интенсивность почвенного дыхания, активность разложения целлюлозы, нитратонакопление, активность почвенных ферментов [7].

1.2 Биологический контроль окружающей среды

Биологический контроль окружающей среды включает две основные группы методов: биоиндикацию и биотестирование. Применение в качестве биоиндикаторов растений, животных и даже микроорганизмов позволяет проводить биомониторинг воздуха, воды и почвы.

Биоиндикация (bioindication) - обнаружение и определение экологически значимых природных и антропогенных нагрузок на основе реакций на них живых организмов непосредственно в среде их обитания. Биологические индикаторы обладают признаками, свойственными системе или процессу, на основании которых производится качественная или количественная оценка тенденций изменений, определение или оценочная классификация состояния экологических систем, процесса и явлений. В настоящее время можно считать общепринятым, что основным индикатором устойчивого развития в конечном итоге является качество среды обитания [8].

Биологические индикаторы - организмы, которые реагируют на изменения окружающей среды своим присутствием или отсутствием, изменением внешнего вида, химического состава, поведения.

При экологическом мониторинге загрязнений использование биологических индикаторов часто дает более ценную информацию, чем прямая оценка загрязнения приборами, так как биологические индикаторы реагируют сразу на весь комплекс загрязнений. Кроме того, обладая «памятью», биологические индикаторы своими реакциями отражают загрязнения за длительный период. На листьях деревьев при загрязнении атмосферы появляются некрозы (отмирающие участки). По присутствию некоторых устойчивых к загрязнению видов и отсутствию неустойчивых видов (например, лишайников) определяется уровень загрязнения атмосферы городов.

При использовании биологических индикаторов важную роль играет способность некоторых видов аккумулировать загрязняющие вещества. Последствия аварии на Чернобыльской АЭС были зафиксированы в Швеции при анализе лишайников. Сигнализировать о повышенном содержании бария и стронция в окружающей среде могут береза и осина неестественно зеленым цветом листьев. Аналогично в ареале рассеяния урана вокруг месторождений лепестки иван-чая становятся белыми (в норме - розовые), у голубики темно-синие плоды приобретают белый цвет и т. д.

Биотестирование (bioassay) - процедура установления токсичности среды с помощью тест-объектов, сигнализирующих об опасности независимо то того, какие вещества и в каком сочетании вызывают изменения жизненно важных функций у тест-объектов. Для оценки параметров среды используются стандартизованные реакции живих организмов (отдельных органов, тканей, клеток или молекул) В организме, пребывающем контрольное время в условиях загрязнения, происходят изменения физиологических, биохимических, генетических, морфологических или иммунных систем. Объект извлекается из среды обитания, и в лабораторных условиях проводится необходимый анализ.

Хотя подходы очень близки по конечной цели исследований, надо помнить, что биотестирование осуществляется на уровне молекулы, клетки или организма и характеризует возможные последствия загрязнения окружающей среды для биоты, а биоиндикация - на уровне организма, популяции и сообщества и характеризует, как правило, результат загрязнения. Живые объекты - открытые системы, через которые идёт поток энергии и круговорот веществ. Все они в той или иной мере пригодны для целей биомониторинга.

Контроль качества окружающей среды с использованием биологических объектов в последние десятилетия оформился как актуальное научно-прикладное направление. При этом необходимо отметить дефицит учебной литературы по этим вопросам и большую потребность в ней [9].