Біоіндикація як метод оцінки стану навколишнього середовища

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

ЗМІСТ

біоіндикація екологічний техногенний забруднення

ВСТУП

1. БІОІНДИКАЦІЯ ЯК МЕТОД ЕКОЛОГІЧНОГО ДОСЛІДЖЕННЯ

1.1 Основні принципи біоіндикації

1.2 Метод біоіндикації нанорозмірних об'єктів

2. ФІТОІНДИКАЦІЯ ТА РОЛЬ В ОЦІНЦІ ДОВКІЛЛЯ

2.1 Історія розвитку фітоіндикації

2.2 Фітоіндикація антропогенних впливів за морфологічними змінами рослин

2.3 Адаптація рослин до умов техногенно забрудненого середовища

3. БІОМОНІТОРИНГ ДОВКІЛЛЯ НА ОСНОВІ СПОСТЕРЕЖЕНЬ ЗА БІОЛОГІЧНИМИ ОБ'ЄКТАМИ

3.1 Індикація забруднення та стану атмосфери

3.2 Біоіндикація водного середовища

3.3 Біомоніторинг грунтів

3.4 Ліхеноіндикація

3.5 Основи ентомобіоіндикації

ВИСНОВКИ

СПИСОК ВИКОРИСТАНОЇ ЛІТЕРАТУРИ

ВСТУП

В зв'язку з глибокою трансформацією природного середовища, що здійснюється під дією антропогенного впливу, який за своїми масштабами вийшов на планетарний рівень, а за силою та швидкістю випереджають вплив природних факторів, загострюються і стають актуальними проблеми збереження екосистеми та біосфери в цілому.

Визначення біологічно значимих антропогенних навантажень на основі реакцій на них живих організмів та їх угруповань пов'язано з біоіндикацією. Значимість рослинного покриву як індикатора стану екосистеми є в тому, що він дуже чутливо реагує на зміну екологічних факторів. Достатньо важливим є те, що він відображує емерджентний характер змін властивостей екосистем в залежності від рівня їх організації. Такі ознаки визначають придатність біоіндикації для екологічних досліджень, експертиз, прогнозування поведінки, стану та розвитку екосистем.

Найбільшого впливу господарської діяльності людини зазнають екосистеми міста. Тому важливим є контроль за станом навколишнього середовища та своєчасний аналіз забрудненості території міста. В деякій мірі ці питання дозволяє вирішити біоіндикаційна оцінка.

Тема данної курсової роботи: «Біоіндикація як метод оцінки стану навколишнього середовища». Актуальність теми полягає у тому, що метод біоіндикації являється перспективни для моніторингу вод та грунтів, урбанізованих зон, а в ряді випадків і для очищення екосистем від забруднюючих речовин деякими видами рослин і мікроорганізмів.

Мета роботи: ознайомитись з біоіндикацією як методом оцінки стану навколишнього середовища та розглянути біомоніторинг в різних складових біосфери.

Мета роботи передбачає реалізацію таких завдань:

· охарактеризувати біоіндикацію як метод екологічного дослідження;

· оцінити роль фітоіндикація та ознайомитись з історією фітоіндикаційних досліджень;

· розглянути біомоніторинг довклілля на основі спостережень за біологічним об'єктами.

Об'єктом дослідження є: біоіндиктори та їх роль в оцінці довкілля.

Робота написана з використанням навчальних посібників, енциклопедій, екологічних словників, наукової літератури та практичних матеріалів, теоретичного аналізу літературних джерел.

1. БІОІНДИКАЦІЯ ЯК МЕТОД ЕКОЛОГІЧНОГО ДОСЛІДЖЕННЯ

Системи моніторингу, побудовані на основі дослідження поведінки рослин і тварин, дають змогу оцінити біологічні ефекти від впливу забруднення повітря, їх просторовий розподіл, можливе нагромадження на значних територіях.

У деяких видів рослин і тварин змінюються особливості розвитку (швидкість росту, процес цвітіння, утворення плодів, інтенсивність забарвлення та ін.) у відповідь на різні подразнюючі фактори. Ці властивості людство помітило уже давно і використовувало для практичних потреб. У зв'язку з загальною екологізацією різних наукових напрямів, людського мислення загалом методи біоіндикації усе частіше використовують сучасні науковці, зокрема і в моніторингу навколишнього середовища.

Біоіндикація (грец. bіоs - життя лат. іпdісо - вказую) - оперативний моніторинг навколишнього середовища на основі спостережень за станом і поведінкою біологічних об'єктів (рослин, тварин та ін.).

Цей метод дедалі поширюється, оскільки рослини - індикатори мають такі переваги:

· підсумовують біологічно важливі дані щодо навколишнього середовища;

· здатні реагувати на короткочасні й залпові викиди токсикантів;

· реагують на швидкість змін, що відбуваються в довкіллі;

· вказують на місця накопичення забруднювачів та шляхи їх міграції;

· дають змогу розробляти оцінки шкідливого впливу токсикантів на людину й живу природу на ранніх стадіях та нормувати допустиме навантаження на екосистеми.

Біоіндикація використовується в екологічних дослідженнях, як метод виявлення антропогенного навантаження на біоценоз. Метод біоіндикаторів заснований на дослідженні впливу екологічних факторів, що змінюються, на різні характеристики біологічних об'єктів і систем. У якості біоіндикаторів вибирають найбільш чуттєві до досліджуваних факторів біологічні системи або організми. Зміни в поводженні тест-об'єкта оцінюють у порівнянні з контрольними ситуаціями, прийнятими за еталон. Наприклад, при оцінці екологічного стану поверхневих вод у якості біоіндикаторів використовують спостереження за поводженням дафній, молюсків, деяких риб.

Ряд рослин-індикаторів реагує на підвищені або знижені концентрації мікро- і макроелементів у ґрунті. Це явище використовується для попередньої оцінки ґрунтів, визначення можливих місць пошуку корисних копалин.

Один зі специфічних методів моніторингу забруднення навколишнього середовища - біоіндикація, визначення ступеня забруднення геофізичних середовищ за допомогою живих організмів, біоіндикаторів. Живі індикатори не повинні бути занадто чуттєвими і занадто стійкими до забруднення. Необхідно, щоб у них був досить тривалий життєвий цикл. Важливо, щоб такі організми були широко поширені по планеті, причому кожен вид повинний бути присвячений до визначеного місцеперебування. Лишайники цілком відповідають усім цим вимогам. Вони реагують на забруднення інакше, чим вищі рослини. Довгостроковий вплив низьких концентрацій забруднюючих речовин викликає в лишайників такі ушкодження, що не зникають аж до загибелі їхніх сланей. Це, видимо, зв'язане з тим, що лишайники відновляють свої клітини дуже повільно, у той час як у вищих рослин ушкоджені тканини заміняються новими досить швидко. Завдяки цілому ряду біологічних особливостей лишайники є добрими індикаторами зміни стану навколишнього середовища в умовах його забруднення двоокисом сірки, фторидами, лужним пилом, важкими металлами [15].

Біоіндикація має ряд переваг перед інструментальними методами. Вона відрізняється високою ефективністю, не вимагає великих витрат і дає можливість характеризувати стан середовища за тривалий проміжок часу.

Фактори середовища досить строго визначають, які організми можуть жити в даному місці, а які не можуть. Враховуючи це, ми можемо використати обернену закономірність і судити про фізичне середовище організму, який в ньому проживає. Так з'явився метод біоіндикації середовища, який особливо широко використовують у лісовій типології, фітоценології, а також для визначення рівня забруднення атмосферного повітря за допомогою лишайників (ліхеноіндикація), мохів (бріоіндикація) чи грибів (мікоіндикація).

Отже, біоіндикатори -- це група особин одного виду або угруповання, наявність, кількість або інтенсивність розвитку яких у тому чи іншому середовищі є показником певних природних процесів або умов зовнішнього середовища.

Біологічну індикацію широко використовують сьогодні для оцінки забруднення навколишнього середовища, яке "усуває" з природних екологічних ніш нестійкі до факторів забруднення види нижчих і вищих рослин, а також представників фауни .

Біоіндикатори, біологічні індикатори -- організми, присутність (наявність), кількість або інтенсивний розвиток яких є показником природних процесів або умов зовнішнього середовища. Так, скупчення рибоїдних птахів є показником біоіндикації місць, де водиться риба, за складом планктону можна передбачити, який буде вилов риби. За складом флори і фауни вод можна визначити придатність води для пиття та з'ясувати ефективність роботи очисних споруд. За допомогою індикаторних рослин та мікроорганізмів можна дати орієнтовну оцінку якості ґрунту. Тварин, рослини, мікроорганізми, використовують при космічних дослідженнях як біоіндикатори для з'ясування впливу факторів космічного простору на організми [3].

Під впливом забруднень довкілля змінюються еколого-фізіологічні ознаки: пігментація, забарвлення рослин. їх спричиняє надлишок токсичних солей у ґрунті або нестача поживних речовин.

Біоіндикація має певні переваги як метод отримання безпосередньої інформації про зміни стану біоти в конкретних умовах забруднення, але він повинен поєднуватись з хімічними й геофізичними дослідами для отримання не лише якісних, а й кількісних відомостей.

Отже, у зв'язку з потребою проведення глобального моніторингу, використання індикаційних можливостей біологічних об'єктів набуває все більшого значення. Рослини-індикатори використовуються як для виявлення окремих забруднювачів, так і для спостереження за загальним станом навколишнього середовища.

1.1 Основні принципи біоіндикації

Всі біологічні системи - організми, популяції та біоценози в ході свого розвитку пристосувались до комплексу факторів певної території. Вони заволоділи всередині біосфери певною областю, екологічною нішею, в якій знаходять оптимальні умови існування і можуть нормально харчуватись та розмножуватись. Кожен організм володіє в відношенні кожного діючого на нього фактора генетично детермінованим, філогенетично набутим, унікальним фізіологічним діапазоном толерантності, в межах якого цей фактор є придатний для нього. Якщо фактор відрізняється надто низькою або надто високою інтенсивністю, але ще не летальний, то організм знаходиться в фізіологічному песимумі. В обстеженій області інтенсивності фактора, особливо сприятливої для даної особи, організм існує в умовах фізіологічного оптимума.

Існують різні форми біоіндикації. Якщо дві однакові реакції викликані різними антропогенними факторами, то говорять про неспецифічну біоіндикацію. Якщо ж ті чи інші зміни можна пов'язати тільки з одним фактором, мова йде про специфічну біоіндикацію.

Якщо біоіндикатор реагує значним відхиленням життєвих показників від норми, то він є чутливим біоіндикатором.

Акумулятивні біоіндикатори, накопичують антропогенну дію без швидких проявів порушень. Таке значне накопичення, забруднення, поступово перевищує нормальний рівень, частіше за все проходить на рівні екофізіологічних або біоценотичних процесів.

В природі всі види біоіндикації включені в ланцюг послідовно протікаючих реакцій і процесів. Якщо антропогенний фактор діє безпосередньо на біологічний елемент, то мова йде про пряму біоіндикацію. Але часто біоіндикація стає можливою лише після зміни стану під впливом інших безпосередньо задіяних елементів. В цьому випадку ми маємо справу з непрямою біоіндикацією і біоіндикатором. Часто бажано завчасно виявити біологічну дію антропогенного фактору, для того щоб при відомих умовах мати можливість впливати на цю дію. Присутність дуже чутливих біоіндикаторів приводить до ранньої індикації, коли реакція проявляється при мінімальних дозах за короткий проміжок часу і проходить за короткий проміжок часу і проходить у місці дії фактору на елементарні молекулярні і біохімічні процеси [1].

В залежності від часу розвитку біоіндикаційних реакцій можна виділити шість різних типів чутливості.

І тип: біоіндикатор дає через певний час, на протязі якого він ніяк не відповідав на дію (відсутність ефективного рівня), одноразову сильну реакцію і втрачає чутливість (вище верхнього ефективного рівня).

ІІ тип: як і в першому випадку, реакція миттєва і сильна, але продовжується деякий час після чого різко зникає

ІІІ тип: біоіндикатор реагує з моменту виявлення порушеної дії з одинаковою інтенсивністю на протязі довгого проміжку часу.

IV тип: після миттєвої сильної реакції спостерігається її припинення, спочатку швидке, потім більш повільне.

V тип: при появі порушеної дії починається реакція, яка стає все більш інтенсивною, поки не досягне максимума, а потім поступово припиняється.

VI тип: реакція V-го типу багаторазово повторюється; виникає осциляція біоіндикаторних параметрів.

Біоіндикація може використовуватися на різних рівнях організації живого (макромолекула, клітина, орган, організм, популяція, біоцепоз). З підвищенням рівня організації біологічних систем зростає і їх складність, так як одночасно все більше ускладнюються їх взаємозв'язки з факторами місцезнаходження. При цьому біоіндикація на нижчих рівнях діалектично включається в біоіндикацію на вищих рівнях, виступаючи на них в новій якості. В той час як на нижчих рівнях організації біологічних систем переважають прямі і частіше специфічні види біоіндикації на вищих рівнях панує непряма біоіндикація.

В зв'язку зі складністю біологічних систем нерідко буває можлива лише неспецифічна біоіндикація. Однак саме тут відкриваються шляхи до виявлення комплексних стресових дій і тим самим до оцінки допустимих навантажень на складну екосистему. Інколи біоіндикаційні методи, які легко використовуються на нижчих організаційних рівнях, так ускладнюються в більш комплексних системах, що розрізнити вплив фактору стає неможливим. З іншої сторони, біоіндикаторні ознаки, які виявляються на вищому організаційному рівні, зв'язані з відповідними змінами на попередніх рівнях. При пошуку можливостей ранньої біоіндикації слід враховувати цю закономірність. В порівнянні з окремими організмами екосистеми реагують на стресові впливи частіше всього з запізненням і в сильно зміненій формі.

В відповідності з організаційними рівнями біологічних систем можна встановити різні рівні біоіндикації:

1-й рівень: біохімічні і фізіологічні реакції;

2-й рівень: анатомічні, морфологічні, біоритмічні

і поведінкові відхилення;

3-й рівень: флористичні і фауністичні зміни;

4-й рівень: ценотичні зміни;

5-й рівень: біогеоцепотичні зміни;

6-й рівень: зміна ландшафтів.

Для біоіндикації властиві в основному два методи - пасивний і активний моніторинг. В першому випадку у вільно живучих організмів вивчаються видимі або невидимі пошкодження чи відхилення від норми, які є ознаками стресового впливу. При активному моніторингу виявляють ті ж самі впливи на тест-організмах, які знаходяться в стандартних умовах на досліджуваній території.

При біоіндикації слід враховувати чотири основні вимоги:

1. Відносна швидкість проведення.

2.Одержання достатньо точних і відтворених результатів.

3.Присутність об'єктів, які застосовується в біоіндикації, по можливості в великій кількості і з однорідними властивостями.

4.Діапазон похибки в порівнянні з іншими методами тестування не більше 20 %.

1.2 Метод біоіндикації нанорозмірних об'єктів

На сьогоднішній день існує багато методів визначення якості навколишнього середовища. Це різні методи кількісного хімічного аналізу (КХА), фізико-хімічного аналізу, космічного аналізу, ГІС-технології (геоінформаційні системи). Одним з найбільш простих, підказаних самою природою методом визначення якості навколишнього середовища є біоіндикація - порівняно новий і досить ефективний метод аналізу стану довкілля. В даний час з'явилася, велика кількість робіт з біоіндикації на клітинному, тканинному, організмовому, популяційному, біоценотичному рівнях.

Метод біоіндикації на клітинній культурі відповідає світовому рівню. Цей метод розробляється в США, Франції, Великобританії та інших країнах і використовується як експрес-метод в токсикології, фармакології, косметології.

Головна перевага культивуємих клітин, які повністю використовуються клітинними біологами, це можливість прижиттєвого спостереження клітин за допомогою мікроскопа. Важливим є те, що при роботі з культурами клітин в експерименті використовуються здорові клітини і що вони зберігають життєздатність протягом усього експерименту.

Культури клітин являють собою гомогенну генетично однорідну популяцію клітин, що ростуть в постійних умовах. Дослідник може змінювати ці умови в певних межах, що дозволяє йому оцінювати вплив на ріст клітин різних факторів - рН, температури, концентрації амінокислот, вітамінів, антропоекологічних факторів. Зростання може бути оцінений протягом короткого періоду часу. Ці реальні переваги, порівняно з дослідженнями на тваринах [9].

Оскільки клітини в культурі легко доступні для різних маніпуляцій, то при роботі з ними отрути, гормони, біостимулятори, протектори, віруси і т.д. можуть бути введені в заданій концентрації і протягом заданого періоду часу. Концентрації цих агентів можуть бути на порядок менше, ніж при експерименті на тваринах.

Реалізація біомоніторингу супроводжується комплексом проблем, в тому числі і пошуком нових біоіндикаторів. Проведені дослідження повітря, на наявність нанорозмірних об'єктів актуалізували проблему пошуку біоіндикаторів рослин - природних накопичувачів нанорозмірних об'єктів. Новизна досліджень визначається слабкою розробленістю і відсутністю системних досліджень в галузі вивчення біоіндикаторів на нанорозмірні об'єкти, а практична значущість визначається відносною дешевизною і зручністю використання і переміщення рослин в порівнянні з іншою апаратурою, для накопичення нанорозмірних об'єктів з метою їх подальшого вивчення.

Головними завданнями нанотехнологій в біоіндикаії є:

1.Виявити рослини - природні накопичувачі нанорозмірних об'єктів.

2.Встановити взаємозв'язок між наявністю нанорозмірних об'єктів в повітрі і їх наявністю в досліджуваних рослинах.

3.Оцінити вплив нанорозмірних об'єктів на генезис рослини (накопичення інформації про зовнішні прояви) - встановити зовнішні ознаки прояву дії нанорозмірних частинок на рослину.

При організації дослідження на першому етапі, виходять з того, що різні рослини, в силу особливостей будови первинної захисної покривної тканини здатні накопичувати різні за фізичними характеристиками нанорозмірні об'єкти. Планований другий етап досліджень пов'язаний з припущенням, про те, що різні рослини, в силу особливостей функціонування, здатні накопичувати різні за властивостями нанорозмірні об'єкти [2].

Підводячи підсумок сказаному можна сказати, що метод біоіндикації з використанням клітинних культур з успіхом може замінити досліди на лабораторних тварин з наступних причин:

1.Дешевизна і доступність використовуваного матеріалу (для вирощування клітинної культури досить вилучити клітини органів у 1-2 тварин і отримані клітинні лінії можуть використовуватися протягом тривалого періоду, на відміну від біомоніторингу, у якому гинуть десятки і сотні тварин).

2.Можливість швидкого отримання результатів і прижиттєвого нагляду за моделлю протягом усього експерименту.

3.Висока кореляція результатів in vitro і in vivo.

4.Отримані клітинні лінії зберігають високу видову, органо-тканинну специфічність протягом усього експерименту, що дозволяє проводити на них практично всі експерименти.

Метод біоіндикації на клітинних культурах може використовуватися:

o в екології - для інтегральної оцінки шкідливого впливу на організм людини і тварин антропоекологічних і космофізичних несприятливих факторів, моніторингу геопатогенних зон;

o у фармакології - для вивчення фармакологічних властивостей нових препаратів та прогнозування безпеки їх застосування;

o в токсикології - для вивчення гострої і хронічної токсичності різних речовин.

2. ФІТОІНДИКАЦІЯ ТА РОЛЬ В ОЦІНЦІ ДОВКІЛЛЯ

Фітоіндикація - складова частина розділу дисципліни біоіндикації, яка є прикладним напрямком екології і розробляється для оцінки факторів середовища за біологічною складовою, насамперед рослинністю. Це визначення умов середовища за характером і станом рослинності.

Методи фітоіндикації широко використовують в системі моніторингу. Вони суттєво відрізняються від інших методів дешевизною і можливістю одночасно охопити великі території, що підлягають індикації, а також відносною простотою інтерпритації. Вони дозволяють використати інформацію і оцінити режими тих дій, які під час спостереження мають нульову активність.

Фітоіндикацію проводять на різних рівнях організації рослин: клітинному, анатомо-морфологічному, рівні організу, популяційному, фітоценотичному та ландшафтному.

Кожний вид рослин, крім історії розвитку, розповсюдження, структури популяції характеризується специфікою екології, що визначає поведінку його в природі по відношенню до інших видів. Індивідуальність поведінки видів визначає той важливий момент, що сумісне їх зростання в ценозі призводить не тільки до конкуренції, але й до такого доповнення, яке сприяє оптимальнішому використанню екологічних ресурсів.

У зв'язку з цим, перед фітоекологами, з одного боку, постала важлива наукова проблема оцінки потенційних кліматичних, едафічних ресурсів, а з іншого - визначення ступеня відповідності реально існуючої екосистеми цим можливостям за допомогою фітоіндикації, тобто через аналіз поведінки видів рослин.

Фітоіндикація це науковий напрямок, основою якого є оцінка екологічних факторів, або екосистем за допомогою флористичних ознак, тобто ознак видів, угруповань, їх сукупності та взаємовідносин.

Процес фітоіндикації складається з наступних операцій:

· вибір індикату (фактору), що зумовлює мету індикації;

· вибір способу і масштабу вимірювань його величини або зміни;

· пошук індикатора на основі логічних доказів його зв'язків з даним фактором;

· розроблення шкали вимірювання індикаційних ознак;

· визначення ступеня кореляції між зміною фактора і індикатора, а також засобу його відображення.

При фітоіндикації зміни біологічної системи завжди залежать як від антропогенних так і від природних факторів середовища. Ця система реагує на дію середовища в цілому у відповідності зі своєю схильністю, тобто такими внутрішніми факторами, як умови харчування, вік, генетично контрольована стійкість та вже присутні порушення. Якщо індикатор реагує значним відхиленням життєвих проявів від норми, то він є чутливим фітоіндикатором. Акумулятивні фітоіндикатори, навпаки, накопичують антропогенні впливи більшою частиною без швидкого виявлення порушень. Функції індикатора виконує той вид, який має вузьку амплітуду екологічної толерантності по відношенню до якого-небудь фактора. В більшості випадків це рослини - організми, які не здатні до активного переміщення.

Індикація екологічних умов проводиться на основі оцінки зміни як видового розмаїття організмів тієї чи іншої місцевості, так і їх хімічного складу, який відображає їх здатність накопичувати елементи та сполуки, які надходять з оточуючого середовища. Наприклад, оцінка стану оточуючого середовища по зміні кількості видів пов'язана з тим, що найбільш чуттєві до тих чи інших забруднюючих речовин види рослин зникають з біоценозу (лишайники в промислових центрах) або, навпаки, збільшують свою чисельність (синьо-зелені водорості при надходженні у водойми забруднюючих речовин з сільськогосподарських угідь) [14].

Отже, фітоіндикація є складовою частиною екологічного моніторингу - системи нагляду за станом оточуючого середовища на певній території (від ділянки суші або водної поверхні до цілого континента) з метою раціонального використання природних ресурсів та охорони природи. Біологічний моніторинг включає нагляд за станом оточуючого середовища та факторами дії, а також прогнозування зміни оточуючого середовища та оцінку його майбутнього стану. Його об'єктами виступають рослини та їх угрупування.

2.1 Історія розвитку фітоіндикації

Фітоіндикаційні дослідження мають історію, яка своїми коренями сягає в глибину століть, коли пошук та вирощування якої-небудь рослини людина пов'язувала з певними екологічними умовами. Письмові згадки про оцінку земельних угідь за допомогою рослин є у стародавніх учених Китаю, Індії, Греції, Риму. В Росії одним з перших хто писав про зв'язок між рослинами та якістю сільськогосподарських угідь був О.М.Радіщев в праці “Опис моїх угідь”.

Наукового рівня фітоіндикація почала набувати з розвитком геології, географії, ґрунтознавства, ботаніки. Початок ведеться з робіт А.Гумбольта (1805, 1807, 1814), який зумів побачити суттєві закономірності, які зв'язують рослинний покрив та найважливіші екологічні фактори. Ідеї А.Гумбольта були продовжені в роботах Л.Поста (1862) та А.Гридебаха(1880), які пропонуючи класифікацію рослинних угруповань, показали тісний взаємозв'язок між останніми та екологічним середовищем. О. Варлінгом (1896) виділялись класи угрупувань гігрофітів, мезофітів, галофітів, ксерофітів а також екологічні групи видів. Класифікації рослинності на екологічній основі розроблялись А.Шимпером (1898), А. Дільсом (1908, 1910), А.Kaядером (1913). В Росії завдяки розмаїттю природних умов, велись широкі дослідження зміни рослинного покриву в залежності від факторів середовища. Важливим етапом на цьому шляху стали роботи з оцінки та картування ґрунтів, створені В.В.Докучаєвим (1885, 1897, 1899). Їх продовженням були дослідження Переселенського управління та його дослідних станцій. В цей період опубліковані роботи Н.А.Дімо та Б.О.Беллера(1907),П.А.Костічева (1908), С.К.Чаянова(1908), Г.М.Висоцького (1914).

З ім'ям Ж. Браун-Бланке (1913) пов'язана класифікація рослинності, яка відображувала екологічну специфіку рослинних угруповань (симфітоінддикація). Засновником теорії про симфітоіндикацію слід вважати Л.Г.Раменського (1929), який не тільки відстоював положення про екологічну обумовленість рослинних угруповань, але й запропонував методи оцінки екологічних режимів за факторами вологості ґрунтів та їх змінних багатств, засоленості, пасовищної дегресії. Раменський запропонував ряд нових методик - екологічних рядів, екологічної оцінки ценозів, побудову синекологічних діаграм.

В 60-х роках ХХ століття відбувається виділення фітоіндикації як самостійного наукового напрямку та подальша її диференціація, узагальнення матеріалів, розробка різних екологічних шкал, нових методів дослідження й оцінка екологічних факторів та їх динаміки, що дозволяє ідентифікувати більш складні закономірності не тільки локального, але й ландшафтного, регіонального і навіть глобального рівня. Узагальнення деяких біоіндикаційних досліджень цього періоду втілено в монографіях та оглядах Алахвердійова, Вікторова, Ремезова, Корчагіна, Виноградова, Мяло, Горянінова, Миркини та інших [13].

Особливістю цього етапу є розвиток дистанційної (аеро- та космічної) фітоіндикації, а також модернізація математичного апарату.

Значну роль у формуванні методології фітоіндикації на сучасному рівні відіграє системний підхід. Розробка нових методик тісно пов'язана з впровадженням персональної комп'ютерної техніки, без якої досягти сучасного наукового рівня було б неможливо.

Спостерігається подальша диференціація напрямків фітоіндикації залежно від специфіки індикаторів і умов, або факторів, які індикуються (індикатів). Зокрема, для оцінки умов середовища можуть використовуватися дані біохімічних аналізів, ботанічні, гідробіологічні, мікробіологічні чи зоологічні показники.

2.2 Фітоіндикація антропогенних впливів за морфологічними змінами рослин

Динамічна рівновага та стабільність біологічних систем тісно пов'язані з фітоіндикацією морфо-генетичних змін рослин у відповідь на антропогенні впливи. На рівні організмів та екосистем впливи стресорів відрізняють тільки завдяки появі зовнішніх симптомів ушкоджень (некрози, хлорози) після того як порушена границя адаптаційної здатності і системи стають нестабільними. Для деяких стресових факторів вже випробувані та іноді спеціально підібрані різноманітні морфологічні індикатори, за допомогою яких можлива коротко або довгострокова індикація як при низьких, так і при високих доза їх впливів.

Макроскопічні зміни пов'язані зі змінами забарвлення листя, які являють у більшості випадків неспецифічну реакцію на різноманітні стресори.

Хлороз - бліде забарвлення листя між жилками. Так (у рослин на відвалах, які залишаються після видобутку важких металів); пожовтіння країв або певних ділянок листя (у листяних дерев під впливом хлоридів); почервоніння (накопичення антоціанів у вигляді плям на листях смородини та гортензії під дією SO₂ ); побуріння або побронзовіння (у листяних дерев - часто початкова стадія важких некротичних ушкоджень, у ялини та сосни - служить для подальшої розвідки димових ушкоджень). Зміна забарвлення при яких характер ураження листя схожий з морозними ураженнями - часто перші стадії некрозів.

Некрози - відмирання обмежених ділянок тканин - важливі симптоми ушкоджень при індикації, іноді специфічні. Розрізняють такі види некрозів:

1) крапельні та плямисті некрози - це відмирання тканин листкової пластинки у вигляді крапок або плям, дуже характерні сріблясті плями після впливу озону у тютюну сорту Веl W3;

2) міжжилкові некрози - відмирання листкової пластинки між бічними жилками першого порядку, часто при дії SO₂;

3) крайові некрози - характерні, чітко відмежовані форми, з'являються у лип, які ушкоджені кам'яною сіллю, яку застосовують для танення льоду. Поєднання міжжилкових та крайових некрозів приводить до появи візерунку типу “риб'ячого скелету”;

4) верхівкові некрози (в особливості у однодольних та хвойних), характерні темно-бурі, різко відмежовані некрози кінців хвої у сосни та ялиці після дії SO₂ , або білі знебарвлені некрози верхівок листя;

5) некрози навколоплоднику, які утворюються після впливу SO₂ на насінні плоди, особливо біля квіток. При розвитку некрозів спочатку спостерігається зміна в забарвленні (при дії SO₂ найчастіше утворюються брудно-зелені; пероксиацетилнітрату - просочені водою; О₃ - плями з металічним блиском; хлоридів - хлорози). Після загибелі клітини вражені ділянки осідають, висихають і можуть за рахунок виділення дубильних речовин забарвлюватись у бурий колір (часто у дерев), або через декілька днів вицвітають до білуватого забарвлення.

Передчасне в'янення відбувається під дією етилену в теплицях: квіти гвоздики при цьому не розкриваються, а пелюстки орхідей в'януть.

Опадання листя (дефоліація) у більшості випадків спостерігається після некрозів або хлорозів. Прикладом служать зменшення тривалості життя хвої, її осипання у ялин, скидання двоголкових укорочених пагонів у сосни, передчасне опадання листя у лип та кінських каштанів під впливом солі, яку застосовують для танення льоду, або у аґрусу та смородини під дією SO₂ .

Зміна форми, кількості та положення органів. Аномальна конфігурація листя відмічена у листяних дерев після впливу радіоактивного випромінювання. В результаті локальних некрозів виникає потворна деформація, перетягування, здуття або викривлення пагонів, зрощення або розщеплення окремих органів, збільшення або зменшення в числі частин квітки, зміна статі та інші аномалії розвитку під дією гормональних гербіцидів або радіоактивного випромінювання.

Зміна напрямку, форми росту і галуження. Зміну напрямку росту коренів відмічено у кульбаби при зміні рівня ґрунтових вод; у Dycranum polysetum - утворення сланких пагонів та галуження; у лип при стійкому забрудненні атмосфери НСl або SO₂ спостерігається кущовидна та подушкова форми росту; у вражених димом хвойних порід зрідження крони та зміна бонітету стовбура [12].

Зміна приросту в більшості неспецифічна, але широко застосовується при індикації, так як є більш чутливим параметром, чим некрози і дозволяє безпосередньо визначити зниження продуктивності вирощуваних людиною рослин. Вимірюють головним чином зміни радіального приросту стовбура, приросту пагонів та листя в довжину, довжину коренів.

Зміна плодовитості спостерігається у багатьох рослин, це може бути, наприклад, зменшення утворень плодових тіл у лишайників.

В зоні забруднення повітря сірчистим газом рослини інтенсивно накопичують у своїх тканинах сірку. Звичайно чим більший склад цього елементу в рослинах, тим сильніше виявляється пошкоджене листя. Спочатку на них виникають опіки, потім листові пластинки зморщуються, відмирають та опадають. В рослинах, які піддавались впливу двоокису сірки, різко падає вміст хлорофілу, суттєво порушується структура хлоропластів. Все це відбивається на інтенсивності фотосинтезу, він різко ослаблюється, що в свою чергу гальмує ріст рослин, знижує врожайність, послаблює стійкість рослин до збудників хвороб. Рослини, у яких реакція на сірчистий газ проявляється різко та чітко, можна використовувати як індикатори цього токсиканта. Таким індикатором можуть бути епіфітні лишайники, які потребують дуже чистого повітря і найменше забруднення атмосфери, яке не впливає на більшість вищих рослин, викликає їх масову гибель. Хвойні породи теж страждають від сірчистого газу, під дією якого хвоя сосни в зонах сильного забруднення набуває темно-червоного кольору, який розповсюджується від основи голок, до їх гострого кінця, а потім голки відмирають і опадають. Дуже високою чутливістю до сірчистого газу володіє злак тонконіг однорічний (Poa annua L.).

Фтор також дуже шкідливий для рослин. Рослинні клітини реагують на нього відразу ж після його проникнення у тканини. Перш за все на рослинах з'являється хлороз, який супроводжується відмиранням листя (цитрусові, хвойні, рис, коліус, яблуня, груша). При індикації забрудненості атмосфери фтором використовують особливо чутливі до фтору рослини: цибулю, гладіолуси, ялину, квасолю, сосну. Ці рослини страждають вже при концентрації фтористого водню порядку 0,5 мкг/м³, найбільш характерний признак пошкодження хвойних порід - побіління, а потім потемніння кінців голок .

Більш ніж 40 хімічних елементів таблиці Менделєєва відносяться до важких металів. З точки зору забруднення оточуючого середовища, в основному ґрунтів, здатності накопичуватись в харчових продуктах та токсичності найбільше значення мають Hg, Pb, Cd, Sn, Va, Zn, Sb, Cu, Ni, Mo, As і Co. Для індикації забрудненості атмосфери важкими металами використовуються нижчі рослини, сфагнові мохи, лишайники. Під впливом надлишку деяких елементів в природному середовищі змінюється забарвлення листя, квітів, плодів та інших органів вищих рослин.

Найбільш часто при надлишку того чи іншого елементу виникає явище хлорозу - втрата зеленого забарвлення, яке супроводжується пожовтіння, а іноді навіть побілінням листя. До виникнення таких хлорозів призводить надлишок в ґрунті сполук алюмінію, марганцю, міді. Надлишок рухливого цирконію приводить до омертвіння тканин листка, при цьому між омертвілими ділянками можуть зберігатися зелені зони. Розповсюдження хлорозу від верхівки листка до основи викликане перенасиченням ґрунту цинком.

В результаті насичення тим чи іншим хімічним елементом змінюється також забарвлення квітів. Під дією йоду починають переважати жовто-червоні відтінки. У випадку збільшення у ґрунті марганцю квіти ряду рослин набувають невластиву їм жовто-червону гаму, а гвоздики та айстри - темно-пурпурової. Пелюстки троянд під дією міді із рожевих та жовтих перетворюються в голубі або навіть червоні. Присутність у ґрунті високих доз нікелю приводить до того, що у сон-трави оцвітина змінює колір з фіолетового на білий.

Специфічний вплив підкислення ґрунтів на рослини (кислотні дощі) позначається на кислоточутливих видах; забруднення ґрунту пилюкою, яка містить важкі метали - на рослинах з високою чутливістю до підвищеного вмісту цих елементів; шкода, яка наноситься дією сольового стресу позначається на фізіолого-біохімічних реакціях як солечутливих глікофітів, так і більш або менш солестійких галофітів.

Отже, проблема захисту природного середовища в нинішній час носить глобальний характер. Важливим етапом на шляху оздоровлення природного середовища стає розробка методів моніторингу, які направлені на виявлення, ідентифікацію та визначення концентрації токсичних речовин. Дуже важливий елемент при цьому - рослини, які дуже чутливо реагують на стан атмосфери та гідросфери. Після порушення адаптаційної здатності у рослин з'являються зовнішні симптоми ушкоджень за якими можна робити індикацію тих чи інших стресових факторів на рослину .

2.3 Адаптація рослин до умов техногенно забрудненого середовища

Здатність рослин пристосовуватись до зміни умов середовища Д.М.Гродзинський розглядав як прояв форм надійності, а А.А. Жиренко - як реалізацію їх адаптивного потенціалу. Приуроченість рослин до певного місцезростання привела в ході еволюції до створення різних видів вищих рослин, які відрізняються хімізмом обміну речовин. Ці біохімічні відмінності, біологічні особливості росту та розвитку, а також анатомо-морфологічні відмінності в будові асимілятивних органів рослин і визначають, на погляд Л.П. Красинського, видові відмінності в газостійкості, яка в першу чергу визначається їх фізіолого-біохімічними особливостями.

В світлі положень надійності біологічних систем, сформульованої Д.М.Гродзинським, в стійкості рослин до дії викидів промислових підприємств першорядне значення повинні мати механізми, які забезпечують автономний захист кожного органа та окремої його клітини від несподівано або швидко поступаючих, різноманітних за хімічним складом синтетичних речовин [6].

У відповідь на дію екстремальних факторів природного середовища в клітинах рослин синтезуються не тільки специфічні адаптогени та стрес протектори, але й при досягненні певного рівня напруги фактору і токсичні речовини.

Техногенне забруднення навколишнього середовища різними хімічними речовинами є для рослин не стільки якісно новим, скільки кількісно вагомим фактором, тобто суттєво перевищує можливості механізмів стійкості. Надходження в надземні органи рослин токсичних синтетичних речовин як за об'ємом, так і за часом дії значно перевищує поглинання рослинами непотрібних речовин природного походження.

Інгредієнти техногенного забруднення середовища відносяться до не ресурсних факторів, дія яких на рослини може істотно лімітувати ефективність використання природних ресурсів, необхідних їй для нормального росту та розвитку. Зменшення біомаси, скорочення тривалості життя дерев'янистих рослин Ю.З. Кулагін розглядав як “вимушену плату” за адаптацію до умов техногенних екотопів. Фенотипічні модифікації рослин в екстремальних умовах техногенних екотопів можуть мати двоякі властивості: пов'язані з підвищенням функціональної значимості захисних механізмів цілої рослини та окремих її органів або з посиленням ефективності використання ресурсних факторів середовища.

Натурні дослідження в різних промислових регіонах показують, що трав'яні рослини більш пристосовані до росту в умовах забрудненого середовища. На відміну від деревних порід, повний індивідуальний розвиток деяких евритопних видів можливий в найбільш несприятливих умовах техногенних екотопів, наприклад, на територіях промислових виробництв, біля основних джерел емісій та токсичних відвалів гірничих кар'єрів [12].

Для деревних рослин адаптивні зміни пов'язані з формуванням малооб'ємних щільно зімкнутих слабопродувних кулястих або зонтичних крон. Формування щільнозімкнутих слабопродувних крон знижує вірогідність тотального пошкодження мутагенами асиміляційних органів та новоутворень як у вегетативній, так і в генеративній сферах. В екстремальних умовах природного та техногенно забрудненого середовища спостерігається мінімізація розмірів основного органа рослин - пагона. Формування вкорочених меживузль, зміна ауксибластів в брахіопласти - результат скорочення періоду активності росту рослин та прискорення елементарних етапів морфогенезу. Зниження темпів росту деревних рослин, які піддаються дії емісії промислових підприємств, пов'язано з перерозподілом речовино-енергетичних ресурсів між вегетативними та генеративними частинами рослин. Із-за постійної надмірної витрати ресурсів пластичних речовин на створення необхідних морфоструктур, повільне накопичення фітомаси в життєвій стратегії рослин техногенних екотопів значно скорочуються або повністю виключають репродуктивні фази розвитку.

Як реалізацію принципу „уникнення” критичних періодів, або ритмологічної поліваріантності, слід розглядати і скорочення строків вегетації у багатьох видів рослин в екстремальних умовах техногенних екотопів. Цей зсув у фенологічному стані рослин досягається за рахунок передчасного опадання листя. Скорочення строків вегетації і, відповідно, збільшення біль безпечного у відношенні впливу полютантів періоду органічного та вимушеного спокою Ю.З. Кулагін розглядів як прояв „анаболітичної форми зимостійкості” в адаптивній стратегії виду.

Порівнюючи способи захисту цілісності онтогенезу рослин в екстремальних умовах природного та техногенного забрудненого середовища Ю.З. Кулагін відмічав високу ступінь їх ідентичності у фенологічному прояві, що може свідчити про генетичну предвизначеність загальних реакцій рослин на пошкоджуючий вплив полютантів та стресову дію природних факторів, в межах видової адаптивної норми. Звісно, що платою за виживання рослин в найбільш жорстких умовах техногенних екотопів є значне зниження цінності їх господарських та декоративних якостей.

3. БІОМОНІТОРИНГ ДОВКІЛЛЯ НА ОСНОВІ СПОСТЕРЕЖЕНЬ ЗА БІОЛОГІЧНИМИ ОБ'ЄКТАМИ

3.1 Індикація забруднення та стану атмосфери

Оскільки рослини в цілому володіють відносно високою чутливістю до дії деяких забруднюючих речовин, їх можна використовувати в якості індикаторів для виявлення забруднення і визначення його рівня, а також при здійсненні моніторингу стану забруднення атмосфери. Якщо рослини здатні накопичувати забруднюючі речовини без зміни їх хімічного складу за рахунок метаболічних процесів і якщо акумульовані речовини можуть бути легко ідентифіковані в зразках рослини, то такі види рослин можна використовувати як накопичувачі забруднення. Якщо акумуляція речовин рослинами може розглядатися як прояв впливу забруднення, то використання рослин є надзвичайно зручним для визначення рівня та складу забруднення та моніторингу ефектів впливу забруднюючих речовин.

Для такого моніторингу надзвичайно важливо дотримуватися наступних умов:

1.Вплив повинен призводити до помітної реакції рослини на забруднення повітря.

2.Ефекти впливу повинні добре відтворюватися при використанні рослин генетично подібних популяцій, що гарантує репрезентативність результатів.

3.Ефекти впливу повинні характеризуватися специфічними симптомами, властивими впливу індивідуальних забруднюючих речовин.

4.Рослини повинні бути дуже чутливими навіть до надзвичайно низьких концентрацій забруднюючих повітря речовин.

5.Рослини повинні добре рости і бути стійкими до захворювань, впливу комах.

В теперішній час відомо декілька видів (типів) ефектів впливу забруднення повітря на рослини, котрі можна умовно розділити на ефекти гострої дії високих концентрацій за короткий проміжок часу і хронічної дії низьких концентрацій цих речовин за тривалий період. Прикладами ефектів гострого впливу є чітко помітний хлороз або некроз тканин листя, опадання листя, плодів, пелюсток квіток, скручування листків, викривлення їх стебел.

До ефектів хронічної дії відноситься сповільнення або зупинка нормального росту і розвитку рослин (що обумовлюють, зокрема, зменшення об'єму біомаси, зниження врожаю сільськогосподарських культур); хлороз і некроз верхівок листя; повільне в'янення рослини або її органів. Іноді прояви хронічної або гострої дії можуть бути специфічними для окремих забруднюючих речовин або їх поєднання.

Доволі багато різних видів рослин можна використовувати в якості індикаторів або накопичувачів забруднення повітря через їх здатність до прояву ефектів впливу. Наприклад, для цих цілей можуть бути використані епіфітні види лишайників, мохи, папороті, вищі форми рослин, що мають судинну систему. Для біологічного моніторингу ефектів забруднення повітря придатні як дикорослі, так і культурні види рослин. Проте різниця в складі грунтів, ґрунтових вод та інші фактори (включаючи кліматичні) можуть вплинути на ефекти впливу забруднення повітря, що спостерігаються в різних районах. Через це доцільно вибирати такі індикаторні або акумулючі види рослин, умови зростання яких найбільш близькі (до них відносяться стан грунту, ґрунтових вод та інші). До теперішнього часу з цією метою звичайно використовувались вищі рослини. Наприклад, в Нідерландах та Великобританії - культура тютюну Bel W3, в Німеччині - пересаджувані види лишайників. Деякі види та культури дикорослих та культивованих рослин, чутливі до дії одного або кількох забруднюючих речовин, можуть ефективно використовуватися на мережі станцій моніторингу.

Рослинний покрив як важлива складова біосфери відображає її загальний стан і перебіг майже усіх процесів, що відбуваються на планеті. Життя на Землі було б неможливе без безперервного процесу фотосинтезу, що відбувається в зелених частинах рослин, які є основним стабілізатором вуглекисло-кисневого балансу повітряного басейну. Рослини як важливий компонент біогеоценозу помітно впливають на інші його елементи, сприяють формуванню ґрунтового покриву, впливають на хімізм ґрунту і його родючість, а також на життя усіх тварин і живих організмів, одночасно реагуючи на всі зовнішні фактори.

Рослини чутливо реагують на зовнішні умови. За достатньо високих концентрацій забруднювачів у багатьох з них ушкоджується листя, а зі зростанням кількості забруднюючого фактора протягом короткого проміжку часу можливе значне ураження рослини. Внаслідок некрозу (загибелі тканини) її колір змінюється від металево- сірого до коричневого, а в процесі старіння вона може втратити колір або вигоріти. Хронічне ушкодження рослин виникає і внаслідок дії невеликих концентрацій певних речовин протягом тривалого часу. До ознак хронічного ушкодження належать бронзове зафарбування листя, хлороз (знебарвлення), їхнє передчасне старіння. Відомо, що живі організми і рослини здатні поглинати певні забруднюючі речовини в особливо великих кількостях, тобто в них процеси накопичення або концентрування відбуваються інтенсивніше, ніж у навколишньому середовищі.

Основні забруднюючі речовини, на які реагують рослини. До них належать озон (0₃), оксиди азоту, діоксид сірки, фториди.

Озон (0₃) -- газоподібна забруднююча речовина, яка утворюється внаслідок складної реакції між окислами азоту за участю сонячного світла. Озон потрапляє в рослину через листя внаслідок звичайного газообміну між рослиною і навколишнім середовищем. Найчутливіше до дії озону листя, яке формується, але найпомітніше він уражає старі листки рослини. Загальною ознакою ураження рослин озоном є плямистість, яка вказує на його гостру дію. Ознаки ушкоджень рослин озоном різні й залежать від виду та сорту рослини, концентрації озону, часу експозиції (дії світла), а також від багатьох інших факторів. Специфічна ознака гострої дії озону на рослину -- поява цяточок, які з часом зливаються й утворюють плями на поверхні листка. Цяточки можуть бути білими, чорними, червоними або червонувато-пурпуровими. За низьких концентрацій 0₃ листя набуває червоно-бурого або бронзового кольору що, як правило, призводить до хлорозу, старіння та опадання листя. Хлороз може бути єдиною ознакою хронічного впливу озону протягом тривалого часу.

Оксиди азоту (NOx) -- газоподібні забруднюючі токсичні сполуки NO, N0₂ , N₂0. У забрудненому повітрі вміст оксидів азоту зумовлює утворення озону. Однак у багатьох випадках концентрація оксидів азоту надто мала, щоб помітно ушкодити рослину. Низькі концентрації N0₂ стимулюють ріст рослин, листя набуває темного кольору. Проте у деяких випадках виникає неспецифічний хлороз із наступним ушкодженням та опаданням листя. Англійські вчені виявили, що оксиди азоту є основною речовиною, яка забруднює повітря в теплицях, які обігрівають вуглеводневим паливом. Гостра дія N0₂ може бути схожа з гострою дією на рослини S0₂.

Діоксид сірки (SO₂) -- забруднююча речовина, яку викидають у повітря теплові електростанції (особливо ті, що працюють на вугіллі) і деякі промислові підприємства. Її концентрація в повітрі висока поблизу джерел викидів і поступово знижується із збільшенням відстані від нього [8].

S0₂ потрапляючи на листя, окислюється до високотоксичної сполуки S0₃, а потім повільно перетворюється на сульфат S0₄, менш токсичний. При низьких концентраціях S0₂ у повітрі практично повністю окислюється до сульфату, і рослини не страждають. За високої концентрації S0₃ відбувається гостре ушкодження листя широколистяних рослин, між жилками (з'являється бурий або білий колір) або на краях деяких листків спостерігається ефект «ялинки». Ознакою хронічної дії S0₂ є хлороз, або знебарвлення листя із зміною їх кольору до червоно-бурого; у хвойних рослин -- почервоніння голок зверху вниз. Рослини страждають за наявності концентрації S0₂ 0,05 -- 0,50 при дії протягом 8 годин.

Фториди перебувають у атмосфері у вигляді газу, твердої домішки або газоподібного фториду, адсорбованого іншою твердою речовиною. Фтористий водень (HF) у вигляді газу токсичніший, ніж у твердому стані. Він присутній у викидах стаціонарних джерел забруднення -- плавильних заводів і заводів, які використовують алюміній. Рослинність поблизу джерел викидів страждає найбільше.

Хронічна дія HF викликає у рослин хлороз уздовж прожилок листя, гостра дія HF -- некроз країв листя, який починається з верхньої частини листка і поширюється до його основи, внаслідок чого листя може деформуватися або скручуватися. Однодольною рослиною, яку використовують як індикатор є гладіолус. У них колір листя змінюється від білого до бурого, починаючи з верхівки листка до основи. Чітка темно-бура смуга відокремлює мертву тканину рослини від живої. У хвойних рослин з'являються голки з «обпаленими» краями або «обпалені» повністю.

Особливістю фториду є його здатність накопичуватись в листі, особливо на краях і верхівках. Для оцінки ступеня ушкодження рослин HF застосовують аналіз тканини листка.

Другорядні забруднюючі речовини, які діють на рослини. Такими речовинами є аміак, бор, хлор, етилен, пропилен, хлористий водень, соляна кислота.