Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования Российской Федерации

Санкт-Петербургский государственный горный институт им. Г.В. Плеханова (технический университет)

Биологический мониторинг

Конспект лекций для специальности

330200- Инженерная защита окружающей среды

Направление 656600 Защита окружающей среды

В.Ф. Шуйский

Санкт-Петербург 2000

Содержание

Введение

1. Общие представления о биологическом контроле состояния окружающей среды

1.1 Возможности, преимущества и недостатки оценки состояния окружающей среды по абиотическим показателям, по биотическим показателям, по независимо учитываемым показателям обеих групп, по результатам их интеграции

1.2 Биоиндикация и биотестирование

1.3 Биологический мониторинг, как компонент биологического контроля состояния среды. Его роль в экологическом мониторинге

2. Биосистемы различных уровней организации и их индикаторные характеристики. Биоразнообразие

2.1 Уровни организации биологических объектов (биосистем)

2.2 Сохранение биоразнообразия - залог сохранения устойчивости экосистем и биосферы

3. Реакция биоты на антропогенные воздействия

3.1 Сукцессии экосистем

3.2 Фоновые условия и фоновое состояние биоты

3.3 Формы устойчивости биосистем к воздействию

4. Методы биологического мониторинга. Биоиндикация. Биотестирование

4.1 Закономерности влияния экологических факторов на биосистемы

4.2 Биотестирование

4.2.1 Биотесты на бактериях

4.2.2 Биотесты на водорослях

4.2.3 Биотесты на мхах

4.2 4 Биотесты на лишайниках

4.2.5 Метод пересадки лишайников

4.2.6 Биотесты на высших растениях

4.2.7 Биотесты на животных

4.3 Биоиндикация

4.3.1 Требования к биоиндикаторам

4.3.2 Биоиндикация наземных экосистем

4.4 Мониторинг лесного фитоценоза

4.4.1 Описание растений на ключевом участке в лесу

4.4.2 Составление формулы древостоя

4.4.3 Определение жизненности растений

4.4.4 Определение обилия

4.4.5 Определение типа растительного сообщества (ассоциации)

4.4.6 Определение возобновления леса

4.5 Мониторинг лугового фитоценоза

4.6 Мониторинг зеленых насаждений населенного пункта

4.6.1 Определение состояния хвои сосны обыкновенной для оценки загрязненности атмосферы

4.6.2 Определение чистоты воздуха по лишайникам

4.7 Биоиндикация пресноводных экосистем

4.8 Гидробионты как индикаторы качества среды

4.9 Биоиндикация с использованием характеристик макрозообентоса на субценотических уровнях

4.10 Биоиндикация с использованием показателей сообществ макрозоообентоса (ценотические методы биоиндикации)

4.10.1 Показатели, основанные на учете тотального макрозообентоса, его функциональных групп и таксонов надвидового ранга (без учета видового состава сообщества)

4.10.2 Показатели, основанные на определении видового состава макрозообентоса. Индексы и шкалы сапробности

4.10.3 Использование показателей видового разнообразия

4.10.4 Оценка изменения видового состава сообществ

4.11 Биоиндикация на основе количественных закономерностей лимитирования биоты условиями среды (на примере макрозообентоса)

4.12 Биоиндикация по аккумуляции

5. Ценотическая биоиндикации: классификационные и ординационные методы

6. Биоседиментация и осветление воды

7. Биологическая детоксикация

8. Фотосинтетическая аэрация воды и обогащение ее метаболитами

9. Биологические основы очистки вод

10. Экологические основы питьевого водоснабжения

11. Основы борьбы с биологическими помехами

12. Правовые основы сохранения редких биологических видов

Введение

Основная цель изучения данной дисциплины - приобретение студентами основных знаний и практических навыков контроля состояния окружающей среды по биологическим критериям. Для этого необходимо решить следующие задачи: усвоить современную методологию биологического мониторинга, как важной составляющей экологического мониторинга; - изучить процессы антропогенных воздействий на биоту; освоить важнейшие методы биомониторинга, биоиндикации и биотестирования; проанализировать отечественную и зарубежную нормативную базу биологического мониторинга, биологических составляющих ОВОС и экологической экспертизы; научиться учитывать результаты и методы биологического контроля состояния окружающей среды при принятии инженерных решений по ее защите.

1. Общие представления о биологическом контроле состояния окружающей среды

1.1 Возможности, преимущества и недостатки оценки состояния окружающей среды по абиотическим показателям, по биотическим показателям, по независимо учитываемым показателям обеих групп, по результатам их интеграции

Как известно, оценка качества среды и антропогенных изменений водных экосистем может производиться и по их абиотическим параметрам, и по биотическим (т.е. с применением биоиндикации). Оба подхода имеют свои преимущества и недостатки. Абиотические параметры удобнее тем, что непосредственно характеризуют состав среды, в частности, ее конкретные негативные изменения, причем имеют строгое количественное выражение. Однако получить по ним полную характеристику среды невозможно, т.к. главный критерий - реакция на нее биоты - остается неучтенным. Кроме того, современные антропогенные воздействия на водные экосистемы, как правило, весьма сложны, и даже при контроле значительного количества абиотических параметров всегда остается сомнение, что какие-либо влиятельные факторы все же остались неучтенными. Наконец, реакция экосистем существенно зависит не только от состава факторов, но и от их взаимодействия. Все это весьма затрудняет оценку состояния экосистемы и качества водной среды по одним лишь абиотическим параметрам.

Таблица 1. Преимущества и недостатки подходов к оценке воздействия на окружающую среду (ОВОС) по абиотическим и биотическим показателям.

№	Подход	Преимущества	Недостатки	Примеры
1	Оценка по абиотическим показателям	Известны значения ряда конкретных факторов	ОВОС часто неточна или принципиально ошибочна из-за: 1. недостатков всей системы ПДК 2. малой доли учтенных факторов 3. неверного учета синергизма 4. местных (фоновых) особенностей среды	Перечни ПДК и ОБУВ, ИСО 10304-1:1992, 10703:1997, 11732:1997, и др.
2	Оценка по биотическим показателям	Многие методы гарантируют весьма надежную ОВОС	Лимитирующие факторы и их значения неизвестны	ИСО 9998:1991, 10707:1994, 11733:1995, 10705:1995 метод Вудивисса, шкалы сапробности, и др.
3	Оценка по абиотическим и биотическим показателям отдельно, сравнение результатов	Надежность ОВОС выше, чем при 1,2, за счет сравнения абиотических и биотических показателей. Известны значения ряда факторов.	Вероятность недоучета части лимитирующих факторов остается значительной. Закономерности детерминации состояния среды лимитирующими факторами остаются неизвестными.	ГОСТы "Охрана природы" (17.1.3.07-82, 17.1.3.08-82, и др.), СниП 2.1.4.559.-96, "Бельгийский" метод, и др.
4	Оценка на основе связи биотических и абиотических показателей	Устанавливаются и лимитирующие факторы, и закономерность их действия. Надежность ОВОС максимальна. Лучшая основа для экологического нормирования и регуляции среды.	Наибольшая трудоемкость, наиболее высокие требования к квалификации экологов	ГОСТы "Охрана природы"(17.1.3.07-82, 17.1.3.08-82, и др.), СниП 2.1.4.559.-96, "Бельгийский" метод, и др.

Преимущество использования биотических параметров (биоиндикации) заключается в их большей надежности и объективности. Состояние биоты определяется всем состоянием среды и четко реагирует на негативные воздействия любого происхождения, независимо от их учета и степени изученности (Дьячков, 1984; Алимов, 1989, 1994; Криволуцкий, 1990; Соколов и др., 1990; Chaphekar, 1991; Aviles, 1992; Шуйский, 1997; и др.). Но, адекватно отражая степень негативного воздействия в целом, биоиндикация не объясняет, какими именно факторами оно создается.

Наиболее эффективным оказывается сочетание обоих подходов. Этот прием все шире входит в практику оценки качества воды (Harsany, 1986; Верниченко, 1988; Reynoldson, Zarll, 1989; Bervoets e.a., 1989; Масленникова, Скорняков, 1993; и др.).

Определение ряда биотических показателей, наряду с традиционными абиотическими, уже предусмотрено нормативными природоохранными документами (например, ГОСТ 17.1.3.07-82 "Охрана природы. Гидросфера. Правила контроля качества воды водоемов и водотоков"; ГОСТ 17.1.2.04-77. Охрана природы. Гидросфера. Показатели состояния и правила таксации рыбохозяйственных объектов"; "Временные методические указания по комплексной оценке качества поверхностных вод по гидрохимическим показателям". Указание Госкомгидромета № 250-1163 от 22.09.86г.; и др.).

Однако обычно при этом абиотические и биотические параметры рассматриваются по отдельности, без учета их взаимосвязи. Несомненно, простое расширение перечня учитываемых параметров тоже в какой-то мере повышает надежность оценки качества среды. Но для адекватного экологического нормирования необходимо не только выбирать наиболее показательные абиотические и биотические характеристики экосистемы, но и обязательно учитывать закономерности реакции биоты на изменения среды.

При этом состояние всей среды в целом достаточно надежно оценивается по результатам биоиндикации, а прямая оценка физико-химических характеристик помогает разобраться, какие из антропогенных факторов наиболее сильно ухудшают среду и как именно это происходит.

1.2 Биоиндикация и биотестирование

Существует два методологически различных решения оценки состояния среды по характеристикам биоты: биотестирование и биоиндикация.

Биотестирование - это оценка качества среды при активном вмешательстве в природные процессы, путем постановки эксперимента в природных или лабораторных условиях. Суть биотестирования сводится к определению последствий взаимодействия подопытных организмов ("тест-объектов") с испытываемой средой. Примерами экспериментов по биотестированию среды в лабораторных и природных условиях могут служить, соответственно, опыты по определению скорости биохимического потребления кислорода (БПК) и первичной продукции планктона (PP). Значения БПК характеризуют степень загрязненности воды легкоминерализуемыми органическими веществами, значения PP --степень насыщенности воды биогенными элементами (соответствующие лабораторные работы описаны в лабораторном практикуме по предмету "Инженерная экология"). В этих опытах тест-объектом является сообщество всех планктонных организмов, населяющих испытываемую среду. Иногда в опытах по биотестированию среды тест-объекты вносятся в нее искусственно. Для этого используются животные определенного вида, с известными экологическими характеристиками. Тест-объекты длительно выдерживают в сосудах с испытываемой средой, разбавленной чистой водой в различной кратности. О степени вредности и опасности среды судят, сопоставляя изменения характеристик тест-объектов при различной продолжительности опыта в сопоставляемых средах. Такими характеристиками служат выживаемость, плодовитость, заболеваемость, скорость роста и индивидуального развития, особенности поведения, различные структурно-функциональные изменения организмов. В качестве стандартных тест-объектов принято использовать, например, бактерий Esherichia coli, инфузорий родов Paramecium и Tetrachimena, веслоногих рачков Daphnia magna, икру и личинок лососевых рыб, и мн. др.

Биоиндикация - это оценка качества среды по состоянию тех или иных представителей ее населения - биоты, осуществляемая путем наблюдения за ними, без активного (экспериментального) вмешательства в природные процессы. Объектами таких наблюдений могут служить биосистемы любого уровня организации.

Оценка качества среды производится по качественным и количественным индикаторным признакам. Ими служат те характеристики наблюдаемых биосистем, которые наиболее полно и точно отражают степень их благополучности.

1.3 Биологический мониторинг, как компонент биологического контроля состояния среды. Его роль в экологическом мониторинге

мониторинг биотический экосистема биоиндикация

Длительное время наблюдения производились лишь за изменениями состояния природной среды, обусловленными естественными (природными) причинами. В последние десятилетия во всем мире резко возросло воздействие человека на окружающую среду, стало очевидным, что бесконтрольная эксплуатация природы может привести к весьма серьезным негативным последствиям. В связи с этим возникла еще большая необходимость в детальной информации о состоянии биосферы.

Известно, что состояние биосферы изменяется под влиянием естественных и антропогенных воздействий. Состояние биосферы, непрерывно меняющееся под влиянием естественных причин, как правило, возвращается в первоначальное (изменения температуры и давления, влажности воздуха и почвы, колебания которых в основном происходят около некоторых относительно постоянных средних значений, сезонные изменения биомассы растительности и животных, и т.д.). Средние величины, характеризующие состояние биосферы (ее климатические характеристики в любом районе земного шара, природный состав различных сред, круговорот воды, углерода и других веществ, глобальная биологическая продуктивность) существенно изменяются лишь в течение очень длительного времени (тысяч, иногда даже сотен тысяч и миллионов лет). Крупные равновесные экологические системы, геосистемы под влиянием природных процессов меняются также чрезвычайно медленно.

Изменения состояния биосферы под влиянием антропогенных факторов могут происходить весьма быстро. Так, изменения, происшедшие по этим причинам в некоторых элементах биосферы за последние несколько десятков лет, сравнимы с некоторыми естественными изменениями, происходящими за тысячи и даже миллионы лет. Естественные изменения состояния окружающей природной среды, как кратковременные, так и длительные, в значительной степени наблюдаются, изучаются существующими во многих странах геофизическими службами (гидрометеорологической, сейсмической, ионосферной, гравиметрической, магнитометрической и др.). Для того чтобы выделить антропогенные изменения на фоне естественных (природных), возникла необходимость в организации специальных наблюдений за изменением состояния биосферы под влиянием человеческой деятельности.

Систему повторных наблюдений одного и более элементов окружающей природной среды в пространстве и во времени с определенными целями, в соответствии с заранее подготовленной программой, было предложено называть мониторингом. Термин "мониторинг" появился перед проведением Стокгольмской конференции ООН по окружающей среде (Стокгольм, 5--16 июня 1972 г.). Первые предложения по поводу такой системы были разработаны экспертами специальной комиссии СКОПЕ (Научный комитет по проблемам окружающей среды) в 1971 г. Данный термин появился в противовес и в дополнение к термину "контроль", в трактовку которого включалось не только наблюдение и получение информации, но и элементы активных действий, элементы управления. Мониторингом антропогенных изменений окружающей природной среды следует считать систему наблюдений, позволяющую выделить изменения состояния биосферы под влиянием, человеческой деятельности.

Основным документом, определяющим и регулирующим природоохранительную деятельность в Российской Федерации, является Закон "Об охране окружающей природной среды". В соответствии со статьей 68 Закона:

"Экологический контроль ставит своими задачами: наблюдение за состоянием природной среды и ее изменением под влиянием хозяйственной или иной деятельности; проверку выполнения планов и мероприятий по охране природы, рациональному использованию природных ресурсов, оздоровлению окружающей природной среды, соблюдению требований природоохранительного законодательства и нормативов качества окружающей природной среды. Система экологического контроля состоит из государственной службы наблюдения за состоянием окружающей среды, государственного, производственного и общественного контроля". В широком смысле слова экологический контроль - это деятельность государственных органов, предприятий и граждан по соблюдению экологических норм и правил; соответственно различают государственный, производственный и общественный экологический контроль.

Система мониторинга может охватывать как локальные районы, так и земной шар в целом (глобальный мониторинг). Основной особенностью системы глобального мониторинга является возможность на основании данных этой системы оценки состояния биосферы в глобальном масштабе.

Национальным мониторингом обычно называют систему мониторинга в рамках одного государства; такая система отличается от глобального мониторинга не только масштабами, но и тем, что основной задачей национального мониторинга является получение информации и оценка состояния окружающей среды в национальных интересах. Так, повышение уровня загрязнения атмосферы в отдельных городах или промышленных районах может и не иметь существенного значения для оценки состояния биосферы в глобальном масштабе, но представляется важным вопросом для принятия мер в данном районе, мер на национальном уровне. Глобальная система мониторинга должна основываться на подсистемах национального мониторинга, включать элементы этих подсистем. Иногда применяют термин "трансграничный", или "международный", мониторинг. По-видимому, правильнее всего этот термин употреблять для систем мониторинга, используемых в интересах нескольких государств (для рассмотрения вопросов трансграничного переноса загрязнений между государствами и т. п.).

В России система мониторинга реализуется на нескольких уровнях:

импактном (изучение сильных воздействий в локальном масштабе);

региональном (проявление проблем миграции и трансформации загрязняющих веществ, совместного воздействия различных факторов, характерных для экономики региона);

фоновом (на базе биосферных заповедников, где исключена всякая хозяйственная деятельность).

На территории бывшего СССР функционировала Общегосударственная служба наблюдений и контроля состояния окружающей среды (ОГСНК). В 1993 году принято решение о создании Единой государственной системы экологического мониторинга (ЕГСЭМ) - принципиально новой межведомственной информационно-измерительной системы, формируемой с опорой на территориальные звенья в субъектах Российской Федерации и ориентированной на комплексную оценку и прогноз состояния окружающей природной среды в РФ с целью информационной поддержки принятия управленческих решений.

В соответствии с нормативными правовыми документами общее руководство созданием и функционированием ЕГСЭМ и координация деятельности государственных органов исполнительной власти в области мониторинга окружающей природной среды возложены на Госкомэкологию России. При координации Госкомэкологии ведутся работы по созданию и развитию территориальных подсистем ЕГСЭМ (ТСЭМ) на экспериментальных территориях (республики: Алтай, Мордовия, Чувашия; области: Вологодская, Калужская, Курганская, Пермская, Оренбургская, Челябинская; автономные округа: Ханты-Мансийский, Ямало-Ненецкий; эколого-курортный регион Кавказские Минеральные Воды). В настоящее время количество субъектов Российской Федерации, в которых развернуты работы по созданию ТСЭМ, приближается к 50 (Государственный доклад Госкомэкологии, 2000 г.).

ЕГСЭМ как центр единой научно-технической политики в области экологического мониторинга должна обеспечивать:

координацию разработки и выполнения программ наблюдений за состоянием окружающей среды;

регламентацию и контроль сбора и обработки достоверных данных;

хранение информации, ведение специальных банков данных;

деятельность по оценке и прогнозу состояния объектов окружающей природной среды, природных ресурсов, откликов экосистем и здоровья населения на антропогенное воздействие;

доступность экологической информации широкому кругу потребителей.

Цели программы Глобальной системы мониторинга окружающей среды (ГСМОС) - предупреждение об угрожающих здоровью человека изменениях состояния природной среды, связанных с загрязнением, о стихийных бедствиях, экологических проблемах.

Итак, мониторинг является многоцелевой информационной системой. Его основные задачи: наблюдение за состоянием биосферы, оценка и прогноз ее состояния; определение степени антропогенного воздействия на окружающую среду, выявление факторов и источников такого воздействия, а также степени их воздействия.

Мониторинг включает следующие основные направления деятельности:

1) наблюдение за факторами, воздействующими на окружающую природную среду, и за состоянием среды;

2) оценку фактического состояния природной среды;

3) прогноз состояния окружающей природной среды и оценку этого состояния.

Таким образом, мониторинг - это система наблюдений, оценки и прогноза состояния природной среды, не включающая управление качеством окружающей среды.

Наиболее универсальным подходом к определению структуры системы мониторинга антропогенных изменений природной среды является его разделение на блоки:

"Наблюдения",

"Оценка фактического состояния",

"Прогноз состояния",

"Оценка прогнозируемого состояния"

Блоки "Наблюдения" и "Прогноз состояния" тесно связаны между собой, так как прогноз состояния окружающей среды возможен лишь при наличии достаточно репрезентативной информации о фактическом состоянии (прямая связь). Построение прогноза, с одной стороны,. подразумевает знание закономерностей изменений состояния природной среды, наличие схемы и возможностей численного расчета, с другой - направленность прогноза в значительной степени должна определять структуру и состав наблюдательной сети (обратная связь).

Данные, характеризующие состояние природной среды, полученные в результате наблюдений или прогноза, должны оцениваться в зависимости от того, в какой области человеческой деятельности они используются (с помощью специально выбранных или выработанных критериев). Оценка подразумевает, с одной стороны, определение ущерба от воздействия, с другой - выбор оптимальных условий для человеческой деятельности, определение существующих экологических резервов. При такого рода оценках подразумевается знание допустимых нагрузок на окружающую природную среду.

Информационные геофизические системы, так же как и информационная система мониторинга антропогенных изменений, являются составной частью системы управления, взаимодействия человека с окружающей средой (системы управления состоянием окружающей среды), поскольку информация о существующем состоянии природной среды и тенденциях его изменения должна быть положена в основу разработки мер по охране природы и учитываться при планировании развития экономики. Результаты оценки существующего и прогнозируемого состояния биосферы в свою очередь дают возможность уточнить требования к подсистеме наблюдений (это и составляет научное обоснование мониторинга, обоснование состава и структуры сети и методов наблюдений).

Поскольку оценка фактического и прогнозируемого состояния природной среды является составной частью мониторинга, некоторые авторы идентифицируют эту часть мониторинга с элементом управления состоянием природной среды. Наблюдения за состоянием окружающей природной среды должны включать наблюдения за источниками и факторами антропогенного воздействия (в том числе источниками загрязнений, излучений и т. п.), за состоянием элементов биосферы (в том числе за откликами живых организмов на воздействие, за изменением их структурных и функциональных показателей. При этом подразумевается получение данных о первоначальном (или фоновом) состоянии элементов биосферы.

Указанный подход охватывает слежение за всем циклом антропогенных воздействий - от источников воздействия до влияния и реакций отдельных природных сред и сложных экологических систем. В территориальном масштабе приоритет отдается городам, источникам питьевой воды и местам нерестилищ рыб. В отношении сред наблюдений первоочередного внимания заслуживают атмосферный воздух и вода пресных водоемов.

Основной задачей биологического мониторинга является определение состояния биотической составляющей биосферы, ее отклика, реакции на антропогенное воздействие, определение функции состояния и отклонения этой функции от нормального естественного состояния на различных уровнях организации биосистем.

Исследование содержания различных ингредиентов в биоте лишь условно можно отнести к биологическому мониторингу. Этот вопрос относится к измерению загрязнителей в различных средах. К биологическому мониторингу можно отнести также наблюдения за состоянием биосферы с помощью биологических индикаторов.

Биологический мониторинг включает мониторинг живых организмов-популяций (по их числу, биомассе, плотности и другим функциональным и структурным признакам), подверженных воздействию. В этой подсистеме мониторинга целесообразно выделить следующие наблюдения:

а) за состоянием здоровья человека, воздействием окружающей среды на человека (медико-биологический мониторинг);

б) за важнейшими популяциями как с точки зрения существования экосистемы, характеризующей своим состоянием благополучие той или иной экосистемы, так и с точки зрения большой хозяйственной ценности (например, ценные сорта рыб);

в) за наиболее чувствительными к данному виду воздействия (либо к комплексному воздействию) популяциями (например, растительность к воздействию двуокиси серы) или за "критическими" популяциями по отношению к данному воздействию (например, зоопланктон эпишура в оз. Байкал к сбросам целлюлозных предприятий);

г) за популяциями-индикаторами (например, лишайники).

Особое место в биологическом мониторинге должен занять генетический мониторинг (наблюдение возможных изменений наследственных признаков у различных популяций).

Экологический мониторинг (глобальный мониторинг биосферы) является более универсальным, он обобщает результаты и биологического, и геофизического мониторинга на уровне экологических систем.

В настоящее время наиболее развита система биологического мониторинга поверхностных вод (гидробиологический мониторинг) и лесов. Однако даже в этих областях биологический мониторинг существенно отстает от мониторинга абиотических характеристик среды - как по методологическому, методическому и нормативному обеспечению, так и по количеству наблюдений. Например: наблюдениями за загрязнением поверхностных вод суши по гидрохимическим показателям охвачены 1166 водных объектов. Отбор проб ведется на 1699 пунктах (2342 створа) по физическим и химическим показателям с одновременным определением гидрологических показателей. В то же время, наблюдения за загрязнением поверхностных вод суши по гидробиологическим показателям производятся лишь в пяти гидрографических районах, на 81 водном объекте (по 170 створам), причем программа наблюдений включает от 2 до 6 показателей. Сеть комплексного мониторинга загрязнения природной среды и состояния растительности (СМЗР) насчитывает всего 30 постов, которые располагаются на территории 11 УГМС (контролирующие органы: Рослесхоз, Госкомэкология России).

В работах по созданию Единой государственной системы экологического мониторинга (ЕГСЭМ) принимает участие Госкомрыболовство России (создание Единой государственной системы мониторинга водных биоресурсов, наблюдений и контроля за деятельностью российских и иностранных рыболовных судов с использованием космических средств связи и специализированных информационных технологий). Мониторинг водных биоресурсов предусматривает:

- мониторинг объектов животного мира, принадлежащих к объектам рыболовства;

- мониторинг состояния загрязнения биоресурсов рыбохозяйственных водоемов Российской Федерации и среды их обитания. (Синхронный мониторинг среды обитания промысловых видов рыб специфичен и совершенно необходим для правильного понимания океанологических основ биопродуктивности, прогноза ОДУ и охраны наиболее ценных гидробионтов);

- информационный бюллетень "Радиационная обстановка в рыбопромысловых районах Мирового океана";

- отраслевой кадастр промысловых рыб Российской Федерации.

Сейчас работы в области биологического мониторинга (в том числе мониторинга биогеоценозов и мониторинга редких и охраняемых видов растительного и животного мира) активно проводятся в ряде регионов и, с учетом принципа ориентации ЕГСЭМ на экосистемный подход при определении качества окружающей природной среды, заслуживают особого внимания. Например, в Тюменской области в 1998-2000 годы успешно реализован 1 этап программы "Создание Единой территориальной системы экологического мониторинга Тюменской области". При этом разработаны методики ведения экологического мониторинга основных биогеоценозов, организована сеть постоянных, опытных площадей для его осуществления в южной зоне области. В Амурской области функционирует подсистема мониторинга растительного и животного мира в части редких и охраняемых видов (МРЖМ) в рамках АМУРСЭМ. Разработана, апробирована и утверждена программа по МРЖМ на период до 2005 г., и др. Развитие системы биомониторинга России отнесено к одной из наиболее актуальных прородоохранных задач (Государственный доклад Госкомэкологии, 2000 г.).

В деятельности, связанной с созданием ЕГСЭМ, существенное место занимают работы по международным проектам экологического мониторинга, координация и научно-методическое обеспечение которых возложены на Госкомэкологию России (проекты "Глобальный экологический мониторинг" Российско-Американской комиссии по экологическому и технологическому сотрудничеству, ГРИД/ЮНЕП, Арктический мониторинг и оценка (АМАП), Арктическая директория данных (АДД), Сеть мониторинга кислотных выпадений в Восточной Азии (EANET) и др.), а также работы по созданию Межгосударственной системы экологического мониторинга стран СНГ - членов Межгосударственного экологического совета (МЭС) Межгосударственного экономического комитета (МЭК). В 1999 подписано Соглашение о сотрудничестве в области экологического мониторинга государств-участников СНГ.

2. Биосистемы различных уровней организации и их индикаторные характеристики. Биоразнообразие

Как известно, современные формы жизни весьма разнообразны. Из множества классификаций этого разнообразия отметим лишь наиболее практически важные.

По длине (наибольшему линейному размеру) организмы делятся на три категории:

1) нанобионты (длина менее 50 мкм), изучаемые нанобиологией;

2) микробионты, или "микробы" (50 - 500 мкм), изучаемые микробиологией;

3) макробионты (более 500 мкм), изучаемые макробиологией.

По способу питания организма выделяют следующие категории:

1) автотрофы (дословно: "самопитающие") - организмы, потребляющие исключительно неорганические вещества и производящие их них органические вещества (благодаря фотосинтезу, как растения, или хемосинтезу, как некоторые бактерии).

2) гетеротрофы ("питающиеся другими") - организмы, способные поедать органическое вещество, произведенное другими организмами (например, животные).

3) редуценты ("упрощающие", "разлагающие") - разлагающие органические остатки и продукты жизнедеятельности автотрофов и гетеротрофов до более простых органических и, в итоге, до неорганических веществ (некоторые бактерии, грибы, и др.).

Наряду с понятиями "автотрофы" и "гетеротрофы", используются также сходные, но не идентичные им понятия "продуценты" и "консументы".

Продуценты - организмы, способные производить органическое вещество из неорганического.

Консументы - организмы, потребляющие исключительно органическое вещество, произведенное другими организмами.

Иногда понятия "автотрофы" и "продуценты", а также "гетеротрофы" и "консументы" ошибочно отождествляют, однако они не всегда совпадают. Например, сине-зеленые (Cyanea) способны и сами производить органическое вещество с использованием фотосинтеза, и потреблять его в готовом виде, причём разлагая до неорганических веществ. Следовательно, они являются гетеротрофами - но не консументами, а продуцентами и редуцентами одновременно.

Структурное разнообразие и родство различных форм жизни изучается двумя взаимосвязанными науками - систематикой и таксономией.

Систематика - биологическая наука о разнообразии, классификации организмов и родственных отношениях между ними.

Таксономия (от гр. "фбойт" - расположение, порядок) - биологическая наука, определяющая методологию и методы иерархической классификации организмов в зависимости от степени их родства.

Таксон - общее название классификационных единиц различного ранга, показывающих место объекта в системе. В биологии выделяют несколько основных таксонов, соответствующих разному уровню родства различных форм жизни.

Основным таксоном является вид. Близкие друг другу виды объединяются в род - таксон несколько более высокого ранга.

Названия видов даются на латинском языке, согласно бинарной (двойной) номенклатуре, предложенной еще К. Линнеем: первое слово, существительное - название рода, второе, обычно прилагательное - название вида (например, бабочка Pieris brassicae - белянка капустная). Общее количество известных сейчас видов превышает 30 миллионов, из которых более 90% составляют насекомые.

Близкородственные роды, в свою очередь, объединяются в семейства, семейства - в отряды, отряды - в классы, классы - в типы.

Например, кошка домашняя относится к типу хордовых (Chordata), классу млекопитающих (Mammalia), отряду хищных (Carnivora), семейству кошачьих (Felidae), роду кошек (Felis), виду Felis maniculata.

Кроме того, систематики часто используют также таксоны промежуточных рангов (подсемейства, надотряды, подтипы, и т.д.).

Тип является высшей систематической категорией. Однако различные типы живых организмов относительно условно объединяются также в еще более крупные группы - разделы и, наконец, царства.

До середины XX века систематики выделяли лишь два царства клеточных форм жизни - растения (изучаемые наукой ботаникой) и животные (изучаемые зоологией).

По мере выявления все большего количества принципиальных структурных различий разных форм жизни количество выделяемых царств постепенно увеличивалось. К настоящему времени представители различных систематических школ по-разному оценивают необходимое количество выделяемых царств - от четырех-пяти (монеры, или прокариоты; протисты - одноклеточные эукариоты; грибы; растения; животные) до нескольких десятков. Все более широкое признание получает система выделения царств по А.Г. Заварзину, согласно которой клеточные формы жизни следует подразделять на семь царств:

1) бактерии (Bacteria)

2) синезеленые (Cyanea)

3) водоросли (Algae)

4) грибы (Fungi)

5) растения (Plantae)

6) простейшие (Protozoa)

7) животные (Animalia)

Тем не менее, в литературе до сих пор часто встречается деление всех живых организмов на три основные группы: животных, растений и микробов (изучаемых, соответственно, зоологией, ботаникой и микробиологией). Такая классификация неверна, прежде всего, потому, что сочетает совершенно несовместимые критерии: систематический (царства растений и животных) и размерный (микробы - организмы любой систематической принадлежности длиной от 50 до 500 мкм). При этом некоторые организмы соответствуют сразу двум категориям (например, к животным и микробам, как многие простейшие и др.). Другие организмы, наоборот, не попадают ни в одну из категорий (например, крупные водоросли, грибы и др.). Используя ту или иную классификацию форм жизни, во избежание подобных ошибок следует исходить из единого критерия: различать организмы по их размерам, структурным особенностям, таксономической принадлежности, способам питания и т.п.

2.1 Уровни организации биологических объектов (биосистем)

Одним из основных свойств всего живого является иерархичность, системность организации. Термин "система" (от гр. "ухуфзмб" - целое, составленное из частей) означает совокупность взаимосвязанных элементов, образующая определенную целостность, единство. Система характеризуется не только наличием связей и отношений между ее элементами, но и непрерывным единством с окружающей средой, во взаимодействии с которой проявляет свою целостность. Представление о системе, основы которого заложены еще Евклидом, Платоном и Аристотелем, постоянно развивается, а с середины XX века стало одним из ключевых философско-методологических и специально-научных понятий. Основоположником современной общей теории систем считается Людвиг ван Берталанфи (1969).

Согласно теории систем, следует различать совокупные (аддитивные) и эмерджентные свойства объекта, состоящего из компонентов. Совокупные, или аддитивные (от лат. "addo" - добавлять) свойства представляют собой сумму свойств компонентов. Эмерджентные (от англ. "emergot" - неожиданно появляться) - качественно новые свойства объекта, которые нельзя составить из свойств компонентов или предсказать по ним. Система по определению имеет эмерджентные свойства, появляющиеся благодаря специфическому для нее способу взаимосвязи, интеграции элементов.

В биологии принято выделять следующие основные уровни организации биологических объектов (биосистем):

1. Молекулы и молекулярные комплексы (например, молекулы белка, нуклеиновых кислот; молекулярные комплексы - гены, вирусы, и т.п.).

2. Органоиды, или органеллы клеток (например, митохондрии, рибосомы, хлоропласты, и т.п.).

3. Клетки (организма или клеточной культуры).

4. Ткани (например, ксилема, кровь, различные формы эпителия и т.п.).

5. Органы (например, сердце, печень, гепатопанкреас - у беспозвоночных животных, и т.п.).

6. Системы органов (например, сердечно-сосудистая, пищеварительная, дыхательная, и т.п.).

7. Организмы (например, одноклеточный организм - амёба или многоклеточный организм - человек).

8. Популяции и субпопуляционные (внутрипопуляционные) структуры. Популяция (от лат. "populus" - народ, население) может быть определена как любая способная к самовоспроизведению совокупность особей одного вида, более или менее изолированная в пространстве и времени от других аналогичных совокупностей особей того же вида (Гиляров, 1990). К субпопуляционным структурам относятся различные внутрипопуляционные группировки особей.

9. Ценозы (сообщества живых организмов) различного ранга, включая биоценозы.

Сообщество, или ценоз (от гр. "чпйнпт" - совместно, сообща) - совокупность живых организмов определенной категории, одновременно населяющих определенную область пространства.

В целом, категории учитываемых организмов и размер изучаемой области пространства могут выбираться экологом произвольно, в удобном соответствии с целью проводимого им исследования. Однако наиболее целесообразно изучать сообщества в пределах биотопа. Биотоп (от гр. "фпрпт" - место; дословно - "место жизни"; синоним - экотоп) - относительно однородный участок естественного (природного) пространства, качественно отличающийся от соседних участков и имеющий с ними более или менее четкие границы. Обычно структура сообществ в основном определяется свойствами биотопа. Поэтому в разных биотопах сообщества существенно различаются, а в пределах биотопа - сравнительно однородны.

Наиболее полным и системно организованным сообществом является биоценоз (Mцbius, 1877) - совокупность особей всех видов, одновременно населяющих биотоп и взаимосвязанных между собой и с биотопом потоками вещества, энергии и информации. Эта взаимосвязь может проявляться постоянно или периодически.

В экологии используется также термин "биота" (от гр. "вйпфз" - жизнь) - совокупность особей всех видов, населяющих определенный участок пространства. Термины "биоценоз" и "биота" не являются синонимами. В отличие от биоценоза, понятие биоты может применяться к сообществу всех биологических видов на любой, произвольно выбираемой исследователем части территории или акватории, не обязательно соответствующей определению биотопа. Кроме того, биота часто рассматривается не как биосистема, а как простая совокупность организмов всех видов, без учета их взаимоотношений.

9. Экологические системы (экосистемы) различного ранга, включая биогеоценозы. Экосистема (Tansley, 1935) - совокупность обитающих вместе и взаимодействующих организмов всех видов, а также физических и химических компонентов среды, необходимых для их существования или являющихся продуктом их жизнедеятельности.

Частным случаем экосистемы является биогеоценоз - "совокупность на известном протяжении земной поверхности однородных природных явлений (атмосферы, горной породы, почвы и гидрологических условий, растительности, животного мира и мира микроорганизмов), имеющая свою специфику взаимодействия этих компонентов и определенный тип обмена веществом и энергией между собой и другими явлениями природы" (Сукачев, 1940, 1942). Иными словами, биогеоценоз представляет собой биосистему, интегрирующую биотоп и его биоценоз.

В отличие от биогеоценоза, экосистема может иметь и искусственное происхождение, искусственно установленные границы, а также значительную внутреннюю неоднородность (например, экосистема капли воды, Мирового океана, аквариума, космического корабля). Таким образом, к биогеоценозам относятся лишь экосистемы биотопов.

10. Экосфера Земли (Kohl, 1958) - глобальная экосистема, объединяющая все современные экосистемы Земли.

11. Биосфера Земли (Zьss, 1873, Вернадский, 1919, 1926) - область земной поверхности, населенная жизнью или сформированная при участии живых организмов. Биосфера - общепланетарная оболочка, охватывающая толщу тропосферы, гидросферы, осадочных, части гранитных и даже базальтовых пород литосферы, созданная в ходе всей геологической истории Земли.

При биологическом мониторинге оценка качества среды производится по качественным и количественным индикаторным признакам. Ими служат те характеристики наблюдаемых биосистем, которые наиболее полно и точно отражают степень их благополучности (таблица 2).

2.2 Сохранение биоразнообразия - залог сохранения устойчивости экосистем и биосферы

Показатели биоразнообразия относятся к наиболее важным характеристикам состояния биоты. Это обусловлено следующим:

Таблица 2. Некоторые индикаторные признаки биосистем различного уровня организации

Уровень организации биосистемы	Индикаторные признаки:
Суборганизменный	Степень активности ферментов, гормонов Частота и характер мутаций, уродств Структурно-функциональные характеристики клеточных органелл Гистологические изменения Концентрации поллютантов в тканях и органах
Организменный	Морфологические (частота и характер уродств) Физиологические (скорость роста, дыхания, обмена, питания, ассимиляции пищи, и т.д.)
Популяционный	Численность, плотность и продукция популяции, абсолютная и удельная скорость их изменения Характеристики размерно-весовой, возрастной, половой структуры популяции
Ценотический (уровень сообществ и биоценоза в целом)	Видовой состав, характеристики видового богатства и разнообразия сообществ Численность, плотность и продукция сообщества, абсолютная и удельная скорость их изменения Характеристики размерно-весовой, трофической структуры сообщества

Примечание: При биомониторинге необходимо учитывать тератогенный эффект загрязнителей, т.е. способность вызывать у тест-организмов различные уродства, пороки развития. Последствия действия тератогенных загрязнителей различны: в одних случаях тератогенез может охватывать лишь клеточные органеллы, отдельные клетки: в других - затрагивает ткани, органы и весь организм. Поэтому следует учитывать подобные изменения с помощью известных тест-систем, а также отрабатывать новые методы биоиндикации тератогенного действия загрязнителей.

1) Разнообразие и, особенно, видовой состав биоты, по сравнению с ее прочими характеристиками, в наибольшей степени детерминируется условиями среды.

2) Именно видовой состав является "ключевой" характеристикой биоты, во многом определяет ее остальные свойства. Для самых различных экосистем показано, что экзогенные нарушения видового состава сообществ, по-видимому, необратимы. Если видовой состав сообщества изменен, то, во-первых, уже произошедшие изменения остальных ценотических характеристик, скорее всего, также окажутся необратимыми, во-вторых, велик и риск их дальнейших непредсказуемых, иногда очень существенных и резких изменений. Неизменность видового состава сообществ, наоборот, обеспечивает обратимость вызванных изменений, восстановление исходных свойств сообществ после снятия воздействия, и является оптимальным критерием сохранения основных свойств сообществ в условиях воздействия.

3) Как известно, биота регулирует состояние экосистемы: обеспечивает ее устойчивость к воздействиям (определяет самоочищение экосистемы от загрязненений) и задает автогенную сукцессию. Поэтому сохранение биоразнообразия и, как следствие, стабильности биоты является и залогом сохранения исходных свойств экосистемы.

Соответственно, при оценке воздействия на экосистему следует, прежде всего, обращать внимание на изменение видового состава и разнообразия биоты. Видовое разнообразие сообщества принято оценивать специальными индексами, из которых наиболее широко применяем и надежен информационный индекс Шеннона-Уивера (H, бит/экземпляр):

H = -

где n - количество видов в сообществе,

Ni - плотность (или биомасса) i-го вида,

N - плотность (или биомасса) всего сообщества.

Определение видового состава сообществ водных организмов и основанных на нем показателей видового богатства и разнообразия требует от исследователя гораздо большей квалификации, чем определение общих количественных характеристик (плотность, биомасса и др.). Последние также важны для биоиндикации, однако их следует рассматривать как показатели дополнительные, зависимые от видового своеобразия и разнообразия.

3. Реакция биоты на антропогенные воздействия

3.1 Сукцессии экосистем

Экосистема создаётся единством её абиотической (неживой) и биотической (живой) составляющих, находящихся в сложном взаимодействии. Извне в экосистему поступают аллохтонные (инородные) минеральные и органические вещества и энергия (солнечной радиации, тепловая и др.). Используя солнечную энергию, организмы продуцентов образуют из минеральных веществ органические соединения, которые расходуют на своё жизнеобеспечение (R - траты на обмен) и образование продукции (P - рост и выделение продуктов обмена в окружающую среду). Продукция продуцентов называется первичной продукцией биоценоза.

Консументы первого порядка питаются продуцентами и также тратят получаемые при этом органические вещества на обмен и образование своей продукции. Консументы второго порядка (хищники), в свою очередь, потребляют консументов первого порядка, и т.д. Обычно в биоценозах имеются консументы сразу нескольких (n) порядков. Поскольку консументы образуют свою продукцию благодаря потреблению других организмов (консументов предыдущих порядков и продуцентов), она называется вторичной продукцией. Общая вторичная продукция всего биоценоза всегда оказывается меньше суммы величин продукции всех популяций консументов, поскольку часть её потребляется консументами-хищниками в пределах самого биоценоза.

Редуценты используют энергию органических веществ, содержащихся в телах отмерших продуцентов и консументов (а также в продуктах обмена, которые они выделяют в окружающую среду при жизни). Разложение редуцентами органических веществ до более простых соединений и, в итоге, до минеральных составляющих называется деструкцией органического вещества. Минеральные и органические вещества, возвращенные в абиотическую среду экосистемы вследствие отмирания организмов и деятельности редуцентов, называются биогенными (т.е. образовавшимися из живых организмов) и автохтонными (т.е. произведёнными в самой экосистеме). Минеральные автохтонные вещества снова используются продуцентами для создания первичной продукции, т.е. снова вовлекаются во внутренний круговорот веществ экосистемы.

Часто внутренний круговорот веществ оказывается ещё сложнее (см. рис. 6). Например, гетеротрофы-продуценты (сине-зеленые, некоторые бактерии) одновременно и создают первичную продукцию, и функционируют как редуценты. Многие хищники потребляет консументов не одного, а всех предыдущих порядков, а также продуцентов, редуцентов, особей своего же вида (каннибализм) и неживое органическое вещество; и т. д. Это делает потоки вещества и энергии в экосистемах нелинейными, создаёт сложно разветвлённую "трофическую (пищевую) сеть" биоценоза.

Часть продукции продуцентов, консументов и редуцентов переходит из экосистемы в окружающую её среду (экспорт продукции). Экспортируемая продукция используется в других экосистемах. Некоторая часть автохтонных и аллохтонных веществ безвозвратно утрачивается из внутреннего круговорота экосистемы, попадая в глубинные слои грунта, недоступные продуцентам. Накапливаясь, эти биогенные вещества постепенно преобразуют биотоп. Таким образом, внутренний круговорот веществ замкнут не полностью: он сопровождается постоянным более или менее интенсивным обменом веществами и энергией со средой, окружающей экосистему.

Внутренний круговорот энергии в экосистемах определяется круговоротом веществ, в которых она заключена, а также соотношением процессов поступления энергии извне и теплоотдачи в окружающую среду. Поэтому он ещё менее замкнут, более зависим от условий среды, окружающей экосистему, чем круговорот веществ.