Экологическое состояние водоемов

Размещено на http://www.allbest.ru

Дипломная работа

Тема: «Применение методов биотестирования для оценки экологического состояния водных объектов»

Содержание

Введение

1.Общая характеристика воздействий факторов среды

1.1 Этапы экологического контроля природной среды

1.2 Сравнительная характеристика основных признаков химических и биологических методов

2.Теоретические основы исследований методами биологического контроля

2.1 Схема проведения исследований биологического контроля окружающей среды

2.2 Применение живых организмов в биологическом контроле

3.Современные подходы биологического контроля пртродной среды

3.1 Сравнительная характеристика и методологические аспекты использования приемов биоиндикации и биотестирования в оценке качества вод

3.2 Биоиндикация

3.3 Использование организмов для биоиндикации

3.4 Основные подходы биоиндикации

3.4.1 Экспертная оценка состояния экосистем

3.4.2 Метод оценки загрязненности пресноводных экосистем по показателям развития зоопланктонных сообществ

3.4.3 Анализ ранговых распределений

3.4.4 Метод функции желательности

3.4.5 Эталонное оценивание

3.4.6 Показатели эффективности функционирования биоценозов

3.4.6 Оценка состояния биоты, основанная на отклонениях от нормального функциони-рования отдельных организмов

3.5 Биотестирование

3.6 Использование организмов для биотестирования

3.7 Особенности биотестирования водных объектов

3.8 Методическое обеспечение токсикологического контроля водных объектов методом биотестирования

3.9 Основные этапы метода биотестирования

3.10 Основные подходы биотестирования

3.10.1 Генетический метод

3.10.2 Биофизический метод

3.10.3 Биохимический метод

3.10.4 Иммунологический метод

3.10.5 Морфологический метод

3.10.6 Физиологический метод

3.10.7 Хемотаксический метод

3.11 Практическое применение методологии биотестирования

4.Анализ результатов исследований качества воды за 2005-2008гг

4.1 Характеристика водного объекта, на примере Голубых озер

4.2 Результаты анализа Голубых озер методом биотестирования с применением тест-объекта Paramecium Caudatum

4.3 Характеристика водного объекта, на примере Суздальских озер

4.4 Результаты анализа Суздальских озер методом биотестирования с применением тест-объекта Paramecium Caudatum

4.5 Характеристика водного объекта, на примере рек Финского залива

4.6 Результаты анализа рек Финского залива методом биотестирования с применением тест-объекта Paramecium Caudatum

5.Экономическая часть

6.Охрана труда

Заключение

Список литературы

Введение

В системе контроля состояния природных сред и экосистем важную и самостоятельную роль занимает биотестирование. Суть этого метода заключается в определение действия токсикантов на специально выбранные организмы в стандартных условиях с регистрацией на поведенческих, физиологических или биохимических показателей. Биотестирование направлено на оценку суммарного токсического действия всего комплекса загрязняющих веществ, содержащихся в водной среде, с помощью тест-объектов. Биотестирование широко применяется для контроля качества природных и токсичности сточных вод, при проведении экологической экспертизы новых технологий очистки стоков, при обосновании нормативов предельно допустимых концентраций загрязняющих компонентов.

Применение биотестирования имеет ряд преимуществ перед физико-химическим анализом, средствами которого часто не удается обнаружить неустойчивые соединения или количественно определить ультрамалые концентрации экотоксикантов. Биотестирование дает возможность быстрого получения интегральной оценки токсичности.

В работе рассматриваются основные методологии биологического контроля, выбор тест-организмов, тест-реакций и аппаратуры для их измерения, законодательные документы, определяющие проведение отдельных видов биологического контроля, принципы постановки опытов и обработки данных.

Цель работы: обоснование методов и средств биотестирования для оценки уровня техногенного воздействия на природные системы.

Задачи:

1.Сравнительная оценка использования различных тест-объектов биотестирования для определения токсичности воды, на примере: группы Голубых озер, Суздальских озер, малых рек и ручьев Финского залива, реки Ижора;

2.Определение индекса и степени токсичности водных объектов различными методами биотестирования с использованием тест-объекта инфузории туфельки Paramecium Caudatum, тест-культуры водоросли Chlorella vulgaris beijer, тест-объекта Daphnia magna straus, тест-системы «Эколюм».

3.Обоснование условий применимости различных методик биотестирования.

В приложении приведены справочные данные, касающиеся выбора и организации методов биотестирования. А также методы и анализ расчета, на примере: водного объекта, р. Ижора (см. Приложение 4).

1.Общая характеристика воздействий факторов среды

Под экологическим качеством среды обитания человека понимают интегральную характеристику природной среды, обеспечивающую сохранение здоровья и комфортное проживание человека.

Поскольку человек адаптирован и может комфортно существовать только в современном биологическом окружении, в природных экосистемах, понятие «экологическое качество среды» подразумевает сохранение экологического равновесия в природе (относительной устойчивости видового состава экосистем и состава сред жизни), которое и обеспечивает здоровье человека.

Необходимо различать цели и способы нормирования и оценки качества среды обитания человека по основным физико-химическим параметрам, с одной стороны, и экологического прогноза будущего изменения состояния экосистемы и здоровья людей в условиях антропогенного пресса - с другой.

Для общей оценки состояния окружающей среды и определения доли участия отдельных источников в ее загрязнении применяют санитарно-гигиенические и токсикологические нормативы (предельно допустимые концентрации - ПДК, предельно допустимые уровни воздействия - ПДУ). Однако для прогноза результатов влияния антропогенных факторов как на экосистемы, так и на здоровье людей необходимо учитывать также и многие показатели, характеризующие реакцию отдельных организмов и экосистемы в целом на техногенное воздействие. Рассмотрим методы оценки качества воды (см. рис.1.1)

Размещено на http://www.allbest.ru

Рис. 1.1. Методы оценки качества вод и использования в экотоксикологическом контроле. Определение критических уровней загрязнения вод.

На современном этапе развития общества усиливается внимание науки к свойствам биообъектов, их взаимодействию, способностям выживания.

Ряд важнейших свойств загрязнителей окружающей среды может быть выявлен только с помощью применения биообъектов. К подобным свойствам относятся:

- токсичность (общая биологическая вредность);

- мутагенность (способность вызывать мутации);

- тератогенность (воздействие на зародыш);

- канцерогенность (способность вызывать раковые заболевания);

- биологическая активность (способность изменять функционирование различных форм живого);

- аллергогеннность (воздействие на иммунную систему);

- экологическая вредность (способность воздействовать на природные сообщества организмов).

Антропогенные загрязнения действуют на живые организмы, и в том числе на человека, в самых различных сочетаниях, комплексно. Их интегральное влияние можно оценить только по реакции живых организмов или целых сообществ. Живое обладает интегральным восприятием качества среды и способностью к избирательным реакциям на различные виды загрязнителей. Под термином «антропогенное воздействие» понимается результат прямых и опосредованных влияний человеческой деятельности, проявляющийся в загрязнении водных экосистем по следующим направлениям:

· загрязнение родственными (автохтонными) веществами;

· загрязнение чужеродными (аллохтонными) веществами;

· внесение новых условий (температурных, выражающихся виде теплового загрязнения; нарушение водного баланса в результате зарегулирования стока и др.), приводящих к изменению трофических, токсических и других факторов водной среды. Классификация основных масштабов антропогенного загрязнения экосистем включает (см. рис. 1.2.):

Размещено на http://www.allbest.ru

Рис. 1.2. Классификация основных масштабов антропогенного загрязнения экосистем.

локальные одноразовые утечки (point spills), при которых
токсические вещества поступают в экосистему в конкретном месте и в конкретное время, а эффект загрязнения проявляется в конкретном локальном районе;

· локальные хронические утечки (chronic local releases), при которых сбросы токсических веществ имели место в течение такого значительного времени и в таких количествах, что был загрязнен более крупный регион;

· широкомасштабные хорологические утечки (wide spread releases), при которых антропогенное загрязнение фиксируется в значительных масштабах в пределах значительной части биосферы Земли.

В широком смысле различают два типа антропогенного воздействия: эвтрофирование и собственно загрязнение [5] более детально классифицируется многообразие факторов антропогенного воздействия на водные экосистемы, объединяя их в шесть основных групп: ацидификацию (А), эвтрофикацию (Е), нуклидизацию (R), сапробизацию (S), термофикацию (t), токсификацию (Т), которым соответствуют шесть статусов антропогенно измененных экосистем. Сравнительная оценка типов антропогенного воздействия и методов их исследования представлены в табл.1.1.

Таблица 1.1. Сравнительная оценка типов антропогенного воздействия и методов их исследования

Характеристики	Загрязнения
Характер загрязнения	Биогенные вещества	Химические вещества
Тип загрязнения	Эвтрофирование	Токсическое загрязнение
Обозначение загрязнения	Степень загрязнения	Токсичность
Метод исследования	Химические	Биоиндикация	Химические	Биоиндикация (накопление)	Биотестирование
		Гидробиологически
Оценка загрязнения	ПДК	- Сапробность - Трофность	ПДК	Концентрация	· ОТД · ХТД
Объект исследования	Вода	Аборигенные сообщества (ценозы) водных экосистем	Вода	Ткани животных и растений	Тест-объекты: · организмы, · популяция, · вид, · экосистема · и др.

Примечание к табл. 1.1.

ОТД - острое токсическое действие. ХТД - хроническое токсическое действие. ПДК - предельно допустимая концентрация

Многообразие вариантов эвтрофирования и загрязнения едва ли не равно числу водотоков и водоемов и загрязняющих источников. Оно обусловлено характером, силой, длительностью, периодичностью действия нагрузки, типом, местоположением водного объекта, его гидрологическими, химическими и биологическими характеристиками, проявляющимися по-разному, в зависимости от климатических условий года.

Антропогенное увеличение трофности водного объекта происходит параллельно с накоплением токсических загрязняющих веществ (в воде, донных отложениях и биоте) и почти всегда взаимосвязано с ним. Образуя комплексы с органическими компонентами, токсиканты могут диагностироваться как атрибуты процесса эвтрофирования, изменяя состояние объекта.

Первостепенное значение, с точки зрения опасности для существования водных экосистем, имеет токсическое действие. Токсичность окружающей среды - это токсичность, которую проявляет проба, отобранная из принимающей водной системы [29]. Под понятием "качество воды" подразумеваем "характеристику состава и свойств воды, определяющую ее пригодность для конкретных видов водопользования" [8]. Следовательно, токсичность следует считать одной из характеристик качества воды. Под токсичностью воды до недавнего времени понимали только концентрации загрязняющих веществ, выраженные в ПДК [12]. В данной работе, понятие «токсичность» рассматривается, как интегральная характеристика качества воды, обусловленная проявлением негативных для водной биоты свойств химических веществ, присутствующих в испытываемой воде. Универсальным показателем изменения гомеостаза тест-организма является состояние стресса при попадании из «чистой» среды в «загрязненную». Понятие «стресс» весьма различно используется во многих областях науки. Впервые в качестве научного термина оно было введено в медицину Г.Селье в 1936 г. и определяет стресс как реакцию на повышенную нагрузку, которая проявляется в синдроме, слагающемся из всех неспецифически вызванных изменений внутри биологической системы.

Под стрессом понимается реакция биологической системы на экстремальные факторы среды (стрессоры), которые могут в зависимости от силы, интенсивности, момента и продолжительности воздействия более или менее сильно влиять на систему.

Размещено на http://www.allbest.ru

Рис. 1.3. Схема деление стресса на типы.

Стресс можно разделить на два различно действующих типа (см. рис 1.3.). Эустресс характеризуется физиологическими адаптивными реакциями, которые вызываются в организме биоэнергетическими процессами, когда в критических ситуациях живому существу необходимо приспособиться к изменившимся условиям среды. Дистресс означает патогенные процессы, возникающие, как правило, при постоянных нагрузках или усилиях, которые организм не в состоянии регулировать короткое или длительное время. В какой мере тот или иной стрессор обусловливает эустресс или дистресс, зависит от многочисленных факторов, например от сочетания экзогенных раздражителей и внутреннего состояния организма.

При возникновении стресса большую роль играет также фактор времени, связанный как с развитием чувствительности к стрессу, так и с продолжительностью воздействия какого-либо эффективного стрессора на протяжении различных периодов жизни.

Опасность антропогенных стрессоров состоит в том, что биологические системы - будь то организмы, популяции или биоценозы - недостаточно адаптированы к ним. Антропогенные стрессоры создаются с такой скоростью, что в живых системах часто не успевают активизироваться соответствующие адаптационные процессы. Многие антропогенные факторы среды потому и становятся опасными стрессорами, что они отличны по величине, интенсивности, продолжительности и моменту воздействия от той обычно существующей в природе "нормы", к которой адаптированы биологические системы. В результате они часто влияют на диапазон толерантности, что нередко приводит к превышению допустимой нагрузки на организмы и распаду биологической системы.

В природе на организм воздействует не один стрессор, а целый комплекс нарушающих факторов (комплексное стрессовое воздействие среды). При этом, какой-либо отдельный фактор может временно или постоянно доминировать. Реакции организмов на стрессоры в лабораторном эксперименте не всегда совпадают с наблюдающимеся в естественных условиях. Поэтому исследования комбинированного воздействия средовых нагрузок, т. е. комплексного стрессового воздействия среды, становятся в последнее время принципиально важными для установления допустимой нагрузки и стабильности биологических систем в нарушенной среде со многими антропогенными стрессорами. Стрессовое воздействие среды приводит к отклонению основных параметров организма от оптимального уровня.

Рассмотрим экологический аспект воздействия факторов среды. Развитие биоты определяется двумя типами экологических факторов: регулирующими и лимитирующими [49]. Любой фактор среды, влияющий на биоту, может проявиться как регулирующий (определяющий) или лимитирующий (ограничивающий) ее развитие. В соответствии с законом толерантности П. Шелфорда [49], лимитирующим для развития организма (вида) может быть как минимум, так и максимум экологического фактора.

Диапазон между ними и определяет величину выносливости толерантности) организма. Многие факторы становятся лимитирующими для организмов в критические периоды жизни, особенно в период размножения, в том числе и различная степень скопления особей (принцип агрегации Олли). Такие факторы сдерживают развитие биоты.

Регулирующие (определяющие) развитие биоты факторы сказываются положительно. Они действуют в пределах диапазон толерантности. Для водной биоты важными факторами среды являются температура, соленость, свет, растворенный кислород и пищевой ресурс. Последний является ведущим, регулирующим, и носит название трофического фактора. В случае эвтрофирования, трофический фактор из регулирующего превращается в лимитирующий по максимуму фактор и представляет частный случай токсического воздействия. Выживание биоты обеспечивается во взаимосвязи следующих факторов развития: двух внешних (лимитирующий и определяющий) и внутреннего (адаптация). Системой производится работа по преобразованию энергии, обеспечивающая выживание биоты. Для выживания необходимо включение механизма адаптации. Известно, что сам механизм прост: это количество видов и их общая численность. Эти интегральные показатели позволяют судить о выживании на уровне сообщества. Все прочие сведения являются дополнительными. Именно поэтому ведущие ученые настаивают на необходимости сохранения основного банка информационных данных в случае использования относительных и условных показателей, упрощающих обработку и сравнение материалов.

1.1 Этапы экологического контроля природной среды

Проблема антропогенного загрязнения водных объектов является в настоящее время ключевой в общей проблеме загрязнения окружающей среды в России. Вода содержит комплекс загрязняющих веществ, суммарное действие которых, а также продуктов их трансформации на экосистему непредсказуемо. Водоохранные мероприятия, связанные с улучшением состояния экосистем, осуществляются в разных направлениях, в рамках деятельности многих ведомств: МПР, Росгидромет, Росводресурсы, Министерство здравоохранения и социального развития и др.

Источником объективной комплексной информации о состоянии окружающей природной среды в России являются исследования, проводимые в рамках Единой государственной системы экологического мониторинга - ЕГСЭМ [57].

Любая система контроля складывается из получения информации и ее последующего анализа. Система контроля природной среды включает экологический мониторинг и анализ полученных данных, на основе которого принимаются решения о перспективах функционирования и практического использования экосистемы.

Оценка качества среды является ключевой задачей любых мероприятий в области экологии и рационального природопользования. Термин «мониторинг» (от и гл. 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. Необходимо проведение многофакторного анализа с учетом наиболее типичных антропогенных воздействий (например, химических веществ), а также изменений природных факторов среды, уровень которых меняется вследствие антропогенного влияния. В первую очередь учитывается изменение численности видов и видового состава ценозов. Важно фиксировать также возможные изменения в природных популяциях, например нарушения эмбрионального развития (уродств) и симметрии взрослых особей в пределах популяции. Необходимо выявлять быстрый «отклик» организмов или популяций и результаты стойких последствий, так как часть изменений может быть отрегулирована биосистемами.

Анализ данных проведенного экологического мониторинга состоит из нескольких последовательных этапов. Каждый их этапов оканчивается получением самостоятельного экологического результата. Прохождение всего пути от первого этапа до последнего позволяет полностью установить стратегию перспективного использования изучаемой экосистемы, рационально планировать антропогенные нагрузки с тем, чтобы не допустить ущерба для биоты.

Экологическую опасность, или риск, следует оценивать с учетом не только характера и силы антропогенного воздействия, но и биологических свойств реагирующей системы.

Соответственно этому имеется две группы методов экологического мониторинга (слежения за состоянием экосистем) (см. рис. 1.4.):

· физико-химические;

· биологические (биомониторинг).

Биомониторинг, или слежение за реакцией живых организмов на загрязнение окружающей среды, выявляет изменения в среде обитания с помощью биообъектов и в настоящее время рассматривается как один из видов экологического мониторинга [7].

Проведение интегральной оценки качества среды предлагается для определения состояния биоресурсов, разработки стратегии рационального использования региона, определения предельно допустимых нагрузок для экосистем региона, решения судьбы районов интенсивного промышленного и сельскохозяйственного использования, загрязненных радионуклидами, и т.п.; выявления зон экологических бедствий; решения вопроса о строительстве, пуске или остановке определенного предприятия; оценки эффективности природоохранных мероприятий, введения очистных сооружений, модернизации производства и др.; применения новых химикатов и оборудования; создания рекреационных и заповедных территорий. Каждый из видов мониторинга имеет свои ограничения. Для качественной оценки и прогноза состояния природной среды необходимо их сочетание.

Таким образом, физико-химический и биологический мониторинг не исключают, а дополняют друг друга. В целом этапы анализа экологического мониторинга можно представить следующим образом (см. рис.1.2).

Размещено на http://www.allbest.ru

Рис. 1.4 Этапы экологического контроля природной среды

На первом этапе происходит экологическое оценивание природного объекта на основе изучения характера отклика живых организмов на воздействие антропогенных факторов с использованием методов биоиндикации и биотестирования.

Следующим этапом является экологическая диагностика, заключающаяся в выявлении и ранжировании факторов неживой природы, которые могут вызывать экологическое неблагополучие природного объекта.

Далее следует этап экологического нормирования, т.е. вычисление границ значений факторов, выход за пределы которых превращает состояние экосистемы из благополучного в неблагополучное.

На основе сведений об экологически опасных уровнях факторов, а также реальных текущих значений факторов возможно осуществление экологического прогноза степени неблагополучие экосистемы на перспективу.

Управленческие решения применяют не только после составления прогноза состояния экосистемы, но и на этапе нормирования, когда возможно при воздействии на экосистему снизить значения опасных воздействий до экологически допустимых уровней.

1.2 Сравнительная характеристика основных признаков химических и биологических методов

В рамках деятельности различных государственных служб контроля и мониторинга (Роскомгидромет, МПР и др.) качество водных объектов может быть оценено с помощью химических и биологических методов.

Из табл. 1.2. видно, что каждая группа методов имеет свои преимущества и недостатки. Химические методы определения концентраций загрязняющих веществ в воде позволяют установить факт наличия какого-либо вещества в воде и проверить соответствие их установленным нормативам качества воды. Однако они имеют ряд недостатков. С их помощью нельзя получить сведений о биологических эффектах как отдельных веществ, так и, что особенно важно, их совместного действия. Данные, полученные в результате химико-аналитических анализов дорогостоящи. Кроме того, число химических соединений и их метаболитов, загрязняющих окружающую природную среду, так велико, что трудно поддается контролю. В настоящее время контролируется только около 0,3% известных химических веществ.

Таблица 1.2. Сравнительная характеристика основных признаков методов

Показатель	Химические методы	Биологические методы
		Биоиндикация, индикация отклика	Биотестирование, индикация воздествия
Объект исследования Цель	Вода Определение концентрации химических веществ	Биота, водные ценозы Определение показателей сообществ	Вода Суммарная оценка токсичности с использованием представительных тест-объектов различных трофических уровней и систематической принадлежности
Показатель качества воды, токсичность	Превышение установленных регламентов концентраций	1. Изменение численности и видового состава, структурно-функционального состояния ценозов, наличие видов- индикаторов 2. Отсутствие организмов, выпадение видов, таксонов (антииндикация) 3. Наличие мертвых организмов	Наличие токсического действия на тест-объекты (на организменном, популяционном, видовом, экосистемном уровнях)
Регламенты	ПДК	Сравнение с фоновым (условном чистым) участком	1. Отсутствие острого и хронического токсического действия 2. Обязательное сравнение с контролем (наличие двух контролей)
Гарантия качества информации	Строгое соблюдение методик отбора, анализа химических проб, использование современной приборной базы	Строгое соблюдение методик отбора, обработки проб биоты, высокая квалификация специалистов	Сходимость, воспроизводимость Соблюдение методик выращивания культуры тест-объекта, процедуры проведения биотестирования и оценки качества вод

Примечание к табл.1.2. ПДК - предельно допустимая концентрация

Комплексный подход в проведении биологического мониторинга (сочетание методов биоиндикации и биотестирования, использование объектов разных уровней организации) при систематическом наблюдении позволяет судить о перспективах изменения структуры сообществ, продуктивности попупяций и устойчивости экосистем по отношению к антропогенным факторам.

Приемы биоиндикации предполагают выявление видов индикаторов сапробности в водоемах во время натурных исследований и предназначены для оценки качества поверхностных вод. Биотестирование - более новое направление, основано на реакции биологических тест-объектов (организмов, популяций, экосистем), используемой для оценки уровня токсичности природных, сточных вод и новых соединений, синтезируемых для народного хозяйства [80].

Биологические методы контроля качества среды не требуют предварительной идентификации конкретных химических соединений или физических воздействий, они достаточно просты в исполнении, многие экспрессны, дешевы и позволяют вести контроль качества среды в непрерывном режиме. Вместе с тем после выявления общей токсичности образцов почвы или воды для определения ее причин следует применить аналитические методы. Традиционные физико-химические методы позволяют также оценить вклад отдельных предприятий или иных источников загрязнения в интегрированное техногенное воздействие на природу.

2.Теоретические основы исследований методами биологического контроля

2.1 Схема проведения исследований биологического контроля окружающей среды

Любой эксперимент в области биотехнических методов биологического контроля должен проводиться при соблюдении следующих принципов:

1) постоянства условий;

2) многократной повторяемости (при сохранении результата);

3) логичности;

4) наличия описания, позволяющего специалисту воспроизвести эксперимент (при этом его результат должен сохраняться).

Эти принципы необходимо соблюдать при лабораторных опытах, натурных наблюдениях и проектировании аппаратуры.

Для выявления общих закономерностей биологического контроля и уменьшения влияния биологической изменчивости все биологические опыты проводят с большими группами организмов.

Изменчивость реакций организмов может быть обусловлена рядом факторов эксперимента, влияние которых следует минимизировать. Последовательность проведения биологического контроля обычно включает стадию размножения организмов, отбор их в опытную и контрольную группы, экспериментальное воздействие на особей опытной группы и сравнение их реакций с контролем. При этом необходимо различать естественную изменчивость реакций от вызванной вредным фактором. Для улучшения воспроизводимости результатов экспериментов необходимо соблюдать правила организации биологических испытаний (см. табл.2.1).

Таблица 2.1. Правила организации биологических испытаний

1.	Использовать организмы одного вида и потомство с одним исходным набором хромосом ("чистую линию").
2.	Применять стандартные корма, оборудование для содержания организмов, соблюдать периодичность подачи кормов, поддерживать стабильность внешней среды.
3.	Производить разделение особей на опытную и контрольную группы примерно одинаковой численности методом случайного отбора.
4.	Воздействовать на опытную группу с помощью стандартных средств или методик.

Эти правила позволяют уменьшить изменчивость реакций, вызванную различием генотипов организмов, условий их содержания, разделением особей на группы.

Согласно правилам ЕС и США, логическая схема эксперимента является обязательным разделом заявки на финансирование при проведении исследований, в области охраны среды. Она определяет заранее пути исследования проблемы вне зависимости от результата эксперимента. Для ее составления требуется ответить на следующие вопросы (см. рис. 2.1.).

Подобная схема помогает связать этапы многостадийного исследования в одну целенаправленную задачу. Применение биологического контроля за рубежом отличает не столько богатство методик и тест-организмов, сколько методичность и логичность их использования для решения поставленной задачи.

Как видно из табл. 2.2., ни один из видов биологического контроля не может охватить все задачи биологического контроля окружающей среды. В этом смысле разновидности биологического контроля являются взаимодополняющими. Сам биологический контроль применяется как необходимое дополнение аналитического. При организации охраны среды необходимо использовать виды биологического контроля с учетом специфики каждого метода.

Размещено на http://www.allbest.ru

Рис. 2.1. Схема проведения исследований биологического контроля окружающей среды

Таблица 2.2

Виды биологического контроля

Характеристики биологического контроля	Вид биологического контроля
	Классическая токсикология	Биоиндикация	Биотестирование
Организм	Универсальный, лабораторно выращенный	Природный объект или экосистема	Специализированный, лабораторно - выращенный
Эволюционный уровень организма	Как правило, высший	Различный	Как правило, низший
Постановка эксперимента	Опытная и контрольная группы	Опытная и контрольная экосистемы	Опытная и контрольная группы
Регистрируемые параметры организма	Множество параметров различных систем организма	Индикаторная реакция или характеристика объекта или экосистемы	Тест-реакция организма или популяции
Уровень выявления механизма воздействия загрязнителя	Системы, ткани, клетки и субклеточные структуры организма	Системы, определяющие возникновение индикаторной реакции экосистемы	Системы, определяющие возникновение тест-реакции организма
Чувствительность к загрязнениям среды	Как правило, низкая	Высокая для группы факторов - стрессоров	Высокая для группы тестируемых факторов
Выявление масштабов загрязнения	Невозможно	По площади контролируемых индикаторных объектов (экосистем)	По числу проб тестируемой среды.
Уровень квалификации персонала	Высокий	Возможно использование персонала низкой квалификации	Возможно использование персонала низкой квалификации
Алгоритмизация методик	Затруднена	Возможна	Возможна
Создание аппаратуры	Затруднено	Возможно	Возможно

2.2 Применение живых организмов в биологическом контроле

Для биологического контроля используется широкий перечень организмов, приведенный в табл. 2.3; табл. 2.4. Из множества видов организмов в данной работе рассмотрены лишь применяемые в различных стандартах (ISO, ПНД), а также используемые в международной практике (см. табл. 3.6).

Реакция живого на факторы окружающей среды обычно избирательна, поскольку совершенство аппарата индикации и анализа обеспечивает выживание организма и, в конечном счете, сохранение биологического вида. Во всем многообразии внешних факторов только некоторые из них являются определяющими для данного вида, и в процессе эволюции преимущественное развитие получили структуры, индицирующие такие факторы.

"Живой датчик" по своей природе обладает нелинейностью, может менять чувствительность при адаптации или сенсибилизации. Для работы "живого прибора" необходимы корм и источники макроэлементов. Погрешность "биодатчика" составляет в лучшем случае десятки процентов.

При всех этих недостатках только биологический организм может воспринимать стимулы в широчайшем диапазоне интенсивностей; оценивать интегральную вредность различных факторов; сигнализировать о наличии источников мутаций или веществ, подавляющих фотосинтез, синтез белков, метаболизм, а также вызывающих изменения экосистем. При разработке "биодатчиков" следует учитывать и экономичность контроля.

Согласно современным представлениям биологической науки, у всех живых существ биохимические процессы протекают в основе своей одинаково.

Однако, какими бы исчерпывающим не оказалось это сходство между различными видами, уже сам факт что все виды живого функционируют по-разному, выглядят отлично друг от друга, свидетельствует о том, что между ними есть четкие биохимические различия. Некоторые организмы в силу своих биохимических особенностей могут рассматриваться как индикаторы определенных групп химических веществ или даже отдельных соединений или элементов. Эволюция и совершенствование живого организма привели в ряде случаев к чрезвычайно высокому развитию способности индицировать ничтожные количества вещества, рассеянного в окружающей среде.

Индикация загрязнения окружающей среды должна осуществляться на всех уровнях организации биологической материи (см. Рис. 2.2.):



Размещено на http://www.allbest.ru

Рис. 2.2. Уровни организации биологической материи. 1. - видовой состав, структура; 2. - количественная динамика в ненарушенной и нарушенной среде.

Только такой полный анализ воздействия окружающей среды на организмы может дать ответ о её состоянии на сегодняшний день и предсказать отдалённые биологические последствия нарушения среды. Использование живых существ в индикации химических соединений находит всё более широкое применение, так как только живые организмы дают возможность определить совместное действие многих веществ с учетом конкретных условий, с учетом времени действия. Живые организмы дают возможность изучать действие химического вещества на сообщество. Определение мутагенных и канцерогенных веществ возможно только на биообъекте.

От результатов биологического контроля, с одной стороны, зависит судьба новых синтезированных химических веществ и разработанных товаров, технологий и производств. С другой - "живой датчик" существенно отличается от привычного для инженера измерительного прибора.

Сегодня ставится задача не столько увеличения числа "живых приборов" или контролируемых параметров экосистемы, сколько отбора нескольких недорогих методов мониторинга (в том числе биологического), позволяющих отслеживать состояние среды. "Биодатчики" должны позволять решать прикладные задачи мониторинга загрязнений.

Таблица 2.3. Перечень организмов используемые в биологическом контроле-биоиндикация

Организмы	Экологическая и хозяйственная значимость	Роль в экосистеме	Чувствительность как биондикация (примеры)
бактерии	Обитатели всех сред, организмы биоочистки; объект биотехнологии	Консумент. Редуцент	к антибиотикам, биоцидным веществам, ядам; показатель сапробности
фермен-ты	катализаторы биохимических реакций; объект биотехнологии (лекарств, пищевых продуктов и др).	Обмен веществ	К кофакторам и ингибиторам интегральная, к субстратам, для которых специфичен фермент, избирательная
растения	Формирователи состава атмосферы, почвы, грунтов; объект с/х, сырье для промышленности	Продуцент	К кислотным осадкам, пыли, газовым выбросам, вибрациям грунтов, качеству и составу водных сред
Грибы и лишай-ники	Обитатели почвы, переработчики целлюлозы (грибы); объект биотехнологии (грибы)	Консумент. Редуцент	К почвенным токсикантам, (грибы), к сернистому газу (лишайники)
Простей-шие	Обитатели почвы, илов, формирователи донных отложений; рыбий корм	То же	к общебиологическим токсикантам, к составу белка; индикатор сапробности
Ракооб-разные	Обитатели и переработчики бентоса; рыбий корм, объект промысла	То же	К токсикантам донных отложений, к кислороду, закислению водных сред
Моллюс-ки	Обитатели и переработчики бентоса; рыбий корм, объект промысла	Редуцент	К токсикантам донных отложений, воды, закислению водных сред
Рыбы	Корм для птиц и водных млекопитающих; сырье для промышленности, объект промысла, аквариумистики	Консумент. Редуцент	к закислению воды, сельскохозяйственным ядам, к тяжелым металлам, водным токсикантам
Гаметы	Носители наследственной информации; объект промысла, инкубирования, технологии искусственного осеменения, опыления	Выживание вида	К токсикантам, мутагенным и тератогенным химическим веществам или ионизирующим излучениям
Лейкоци-ты	Элементы защитной системы организма; объект для исследования хромосом	Выживание вида	К химическим и физическим мутагенным факторам (озону, пестицидам, ионизирующим излучениям)

Таблица 2.4. Перечень организмов используемые в биологическом контроле-биотестирование

Организмы	Отбор	Среда	Корм	Аппарат (метод)	Вид, форма продукта	Объект стандарта
Ферменты	Коллекции (бактерий, грибов)	Бульоны, агары, МПБ, МПА	Мясной белок из МПБ или МПА	Ферментер	Люцифераза, дегидрогеназа (in vitro или in vivo)	Вода, водные среды, почвы
Бактерии	Коллекции (бактерий, грибов)	Бульоны, агары, МПБ, МПА	Мясной белок из МПБ или МПА	Ферментер, получение в чашках Петри	E.coli, V.Fisheri, P.phosphoreum (Ж-, И-, Л-формы*)	Вода, водные среды, почвы
Грибы	-//-	-//-	белок, углеводоро-ды	Ферментер, получение в чашках Петри	Дрожжевые виды (Л-формы)	Применяют как корм
Водоросли	-//-	Водно-солевой раствор	энергия излучения	Люминостат	Chlorella, Scenedesmus	Вода, водные среды
Простейшие	-//-	То же, (иногда с пептоном), сенной отвар	бактерии, другие виды простейших	культивато-ры, лаборатор-ная посуда	P.caudatum, T.pyriformis, C. shteini (организмы и цисты )	Вода, водные среды, белок
Ракообразные	-//-	Водно- солевой раствор	водоросли	Стаканы, колбы	Daphnia	Вода
Рыбы	Ихтиологи-ческие центры	Водно- солевой раствор	мелкие ракообраз-ные, водоросли	Аквариум	Brahydanio, гуппи, радужная форель, лосось	вода, мутагенные вещества
Гаметы	Банки спермы	физиологический раствор	-	Дьюары, жидкий азот	Бычья сперма, (криоформы)	Полимеры
Лейкоциты	Кровь организмов	Среда с ФГА	-	Дьюары, жидкий азот	выделенные хромосомы	Мутагенные вещества

3.Современные подходы биологического контроля пртродной среды

Выделяют следующие современные подходы контроля природной среды: экспертная оценка качества экосистем, графический способ выражения результатов изучения биоценозов, анализ ранговых распределений, метод функциональной желательности, эталонное оценивание, показатели функционирования биоценозов, оценка состояния биоты, основанная на отклонениях от нормального функционирования отдельных организмов (пограничный между биотестированием и биоиндикацией), биоиндикация, биотестирование.

Кратко рассмотрим указанные подходы контроля природной среды. Практически все указанные подходы, кроме биотестирования, являются вариациями результатов биоиндикационных исследований. Методы оценки качества биоты в реальных водных объектах различаются составом организмов-индикаторов и типом применяемого анализа (структурный, продукционный, биохимический, клинический). В данной работе целью стояло подробное изучение методов биотетсирования.

3.1 Сравнительная характеристика и методологические аспекты использования приемов биоиндикации и биотестирования в оценке качества вод

Первой методологией биологического контроля вредных веществ была классическая токсикология, использовавшая в качестве универсальных подопытных организмов наиболее эволюционно близких к человеку теплокровных (собак, кошек, кроликов). На них изучалось, например, воздействие высокотоксичных веществ. Через определенное время после введения дозы токсикантов подопытным животным производилось их вскрытие. Различия между состоянием систем, органов и тканей у опытных и у контрольных особей, выясняли механизм действия яда.

Опыты с животными из-за сложности трактовки реакций требуют высокой квалификации исследователя и обслуживающего персонала, крайне дороги и дают результат только при обеспечении инфраструктуры проведения экспериментов с живым (наличие специальных кормов, оборудования, систем микроклимата). Важно также учитывать, что несмотря на часто требуемое ограничение подвижности животных в эксперименте, должна сохраняться естественность их реакций и физиологических процессов.

Создание технических средств и биотехнических методов биологического контроля на основе методологии классической токсикологии крайне трудная задача, поскольку многое определяется опытом и навыком исследователя.

Биологический контроль в области охраны среды имеет ряд особенностей:

1) непрерывно увеличивающийся объем необходимых анализов проб среды, товаров и различных видов продукции (в частности, требуется оценивать биологическое качество сточных и природных вод, почвы, снега, льда, выбросов в атмосферу, а также пищевых продуктов и товаров бытовой химии);

2) низкую токсичность контролируемых сред и материалов, как правило, несравнимо меньшую, чем у ядовитых веществ (экологическая вредность определяется иногда малыми “следовыми” концентрациями загрязнителей, которые не отражаются на реакциях большинства теплокровных животных, обладающих высокой адаптацией к среде);

3) видоизменение вредных веществ в окружающей среде в результате гидролиза, фотохимических реакций, синергизма и антагонизма соединений;

4) необходимость контроля экосистемы;

5) отсутствие специалистов в области токсикологии на предприятиях, где необходимо, тем не менее, контролировать стоки и выбросы;

6) требование количественного измерения биологической вредности веществ и соединений.

Применение классической токсикологии в этой области малоэффективно из-за низкой чувствительности животных, высокой стоимости, большой длительности и трудоемкости опытов.

Новый этап развития биотехнических методов биологического контроля связан с появлением новых альтернативных методологий - биоиндикации и биотестирования.

Сравнительные характеристики различных видов биологического контроля приведены в табл. 1.2.

В работе рассматриваются основные задачи и приемы биотестирования водных объектов, требования к подбору тест-объектов.

Подходы очень близки по конечной цели исследований, но 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.

Контроль качества окружающей среды с использованием биологических объектов в последние десятилетия оформился как актуальное научно-прикладное направление.

Размещено на http://www.allbest.ru

Рис. 3.1. Использования биологических методов оценки качества вод

3.2 Биоиндикация

Биоиндикация (БИ) - это вид биологического контроля экосистем, основанный на выявлении индикаторных реакций и характеристик индикаторных организмов и сообществ, живущих в естественной экосистеме.

Понятие "экологические индикаторы" чрезвычайно широко. Оно включает в себя реакции растительного покрова, накопление вредных веществ в шерсти, костях и органах животных, экологические признаки обитания определенных видов организмов в экосистеме.

Биоиндикация ориентирована на изучение долговременных масштабных процессов воздействия окружающей среды на природные экосистемы.

Она используется для выявления интегральных характеристик экосистемы, к которым относятся: трофность, сапробность, токсобность, видовое разнообразие. Каждая из приведенных характеристик может иметь несколько градаций: поли- (сильно), мезо- (средне), олиго- (слабо). Например: полисапробные водоемы (наиболее загрязненные - преобладают бактерии), мезосапробные (среднезагрязненные - преобладают бактерии и ракообразные - дафнии), олигосапробные (наиболее чистые - преобладают дафнии, личинки стрекоз, черви). Признаки, по которым классифицируются виды биоиндикация (см. табл. 3.1.)

Таблица 3.1. Классифиция видов биоиндикации

№	ПРИЗНАК
1)	способность к адаптации	биоиндикация чувствительная и накапливающая;
2)	способ получения организмов	активная биоиндикация, или "биосигнализация" (с помощью организмов, искусственно пересаженных из экосистемы) и пассивная (путем наблюдения видов в природной экосистеме);
3)	уровень контроля экосистемы	биоиндикация одноуровневая, разноуровневая, и системная;
4)	контролируемая площадь	биоиндикация локальная и глобальная.

Биоиндикация - качественная оценка параметров среды обитания и ее отдельных характеристик по состоянию биоты в природных условиях. Понятие биоиндикация, включающее условия сравнения результатов, применяется исключительно для зависящей от времени оценки антропогенных или испытывающих антропогенное влияние факторов среды на основе изменения количественных характеристик биологических объектов и систем.

Биоиндикация в узком смысле занимается изучением влияния антропогенных или антропогенно модифицированных факторов среды. Речь идет не об оценке присутствия концентрации или интенсивности какого-либо параметра среды, а о реакции биологических систем, т.е. рассматривается биологическое воздействие факторов среды. Если физические и химические методы дают количественные и качественные характеристики фактора, но позволяют лишь косвенно судить о его биологическом действии, то с помощью биоиндикации можно получить информацию о биологических последствиях и сделать лишь косвенные выводы об особенностях самого фактора. Для количественной оценки значимости отклонения необходимы абсолютные или относительные калибровочные стандарты - называемые контролем в биотестировании, и наличие фонового створа в биоиндикации (табл. 3.2.).

Таблица 3.2.Стандарты для сравнения при биоиндикации антропогенных или испытывающих антропогенное воздействие факторов среды

№	Абсолютные стандарты сравнения	Относительные стандарты сравнения
1.	Сравнение с показателями биологической системы, свободной от воздействий.	Корреляция с пространственно-временными изменениями антропогенных или испытывающих антропогенное воздействие факторов среды
2.	Экспериментальное исключение антропогенных или антропогенно модифицированных факторов	Установление эталонных объектов, испытывающих незначительное или известное антропогенное воздействие
3.	Сравнение с биологическими системами прошлого, слабо или вовсе не подверженными действию антропогенных факторов	-
4.	Построение градиента изменений одного и того же объекта вплоть до времени пренебрежимо малого антропогенного воздействия	-

При биоиндикации изменения биологических систем всегда зависят как от антропогенных, так и от природных факторов среды. Эти системы реагируют на воздействие среды в целом в соответствии со своей предрасположенностью, т.е. такими внутренними факторами, как условия питания, возраст, генетически контролируемая устойчивость и уже присутствующие нарушения. Варианты развития биоиндикационных реакций различны.

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.

Различают прямую и косвенную биоиндикацию. В случае прямой биоиндикации антропогенный фактор действует непосредственно на биологический элемент. При косвенной биоиндикации изменение состояния биологической системы происходит под влиянием других непосредственно затронутых элементов среды.

Даже внутри организма наблюдается определенное соподчинение реакций, возникающих в ответ на какой-либо антропогенный фактор. Первая реакция создает основу для первичной биоиндикации, следующая - для вторичной.

Наличие очень чувствительных биоиндикаторов приводит к ранней индикации, когда реакция заметна уже при минимальных дозах спустя очень короткое время и происходит в месте воздействия фактора на элементарные молекулярные или биохимические процессы на организменном уровне или проявляется в колебаниях численности популяций на биоценотическом уровне.

Опасность антропогенных факторов состоит, прежде всего, в том, что биологические системы различного уровня (организмы, популяции, биоценозы) недостаточно адаптированы к ним. Антропогенные факторы столь разнообразны и создаются с такой скоростью, что биологические системы часто не успевают активизировать соответствующие адаптационные процессы. Многие антропогенные факторы среды потому и становятся опасными для биоты, что они радикально отличаются по величине, интенсивности, продолжительности и моменту воздействия от той обычно существующей в природе нормы, к которой адаптированы биологические системы. В результате они часто влияют на диапазон толерантности, что нередко приводит к превышению допустимой нагрузки на организмы и распаду биологических систем.

Центральным методом биоиндикационных исследований является сапробиологический анализ. Метод получил широкое распространение во всем мире, рекомендован комиссией СЭВ в качестве стандартных методов оценки состояния водных объектов, подверженных антропогенному влиянию. Уже известно множество вариантов этого метода, он разрабатывается широко в настоящее время. В то же время он подвергается и критике. Главный минус сапробиологического метода в том, что он учитывает загрязнение только органическим веществом, которое подвергается бактериальной деструкции и включается в круговорот веществ данного водного объекта. Другие отрицательные моменты в данной работе не рассматривались.

Экспериментально доказано, что в ряду организмов олиго-, мезо-, полисапробы возрастает не только специфическая устойчивость к органическим веществам и к таким последствиям загрязнения, как дефицит кислорода, но и эврибионтность, т.е. неспецифическая способность организма существовать при резко различных условиях среды [1]. Это положение значительно расширяет возможности использования сапробиологического анализа не только в случае загрязнения вод бытовыми стоками, но и при их промышленном загрязнении.

Таблица 3.3. Уровни сапробности, трофности вод и ведущие организмы-протисты

Уровни сапробности	Ступени трофности	Примеры ведущих организмов (отлько из числа протистов)
органическое загрязнение, мало кислорода, много бактерий; видовой состав беден, численность особей высокая	Политрофная: очень большой избыток питательных веществ (гниющие воды).	Ж: Hexamita, Trepomonas С: Pelomyxa, Vahlkampfia И: Caenomorpha, Colpidium, Epalxella, Lacrymaria, Metopus, Vorticella.
б-Мезосапробный: значительное органическое загрязнение, мало кислорода; видовой состав богат, численность особей высокая.	Эвтрофная: много питательных веществ, много фотосинтезиру- ющих протистов.	Ж: Bicoeca, Bodo, Chilomonas И:Caechesium, Chilodonella, Paramecium, Urocentrum.
в-Мезосапробный: слабое органическое загрязнение, много кислорода; видовой состав богат.	-	Ж: Dinobryon, Synura С: Amoeba, Echinosphaerium И: Euplotes, Halteria, Spirostomum, Stentor
Олигосапробный: чистая, богатая кислородом вода; видовой состав беден, численность особей низкая.	Олиготрофная: мало питательных веществ	Ж: Diplosiga С: Acanthocystis, Mayorella И: Dileptus, Strobilidium, Thuricola.
Ж - жгутиконосцы С - саркодовые И - инфузории

Долгое время считалось, что главный показатель загрязнения водотоков - бентос, а планктонные организмы являются второстепенными, так как переносятся течением и не характеризуют качества воды в месте отбора проб. Однако в последнее время все большее внимание уделяется зоопланктону в индикации трофности, причем существенная роль отводится микрозоопланктону. Пассивно перемещаясь с водными массами, представители микрозоопланктона - инфузории, коловратки, имея короткий жизненный цикл, реагируют резкими колебаниями численности на быстрое изменение условий обитания и, в первую очередь, трофического и токсического факторов. Кроме того, каждый вид является показателем загрязнения и выражает индикаторное значение данного вида на основе установления его сапробной валентности. При этом учитывается, что организмы реагируют не на один фактор, а на общую экологическую ситуацию, которая возникает вследствие загрязнения.