Виды и значимость биоиндикаторов

В настоящее время оценка степени экологической опасности традиционно осуществляется путем определения в окружающей среде отдельных потенциально вредных веществ или воздействий и сравнения полученных результатов с законодательно установленными для них предельно допустимыми величинами.

Реализация основных принципов устойчивого развития цивилизации в современных условиях возможна лишь при наличии соответствующей информации о состоянии среды обитания в ответ на антропогенное воздействие, собранной в ходе проведения биологического мониторинга. Оценка качества среды является ключевой задачей любых мероприятий в области экологии и рационального природопользования. Сам термин «мониторинг» (от англ. monitoring - контроль) подразумевает проведение мероприятий по непрерывному наблюдению, измерению и оценке состояния окружающей среды.

Объектами мониторинга являются биологические системы и факторы, воздействующие на них. При этом желательна одновременная регистрация антропогенного воздействия на экосистему и биологического отклика на воздействие по всей совокупности показателей живых систем.

Основополагающим принципом биологического мониторинга является установление оптимального - контрольного - уровня, любые отклонения от которого свидетельствуют о стрессовом воз действии. Обычно при оценке оптимума по какому- либо одному параметру возникает вопрос о том, будут ли данные условия оптимальными также для других характеристик организма.

Однако если исследуемые параметры характеризуют основные свойства организма в целом, то их оптимальный уровень оказывается сходным. Например, столь разные и, казалось бы, совершенно независимые параметры, как асимметрия морфологических признаков, показатели крови, интенсивность потребления кислорода, ритмика роста и частота хромосомных аберраций, могут изменяться синхронно, когда при определенном стрессовом воздействии в действительности изменяется наиболее общая базовая характеристика организма - гомеостаз развития [11].

2. ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ БИОИНДИКАТОРОВ

2.1 Принципы использования биоиндикаторов

Биоиндикаторы (от био и лат. indico - указываю, определяю) - организмы, присутствие, количество или особенности развития которых служат показателями естественных процессов, условий или антропогенных изменений среды обитания. Их индикаторная значимость определяется экологической толерантностью биологической системы. В пределах зоны толерантности организм способен поддерживать свой гомеостаз. Любой фактор, если он выходит за пределы «зоны комфорта» для данного организма, является стрессовым. В этом случае организм реагирует ответной реакцией различной интенсивности и длительности, проявление которой зависит от вида и является показателем его индикаторной ценности. Именно ответную реакцию определяют методы биоиндикации. Биологическая система реагирует на воздействие среды в целом, а не только на отдельные факторы, причем амплитуда колебаний физиологической толерантности модифицируется внутренним состоянием системы - условиями питания, возрастом, генетически контролируемой устойчивостью [9].

Многолетний опыт ученых разных стран по контролю состояния окружающей среды показал преимущества, которыми обладают живые индикаторы:

· в условиях хронических антропогенных нагрузок могут реагировать даже на относительно слабые воздействия вследствие кумулятивного эффекта; реакции проявляются при накоплении не которых критических значений суммарных дозовых нагрузок;

· суммируют влияние всех без исключения биологически важных воздействий и отражают состояние окружающей среды в целом, включая ее загрязнение и другие антропогенные изменения;

· исключают необходимость регистрации химических и физических параметров, характеризующих состояние окружающей среды;

· фиксируют скорость происходящих изменений;

· вскрывают тенденции развития природной среды;

· указывают пути и места скоплений в экологических системах различного рода загрязнений и ядов, возможные пути их попадания в пищу человека;

Выделяют две формы отклика живых организмов, используемых в целях биоиндикации, - специфическую и неспецифическую (приложение 1). В первом случае происходящие изменения связаны с действием, какого- либо фактора. При неспецифической биоиндикации различные антропогенные факторы вызывают одинаковые реакции.

В зависимости от типа ответной реакции биоиндикаторы подразделяют на чувствительные и кумулятивные. Чувствительные биоиндикаторы реагируют на стресс значительным отклонением от жизненных норм, а кумулятивные накапливают антропогенное воздействие, значительно превышающее нормальный уровень в природе, без видимых изменений [12].

В зависимости от времени развития индикационных реакций можно выделить 6 типов чувствительности:

· І тип: дает одноразовую реакцию спустя определенное время и тут же теряет чувствительность;

· ІІ тип: как и в первом случае реакция сильная и внезапная, продолжается определенное время; затем резко исчезает;

· ІІІ тип: сохраняет постоянную чувствительность в течение длительного времени

· IV тип: после немедленной сильной реакции наблюдается ее сначала быстрое, а затем более медленное затухание;

· V тип: при появлении нарушающего воздействия реакция нарастает до максимума, а затем постепенно затухает;

· VI тип: реакция V типа неоднократно повторяется.

Ч- чувствительность;

С - сутки;

І, ІІ, ІІІ, IV, V, VI - типы чувствительности;

Примечание - [составлено автором]

В качестве биоиндикаторов могут быть использованы представители всех «царств» живой природы. Для биоиндикации не пригодны организмы, поврежденные болезнями, вредителями и паразитами.

Для биоиндикации необходимо выбирать наиболее чувствительные сообщества, характеризующиеся максимальной скоростью отклика и выраженностью параметров. Например, в водных экосистемах наиболее чувствительными являются планктонные сообщества, которые быстро реагируют на изменение среды, благодаря короткому жизненному циклу и высокой скорости воспроизводства. Бентосные сообщества, где организмы имеют достаточно длинный жизненный цикл, более консервативны: перестройки происходят в них при длительном хроническом загрязнении, приводящем к необратимости процессов.

К методам биоиндикации, которые можно применять при исследовании экосистемы, относится выявление в изучаемой зоне редких и исчезающих видов. Список таких организмов, по сути, является набором индикаторных видов, наиболее чувствительных к антропогенному воздействию [13].

2.2 Особенности использования растений в качестве биоиндикаторов

С помощью растений можно проводить биоиндикацию всех природных сред. Индикаторные растения используются при оценке механического и кислотного состава почв, их плодородия, увлажнения и засоления, степени минерализации грунтовых вод и степени загрязнения атмосферного воздуха газообразными соединениями, а также при выявлении трофических свойств водоемов и степени их загрязнения поллютантами. Например, на содержание в почве свинца указывают виды овсяницы (Festuca ovina и др.), полевицы (Agrostis tenuis и др.); цинка - виды фиалки (Viola tricolor и др.), ярутки (Tlaspi alpestre и др.); меди и кобальта - смолевки (Silene vulgaris и др.), многие злаки и мхи (приложение 2, таблица 1).

Чувствительные фитоиндикаторы указывают на присутствие загрязняющего вещества в воздухе или почве ранними морфологическими реакциями - изменением окраски листьев (появление хлорозов; желтая, бурая или бронзовая окраска), различной формы некрозами, преждевременным увяданием и опаданием листвы. У многолетних растений загрязняющие вещества вызывают изменение размеров, формы, количества органов, направления роста побегов или изменение плодовитости. Подобные реакции обычно неспецифичны [14].

Б.В. Виноградов классифицировал индикаторные признаки растений как флористические, физиологические, морфологические к фитоценотические. Флористическими признаками являются различия состава растительности изучаемых участков, сформировавшиеся вследствие определенных экологических условий. Индикаторное значение имеет как присутствие, так и отсутствие вида. К физиологическим признакам относятся особенности обмена веществ растений, к анатомо-морфологическим признакам - особенности внутреннего и внешнего строения, различного рода аномалии развития и новообразования, к фитоценотическим признакам - особенности структуры растительного покрова: обилие и рассеянность видов растений, ярусность, мозаичность, степень сомкнутости.

Очень часто в целях биоиндикации используются различные аномалии роста и развития растения - отклонения от общих закономерностей. Ученые систематизировали их в три основные группы, связанные:

1. с торможением или стимулированием нормального роста;

2. с деформациями стеблей, листьев, корней, плодов, цветков и соцветий;

3. с возникновением новообразований.

Гигантизм и карликовость многие исследователи считают уродствами. Например, избыток в почве меди вдвое уменьшает размеры калифорнийского мака, а избыток свинца приводит к карликовости смолевки.

Биомониторинг может осуществляться путем наблюдений за отдельными растениями-индикаторами, популяцией определенного вида и состоянием фитоценоза в целом. На уровне вида обычно производят специфическую индикацию какого-то одного загрязнителя, а на уровне популяции или фитоценоза - общего состояния природной среды [15].

2.3 Особенности использования животных в качестве биоиндикаторов

Основное преимущество использования позвоночных животных в качестве биоиндикаторов заключается в их физиологической близости к человеку. Основные недостатки связаны со сложностью их обнаружения в природе, поимки, определения вида, а также с длительностью морфо-анатомических наблюдений. Кроме того, эксперименты с животными зачастую дороги, требуют многократной повторяемости для получения статистически достоверных выводов.

Оценка и прогнозирование состояния природной среды с привлечением позвоночных животных проводятся на всех уровнях их организации. На организменном уровне с помощью сравнительного анализа оцениваются морфо-анатомические, поведенческие и физиолого-биохимические показатели.

Поведенческие и физиолого-биохимические параметры особенно чувствительны к изменению внешней среды. Токсиканты, проникая в кости или кровь позвоночных животных, сразу же воз действуют на функции, обеспечивающие жизнедеятельность. Даже при узкоспецифичном влиянии токсиканта на определенную функцию ее сдвиги отражаются на состоянии всего организма вследствие взаимосвязанности процессов жизнедеятельности. Достаточно отчетливо присутствие токсикантов проявляется в нарушении ритма дыхания, сердечных сокращений, скорости пищеварения, ритмике выделений, продолжительности циклов размножения [16]. биоиндикатор контроль качество среда

Для того чтобы иметь возможность сравнивать материал, собранный разными исследователями в различных районах, набор видов-индикаторов должен быть един и невелик.

Анализируя по данным критериям представителей всех отрядов млекопитающих, встречающихся на территории стран СНГ, можно остановиться на семи видах: обыкновенная бурозубка (Sores areneus), европейский крот (Talpa europaea), алтайский крот (Talpa altaica), бурый медведь (Ursus arctos), лось (Alces alces), рыжая полевка (Clethrionomys glareolus), красная полевка (Clethrionomys rubilus) (приложение 2, таблица 2).

3. БИОТЕСТИРОВАНИЕ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ

3.1 Области применения биоиндикаторов

Оценка качества воздуха. От загрязнения воздуха страдают все живые организмы, но особенно растения. По этой причине растения, в том числе низшие, наиболее пригодны для обнаружения начального изменения состава воздуха. Соответствующие индексы дают количественное представление о токсичном эффекте загрязняющих воздух веществ.

Лишайники являются симбиотическими организмами. Многими исследователями показана их пригодность для целей биоиндикации. Они обладают весьма специфическими свойствами, так как реагируют на изменение состава атмосферы, обладают отличной от других организмов биохимией, широко распространены по разным типам субстратов, начиная со скал и кончая корой и листьями деревьев, удобны для экспозиции в загрязненных районах.

Выделяют четыре основные экологические группы лишайников: эпифитные - растущие на коре деревьев и кустарников; зпиксильные - растущие на обнаженной древесине; эпигейные - на почве; эпилитные - на камнях. Из них наиболее чувствительны к загрязнению воздуха эпифитные виды. С помощью лишайников можно получать вполне достоверные данные об уровне загрязнения воздуха. При этом можно выделить группу химических соединений и элементов, к действию которых лишайники обладают сверхповышенной чувствительностью: оксиды серы и азота, фторо- и хлороводород, а также тяжелые металлы. Многие лишайники погибают при невысоких уровнях загрязнения атмосферы этими веществами. Процедура определения качества воздуха с помощью лишайников носит название лихеноиндикации [17].

Оценку чистоты воздуха можно проводить с помощью высших растений. Например, голосеменные - отличные индикаторы чистоты атмосферы. Возможно также изучение мутаций в волосках тычиночных нитей традесканции. Французские ученые подмети ли, что при увеличении в воздухе окиси углерода и окислов азота, выбрасываемых двигателями внутреннего сгорания, окраска ее тычиночных нитей меняется от синей к розовой. По следствия нарушений в индивидуальном развитии растений могут быть выявлены также по частоте встречаемости морфологических отклонений, величине показателей флуктуирующей асимметрии (отклонение от совершенной билатеральной и радиальной симметрии), методом анализа сложноорганизованных комплексных структур. Уровни любых отклонений от нормы оказываются минимальными лишь при оптимальных условиях и возрастают при любых стрессирующих воздействиях.

Оценка качества воды. Для биологической индикации качества вод могут быть использованы практически все группы организмов, населяющие водоемы: планктонные и бентосные беспозвоночные, простейшие, водоросли, макрофиты, бактерии и рыбы. Каждая из них, выступая в роли биологического индикатора, имеет свои преимущества и недостатки, которые определяют границы ее использования при решении задач биоиндикации, так как все эти группы играют ведущую роль в общем круговороте веществ в водоеме. Организмы, которые обычно используют в качестве биоиндикаторов, ответственны за самоочищение водоема, участвуют в создании первичной продукции, осуществляют трансформацию веществ и энергии в водных экосистемах. Всякое заключение по результатам биологического исследования строится на основании совокупности всех полученных данных, а не на основании единичных находок индикаторных организмов. Как при выполнении исследования, так и при оценке полученных результатов необходимо иметь в виду возможность случайных, местных загрязнений в точке наблюдения. Например, разлагающиеся растительные остатки, труп лягушки или рыбы могут вызывать местные изменения в характере населения водоема [19].

Диагностика почв. Теоретической предпосылкой применения почвенно-зоологического метода для целей диагностики почв является сформулированное М.С. Гиляровым в 1949 г. представление об «экологическом стандарте» вида - потребности вида в определенном комплексе условий среды. Каждый вид в пределах своего ареала встречается только в тех местообитаниях, которые обеспечивают полный комплекс необходимых для проявления жизнедеятельности условий. Амплитуда варьирования отдельных факторов среды характеризует экологическую пластичность вида. Эврибионты мало пригодны для индикационных целей, тогда как стенобионты служат хорошими индикаторами определенных условий среды и свойств субстрата. Это положение представляет собой общий теоретический принцип в биологической диагностике. Однако использование для индикации одного вида не дает полной уверенности в правильности выводов (здесь имеет место «правило смены местообитаний» и как следствие смена экологических характеристик вида). Лучше исследовать весь комплекс организмов, из которых одни могут быть индикаторами на влажность, другие - на температуру, третьи - на химический или механический состав. Чем больше общих видов почвенных животных встречается на сравниваемых участках, тем с большей долей вероятности можно судить о сходстве их режимов, а следовательно, о единстве почвообразовательного процесса. Менее других полезны микроскопические формы - простейшие и микроартроподы (клещи, ногохвостки). Их представители отличаются космополитизмом в силу того, что почва для них не выступает как единая среда обитания: они живут в системе пор, капилляров, полостей, которые можно найти в любой почве. Из микроартропод наиболее хорошо изучены индикаторные свойства панцирных клещей. Состав их комплексов сообществ зависит не только от почвенных условий, но и от характера и флористического состава растительности, поэтому данный объект перспективно использовать для индикации повреждающих воздействий на почву.

Особенно ценны и удобны для индикационных работ сообщества крупных беспозвоночных (дождевые черви, многоножки, личинки насекомых). Так, стафилиниды рода Bledius и чернотелки рода Belopus показательны для солончаково-солонцовых почв, многоножки- кивсяки, некоторые мокрецы и легочные моллюски служат индикаторами содержания в почве извести. Дождевые черви Octolasium lacteum и некоторые виды проволочников являются показателями высокого содержания кальция в грунтовых водах [20].

Интерес представляет почвенно-альгологическая диагностика, в основе которой лежит положение о том, что зональности почв и растительности соответствует зональность водорослевых группировок. Она проявляется в общем видовом составе и комплексе доминантных видов водорослей, наличии специфических видов, характере распространения по почвенному профилю, преобладании определенных жизненных форм.

3.2 Методы биоиндикации

Методы биоиндикации основываются преимущественно на двух принципах: регистрации находок характерных (показательных, или репрезентативных) организмов и анализе видовой структуры биоценозов. Реже состояние среды обитания оценивается по функциональным характеристикам биоценозов (величине первичной продукции, интенсивности деструкции и некоторым другим показателям). В качестве биоиндикаторов используют животных, растения, бактерии и вирусы.

Позвоночные животные в качестве биоиндикаторов используются гораздо реже, чем беспозвоночные животные и растения. Тем не менее, существует достаточно большое количество методов, где биоиндикаторами являются именно позвоночные животные [21].

Методы оценки уровня загрязнения среды с использованием рыб в качестве биоиндикаторов. Для оценки уровня загрязнения водоёмов очень удобно использовать рыб в качестве биоиндикаторов. Исследования в водоёмах разных широт, в разнообразных реконструированных водоёмах или находящихся под влиянием различных антропогенных факторов показывают, что в первую очередь происходят изменения в воспроизводстве рыб, которые отражаются к кинетике и устойчивости рыбных сообществ.