Лихеномониторинг в зоне воздействия предприятия "ИЭМЗ "Купол"

51

Введение

Один из методологических подходов к мониторингу состояния окружающей среды, называемый биоиндикацией, состоит в изучении реакции на происходящие в экосистемах изменения определенных групп организмов, чувствительных к воздействию поллютантов. К числу таких организмов относятся лишайники. На сегодняшний день лихеноиндикация является одним из перспективных и наиболее разработанных методов экологического мониторинга, который позволяет достоверно и без больших затрат определять степень загрязнения воздуха и оценивать воздействие предприятий на окружающую среду. Основаниями для лихеноиндикации состояния воздушной среды служат низкая способность лишайников к авторегуляции и высокая степень их зависимости от физико-химических параметров среды.

На территории города Ижевска расположено 9 заводов, один из которых «Ижевский Электромеханический Завод «Купол». Данный завод расположен на берегу Ижевского пруда, рядом с жилыми постройками и двумя рекреационными зонами - ижевским пляжем и парком имени Кирова. Парк является оптимальным местом для лихеномониторинга, в нем можно учесть как фоновую концентрацию так и загрязнения от выбросов завода. Цель данной курсовой оценить загрязнение вдоль территории завода (на территории парка Кирова), по сравнению с фоновым загрязнением.

1. Понятие мониторинга

1.1 Понятие мониторинга

Сам термин «мониторинг» впервые появился в рекомендациях специальной комиссии СКОПЕ (научный комитет по проблемам окружающей среды) при ЮНЕСКО в 1971 году, а в 1972 году уже появились первые предложения по Глобальной системе мониторинга окружающей среды (Стокгольмская конференция ООН по окружающей среде) для определения системы повторных целенаправленных наблюдений за элементами окружающей природной среды в пространстве и времени. Однако такая система не создана по сей день из-за разногласий в объемах, формах и объектах мониторинга, распределении обязанностей между уже существующими системами наблюдений. Такие же проблемы и у нас в стране, поэтому, когда возникает острая необходимость режимных наблюдений за окружающей средой, каждая отрасль должна создавать свою локальную систему мониторинга.

Мониторингом окружающей среды называют регулярные, выполняемые по заданной программе наблюдения природных сред, природных ресурсов, растительного и животного мира, позволяющие выделить их состояния и происходящие в них процессы под влиянием антропогенной деятельности.

Под экологическим мониторингом следует понимать организованный мониторинг окружающей природной среды, при котором, во-первых, обеспечивается постоянная оценка экологических условий среды обитания человека и биологических объектов (растений, животных, микроорганизмов и т.д.), а также оценка состояния и функциональной ценности экосистем, во-вторых, создаются условия для определения корректирующих воздействий в тех случаях, когда целевые показатели экологических условий не достигаются.

В соответствии с приведенными определениями и возложенными на систему функциями, мониторинг включает несколько основных процедур:

выделение (определение) объекта наблюдения;

обследование выделенного объекта наблюдения;

составление информационной модели для объекта наблюдения;

планирование измерений;

оценка состояния объекта наблюдения и идентификации его информационной модели;

прогнозирование изменения состояния объекта наблюдения;

представление информации в удобной для пользователя форме и доведение ее до потребителя.

Следует принять во внимание, что сама система мониторинга не включает деятельность по управлению качеством среды, но является источником необходимой для принятия экологически значимых решений информации.

Система экологического мониторинга должна накапливать, систематизировать и анализировать информацию:

о состоянии окружающей среды;

о причинах наблюдаемых и вероятных изменений состояния (т.e. об источниках и факторах воздействия);

о допустимости изменений и нагрузок на среду в целом;

о существующих резервах биосферы.

Таким образом, в систему экологического мониторинга входят наблюдения за состоянием элементов биосферы и наблюдения за источниками и факторами антропогенного воздействия.

Экологические мониторинги окружающей среды могут разрабатываться на уровне промышленного объекта, города, района, области, края, республики в составе федерации.

Характер и механизм обобщения информации об экологической обстановке при ее движении по иерархическим уровням системы экологического мониторинга определяются с помощью понятия информационного портрета экологической обстановки. Последний представляет собой совокупность графически представленных пространственно распределенных данных, характеризующих экологическую обстановку на определенной территории, совместно с картоосновой местности. Разрешающая способность информационного портрета зависит от масштаба используемой картоосновы.

В 1975 г. была организована Глобальная система мониторинга окружающей среды (ГСМОС) под эгидой ООН, но эффективно действовать она начала только в последнее время. Эта система состоит из 5 взаимосвязанных подсистем: изучение климатических изменений, дальнего переноса загрязняющих среду веществ, гигиенических аспектов среды, исследования Мирового океана и ресурсов суши. Существуют 22 сети действующих станций системы глобального мониторинга, а также международные и национальные системы мониторинга. Одна из главных идей мониторинга - выход на принципиально новый уровень компетентности во время принятия решений локального, регионального и глобального масштабов.

Экологический мониторинг ставит своей целью дать ответы на следующие вопросы:

* каково состояние природной среды в рассматриваемый отрезок времени в сравнении с предшествующим состоянием (в относительной или абсолютной форме) и какие изменения (положительные, отрицательные) ожидаются в природной среде в прогнозируемый отрезок времени;

* в чем причины произошедших изменений и возможных изменений в будущем (в том числе нежелательных, критических) и что явилось, является или будет являться источником этих изменений;

* какие воздействия на данную локальную природную среду, определяемые исходя из выработанной для данного случая системы критериев оценок «полезности - вредности», являются вредными (нежелательными или недопустимыми);

* какой уровень техногенных воздействий, в том числе в совокупности с естественными или стихийными процессами и воздействиями, происходящими в рассматриваемой природной среде, является допустимым для природной среды и отдельных ее компонентов или комплексов (ценозов) и какие резервы имеются у природной среды для саморегенерации состояния, адекватного исходному, принятому за состояние экологического баланса;

* какой уровень техногенных воздействий на природную среду, отдельные ее компоненты и комплексы является недопустимым или критическим, после которого восстановление природной среды до уровня экологического баланса является неосуществимым.

При разработке проекта экологического мониторинга необходима следующая информация:

источники поступления загрязняющих веществ в окружающую природную среду - выбросы загрязняющих веществ в атмосферу промышленными, энергетическими, транспортными и другими объектами; сбросы сточных вод в водные объекты; поверхностные смывы загрязняющих и биогенных веществ в поверхностные воды суши и моря; внесение на земную поверхность и (или) в почвенный слой загрязняющих и биогенных веществ вместе с удобрениями и ядохимикатами при сельскохозяйственной деятельности; места захоронения и складирования промышленных и коммунальных отходов; техногенные аварии, приводящие к выбросу в атмосферу опасных веществ и (или) разливу жидких загрязняющих и опасных веществ и т.д.;

переносы загрязняющих веществ - процессы атмосферного переноса; процессы переноса и миграции в водной среде;

процессы ландшафтно-геохимического перераспределения загрязняющих веществ - миграция загрязняющих веществ по почвенному профилю до уровня грунтовых вод; миграция загрязняющих веществ по ландшафтно-геохимическому сопряжению с учетом геохимических барьеров и биохимических круговоротов; биохимический круговорот и т.д.;

данные о состоянии антропогенных источников эмиссии - мощность источника эмиссии и месторасположение его, гидродинамические условия поступления эмиссии в окружающую среду.

В зоне влияния источников эмиссии организуется систематическое наблюдение за следующими объектами и параметрами окружающей природной среды.

1. Атмосфера: химический и радионуклидный состав газовой и аэрозольной фазы воздушной сферы; твердые и жидкие осадки (снег, дождь) и их химический и радионуклидный состав; тепловое и влажностное загрязнение атмосферы.

2. Гидросфера: химический и радионуклидный состав среды поверхностных вод (реки, озера, водохранилища и т.д.), грунтовых вод, взвесей и данных отложений в природных водостоках и водоемах; тепловое загрязнение поверхностных и грунтовых вод.

3. Почва: химический и радионуклидный состав деятельного слоя почвы.

4. Биота: химическое и радиоактивное загрязнение сельскохозяйственных угодий, растительного покрова, почвенных зооценозов, наземных сообществ, домашних и диких животных, птиц, насекомых, водных растений, планктона, рыб.

5. Урбанизованная среда: химический и радиационный фон воздушной среды населенных пунктов; химический и радионуклидный состав продуктов питания, питьевой воды и т.д.

6. Население: характерные демографические параметры (численность и плотность населения, рождаемость и смертность, возрастной состав, заболеваемость, уровень врожденных уродств и аномалий); социально-экономические факторы.

Системы мониторинга природных сред и экосистем включают в себя средства наблюдения: экологического качества воздушной среды, экологического состояния поверхностных вод и водных экосистем, экологического состояния геологической среды и наземных экосистем.

Наблюдение в рамках этого вида мониторинга проводятся без учета конкретных источников эмиссии и не связаны с зонами их влияния. Основной принцип организации - природно-экосистемный.

Целями наблюдений, проводимых в рамках мониторинга природных сред и экосистем, являются:

· оценка состояния и функциональной целостности среды обитания и экосистем;

· выявление изменений природных условий в результате антропогенной деятельности на территории;

· исследование изменений экологического климата (многолетнего экологического состояния) территорий.

Испытывая на себе результаты разрушающего действия воды, ветра, землетрясений, снежных лавин и т.п., человек издавна реализовал элементы мониторинга, накапливая опыт предсказания погоды и стихийных бедствий. Такого рода знания всегда были и сейчас остаются необходимыми для того, чтобы по возможности снизить ущерб, причиняемый человеческому обществу неблагоприятными природными явлениями и, что особенно важно, уменьшить риск человеческих потерь.

Последствия большинства стихийных бедствий необходимо оценивать со всех сторон. Так, ураганы, разрушающие постройки и приводящие к человеческим жертвам, как, правило, приносят обильные осадки, которые в засушливых районах дают значительный прирост урожаев. Поэтому организация мониторинга требует углублённого анализа с учётом не только экономической стороны вопроса, но и особенностей исторических традиций, уровня культуры каждого конкретного региона.

Переходя от созерцания явлений окружающей среды через механизмы приспособления к осознанному и усиливающемуся воздействию на них, человек постепенно усложнял методику наблюдения за природными процессами и вольно или невольно вовлекался в погоню за самим собой. Ещё древние философы считали, что в мире всё связано со всем, что неосторожное вмешательство в процесс даже, казалось бы, второстепенной важности может привести к необратимым изменениям в мире. Наблюдая за природой, мы долгое время оценивали её с обывательских позиций, не задумываясь о целесообразности ценности наших наблюдений, о том, что мы имеем дело с самой сложной самоорганизующеся и самоструктурирующей системой, о том, что человек является всего лишь частицей этой системы. И если во времена Ньютона человечество любовалось целостностью этого мира, то теперь одним из стратегических помыслов человечества является нарушение этой целостности, неизбежно вытекающее из коммерческого отношения к природе и недооценки глобальности этих нарушений. Человек изменяет ландшафты, создаёт искусственные биосферы, организует агротехноприродные и полностью техногенные биокомплексы, перестраивает динамику рек и океанов и вносит изменения в климатические процессы. Двигаясь таким путём, он все свои научные и технические возможности до недавнего времени обращал во вред природе и в конечном итоге самому себе. Обратные отрицательные связи живой природы всё активнее сопротивляются этому натиску человека, всё чётче проявляется несоответствие целей природы и человека. И вот мы оказываемся свидетелями приближения к кризисной черте, за которой род Homo sapiens не сможет существовать.

1.2 Классификация видов мониторинга

Мониторинг является важной составной частью общей системы управления качеством природной среды. Главной задачей системы мониторинга является предвидение возможных отрицательных последствий, прогноз и ограничение наиболее опасных антропогенных воздействий.

Различают много видов мониторинга как по характеру загрязнения среды, так и по методам или целям наблюдения. Так по способам наблюдений различают - авиационный, космический, дистанционный мониторинг; по задачам - прогностический. Мониторинг может осуществляться при различном уровне охвата территории: на региональном уровне, на уровне промышленного предприятия, города и т.п. Характер и механизм обобщения информации при движении по иерархическим уровням системы мониторинга определяются с помощью понятия «информационный портрет экологической обстановки», который представляет собой совокупность графически представленных пространственно распределенных данных, характеризующих обстановку определенной территории. По уровням охвата территории различают мониторинг базовый (фоновый), глобальный, региональный, импактный (локальный). Мониторинг на территории одного государства и в его интересах называют национальным. Система мониторинга, используемая в интересах нескольких стран, называется международным мониторингом.

Базовый (фоновый) мониторинг - слежение за общеатмосферными, в основном, природными явлениями без наложения на них региональных антропогенных влияний. Для осуществления базового (фонового) мониторинга используют удаленные от промышленных регионов территории, в том числе биосферные заповедники.

Глобальный мониторинг - слежение за общемировыми процессами и явлениями в биосфере и экосфере Земли, включая все их экологические компоненты и осуществление прогноза возможных изменений. Глобальный мониторинг базируется на подсистемах регионального и локального мониторинга. Объектами глобального мониторинга являются: степень радиации, содержание в атмосфере диоксида углерода, озона, пыли, циркуляция тепла, газовый обмен между воздушной оболочкой Земли и Мировым океаном, мировая миграция птиц, животных, насекомых, погодно-климатические изменения на планете.

Региональный мониторинг охватывает отдельные регионы, в пределах которых имеют место процессы и явления, отличающиеся по природному характеру или по антропогенным воздействиям от общего базового фона.

Импактный (или локальный) мониторинг ограничен небольшой территорией, в пределах конкретного населенного пункта, промышленного объекта, озера и т.п. и предусматривает осуществление наблюдений в особо опасных зонах и местах, обычно непосредственно примыкающих к источникам загрязняющих веществ. На локальном уровне мониторинга в информационном портрете должны присутствовать все источники воздействия на природную среду.

Еще более многочисленны объектные виды мониторинга, среди которых можно выделить мониторинг атмосферного воздуха, гидросферы (в совокупности - гидрометеорологический), почвенный, биологический, сейсмический, ионосферный, Солнца, гравиметрический, магнитометрический и др. Все эти виды могут и дальше в свою очередь подразделяться на подвиды, что и происходит на практике.

Для оценки состояния природной среды и прогноза возможных изменений выделяют подсистемы наблюдений за абиотической (геофизический мониторинг) и биотической (биологический мониторинг) частью биосферы. Биологический мониторинг включает зоологический (в нем также множество подвидов по рыбам птицам и т.д.), ботанический и антропологический. В последнем стали выделяться не только медико-биологические направления, но и социальные.

Главная задача биологического мониторинга состоит в выделении отклика биосферы на антропогенные воздействия на различных уровнях живого организма: молекулярном, субклеточном, клеточном, органотканевом, организменном и популяционном. При этом очень важны наблюдения за воздействием природной среды на человека, за реакцией популяций, от которых зависит благополучие экосистем. В биологическом мониторинге важная роль отводится наблюдениям за возможными изменениями наследственных признаков (генофонда) разных популяций.

С развитием науки и техники ставится вопрос о необходимости геологического мониторинга, развивающегося не только вширь (в литосфере), но и вглубь - до мантии. Уже проводится локальный мониторинг подземных вод, криолитозоны, глубоких (до 15 км) слоев геологического строения Земли. Это стало необходимым не только для наблюдений за сегодняшней динамикой состояния объектов мониторинга и прогноза изменений, но и для целей ретроспективных оценок состояния природной среды.

В настоящее время появилось понятие «инженерно-экологического мониторинга». Как вид научно-производственной деятельности инженерно-экологический мониторинг основан на комплексе знаний и достижений таких наук, как физическая и конструктивная география, ландшафтоведение, геология, геокриология, метеорология (климатология), гидрология, биология, экология и др. Одной из основных предпосылок системы инженерно-экологического мониторинга является представление о том, что инженерные сооружения, промышленные комплексы размещены в определенных природно-территориальных зонах и действуют в течении продолжительного времени, т.е. имеют пространственно-временную организацию в природе. Функциональный состав инженерно-экологического мониторинга включает две самостоятельные его разновидности: экологический и геотехнический мониторинг.

Геотехнический мониторинг понимают как систему оценки техногенного источника и экологического риска в процессе функционирования объекта.

Система геотехнического мониторинга решает задачи:

* определение состояния природной среды в заданный отрезок времени;

* фоновые наблюдения;

* обеспечение сравнительных данных текущего момента и времени, предшествующего техногенезу;

* прогноз ожидаемых изменений в природной среде под воздействием техногенных факторов;

* оценка причин происходящих и возможных изменений и степени их губительного влияния на природу, на человека, источники этих воздействий (в том числе прогнозирование возможных источников вредных веществ);

* определение уровня техногенных воздействий (в комплексе либо отдельные компоненты), являющихся недопустимыми, критическими, исключающими самовосстановление природной среды до уровня экологического баланса и т.д.

В целом все виды экологического контроля можно рассматривать с двух точек зрения. В первом случае объектом контроля являются вредные техногенные (или естественные) воздействия на природную среду. При этом определяются количественные характеристики механических, тепловых, химических и других воздействий, а полученные результаты сравнивают с нормативными - предельно допустимыми для данных природно-климатических условий.

В другом случае объектом экологического контроля является собственно природная среда, подверженная или не подверженная (фоновый контроль) вредным воздействиям. При этом, как правило, определяют качество отдельных компонентов или комплексов природной среды с целью выявления состава и концентрации тех или иных веществ, обычно вредных. Полученные результаты сравнивают с нормативами.

В системе мониторинга возникает необходимость решения нескольких задач разного уровня, поэтому И.П. Герасимов (1975) предложил различать по направленности три ступени мониторинга (табл. 1):

* на первой ступени главное внимание уделяется наблюдению за состоянием окружающей среды с точки зрения ее влияния на здоровье населения. Постоянным наблюдениям подвергаются вещества, наиболее опасные для природных экосистем и здоровья человека:

? в поверхностных водах - радионуклиды, тяжелые металлы, пестициды, бенз(а) пирен, рН, минерализация, азот, нефтепродукты, фенолы, фосфор;

? в атмосферном воздухе - оксиды углерода, азота, диоксид серы, озон, пыль, аэрозоли, тяжелые металлы, радионуклиды, пестициды, бенз(а) пирен, азот, фосфор, углеводороды. Эта ступень мониторинга опирается на систему наблюдательных постов и работу санитарно-гигиенических служб. Наблюдательные посты располагаются с таким расчетом, чтобы они контролировали основные линии связи человека с естественными и искусственными компонентами окружающей среды;

* на второй ступени основным объектом наблюдений и контроля выступают территориально-производственные комплексы;

* на третьей ступени основной задачей является наблюдение за глобальными параметрами окружающей среды с целью оценки последствий этих изменений для здоровья и деятельности людей.

Таблица 1. Система наземного мониторинга окружающей среды (по И.П. Герасимову)

Ступени мониторинга	Объекты мониторинга	Характеризуемые показатели мониторинга
Биоэкологический (санитарно- гигиенический)	Приземный слой воздуха	ПДК токсичных веществ
	Поверхностные и грунтовые воды, промышленные и бытовые стоки и различные выбросы	Физические и биологические раздражители (шумы, аллергены и пр.)
	Радиоактивное загрязнение	Предельная степень радиоизлучения
Геосистемный (природно- хозяйственный)	Исчезающие виды животных и растений	Популяционное состояние видов
	Природные экосистемы	Их структура и нарушения
	Агроэкосистемы	Урожайность сельскохозяйственных культур
	Лесные экосистемы	Продуктивность насаждений
Биосферный (глобальный)	Атмосфера	Радиационный баланс, тепловой перегрев, состав и запыление
	Гидросфера	Загрязнение рек и водоемов; водные бассейны, круговорот воды на континентах
	Растительность и почвенный покровы, животное население	Глобальные характеристики состояния почв, растительного покрова и животных. Глобальные круговороты и баланс СО2, О2 и др. веществ.

1.3 Биомониторинг

Биомониторинг - это мониторинг окружающей среды при помощи живых организмов. Все биологические системы - будь то организмы, популяции или биоценозы - в ходе своего развития приспособились к комплексу факторов местообитания. Они завладели внутри биосферы пределенной областью, экологической нишей, в которой находят подходящие условия существования и могут нормально питаться и размножаться.

Каждый организм обладает в отношении любого действующего на него фактора уникальным физиологическим диапазоном толерантности, в пределах которого этот фактор является для него переносимым. Если фактор отличается слишком высокой или слишком низкой интенсивностью, но еще не летален, то организм находится в физиологическом пессимуме. За пределами некоторого минимального и максимального значения фактора дальнейшая жизнь невозможна. В ограниченной области интенсивности фактора, особо благоприятной для данной особи, организм существует в условиях физиологического оптимума. Физиологический диапазон толерантности обычно неодинаков для разных стадий развития организма и для всех особей данной популяции.

Метод оценки абиотических и биотических факторов местообитания при помощи биологических систем называют биоиндикацией (от лат. indicare - указывать).

В соответствии с этим организмы или сообщества организмов, жизненные функции которых так тесно коррелируют с определенными факторами среды, что могут применяться для их оценки, называются биоиндикаторами.

Существуют различные формы биоиндикации. Если две одинаковые реакции вызываются различными антропогенными факторами, то говорят о неспецифической биоиндикации. Если же те или иные происходящие изменения можно связать только с одним фактором, речь идет о специфической биоиндикации.

Если биоиндикатор реагирует значительным отклонением жизненных проявлений от нормы, то он является чувствительным биоиндикатором.

Аккумулятивные биоиндикаторы, напротив, накапливают антропогенные воздействия большей частью без быстро проявляющихся нарушений.

Загрязнение среды в результате развития промышленных и сельскохозяйственных технологий является одним из наиболее сильных аспектов антропогенного воздействия. Реакция биоты на такого рода возмущение может быть разделена на четыре типа откликов в соответствии с иерархическими уровнями живых систем: организменным, популяционным (видовым), экосистемным, биосферным.

Биоиндикация может применяться на различных уровнях организации живого (макромолекула, клетка, орган, организм, популяция, биоценоз).

Организменный уровень, наиболее чуткий и быстродействующий, характеризуется перестройкой физиологии организма в пределах генетически обусловленной нормы реакции. На этом уровне возможно преодоление действия токсикантов, если поток загрязнения относительно невысок. Можно назвать некоторые типичные примеры физиологических перестроек: модификация чувствительных элементов-мишеней, замена метаболических путей на менее чувствительные к данному ингибитору, снижение проницаемости мембран, инактивация ингибитора и т.д. изиологические адаптации являются существенным компонентом общего адаптационного механизма биоты.

Увеличение потока загрязнения приводит к включению защитных механизмов следующего уровня - популяционного (видового). Здесь и особенно в популяциях с высокими скоростями размножения и короткими генерациями возможны быстрые перестройки в пользу мутантных форм, более резистентных к действующему загрязняющему веществу. Примеров быстрых перестроек в микробных популяциях (в течение нескольких суток и даже часов) известно много как для лабораторных, так и для природных условий. Пожалуй, самой яркой иллюстрацией перестроек этого типа может быть повсеместное распространение резистентных к антибиотикам популяций болезнетворных микроорганизмов. Для популяций организмов с длительными циклами развития, с замедленной сменой поколений (а для одного микроэволюционного перехода обычно требуется 30-50 генераций) более характерны замены чувствительных форм на близко родственные, более резистентные, способные выполнять ту же метаболическую функцию.

Если замещение видов связано с перестройкой целого ряда звеньев трофической цепи, то корректнее говорить о третьем уровне еагирования живых систем на загрязнение - экосистемном уровне. В качестве примера приведем разрушение цепей питания при эвтрофикации внутренних водоемов, замена их на цепи разложения с доминированием сине-зеленых водорослей и гетеротрофных бактерий - все это становится привычной картиной, характеризующей отрицательные результаты антропогенного воздействия.

По-видимому, к четвертому уровню реагирования живой природы на антропогенное воздействие можно отнести глобальные изменения в состоянии биосферы в целом. Уникальность биосферы, невозможность экспериментирования с ней, очень низкие скорости перестроек, невысокие точности натурных измерений, естественная изменчивость природных явлений и т.д. делают очень сложной задачу достоверного определения даже тенденций развития биоты как целого. Для оценки тенденций и разработки прогнозов хотя бы качественного уровня необходимо использовать многомерные имитационные модели.

Для биоиндикации пригодны в основном два метода - пассивный и активный мониторинг.

В первом случае у свободно живущих организмов исследуются видимые или незаметные повреждения или отклонения от нормы, являющиеся признаком стрессового воздействия.

При активном мониторинге пытаются обнаружить те же самые воздействия на тест-организмах, находящихся в стандартизованных условиях на исследуемой территории.

При биоиндикации следует учитывать четыре основных требования:

1. Относительная быстрота проведения.

2. Получение достаточно точных и воспроизводимых результатов.

3. Присутствие объектов, применяемых в целях биоиндикации, по возможности в большом количестве и с однородными свойствами.

4. Диапазон погрешностей по сравнению с другими методами тестирования не более 20%.

Обычно результаты биоиндикации хорошо поддаются математической обработке, что позволяет использовать для их обработки ЭВМ.

Биоиндикация загрязнения воздуха

Биоиндикация вредных веществ в воздухе основана на их проникновении в живые организмы.

Если слишком высокое или весьма незначительное наличие обычных содержащихся в чистом воздухе составных частей приводит к замедлению или даже остановке определенных процессов обмена веществ и тем самым к задержке роста (например, слишком высокое содержание СО 2 или О2), то наличие в воздухе чужеродных веществ, токсически действующих уже в малых дозах (гербициды, пестициды, HF, SO2), быстро вызывает биохимические и физиологические нарушения, повреждение цитоплазмы или отмирание клеток, органов, иногда всего организма.

Основными биоиндикаторами качества атмосферного воздуха, являются лишайники и сосна, основные показатели и приемы определения которых, приведены в таб. 2.

Таблица 2. Основные показатели и приемы определения внешних признаков лишайников и сосны

Наименование показателя	Основной методический прием
1. Виды лишайников	1. Визуальное наблюдение
1. Плотность популяции лишайников	1. Визуальное наблюдение и измерение с помощью простейшего устройства - палетки (рамки), или линейки
2. Повреждения хвои сосны (наличие пятен на хвое)	1. Сбор побегов сосны обыкновенной 2. Визуальная оценка поврежденности хвоинок 3. Расчёт показателя повреждённости хвоинок
3. Усыхание хвои сосны (наличие сухих участков)	1. Визуальная оценка класса усыхания хвоинок 2. Расчёт показателя усыхания хвоинок
4. Репродуктивная функция сосны (состояние семян)	1. Сбор и выдержка в течение 3 месяцев шишек 2. Сушка шишек в термошкаву при температуре 40…450 С 3. Визуальные измерения семян сосны
6. Дефолиация сосны	1. Визуальная оценка дефолиации кроны

Сосна чувствительна к загрязнению атмосферного воздуха. Под действием ЗВ на хвое сосны появляются сначала пятна хлороза, затем некрозы ив конечном итоге наблюдается усыхание хвои. Действие ЗВ негативно сказывается на репродуктивную функцию сосны: уменьшается число шишек на дереве, снижается число нормальных семян в шишках. Наблюдается усыхание кроны сосны. По этим внешним признакам судят о неблагополучном состоянии атмосферного воздуха. Сложность состоит в том, что причиной усыхания хвои сосны может быть не только загрязнение воздуха, но и почвы.

Лишайники не имеют связи с почвой, растут на стволах и ветвях других растений, на скалах, камнях и других неподвижных предметах. Особая чувствительность лишайников к токсичным веществам объясняется тем, что они не могут выделить в среду впитанные элементы. Токсические вещества вызывают разрушение хлорофилла в клетках водорослей, приводя лишайники к гибели.

Биоиндикация загрязнения почвы

Методами биоиндикации могут быть выявлены как физические изменения почвы, связанные с различными, прежде всего механическими действующими факторами, так и химическое загрязнение.

При физических воздействиях изменение почвенных параметров касается прежде всего сложения и структуры почвы, например, ее порозности и плотности горизонтов, что может привести к уменьшению вентиляции и дренажа.

На уровне фитоценозов это сказывается в затруднении прорастания семян и проникновения корней в почву с последующим замедлением роста корней и побегов.

В почвенных ценозах происходит снижение активности и обилия организмов (микроартопод и микробов), разлагающих органические вещества, обеднение фауны.

Изменение химических параметров почвы отражается спустя некоторый период времени на росте, продуктивности отдельных видов, их популяций, приводит к нарушениям структуры фитоценозов, развитию сукцессий.

Консументы и деструкторы при этом часто испытывают косвенное влияние в результате изменений структуры ценозов.

Методические приемы определения показателей растительных видов биоиндикаторов, которые наиболее часто применяются при биоиндикации качества почвы приведены в табл. 3.

Таблица 3. Основные методические приемы биоиндикации почв

Наименование показателя	Основной методический приём
1. Биоразнообразие и плотность популяции трав и мхов	1. Визуальное наблюдение 2. Расчет показателей биоиндикации
2. Биоразнообразие и биомасса беспозвоночных животных	1. Прикопы почвы и сбор беспозвоночных животных 2. Взвешивание собранных беспозвоночных животных 3. Расчет показателей биоиндикации
3. Качество пыльцы растений	1. Сбор и лабораторный анализ пыльцевых зерен

Загрязнение почвы можно оценить по всхожести семян, по хлорозам (частичной потерей хлорофилла зеленых листьев и стеблей) и некрозам (полное отмирание хлорофилла листьев, стеблей), по снижению скорости роста растений и др. Шкала оценки по этим внешним признакам класса загрязнения почвы приведена в табл. 4.

Таблица 4. Шкала оценки загрязненности почвы по состоянию травы

Класс загрязнения	Виды растений с жизненностью:
	угнетенной	сильно угнетенной
1 (незначительное)	полынок	вика тонколистая, вязель, клеверы, крестовник, люцерна серповидная, лядвенец, молочай, солодка, синеголовник, шалфей луговой
2 (сильное)	метлица, прибрежница, ситник, тростник	герань луговая, донник, люцерна хмелевидная, череда
3 (очень сильное)	мятлик луковичный, полынь австрийская, солянки	лебеда, овсяница солончаковая, одуванчик, подорожник, спорыш

Биоиндикация загрязнения береговых и водных экосистем

Загрязнение вод, связанное с промышленностью, сельским хозяйством, рыболовством, судоходством, населенными пунктами и зонами отдыха затрагивает и береговое пространство.

При биоиндикации загрязнения вод в большинстве случаев учитывается и состояние прибрежной растительности. Для оценки качества вод привлекаются как собственно водные растения, животные и микроорганизмы, так и виды береговой линии и тростниковых зарослей.

Биоценоз используется для исследования процессов химического загрязнения. Биоиндикация может быть использована для оценки практически любых экосистем, например в сельском и лесном хозяйстве.

Биоиндикаторы качества поверхностных вод, относящиеся к стенотопным видам животных, приведены в табл. 5.

Таблица 5. Основные показатели биоиндикаторов качества поверхностных вод и приемы их определения

Наименование показателя	Основной методический приём
1. Видовое разнообразие и биомасса рыб-индикаторов	1. Отлов ценных пород рыб-индикаторов 2. Взвешивание рыб 3. Расчет показателей биоиндикации
2. Видовое разнообразие и биомасса раков-индикаторов	1. Отлов раков-индикаторов 2. Взвешивание раков 3. Расчет показателей биоиндикации
1. Видовоеразнообразие пресноводных моллюсков	1. Сбор пресноводных моллюсков со дна 2. Расчет индекса биоразнообразия
2. Плотность популяции пресноводных моллюсков	1. Сбор пресноводных моллюсков со дна 2. Расчет показателя плотности популяции

2. Лихеноиндикация

2.1 Общие сведения о лишайниках

Лишайники (лат. Lichenes) - симбиотические ассоциации грибов (микобионт) и микроскопических зелёных водорослей и / или цианобактерий (фотобионт, или фикобионт); микобионт образует слоевище (таллом), внутри которого располагаются клетки фотобионта.

Обычно лишайники растут на камнях или древесных стволах, реже на почве и получающих необходимую им для жизни влагу из атмосферы. Несколько видов обитают на морской литорали (приливо-отливной полосе). Как правило, грибной мицелий служит для водоросли защитной оболочкой, предохраняющей ее от высыхания и в то же время позволяющей ей беспрепятственно получать необходимые для фотосинтеза воду и углекислый газ. Сам гриб, не способный синтезировать органические вещества, питается продуктами фотосинтеза водоросли.

Фотобионт обычно представлен зелеными водорослями (Chlorophyceae) или цианобактериями, а микобионт - сумчатыми (Ascomycetes) или, гораздо реже, трутовыми базидиальными (Basidiomycetes) грибами. Несмотря на «составную» природу лишайников, их выделяют в самостоятельную таксономическую группу со своими видовыми, родовыми и т.д. названиями, причем название присваивается по микобионту. Классифицируют лишайники по-разному, но в настоящее время их помещают в ту же группу, что и родственные микобионту грибы, не образующие лишайников. Фотобионт сохраняет свою таксономическую самостоятельность.

По строению тела (таллома, или слоевища) лишайники бывают накипными (корковыми), листоватыми и кустистыми. Они распространены по всему земному шару от тропиков до приполярных областей.

У накипных лишайников слоевище имеет вид корочки, плотно сросшейся с субстратом. Толщина корочки очень различна. Она может быть весьма тонкой и иметь вид еле заметной накипи или порошкообразного налета; может быть толщиной 1 - 2 мм, а иногда бывает и толстой, достигая в толщину половины сантиметра. Как правило, накипные слоевища небольших размеров, их диаметр составляет всего несколько миллиметров или сантиметров, но иногда может достигать и 20 - 30 см.

У листоватых лишайников слоевище имеет вид листовидной пластинки, горизонтально распростертой на субстрате. Наиболее характерна для него округлая форма, которая обусловлена горизонтально-радиальным ростом гиф. В начале образования слоевища гифы листоватых лишайников растут от одного зачатка по радиусам окружности. У взрослых растений также наблюдается краевой рост гиф. Обычно молодые слоевища имеют правильную округлую форму, но позднее они начинают неравномерно разрастаться и форма их делается неправильной. Наиболее простое слоевище листоватых лишайников имеет вид одной крупной округлой листовидной пластинки, достигающей в диаметре 10 - 20 см.

У кустистых лишайников слоевище имеет вид прямостоячего или повисающего кустика, реже неразветвленных прямостоячих выростов. По организационному уровню кустистые лишайники представляют высший этап развития слоевища. У кустистых лишайников наблюдается вертикально направленный рост гиф и верхушечный рост слоевищ. Это позволяет кустистым лишайникам путем изгибов веточек в разные стороны занимать наилучшее положение, при котором водоросли могут максимально использовать свет для осуществления фотосинтеза. Эти лишайники обычно прикрепляются к субстрату только небольшим участком нижней части слоевища. Прямостоячие напочвенные кустистые лишайники чаще всего прикрепляются к почве тонкими нитевидными ризоидами. Прикрепление повисающих слоевищ кустистых лишайников к коре дерева или поверхности скал происходит с помощью псевдогомфа. Последний имеет вид короткой ножки, расширенной на конце в небольшую пяточку; он напоминает по внешнему виду гомф листоватых лишайников, но отличается от него анатомическим строением. Слоевища кустистых лишайников могут быть разных размеров. Высота самых маленьких составляет всего несколько миллиметров, а наиболее крупных 30 - 50 см.

В зависимости от субстрата, на котором произрастают лишайники, различают несколько экологических групп: эпилитные (или эпилиты), развивающиеся на поверхности горных пород; эпифитные (или эпифиты) - растут на живых органах растений; эпигейные - на поверхности почвы; эпиксильные - на обнаженной гниющей древесине, и т.д.

Симбиоз, т.е. сожительство фотобионта и гриба, возникает, если их совместимые виды случайно встречаются. Образование лишайников можно таким способом вызвать и в лабораторных условиях. При этом можно наблюдать, как растущие нити (гифы) гриба оплетают клетки фотобионта, и их масса (мицелий) изолирует клетки водоросли от внешней среды.

После возникновения такой ассоциации новый составной организм, а точнее его микобионт формирует таллом специфического строения, которое не встречается даже у таксономически близких грибов, живущих отдельно от фотобионта. Появляются структуры, аналогичные тем, что свойственны стеблям и листьям цветковых растений. В первую очередь это кора - обособленный поверхностный слой из плотно переплетенных гиф, позволяющий лишайникам быстро впитывать окружающую влагу в сырую погоду и так же быстро высыхать, что спасает их клетки от перегрева и переохлаждения. Поскольку полностью непроницаемая оболочка препятствовала бы газообмену, в коре имеются простые поры и щели, а также участки с рыхло расположенными клетками, напоминающие чечевички в коре деревьев. У некоторых родов лишайников имеются и высокоспециализированные поры, т.н. цифеллы и псевдоцифеллы, во многом сходные по своему строению с устьицами на листьях растений. Под корой находится более мощный слой рыхло переплетенных гиф с расположенными между ними клетками водоросли. Это сердцевина лишайника. Обычно клетки фотобионта сосредоточены на ее периферии - ближе к свету, образуя более или менее выраженный фотосинтезирующий слой. У многих лишайников, слоевище которых плотно прижато к субстрату, кора формируется только на верхней его стороне, и газообмен, вероятно, идет также непосредственно через сердцевину. У более сложно устроенных видов, в частности у кустистых лишайников, образуются особые нитевидные выросты, прикрепляющие их к субстрату подобно корням растений. Если эти выросты сформированы только гифами нижней коры, они называются ризоидами, а если они толще и включают в себя также сердцевинные гифы - ризинами. Однако их всасывающая способность существенной роли в жизни лишайников не играет.

Лишайники - многолетние организмы, поэтому они накапливают запасные вещества в форме полисахаридов или иных соединений, близких к углеводам (например, сахароспиртов). В коре и сердцевине лишайников образуются сложные жирные кислоты и производные таких соединений, как орсинол и антрахинон. Некоторые из этих веществ неприятны на вкус и делают лишайники несъедобными для животных. Другие, отличающиеся приятным ароматом, используются в парфюмерной промышленности, а некоторые - для производства красителей. Способность синтезировать те или иные соединения - важный систематический признак лишайников.

У ряда лишайников пищевая зависимость гриба от фотобионта, возможно, не полная, и микобионт получает часть (реже - большинство) необходимых ему питательных веществ как паразит, внедряясь своими гифами в живые мхи или другие лишайники. Некоторые лишайники, содержащие в качестве фотобионтов цианобактерии из родов Nostoc и Calothrix, способны «фиксировать» и в результате использовать атмосферный азот. Когда лишайники рода Peltigera, включающие в себя зеленую водоросль, сталкиваются с цианобактерией, гифы микобионта (обычно коровые) быстро окружают ее, образуя особое поверхностное вместилище, цефалодий, из которого организм получает дополнительное азотное питание. У лишайников рода Stereocaulon такой чужеродный фотобионт, хотя и изолируется на поверхности слоевища, соединяется рыхлым пучком гиф с сердцевиной, а у части видов рода Lobaria цефалодии внутренние.

Грибы, образующие лишайники, размножаются как бесполым, так и половым путем.

Бесполое размножение. Большинство лишайников способно регенерировать даже из мелких фрагментов родительского слоевища, лишь бы эти фрагменты содержали и фотобионт, и микобионт. У многих групп лишайников по краям или на верхней поверхности слоевища образуются особые выросты, похожие на листочки или веточки, т.н. изидии, которые легко отламываются и дают начало новому полноценному слоевищу. В других случаях одна или несколько клеток фотобионта в сердцевине лишайника окружаются несколькими слоями гиф, превращаясь в крошечную гранулу, называемую соредией. Скопления таких гранул, прорывая кору, появляются на поверхности в виде порошистых масс, разносимых ветром. Каждая соредия способна прорасти в новое слоевище. Иногда соредии формируются в строго определенных участках поверхности лишайников, называемых соралиями. Чем больше развито вегетативное размножение изидиями и соредиями, тем реже наблюдается половой процесс, а у некоторых лишайников он вообще неизвестен.

Половое размножение. Хотя бесполое размножение лишайников достаточно эффективно, у грибов, образующих лишайники, широко распространен и половой процесс.

У сумчатых и базидиальных микобионтов наблюдается сложный половой процесс, типичный для этих грибов в целом. В общих чертах он сводится к следующему: в слоевище дифференцируются мужские и женские половые органы. Они входят в контакт друг с другом, и ядра из мужских органов мигрируют в женские. Там они сначала образуют пары с женскими ядрами (дикарионы), не сливаясь с ними. Вырастает множество дикариотических гиф, в клетках которых содержится по два разнополых ядра. Наконец, в клетках на концах этих гиф ядра сливаются, образуя зиготное ядро. Затем происходит мейоз, и в конечном итоге формируются гаплоидные споры. Они разносятся ветром и водой, прорастают в грибные гифы, а те в присутствии подходящего фотобионта образуют новый лишайниковый таллом.

Лишайники настолько выносливы, что растут даже там, где отсутствует другая растительность, например в Арктике и Антарктике. Благодаря своей симбиотической природе они проникают в местообитания, непригодные для продолжительного независимого роста грибов и водорослей. Они первыми заселяют безжизненные субстраты, в частности камни, и начинают почвообразовательный процесс, необходимый для освоения этой среды растениями. Некоторые лишайники в сухих антарктических областях обнаружены даже внутри горных пород (криптоэндолитные формы).

Ряд лишайников служит важным кормом для животных, особенно на севере. Широко известные примеры - уже упоминавшийся ягель и т.н. исландский мох (Cetraria islandica), который при нехватке другой пищи едят иногда и люди. Определенные виды лишайников считаются в Китае и Японии деликатесами.

Из лишайников можно получать красители, в частности лакмус, экстрагируемый из видов литорального рода Roccella. Его до сих пор широко применяют в химических лабораториях для быстрого и простого определения реакции среды: в кислой среде он краснеет, а в щелочной синеет. Другие лишайниковые красители в свое время использовали для окраски шерсти.

2.2 Лишайники как индикаторы загрязнения

Одними из наиболее известных биологических индикаторов являются лишайники, чувствительность которых обусловлена их физиологией и симбиотической природой. Лишайники выбраны объектом глобального биологического мониторинга, поскольку они распространены по всему Земному шару и поскольку их реакция на внешнее воздействие очень сильна, а собственная изменчивость незначительна по сравнению с другими организмами. Кроме того, лишайники поглощают аэрозоли и газы всей поверхностью талломов, что также повышает их чувствительность к загрязнению, а периодически происходящая дегидратация талломов, позволяющая переживать лишайникам периоды засухи, приводит к росту концентрации загрязняющих веществ в талломах до высоких уровней.

Под воздействием токсичных веществ (диоксид серы, оксиды азота, тяжелые металлы, озон, органические оксиданты и др.) происходят изменения биохимического состава, физиологических процессов, анатомических и морфологических признаков, структуры популяций, видового состава и структуры лишайниковых сообществ. Наиболее изученными являются биохимические реакции лишайников и изменения видового состава эпифитных лихеносинузий в условиях атмосферного загрязнения. Последний подход, ввиду его простоты и быстроты, получил наибольшую популярность среди методов лихеноиндикации.

Первое, что происходит в местообитаниях с высоким содержанием поллютантов - это накопление их (в особенности тяжелых металлов) в талломах лишайников. Под воздействием токсических агентов происходят биохимические изменения. Характерной биохимической реакцией лишайников, происходящей под воздействием поллютантов, является деградация хлорофилла (вследствие этого - повышение концентрации феофитина) и снижение интенсивности его синтеза. Индикатором крайней степени повреждения таллома поллютантами служит появление желтых и коричневых некротических пятен в местах локализации фотобионта. Другими биохимическими реакциями лишайников в ответ на воздействие за-грязнителей являются снижение концентрации АТФ в талломе, увеличение pH и электропроводимости внутренней среды таллома, высвобождение из клеток K⁺ и Mg²⁺, угнетение синтеза лишайниковых кислот, белков и липидов, изменение активности многих ферментов. Так, рибулозофосфат-карбоксилаза, фосфоенолпируват-карбоксилаза, нитратредуктаза, фосфатаза, ферменты фотофосфорилирования, а также каталаза снижают свою активность, тогда как пероксидаза увеличивает ее.

Ингибирование активности ферментов и деградация важнейших для метаболизма молекул под воздействием поллютантов приводит к угнетению основных физиологических процессов у лишайников: фотосинтеза, дыхания и азотфиксации. Наиболее чувствителен к воздействию токсичных агентов процесс азотфиксации, в меньшей степени - фотосинтез. Дыхание же при низких концентрациях поллютантов усиливается, но при дальнейшем повышении концентрации агента угнетается. Под воздействием поллютантов уменьшается скорость роста таллома и снижается образование апотециев. Загрязнение среды приводит к уменьшению содержания в талломе клеток фотобионта, особенно в молодых частях таллома. Число мертвых клеток фотобионта увеличивается, происходит снижение частоты деления клеток водорослей, уменьшение их размеров и числа контактов с грибным партнером.

Изменения популяционной структуры лишайников в условиях загрязнения изучены в меньшей степени. Определены изменения в размерной и возрастной структурах популяций лишайника Hypogymnia physodes в условиях атмосферного загрязнения. Было показано, что при увеличении загрязнения частотные распределения массы и длины талломов сдвигаются в сторону особей меньших размеров. При переходе от фоновой к импактной зоне происходит смещение спектра возрастных состояний, которые выделены по количеству и степени развития соралей, от высоко фертильных к минимально фертильным и стерильным особям. Такие изменения в возрастной структуре популяций связаны с задержкой развития особей прегенеративного периода в условиях загрязнения.