Биологический мониторинг

Закономерное, направленное, необратимое изменение экосистемы называется её сукцессией (от лат. "successio" - преемственность). Периодические изменения состояния экосистем (суточная, годовая, многолетняя цикличность) не являются сукцессионными, т.к. они обратимы и ненаправленны. Сукцессия экосистемы может вызываться как внутренними, так и внешними факторами.

Автогенной называется сукцессия, обусловленная внутренними процессами самой экосистемы. Свойства биотопа определяют условия существования живых организмов, определяя видовой состав и структурно-функциональные характеристики биоценоза. Результаты жизнедеятельности биоценоза, в свою очередь, постепенно преобразуют условия биотопа, всё более увеличивая их отличия от условий среды, окружающей экосистему. Изменение биотопа вызывает очередное изменение биоценоза, и т.д. Установлено, что роль живых организмов в изменении абиотической окружающей среды превышает роль геологических процессов, как минимум, на четыре порядка (Горшков, 1988).

Аллогенной называется сукцессия, вызванная внешними воздействиями на экосистему (обусловленными природными явлениями или деятельностью человека - антропогенная сукцессия).

Естественная, автогенная сукцессия экосистем обычно характеризуется преобладанием процессов деструкции органического вещества над продукционными процессами (R/P >1), увеличением замкнутости внутреннего круговорота веществ и энергии и возрастанием способности экосистемы к саморегуляции. Аллогенная сукцессия, как правило, сопровождается обратными процессами (R/P <1), способность экосистемы к саморегуляции уменьшается.

Обмениваясь веществом и энергией, экосистемы взаимодействуют и создают единую (хотя и внутренне неоднородную) экосистему Земли - экосферу. Она также имеет внутренний и внешний (глобальный) круговороты веществ и энергии. Вертикальные границы экосферы определяются распространением веществ, вовлечённых в её внутренний и внешний круговорот (верхняя граница: несколько десятков метров над поверхностью суши или воды; нижняя граница: в наземных экосистемах - до поверхности горизонта грунтовых вод, в водных - до максимальной глубины сохранения биологической активности осадков).

Накопление и трансформация биогенных веществ, утраченных из внутреннего круговорота экосферы за всё время существования жизни (более 4 млрд. лет), сформировало биосферу Земли. Она охватывает приземные слои атмосферы до озонового слоя (25 - 30 км), всю гидросферу и верхние слои литосферы (до 3 км). Помимо живого и биогенного вещества, биосфера включает также биокосное вещество (продукты распада и переработки горных и осадочных пород живыми организмами) и косное вещество (горные породы неорганического происхождения). Современная экосфера занимает менее 1% биосферы. В основном, биосфера состоит из неживого вещества, ранее созданного живыми организмами (или при их участии) и давно исключённого из круговорота экосферы.

Деятельность человека (особенно - индустриальная) обусловила закономерное увеличение антропогенного воздействия на окружающую природную среду. Постепенно антропогенные (особенно - техногенные) факторы приобрели ведущую роль, стали преимущественно определять сукцессию многих экосистем и всей экосферы, всё больше влиять на состояние биосферы в целом. Биосфера вступила в стадию ноосферы (биосферы, состояние которой регулируется человеком). Исходно этот термин (Леруа, 1927; П.Т. де Шарден 1930; Вернадский, 1944) имел оптимистическое значение, т.к. подразумевал рациональный контроль и оптимальное использование биосферы человечеством. Однако реальная роль человека оказалось разрушительной и привела биосферу в катастрофическое состояние. Обеспечение рациональности природопользования стало необходимым условием сохранения биосферы и, в частности, выживания самого человечества.

3.2 Фоновые условия и фоновое состояние биоты

Выявление антропогенных изменений биоты возможно лишь путем сравнения ее состояния в условиях изучаемого воздействия и в фоновых условиях. Точность сравнения зависит от корректности выбора условий, являющихся фоновыми относительно условий изучаемого воздействия По отношению к условиям какого-либо изучаемого воздействия на биоту следует считать "фоновыми" такие условия, которые практически идентичны первым, но исключают само изучаемое воздействие. Выделяются 3 критерия фоновых условий (Занцинская, Шуйский, 1997):

1) все факторы, создающие изучаемое воздействие на биоту, здесь отсутствуют или не являются лимитирующими;

2) ни один из остальных факторов среды не лимитирует биоту в большей степени, чем в зоне воздействия;

3) значения всех естественных факторов среды не отличаются достоверно от таковых в зоне воздействия.

Состояние биоты в фоновых условиях, как соответствующее им и определяемое ими, следует считать "фоновым" относительно состояния биоты в условиях изучаемого воздействия. Если фоновые условия соответствуют данным критериям, то отличия значений характеристик биоты от их значений, соответствующих фоновому состоянию, могут расцениваться как последствия именно данного воздействия.

Наиболее надежное описание фонового состояния биоты можно получить по результатам натурных исследований. Если невозможно достаточно полно изучить фоновые условия, фоновое состояние биоты реконструируется с применением методов математического моделирования.

3.3 Формы устойчивости биосистем к воздействию

Понятие "устойчивости" в экологии относится к наиболее полисемантичным. Прежде всего, оно имеет два принципиально разных значения:

1) способность (биосистемы) длительно существовать, сохраняя свои основные свойства, или в неизменной среде, или в среде, возможные изменения которой не принимаются исследователем во внимание;

2) способность (биосистемы) противостоять внешнему воздействию, сохраняя свои свойства.

1) Относительное постоянство основных свойств какой-либо биосистемы в отсутствии нового, нарушающего внешнего воздействия на нее (или при рассмотрении биосистемы безотносительно внешних воздействий на нее) обозначается как "устойчивость" ("stability") (Hogg, Hubrman, 1989; Krager, Wooden, 1993; и др.), "стабильность" (Алимов, 1994), "стационарность" (Хмелевский, 1984), "живучесть" (Домбровский, Тютюнов, 1985), "персистентность" (Turner, 1985), и т.п. При этом постоянством свойств биосистемы считается или отсутствие существенной вариабельности значений ее характеристик, или длительное постоянство их средних значений.

При этом часто считают устойчивыми лишь те биосистемы (любого ранга), которые способны сами обеспечивать и поддерживать постоянство своих свойств - т.е. обладающие "гомеостазом" (часто понимаемым с позиций крайнего органицизма), замкнутостью или строгой сбалансированностью потоков энергии (Ryszkowski, Zyczynska-Baoniak, 1985; Pimm, Hyman, 1987; и т.п.). Однако биосистемы надорганизменного ранга недостаточно целостны и автономны для соответствия таким требованиям. Поэтому А.Ф. Алимов (1994) предлагает более реалистичный и удобный подход к оценке их стабильности: следует считать, что любая биосистема находится в стабильном состоянии, пока ее основные свойства остаются постоянными (без учета внутренних или внешних причин этого).

Таким образом, оценка резистентной устойчивости не дает количественного представления о реакции биосистем на внешние воздействия. Кроме того, результаты оценки резистентной устойчивости значительно зависят от представлений исследователя о допустимых пределах естественной вариабельности характеристик изучаемой биосистемы.

2) Способность какой-либо биосистемы не изменять основных свойств в условиях воздействия называется в литературе: "устойчивостью к воздействию" (Одум, 1986; Socha, 1987; Adler, 1994; и мн. др.); "выносливостью" (Алимов, 1994); "пластичностью" (Burgess, 1988); при оценке от обратного - "хрупкостью" (Hartmans, 1988); "чувствительностью" ("sensivity"); (Власов, 1994); и т.п. При этом выделяются "резистентная устойчивость к воздействию (резистентность)" и "упругая устойчивость к воздействию (упругость)". (По определению Ю. Одума (1986), соответственно: "способность сопротивляться нарушениям, поддерживая неизменной свою структуру и функцию" и "способность восстанавливаться после того, как структура и функции были нарушены").

Иногда устойчивость биосистемы трактуется, как способность сохранять непременно и резистентность, и упругость (Андреев, Котяцы, 1989; Lockwood, Pimm, 1994), но в этом, по-видимому, нет необходимости. При сверхпороговом уровне воздействия (потеря резистентности) биосистема начинает обратимо изменяться, а затем, при некотором более высоком уровне воздействия, вызванные изменения становятся необратимыми (потеря упругости). Следовательно, сохранение резистентной устойчивости всегда предполагает сохранение упругости, а потеря упругости означает, что до этого была потеряна резистентность.

Таким образом, сохранение сообществом (или иной биосистемой) упругой устойчивости к воздействию (обратимости вызванных изменений) является гораздо более существенным, информативным и четким критерием, чем сохранение резистентной устойчивости. По-видимому, для оценки упругости биосистем надорганизменного ранга непригодны показатели, используемые обычно для оценки резистентности и отражающие степень изменения их биомассы, численности и продукции (Драбкова, 1991; Smitalova, 1986; Моисеенкова, Хаскин, 1988; и мн.др.). Степень вариабельности количественных характеристик биосистемы не отражает степени обратимости их изменений. Иногда упругая устойчивость оценивается временем полного восстановления количественных характеристик биосистем или обратной величиной - скоростью восстановления (de Angelis, Bartell, Brenkert, 1989; Rapport, 1989; Бурковский, 1992; и др.). Но практически гораздо важнее выяснить тот предельно допустимый уровень воздействия, после которого изменения биосистемы становятся необратимыми (Adler, 1994).

Главной, "ключевой" характеристикой сообщества или биоты является его видовой состав (не только наиболее строго детерминируется условиями среды, но и задает основные характеристики сообщества, в частности, определяет обратимость их изменений). Соответственно, критерием сохранения или утраты упругой устойчивости любой экосистемы (как и экосферы Земли) к воздействию обоснованно следует считать сохранение или изменение исходного видового состава биоты.

4. Методы биологического мониторинга. Биоиндикация. Биотестирование

4.1 Закономерности влияния экологических факторов на биосистемы

Любой организм живет в окружении внешней среды, постоянно обмениваясь с ней веществами, энергией и информацией. Окружающая (внешняя) среда определяется как совокупность всех материальных тел, сил, явлений природы (естественных и вызванных деятельностью человека), находящихся в непосредственном контакте с организмом. Внутренняя среда любого организма существенно отличается от внешней. Для сохранения жизни организм вынужден постоянно поддерживать специфическое состояние своей внутренней среды, затрачивая на это не менее 1/3 (а часто - и значительно большую долю) энергии, получаемой из окружающей среды.

Окружающая среда создается совокупностью различных экологических факторов. Экологический фактор (от лат. "factor" - делающий) - агент, явление или любой компонент неживой или живой природы, оказывающий непосредственное физическое, химическое или биологическое влияние на живые организмы и на их взаимоотношения с другими организмами (того же самого вида и других видов). Количественная характеристика экологического фактора, адекватная его природе, называется значением фактора (например, значения температуры могут выражаться в градусах Цельсия, Кельвина и др., значения концентрации растворенного в воде кислорода - в мг л-1, значения скорости образования органического вещества продуцентами в толще воды - в мгл-1сут-1, и т.д.).

Экологические факторы часто подразделяют на три группы:

1) абиотические (т.е. факторы неживой природы);

2) биотические (факторы, обусловленные жизнедеятельностью других организмов);

3) антропогенные, или антропические (т.е. обусловленные деятельностью человека).

Однако эта классификация противоречива, т.к. антропогенные факторы тоже являются абиотическими или биотическими.

Целесообразнее подразделять факторы по их природе - на абиотические и биотические, а по их происхождению - на естественные, естественно-антропогенные и искусственные.

1) Естественными являются факторы, действующие в естественных условиях и не подвергающиеся антропогенным количественным изменениям.

2) Естественно-антропогенные факторы - это антропогенные количественные изменения естественных факторов, выход их значений за границы естественных диапазонов (в инженерной экологии принято называть естественно-антропогенные факторы "нарушениями" окружающей природной среды).

2) Искусственными являются факторы, исходно отсутствующие в естественных условиях и привнесенные в них человеком (в инженерной экологии принято называть искусственные факторы "загрязнениями" окружающей природной среды).

Естественно-антропогенные и искусственные факторы, обусловленные индустриальной деятельностью человека, определяются как техногенные факторы.

Для биосистем надорганизменных уровней организации различают факторы внутренние (действующие внутри самой биосистемы и входящие в её состав) и внешние (оказывающие на биосистему воздействие снаружи). Так, химические, физические и биологически показатели экосистемы (содержащиеся в ней вещества, характеристики грунта, численность популяций и т.п.) являются её внутренними факторами.

Воздействия извне (солнечная радиация, атмосферное давление, атмосферные осадки, антропогенные воздействия и т.п.) являются внешними факторами. Совокупность всех внешних факторов, действующих на любую биосистему, составляет окружающую её среду. При этом совокупность всех внешних абиотических факторов составляет абиотическую окружающую среду, совокупность внешних биотических факторов - биотическую окружающую среду.

Теоретически количество всевозможных экологических факторов, в той или иной степени действующих на любую биосистему, неограниченно велико. Однако практически большинство из них или вообще не способно оказывать сколько-нибудь заметного воздействия на изучаемую биосистему, или всегда находится в оптимальном для нее количестве (как, например, кислород, необходимый для жизни, но всегда имеющийся в нужном количестве в наземных экосистемах). Обычно количество факторов, реально влияющих на биосистему и определяющих ее состояние, сравнительно невелико (что и позволяет экологам количественно изучать их воздействие). Такие факторы называются императивными (от лат. "imperito" - господствовать) - т.е. главными, определяющими, или лимитирующими - т.е. ограничивающими, сдерживающими. Остальные факторы, не оказывающие достоверного влияния на биосистему, в экологических исследованиях обычно не учитываются.

Термин "лимитирующий фактор" предложен Ю. Либихом (Liebig, 1840), заметившим, что состояние биосистемы в основном определяется тем внешним экологическим фактором, который находится в наибольшем недостатке (т. наз. "закон минимума Либиха"). Позднее А. Митчерлих (Mitscherlich, 1909) указал, что для биосистем лимитирующими обычно являются сразу несколько факторов, причем общий эффект во многом определяется степенью их взаимодействия. В. Шелфорд (Shelford, 1913, 1929) уточнил, что лимитировать биосистему могут не только недостаточные, но и избыточные значения внешних факторов (т. наз. "закон толерантности Шелфорда").

При изучении влияния экологических факторов на биосистемы используются следующие понятия:

1). Пространство императивных экологических факторов - евклидово пространство, координаты которого сопоставлены императивным экологическим факторам, общее количество которых равно n:

е n = {(x1, x2, …, xn, …)}

2). Функция отклика биосистемы на экологические факторы. Реакция биосистемы на экологические факторы оценивается по соответствующим изменениям ее различных характеристик. Зависимость значений характеристики биосистемы от значений n экологических факторов выражается соответствующей функцией отклика этой характеристики на данные факторы:

f (X1, X2, ..., X n).

При этом функция отклика характеристики биосистемы на один из n императивных экологических факторов (X) (при некоторых фиксированных значениях остальных факторов) называется её частной функцией отклика на данный фактор (при данном сочетании остальных факторов) - f(X).

3). Функция благополучия биосистемы от экологических факторов. Очевидно, что далеко не любая характеристика биосистемы отражает ее общее состояние, степень благополучности. Значит, не все функции отклика могут быть содержательно использованы для оценки реакции биосистемы на экологические факторы. Функция отклика биосистемы на экологические факторы, которая достаточно обобщенно и полно характеризует степень ее благополучности при различных сочетаниях значений n императивных факторов, называется функцией благополучия изучаемой биосистемы от этих факторов: fб (X1, X2, ..., X n). Функция благополучия биосистемы от одного из n императивных экологических факторов (X) называется её частной функцией благополучия от данного фактора fб(X).

Значения различных функций благополучия принято нормировать так, чтобы они выражались единообразно, от 0 до 1 (при fб(X) =1 биосистема находится в состоянии максимального благополучия; при fб(X) =0 биосистема перестает существовать). Это облегчает оценку и сравнение значений разных функций благополучия биосистемы.

4). Анализ частной функции благополучия от экологического фактора fб(X) позволяет выделить следующие основные диапазоны его значений.

Диапазоны значений естественного или естественно-антропогенного фактора:

1) Диапазон оптимальных значений фактора (X opt) - диапазон его значений, при которых fб(X) =1.

2) Диапазоны cубоптимальных значений фактора (X sopt) - диапазоны его недостаточных избыточных значений, при которых значения функции благополучия уменьшаются обратимо (способны вернуться к исходному уровню fб(X) =1 при возвращении значений фактора в оптимальный диапазон).

3) Диапазоны пессимальных значений фактора (X pes) - диапазоны его недостаточных и избыточных значений, при которых значения функции благополучия уменьшаются необратимо (уже не способны вернуться к исходному уровню fб(X) =1 даже при возвращении значений фактора в оптимальный диапазон), но биосистема при этом все же сохраняет свое существование.

4) Диапазон толерантных значений фактора (X tol) - весь диапазон значений фактора, при которых биосистема может существовать неограниченно долго (включат диапазоны оптимальных, субоптимальных и пессимальных значений).

Диапазоны значений искусственного фактора. Оптимальным для биосистемы является отсутствие искусственного фактора или наличие в малых, не влияющих значениях. Значения функций благополучия биосистем уменьшаются только при избыточных значениях искусственных факторов. Поэтому для искусственных факторов диапазон толерантных значений включает только по одному диапазону оптимальных, субоптимальных и толерантных значений.

Сравнительный анализ функции благополучия различных биосистем от одного и того же внешнего фактора (или от одной и той же группы факторов) позволяет количественно сопоставлять их требовательность к условиям окружающей среды. Чем уже диапазоны оптимальных и толерантных значений учитываемых факторов, тем более требовательной к условиям среды (или стенобионтной - от гр. "уфенпт" - узкий) является данная биосистема. Биосистемы, характеризующиеся сравнительно широкими диапазонами толерантных и оптимальных значений факторов, называются эврибионтными (от гр. "ехсх" - широко).

Разные функции благополучия могут иметь весьма различную чувствительность к лимитирующим факторам. Важно, чтобы благополучие биосистемы не нарушалось при воздействии ни по одному из показателей. Поэтому при изучении внешних воздействий на биосистему обычно анализируют сразу несколько (m) функций ее благополучия и оценивают воздействие по наиболее чувствительной из них. Для этого по результатам анализа каждой из m функций благополучия устанавливаются вышеуказанные диапазоны значений лимитирующих факторов. Затем сравниваются m вариантов каждого диапазона, полученных при анализе m разных функций благополучия. Из них выбирается минимальный вариант - самый узкий из диапазонов. Так, например, самый узкий из m диапазонов оптимальных значений фактора, установленных по результатам анализа m разных функций благополучия, считается оптимальным диапазоном значений этого фактора для всей биосистемы в целом, т.к. при данных значениях фактора значения всех функций благополучия равны единице. Прочие диапазоны находятся аналогично.

Анализ важнейших функций благополучия биосистемы от всех (n) лимитирующих факторов позволяет количественно оценить общее воздействие на неё окружающей среды.

Степень воздействия нескольких внешних лимитирующих факторов на биосистему определяется не только значениями факторов, но и особенностями их взаимодействия. Совокупность всех сочетаний значений лимитирующих факторов, оказывающих на биосистему равное воздействие (т.е. обусловливающих некоторое постоянное значение функции благополучия), образует изоболу (от гр. "йупт" - равное и "вплпт" - изменение; Власов, 1914), соответствующую данному значению функции благополучия. Форма изобол определяется особенностями взаимодействия конкретных факторов.

В подавляющем большинстве случаев совместное действие группы факторов оказывается более сильным, чем действие каждого из них в отдельности. Этот эффект проявляется потенциированием, или синергизмом факторов. Известен и противоположный эффект антагонизма (от гр. "бнфбгщнйуфзт" - соперник) факторов, при котором их совместное действие слабее раздельного, но он встречается гораздо реже. Для количественного выражения эффекта синергизма используются три основные модели:

1) Аддитивная, или суммирующая модель (Аверьянов, 1957). Значения всех лимитирующих факторов выражаются в долях от диапазонов их толерантных значений, и полученные доли суммируются. Эта простейшая модель применяется очень широко и рекомендуется в действующих нормативных документах по экологическому нормированию. Однако на самом деле эффект взаимодействия факторов обычно проявляется в гораздо более сложной форме, поэтому аддитивная модель оценивает его с большой ошибкой.

2) Мультипликативная, или умножающая модель (Шувалов, 1998). Лимитирующие воздействия каждого из n факторов умножаются друг на друга:

fб (X1, …, Xn) = fб (X1) fб (X2) … fб (Xn).

При этом эффект взаимодействия факторов оценивается как несколько более слабый, чем по аддитивной модели, что, в целом, приблизительно соответствует среднестатистической оценке многофакторных воздействий на различные биосистемы.

3) Изоболическая модель (Шуйский и др., 1995, 1997) даёт наиболее точное количественное описание изобол за счет адекватного выражения эффекта взаимодействия в каждой конкретной группе лимитирующих факторов. В данном примере изоболической модели соответствует линия I, совпадающая с реальной границей области сочетаний допустимых значений факторов X1 и X2.

Итак, аддитивная модель обычно не обеспечивает приемлемой точности оценки взаимодействия факторов. Изоболическая модель наиболее адекватна, но для её создания требуется большое количество трудоемких исследований. Построение мультипликативной модели менее трудоёмко, но обеспечивает менее точную оценку взаимодействия факторов. Поэтому выбор между мультипликативной и изоболической моделью воздействия группы факторов на каждую конкретную биосистему должен определяться тем, насколько она ценна и насколько подробно может быть изучена.

4.2 Биотестирование

В отличие от биоиндикации (наблюдения), биотестирование является экспериментом: предполагает активное вмешательство в изучаемую среду (помещение в нее биотеста) или имитацию этой среды в искусственных микрокосмах. Реакция тест-объектов на биоту изучается путем анализа его функций благополучия от оцениваемых характеристик среды. Именно биотестирование лежит в основе санитарно-гигиенического и экологического нормирования (установления ПДК и ОБУВ). Наиболее часто экологами используются следующие биотесты.

4.2.1 Биотесты на бактериях

Для тестирования остатков пестицидов, тяжелых металлов в почве и воде используется стандартный микробиотест. Он позволяет определить эффект суммарного присутствия всех токсикантов и токсическое действие широкого круга загрязнителей. Метод основан на получении водной почвенной вытяжки и количественной оценки в ней токсикантов по степени ингибирования одной из ключевых ферментных систем - люцеферазой, что количественно регистрируется биолюминаметром типа БЛМ 8101. В питательную среду на основе водной вытяжки (почва/вода - 1/10) высевают культуру Photobacrterium phosphoreum. Этим способом анализируются остатки пестицидов (ФОС, ХОП), нитриты и ТМ (Р.А. Пшеничников и др., 1995). В санитарно-эпидемиологических исследованиях наряду с прямым определением содержания патогенных микроорганизмов, также применяются методы индикаторных штаммов (или "почвенной закладки") и определения "токсикоза" почв. При этом в качестве тест-объектов используют Clostridium tetani, Cl. perfringens, Bacillus anthracis, Escherichia coli и др. Сущность метода "почвенной закладки" заключается в оценке соотношения вегетативных и споровых форм биоиндикаторов в стерильной и нативной почве. Степень токсичности ("токсикоза") почв определяют по проценту пророста индикаторных бактериальных штаммов, т.е. по отношению образовавшихся колоний к количеству посевов. Показатель токсичности рассчитывается как величина обратная проросту. Токсичность почвы ранжируется по восьми классам опасности (А.П. Левич,1994; Е.Н. Мишустин и др.,1979).

4.2.2 Биотесты на водорослях

Классическим тест-объектом на загрязнители является одноклеточная зеленая водоросль хлорелла (Chlorella vulgaris Beijer.). Ее преимущества для экспресс-анализа загрязнения агроценоза заключаются в коротком жизненном цикле и возможности проводить оценку по таким показателям, как пигментное секторирование, нарушение споруляции клеток и летальность. Метод, основанный на оценке численности живых особей и динамики ее фитомассы, дает, в конечном счете, представление о влиянии токсикантов на продолжительность жизни и плодовитость тест-системы. Существует альгологическая оценка фитотоксичности гербицидов (метод "бумажных дисков"). Оценивается интенсивность роста биоиндикатора Ch.vulgaris в зависимости от концентраций токсиканта. За альгицидные принимают концентрации вещества полностью подавляющие рост водорослей на дисках (Ю.В. Круглов, 1991). Другой метод оценки химических веществ, основанный на эффекте замедленной флюоресценции (ЗФ). Этот эффект проявляется у растений при наличии сформированного фотосинтетического аппарата. Гербициды (ингибиторы фотосинтеза) способны изменять интенсивность ЗФ. Под действием очень низких концентраций гербицида резко ингибируется ЗФ, что регистрируется на специальной установке. Этим способом можно выявить наличие гербицидов ингибиторов реакций Хилла, однако в случае других пестицидов метод малоэффективен (Р.А. Пшеничников и др.,1995; M.I. Ribo, K.Z. Kaiser, 1987).

Многие методы биологического тестирования основаны на визуальных оценках. Весьма пригодны для этой цели зеленые и диатомовые водоросли. Под действием токсикантов первоначально зеленая масса водоросли меняет цвет - становится густо-коричневой или наоборот, обесцвечивается. Некоторые токсиканты не вызывают заметных изменений окраски, однако водоросли теряют тургор и легко повреждаются (P.K. Mohapatra, R.C. Mohanty,1992; F. Gunneberg,1992.).

Существуют достаточно надежные способы количественной регистрации воздействия загрязнителей, например, плазмолиз. Для определения количества погибших клеток пользуются методом витального окрашивания. Живые клетки сильно ограничивают проникновение в протоплазму органических веществ, и будучи помещенными в раствор ряда красителей, практически не окрашиваются. В мертвые клетки краска проникает свободно, благодаря чему наличие погибших клеток легко поддается учету.

Система тестов, фиксирующих изменения каких-либо функций организма, основана на скорости движения протоплазмы, которая у многих клеток способна совершать круговые движения (циклозис). Реакция замедления или остановки протоплазмы лучше всего заметна на растениях с удлиненными клетками, такими как харовые водоросли (Charophyta), дюнамилла (Dunamilla) и элодея (Elodea). Присутствие свинца в среде, например, влияет на скорость движения протоплазмы, начиная с концентрации 0,5мг/мл (С.Г. Галактионов, В.М. Юдин, 1980).

Для тестирования почвы, загрязненной ТМ используют тест учета биологического разнообразия водорослей на единицу площади. При малейшем загрязнении почвы, первыми из водорослевых сообществ "выбиваются" зеленые водоросли. Желто-зеленые водоросли, особенно одноклеточные, являются показателями чистоты и здоровья почвы. Их исчезновение становится сигналом на загрязнение. Однако, почвенные водоросли, как индикаторы, имеют ограничения: зачастую обеднение структуры альгопедоценоза указывает на степень общего загрязнения, без дифференцировки отдельных контаминантов.

4.2.3 Биотесты на мхах

Метод индукции флюоресценции хлорофилла позволил исследовать активность фотосинтетического аппарата у ряда растений при изменении внешних условий среды. Эта особенность хлорофилла была предложена в качестве индикаторного признака нарушений, вызванных воздействием поллютантов. Удобным объектом для исследований послужил листовой мох Mnium hotnum L., у которого хорошо просматривается однослойная структура гаметофита. Модулируемое (путем переключения световых и темновых фаз) развитие флюоресценции суспензии хлоропластов служит критерием степени загрязнения воздуха двуокисью серы (Э.А. Штина, 1990). Предложенный метод лег в основу тест-системы, определяющей загрязнение воды ТМ с помощью высших растений - ряски малой (Lemna minor L.).

4.2 4 Биотесты на лишайниках

Лишайники являются надежными индикаторами загрязнения воздуха и традиционно используются для целей биоиндикации. Основные причины, обусловливающие малую устойчивость лишайников и их группировок к атмосферному загрязнению следующие:

1. высокая чувствительность водорослевого компонента лишайников, пигменты которого под действием загрязнителей быстро разрушаются;

2. отсутствие защитных покровов и связанное с этим беспрепятственное поглощение газов слоевищами лишайников;

3. строгие требования к кислотности субстрата, изменение которой сверх определенного предела влечет гибель лишайников.

При применении этого индикатора следует пользоваться шкалой устойчивости конкретного вида к загрязнителю. Шкала реакции лишайников на поллютанты (для условий Северного Кавказа и Предкавказья), разработанная С.Б. Криворотовым (С.Б. Криворотов,1995), выделяет 4 типа этих организмов из 127 видов:

1 тип - устойчивые к загрязнению лишайники (25 видов);

2 тип - чувствительные к действию атмосферного загрязнения (42);

3 тип - очень чувствительные к загрязнению виды (23);

4 тип - не переносящие загрязнения лишайники (37).

Лихенодиагностика позволяет осуществлять картирование территории по степени загрязненности атмосферного воздуха. Однако, возможности лихеноиндикации ограничены чувствительностью нативных видов (Б.Небель,1993), поскольку многие лишайники аккумулируя загрязнитель из атмосферы при его хроническом воздействии гибнут от низких концентраций, зачастую не достигающих установленных для человека и теплокровных животных нормативов.

В условиях лаборатории, если лишайники поместить в камеры с определенной влажностью, температурой и концентрацией загрязнителя, то о степени повреждения биотеста принято судить по изменениям его структуры: визуально (цвет, морфология, образование диаспор) и микроскопическим (жизнеспособность водорослевого слоя). Флюоресцентная микроскопия позволяет оценить разрушение хлорофилла в клетках фотобионта; электронная микроскопия регистрирует такие ультраструктурные изменения водорослевых и грибных клеток, как увеличение плотности цитоплазмы и разрушение органелл (И.А. Шапиро,1996).

4.2.5 Метод пересадки лишайников

Для оценки чистоты воздуха можно воспользоваться методом трансплантации лишайников, т. е. пересадки растений в изучаемый район. Существует несколько способов трансплантации. Напочвенные лишайники переносят вместе с почвой, вырезая участки размером 20х 20 или 50х 50 см. Кустистые виды можно переносить в специальной посуде или подвешивать в сетках. Эпифитные виды переносят вместе с ветками или кусочками коры, на которых они росли. В исследуемом районе кору и ветки с эпифитами прикрепляют к деревьям тех же пород, с которых они были взяты, или к специальным доскам и столбам на одинаковой высоте.

Через определенные промежутки времени (обычно через 4, 8, 12 месяцев) оцениваются изменения пересаженных лишайников по 4-балльной шкале:

1 - повреждений нет,

2 - некоторые незначительные повреждения,

3 - сильное повреждение,

4 - слоевище полностью повреждено.

Кроме того, анализируются следующие признаки повреждений:

- изменение окраски слоевища;

- появление на слоевище пятен различной окраски;

- уменьшение степени прикрепления лишайников к субстрату;

- появление трещин на слоевищах;

- уменьшение числа плодовых тел (апотециев) или особых вегетативных образований (изидии).

Пересадка дает сведения об индивидуальной устойчивости видов. Она удобна еще и тем, что до некоторой степени позволяет изучать воздействие каждого загрязняющего вещества по отдельности.

4.2.6 Биотесты на высших растениях

Для биотестирования отработано немало методов на различных культурах: белой горчице(Sinapis alba L.), озимой и яровой пшенице(Triticum aestivum L.), овсе(Avena L.), гречихе (Fagopyrum L.), огурце(Cucumis L.), кресс-салате(Lepidium sativum L.), сое (Glycine L.), льне (Linum L.), ежи сборной (Dactylis glomerata L.) (В.А. Зинченко,1972; Использование метода биоиндик.,1990; Ю.Роля и др.,1975; П.К. Солдатов и др., 1998; В.И. Шершунова, 1993, 1995).

Например, на горчице учитывают степень ингибирования первичного корешка проростка после обработки семян противодвудольным гербицидом. Определяют также увядание растений, торможение прироста листьев надземной массы проростков.

Овес и рис используют как индикаторы почвенных противозлаковых гербицидов, так как это наиболее чувствительные виды среди злаковых культур. При этом основным тестом является ингибирование роста зародышевого корня и листа.

Редис является традиционным биотестом при исследовании остатков пестицидов в почве и конечной продукции растениеводства, т.к. обладает по сравнению с другими объектами как наиболее высокой чувствительностью к фитотоксичным препаратам, что обусловлено высокой энергией прорастания его семян и скороспелостью культуры (Н.П. Дубинин, Ю.В. Пашин, 1978).

На огурце и гречихе тестируют гербициды - производные мочевины и фенилкарбаматы. При этом у огурца учитывают рост первичного корня, у гречихи - утолщение стебля, деформацию зародышевых листьев, а также торможение роста.

Кресс-салат используется как тест - объект для оценки загрязнения воздуха и почвы. Тест длится 10 дней. При наличии вредных веществ снижается процент всхожести и ингибируется рост зародышевых корешков. К недостаткам данного теста можно отнести неспецифичные изменения, затрудняющие выявление конкретного загрязнителя. Очевидно, это объясняется наличием генетической неоднородности культуры (Биоиндик. загряз...,1988).

Действие пестицидов на злаках обнаруживается по их влиянию на морфогенез растений, проявляющейся в изменениях типа морфозов. У озимой пшеницы, при высокой пестицидной нагрузке (2,4Д), диален, лонтрел, тилт, байлетон, метафос) наиболее распространенным и устойчивым типом морфоза является "мутовка", т.е. увеличение числа колосков на уступе колосового стержня. Внесение минеральных удобрений может также прямо или косвенно приводить к появлению морфозов колоса у озимой пшеницы (в пределах 7% -39% в зависимости от гидротермического режима и вида удобрений). Колосовые морфозы и фазовый индекс, характеризуя интенсивность воздействия на растение агрохимикатов и других повреждающих факторов, могут быть успешно использованы в качестве диагностической тест- системы (И.Ф. Лапочкина и др.,1995; С.О. Ушкалова, 1993; В.И. Дорожкин, Л.Е. Бояринцев, 1995; В.И. Танский и др., 1998).

Ряска малая (Lemna minor L.) и ряска тройчатая (Lemna trisulcs L.), чувствительны к загрязнению воды, при содержании в ней до 10 мкг/мл ионов Ba, Cu, Mg, Fe, Co (С.Г. Галактионов, В.М. Юдин, 1980). На каждый загрязнитель у видов рясок проявляется специфическая реакция. На медь (0,1- 0,.25 мг/мл) - листецы реагируют полным рассоединением из групп и изменением окраски с зеленой на голубую; реакция проявляется через 4 часа после воздействия. На цинк (0,025мг/мл) реакция заключается в изменении окраски листеца: с насыщенно зеленой до бесцветной; где зелеными остаются только точки роста; барий(0,1-0,25 мг/мл) вызывает полное рассоединение листецов, отпадание корней и изменение окраски с зеленой на молочно-белую; кобальт (0,25-0,0025 мг/мл) - полную приостановку роста и потерю окраски (Н.Г. Малюга и др.,1996).

4.2.7 Биотесты на животных

При экологическом нормировании в качестве тест-объектов принято использовать характерных представителей биоты. Например, при установлении ПДК для воды водоемов рыбохозяйственного использования в качестве стандартных тест-объектов используются: бактерии Esherichia coli, инфузории родов Paramecium и Tetrachimena, веслоногие рачки Daphnia magna, личинки комаров-звонцов из р. Chironomus (обычно - C. dorsalis), икра и личинки лососевых рыб (обычно - радужной форели). Тест-объекты длительно выдерживают в микрокосмах с испытываемой средой, в различной кратности ее концентрации - от заведомо избыточной до фоновой. О степени вредности и опасности среды судят, сопоставляя изменения функций благополучия тест-объектов в экспериментальных условиях (с учетом продолжительности опыта). Функциями благополучия служат: выживаемость, плодовитость, заболеваемость, скорость роста и индивидуального развития, особенности поведения, различные структурно-функциональные изменения организмов. Аналогично, при санитарно-гигиеническом нормировании тест-объектами служат особи различных видов млекопитающих.

Видимо, успешное решение проблем биотестирования во многом будет определяться подбором, а иногда и направленной селекцией видов, сортов, линий, чувствительных к загрязнению. Так, в Англии, специально выведен сорт табака Bel W3, характеризующийся восприимчивостью к содержанию озона в воздухе. C помощью этого сорта была создана картосхема Британских островов, характеризующая их загрязнение озоном. При слабом воздействии озона на табак через несколько дней по всей поверхности листовой пластинки образуется густая сеть некротических пятен серебристого цвета. В качестве эталона сравнения одновременно высаживается относительно устойчивый к озону сорт табака Bel B (W.J. Manming, W.A. Feder,1980; S. Schiele and et.al.,1981).

4.3 Биоиндикация

Биоиндикация - использование результатов наблюдения за представителями биоты для диагностики состояния среды. В зависимости от скорости проявления биоиндикаторных реакций выделяют несколько различных типов чувствительности биоиндикаторов:

I тип - биоиндикатор проявляет внезапную и сильную реакцию, продолжающуюся некоторое время, после чего перестает реагировать на загрязнитель.

II тип - биоиндикатор в течении длительного времени линейно реагирует на воздействие возрастающей концентрации загрязнителя.

III тип - после немедленной, сильной реакции у биоиндикатора наблюдается ее затухание, сначала резкое, затем постепенное.

IV тип - под влиянием загрязнителя реакция биоиндикатора постепенно становится все более интенсивной, однако достигнув максимума постепенно затухает.

V тип - реакция и типы неоднократно повторяются, возникает осцилляция биоиндикаторных параметров (Биоиндикация наземных экосистем, 1988).

При этом выбор того или иного биоиндикатора определяется целью исследования. Например, для экотоксикологического картирования агроландшафта можно использовать биоиндикаторы, аккумулирующие загрязнители по безбарьерному типу, т.е. прямо пропорционально их концентрации во внешней среде. Например, покровные ткани растений (кора) и животных (шерсть) представляются малоактивными индикаторами для этого метода. Листья, цветки и другие органы растений накапливают поллютанты по фонобарьерному типу. Подобные органы и ткани приемлемы для оценки загрязнения почв, вод и атмосферы. (Гераськин С.А., 1993; Использование методов биоиндикации, 1990; Соколов М.С. и др., 1999).

4.3.1 Требования к биоиндикаторам

Для объективной оценки состояния среды и ее антропогенных изменений необходимы адекватные биоиндикаторы, удовлетворяющие следующим требованиям:

· накопление загрязняющих веществ не должно приводить к гибели тест-организмов;

· численность тест-организмов должна быть достаточной для отбора, т.е. без влияния на их воспроизводство;

· в случае долгосрочных наблюдений предпочтительны виды с длительным жизненным циклом;

· объекты должны быть генетически однородными;

· объекты должны быть легкодоступны наблюдению;

· оценка должна осуществляться относительная быстро;

· должно обеспечиваться получение достаточно точных и воспроизводимых результатов;

· биоиндикаторы должны быть одновозрастными и характеризоваться, по возможности, близкими свойствами;

· диапазон погрешностей измерений (по сравнению с классическими или эталонными методами тестирования) не должен превышать 20-30%;

· доступный набор индикаторный характеристик должен быть достаточно широк и относиться к разным уровням организации биосистем.

Оценка состояния биоты проводится по следующим показателям:

- обилие (число особей на единицу площади);

- частота (отношение числа особей одного вида к общей численности особей, выраженное в процентах);

- доминантные виды с наибольшей продуктивностью.

4.3.2 Биоиндикация наземных экосистем

При проведении мониторинговых исследований растений особое внимание уделяется морфологическим признакам листьев, хвои, особенностям пигментации на стволе, листьях, цветах, выявлению разного рода аномалий вегетативных и генеративных органов (отмирают ли почки, изменяется ли ветвление побегов). Внешние признаки довольно просто регистрируются с помощью специальных приборов или без них: это изменение уровня фотосинтеза, содержания хлорофилла, пигментации, тургора, а также отмечаются морфологические изменения. У животных фиксируются изменения:

- численности популяций;

- соотношения видового состава;

- частоты появления форм с отклонениями.

Определяют численность видов и амплитуду колебаний этой численности в течение сезона. В различные годы численность отдельного вида может подвергаться существенным изменениям, которые могут быть связаны с процессами вымирания или процветания популяции или иметь циклический характер.

4.4 Мониторинг лесного фитоценоза

В описание лесного фитоценоза следует включить характеристики древостоя, подлеска, травянисто-кустарничкового покрова, яруса мхов, напочвенных лишайников, грибов. Для каждого яруса определяется свои набор характеристик (видовой состав, число особей каждого вида, высота, диаметр ствола, сомкнутость, обилие, проективное покрытие, жизненность, а также следы деятельности человека и жизнедеятельности животных).

4.4.1 Описание растений на ключевом участке в лесу

Ключевой участок в лесу не должен выходить за пределы взятого сообщества, чтобы главный, доминирующий вид был всюду в пределах участка. Рекомендуется взять участок площадью 400-600 м 2 (20х 30 м), внутри которого заложить пробную площадку 100 м 2 для подсчета количества подроста и кустарников и 3-5 площадок по 1 м 2 для оценки травяного и кустарничкового покрова.

В начале данных исследований проводят описание ярусов, которые можно обозначать так:

I - древостой;

II - кустарниковый ярус;

III - травяно-кустарничковый ярус;

IV -ярус мхов и напочвенных лишайников. Описание ярусов выполняется в следующем порядке:

1. Определить, сколько ярусов есть в лесу. Составить список доминирующих видов по каждому ярусу изучаемого растительного сообщества, сделать необходимые замеры.

2. Составить схему ярусов, выдерживая масштаб (лучше на миллиметровой бумаге).

Описание видового состава растений на ключевом участке начинают с какого-нибудь угла площадки. Вначале переписывают растения, которые находятся в поле зрения. Затем дополняют список теми видами, которые становятся заметными лишь при более внимательном анализе травостоя.

Далее необходимо обойти участок по периметру, потом по диагонали, останавливаясь время от времени и отмечая вновь попадающиеся растения. Незнакомые виды растений описать и попытаться определить по определителю. Данные внести в табл. 4-8 экопаспорта.

4.4.2 Составление формулы древостоя

Для каждого ключевого участка составляется формула древостоя. Формула древостоя - это относительное число деревьев разных пород. При этом буквами обозначают породы (виды) деревьев, например Е -ель, С - сосна, Б - береза. Ос - осина, Д - дуб и т.д., а индексами -относительную численность их на единице площади, если общее число стволов на этой площади принято за 10. Например, формула Е 5, БЗ, Ос 2 будет обозначать, что в данном фитоценозе преобладает ель (около 50%), а береза и осина составляют 30% и 20% деревьев. Если в древостое отчетливо выражены ярусы, например ель в первом, а осина и береза во втором, формула может быть составлена так: I яр. ЕЮ; 11 яр. Б 70с 3.

4.4.3 Определение жизненности растений

Жизненность видов охватывает реакции видов растений на среду обитания в растительном сообществе (фитоценозе). Для оценки жизненности применяется трехбалльная шкала.

I - жизненность хорошая (полная) - растение в фитоценозе нормально цветет и плодоносит (есть особи всех возрастных групп), взрослые особи достигают нормальных для данного вида размеров.

II - жизненность удовлетворительная (угнетено) - растение угнетено, что выражается в меньших размерах взрослых особей, семенное размножение при этом невозможно.

111 - жизненность неудовлетворительная (сильно угнетено) - растение угнетено так сильно, что наблюдается резкое отклонение в морфологическом облике взрослых растений (ветвлении, форме листьев и т. д.); семенное размножение отсутствует (нет цветущих и плодоносящих побегов).

Результаты определения жизненности видов на ключевых участках заносятся в табл. 4, 6, 7 экопаспорта.

4.4.4 Определение обилия

Для большинства травянистых растений, входящих в состав природных растительных сообществ, прямой подсчет особей или невозможен, или малоэффективен, и лучшие результаты даст глазомерное установление относительного обилия видов с помощью условной шкалы.

1 балл - на пробной площадке отмечен только один экземпляр данного вида.

2 балла - экземпляры вида очень редки и неравномерно распространены.

3 балла - экземпляры вида рассеянно встречаются по веси пробной площадке.

4 балла - экземпляры вида встречаются обильно.

5 баллов - особи данного вида преобладают, часто смыкаясь своими надземными частями, образуя заросль (фон в сообществе).

Главные доминирующие виды обычно будут иметь оценку обилия в 4-5 баллов, но иногда в очень пестром сообществе главный вид может иметь обилие и в 3 балла.

4.4.5 Определение типа растительного сообщества (ассоциации)

Название ассоциации составляется по доминантным видам основных ярусов. Например, в древесном ярусе преобладает ель, а в травянистом - кислица; название такого фитоценоза - ельник-кисличник. При большом числе ярусов и нескольких доминантных видах в каждом из них названия удобнее записывать так: "липа+дуб-лещина-сныть+зеленчук" (доминанты одного яруса соединяются знаком "+", между ярусами ставится знак "-").

4.4.6 Определение возобновления леса

Возобновление леса является важной характеристикой, которая позволяет прогнозировать будущее лесного массива.

Определение возобновления производится следующим образом.

На ключевом участке закладываются пробные площадки 1х 1 и 10х 10 м, на которых производится подсчет всходов отдельных древесных пород. Отдельно отмечается количество самосева, однолеток, трехлеток и т. д. Данные заносятся в экопаспорт.

Делаются выводы о возобновлении изучаемого участка леса:

- преобладающие породы подроста;

- характер возобновления (семенное, вегетативное) для разных пород;

- прогноз развития фитоценоза.

4.5 Мониторинг лугового фитоценоза

Луга представляют собой сообщества многолетних травянистых растений. Луговые растительные сообщества распространены очень широко. Равнинные луга делятся на пойменные и суходольные. Суходольные луга возникают на водоразделах вне области действия речных систем (чаще всего в местах, где уничтожены леса) и орошаются только атмосферной влагой. Поэтому суходольные леса приурочены к зонам с влажным и прохладным летом, т. е. преимущественно к зоне лесов. Суходольные луга подразделяются на абсолютные суходолы, нормальные суходолы и низинные луга.