Биологические методы оценки экологического состояния природной среды

Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

РОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ГИДРОМЕТЕОРОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ (РГГМУ)

КАФЕДРА ПРИКЛАДНОЙ ЭКОЛОГИИ

Курсовая работа

по дисциплине: Экологический мониторинг

на тему: Биологические методы оценки экологического состояния природной среды

Выполнил: Родионова Д.А.

ст.гр.Э-479

Проверил: Алексеев Д.К.

Санкт-Петербург 2014



СОДЕРЖАНИЕ

Введение

1. Биоиндикационные метода

1.1 Краткая история биоиндикационных методов

1.2 Виды и методы биоиндекации

2. Методы мониторинга воздушной среды

2.1 Биоиндикационные методы мониторинга воздушной среды

2.2.1 Биоиндикация загрязнения воздуха по состоянию сосны

2.2.1.2 Определение хагрязнения атмосферы по продолжительности жизни хвои

2.2.1.3 Определение состояния генеративных органов сосны

2.2.1.4 Определение состояния атмосферы по состоянию прироста деревьев последних лет

2.2.2 Определение чистоты воздуха по лишайникам

3. Биоиндикация почв

3.1 Установление таксона почвы и ее происхождение

3.2 Выявление отдельных свойств почв

3.3 Диагностика элементарных почвенных процессов

3.4 Антропогенное воздействие на почвы

3.5 Признаки избыточного содержания химических элементов в почве

3.5.1 Использование листьев липы в качестве биоиндикации солевого загрязнения почвы

4. Методы мониторинга водного объекта

4.1 Биоиндикация качества воды по животному населению

4.1.1 Отбор и обработка проб для анализа

4.1.2 Оценка качества воды малых рек и озер по биотическому Индексу

4.2 Оценка сапробности воды по показателям перефетона

4.3 Биоиндексация токсичности природных вод с помощью дафний

Заключение

Список использованных источников



ВВЕДЕНИЕ

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

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

В экологическом мониторинге используют различные методы исследования. Среди них можно выделить дистанционные (аэрокосмические) и наземные методы. К наземным методам относятся биологические (биоиндикационные)и физико-химические методы.

Как известно основой жизни на Земле являются круговорот веществ и поток энергии в биосфере. Высокое разнообразие животного мира обусловливает и его разнообразную роль в этих процессах. Связи животных друг с другом, с растениями, микроорганизмами определяют устойчивость биоценозов и экосистем. Животные участвуют в формировании ландшафтов, в почвообразовании, определяют продуктивность различных биогеоценозов и т. д.

Еще в древности заметили эту связь между живой и неживой природой, именно античные ученые, такие как Теофраст и Колумелла, обратили внимание на связь облика растений с условиями их произрастания. Так произошло зарождение биоиндикации, ставшей в настоящее время самостоятельным разделом в экологии. Но если на первом этапе развития биоиндикации преобладало использование живых объектов как индикаторов естественных компонентов, то с ухудшением условий окружающей среды и возникновением проблем ее охраны все большее значение приобретают биоиндикационные исследования антропогенных загрязнений воды, воздуха, почвы, растительного покрова, животного населения (т.е. нарушенных биоценозов). 

Именно поэтому в 1972 г. на основе рекомендаций I Международной конференции ООН в Стокгольме была создана Международная система экологического мониторинга, рассматривающая биоразнообразие как один из основных показателей функционирования биоты.

Метод биоиндикации основан на избирательном биологическом накоплении веществ из окружающей среды организмами растений и животных. Наиболее опасными для биотических сообществ являются антропогенные загрязнения почвы и вод тяжелыми металлами, радионуклидами, некоторыми хлорорганическими производными, так как вызывают в живых организмах отклик в виде накопления этих веществ, как всем организмом, так и его отдельными частями.

Коэффициенты накопления зависят от многих факторов: морфологических и физиологических особенностей организмов, физико-химических свойств накапливаемых веществ, среды, могут достигать порядка 10.-10.. Многообразие видов, их высокая избирательность к веществам различного строения и состава делает метод биоиндикации весьма перспективным для мониторинга вод и почв урбанизированных зон, а в ряде случаев и для очистки экосистем от загрязняющих веществ некоторыми видами растений и микроорганизмов. 

Таким образом, исходя из всего вышеизложенного, целью моей работы стало изучение биоиндикационных методов оценки состояния окружающей среды.

Цель работы реализуется при решении следующих задач:

- изучить понятия о биоиндикации и видах-индикаторах;

- изучить биологические методы оценки состояния атмосферного воздуха

- рассмотреть биоиндикационные методы оценки состояния водоемов;

- рассмотреть различные способы установления состава, свойств и степени загрязнения почвы.



1. Биоиндикационные методы

1.1 Краткая история биоиндикационных методов

биоиндикация почва водоем загрязнение

Использование живых организмов в качестве чувствительных к загрязнению окружающей среды уходит своими корнями в древние века. Первые наблюдения сделали еще античные ученые: именно они обратили внимание на связь облика растений с условиями их произрастания. Живший в 327 - 287 гг. до н. э. Теофраст написал широко известную работу «Природа растений», в которой содержится немало советов о том, как по характеру растительности судить о свойствах земель. Аналогичные сведения можно встретить в трудах римлян Катона и Плиния Старшего.

Идею биоиндикации с помощью растений сформулировал еще в I в. до н. э. Колумелла: «Рачительному хозяину подобает по листве деревьев, по травам или по уже поспевшим плодам иметь возможность здраво судить о свойствах почвы и знать, что может хорошо на ней расти». Это направление, ныне получившее название ландшафтной биоиндикации, успешно используется в практических целях.

В России в XV и XVI вв., уже упоминались такие понятия, как «лес пашенный» и «лес непашенный», т.е. участки леса пригодные для сведения под пашню и непригодные.

В нашей стране основоположником биоиндикационного использования растений, оценки свойств почв и подстилающих горных пород по особенностям развития растений и составу растительного покрова бесспорно считают А. П. Карпинского. А.П. Карпинский писал о возможности растительной биоиндикации, и использовал характер распространения растений для составления геологических карт. Например. Почвенные микроорганизмы и индикаторные растения служат при поисках различных полезных ископаемых. Также в трудах М.В.Ломоносова и А.Н.Радищева есть упоминания о растениях указателях особенностей почв, горных пород, подземных вод.

По словам Кашина, Иванова (1980), «растения являются высокоинформативным индикатором уровня доступных форм химических элементов в окружающей среде и основным источником их для человека и животных. В связи с этим они представляют большой интерес в качестве эффективных объектов при экологическом мониторинге загрязнения окружающей среды …»

Использование растений как индикаторов загрязнений окружающей среды было показано Константином и Овенсом. У.Д. Мэнинг и У.А. Федер (1985) определяют растение-индикатор как «растение, у которого признаки повреждения появляются при воздействии на него фитотоксичной концентрации одного загрязняющего вещества или смеси таких веществ. Индикаторными могут быть так же те растения, которые аккумулируют в тканях загрязняющие вещества или продукты метаболизма, получаемые в результате взаимодействия растения и загрязняющего вещества. Роль растений как объектов генетических исследований не может не дооцениваться, поскольку лишь благодаря им были установлены основные принципы и положения генетики и цитогенетики.

Но а самый большой вклад в развитие биоиндикации внес русский ученый-почвовед В.В.Докучаев. По комплексам почвенных животных можно определить типы почв и их изменение под влиянием хозяйственной деятельности человека.

Самое быстрое освоение биоиндикации началось в XIX в., когда быстрыми темпами стали осваивать окраины нашей страны. Сейчас целесообразно говорить не только наличии или отсутствии фактора, но и о степени его влияния на природный комплекс. Разная степень влияния на окружающую среду. Это позволяет ввести шкалу воздействий (например, нет воздействия - слабое - сильное). Это шкала экологического фактора позволяет более верно оценивать исследуемую территорию. В этом случае следует говорить - методе количественной оценки степени воздействия экологического фактора на окружающую природную среду. При помощи биоиндикации устанавливают содержание в субстрате витаминов, антибиотиков, гормонов и др, биологически активных веществ, а также определяет интенсивность различных химических (pH, содержание солей и др.) и физических факторов (радиоактивность) и другие среды. И так, по составу флоры и фауны вод, численному составу их отдельных представителей судят о степени и характере загрязнений, пригодности вод для питья и хозяйственных целей, а так же об эффективности работы очистных сооружений .

Впервые в России в 2001 г. в г. Сыктывкар на базе Института биологии Коми НЦ УРО РАН. Международный союз биологических наук, Междисциплинарная комиссия по биоиндикаторам и Российская академия наук провели XI международный симпозиум по биоиндикаторам «Современные проблемы биоиндикации и биомониторинга». В нем участвовало 500 представителей 102 организаций из 25 стран мира. К началу симпозиума было опубликовано более 300 присланных научных сообщений. Он стал важным этапом в развитии концептуальных подходов к решению проблемы взаимоотношения человека и природы. Практически с этого момента можно говорить о рождении в нашей стране научно обоснованной концепции биомониторинга. Десять предыдущих симпозиумов в основном были посвящены разработке критериев и методов оценки качества окружающей среды. В этот же раз обсуждались помимо традиционных вопросов биоиндикации новые методы, включая дистанционное зондирование, и новые подходы, охватывающие комплексные методы индикации - от традиционных биогеохимических до создания геоинформационных систем [1].



1.2 Виды и методы биоиндикации

По современным представлениям биоиндикаторы-- организмы, присутствие, количество или особенности развития которых служат показателями естественных процессов, условий или антропогенных изменений среды обитания. Биоиндикация -- метод, который позволяет судить о состоянии окружакщей среды по факту встречи, отсутствия, особенностям развития организмов -- биоиндикаторов. Условия, определяемые с помощью биоиндикаторов, называются объектами биоиндикации. Ими могут быть как определенные типы природных объектов (почва, вода, воздух), так и различные свойства этих объектов (механический, химический состав и др.) и определенные процессы, протекающие в окружающей среде (эрозия, дефляция, заболачивание и т. п.), в том числе происходящие под влиянием человека.

При выборе биоиндикаторов один из крупнейших американских экологов Ю. Одум предлагает учитывать следующие соображения.

1. Стенотопные виды (то есть виды, приспособленные к существованию в строго определенных условиях), более редкие в сообществах, как правило, являются лучшими индикаторами, нежели эвритопные (широко распространенные, обладающие широким диапазоном экологической выносливости).

2. Более крупные виды являются обычно лучшими индикаторами, чем мелкие, так как скорость оборота последних в биоценозах выше и они могут не попасть в пробу в момент исследований (при наблюдениях с длительной периодичностью).

3. При выделении вида (или группы видов), используемого в качестве индикатора воздействия того или иного фактора, необходимо иметь полевые и экспериментальные сведения о лимитирующих значениях данного фактора с учетом возможных компенсаторных реакций организма и толерантности вида (группы видов).

4. Численное соотношение разных видов (популяций или сообществ) более показательно и является более надежным индикатором, нежели численность одного вида («...целое лучше, чем часть, отражает общую сумму условий»). Биоиндикационные исследования подразделяются на два уровня: видовой и биоценотический. Видовой уровень включает в себя констатацию присутствия организма, учет частоты его встречаемости, изучение его анатомо-морфологических, физиолого-биохимических свойств. При биоценотическом мониторинге учитываются различные показатели разнообразия видов, продуктивность данного сообщества.

Биоиндикация может быть специфической и неспецифическои. В первом случае изменения живой системы можно связать только с одним фактором среды (рис. 1.1). Например, высокая концентрация в воздухе озона вызывает появление на листьях табака (сорта Веl WЗ) серебристых нек-розных пятен. Во втором случае различные факторы среды вызывают одну и ту же реакцию. Например, снижение численности почвенных беспозвоночных может происходить и при различных видах загрязнения почвы, и при вытаптывании, и в период заухи и по другим причинам.

Рис. 1.1 Формы биоиндикации

При другом подходе различают прямую и косвенную биоиндикацию. О прямой биоиндикации говорят, когда фактор среды действует на биологический объект непосредственно (рис. 1.2). В описанном выше случае серебристые пятна на листьях табака возникают от прямого действия озона.

Рис. 1.2 Прямая и косвенная биоиндикация

При косвенной биоиндикации фактор действует через изменение других (абиотических или биотических) факторов среды. Например, применение одного из гербицидов (2,2 дихлорпропионовой кислоты) на лугу ведет к уменьшению злаков в растительном покрове (с 55 до 12%) и, соответственно, увеличению разнотравья, что может рассматриваться как прямая биоиндикация. Эти изменения растительного покрова ведут к падению численности саранчовых и росту численности тлей. Изменение в соотношении двух групп насекомых - пример косвенной биоиндикации применения гербицида.[2]

Например, лишайники и хвойные деревья могут характеризовать чистоту воздуха и наличие промышленных загрязнений в местах их произрастания. Видовой состав животных и низших растений, обитающих в почвах, является специфическим для различных почвенных комплексов, поэтому изменения этих группировок и численности видов в них могут свидетельствовать о загрязнении почв химическими веществами или изменении структуры почв под влиянием хозяйственной деятельности.Методы биоиндикации подразделяются на два вида: регистрирующая биоиндикация и биоиндикация по аккумуляции. Регистрирующая биоиндикация позволяет судить о воздействии факторов среды по состоянию особей вида или популяции, а биоиндикация по аккумуляции использует свойство растений и животных накапливать те или иные химические вещества (например, содержание свинца в печени рыб, находящихся на конце пищевой цепочки, может достигать 100 -- 300 ПДК). В соответствии с этими методами различают регистрирующие и накапливающие индикаторы.

Регистрирующие биоиндикаторы реагируют на изменения состояния окружающей среды изменением численности, фенооблика, повреждением тканей, соматическими проявлениями (в том числе уродливостью), изменением скорости роста и другими хорошо заметными признаками. В качестве примера регистрирующих биоиндикаторов можно назвать лишайники, хвою деревьев (хлороз, некроз) и их суховершинность. Однако с помощью регистрирующих биоиндикаторов не всегда возможно установить причины изменений, то есть факторы, определившие численность, распространение, конечный облик или форму биоиндикатора. Это один из основных недостатков биоиндикации, поскольку наблюдаемый эффект может порождаться разными причинами или их комплексом.

Накапливающие индикаторы концентрируют загрязняющие вещества в своих тканях, определенных органах и частях тела, которые в последующем используются для выяснения степени загрязнения окружающей среды при помощи химического анализа. Примером подобных индикаторов могут служить хитиновые панцири ракообразных и личинок насекомых, обитающих в воде, мозг, почки, селезенка, печень млекопитающих, раковины моллюсков, мхи. Какой бы современной ни была аппаратура для контроля загрязнения и определения вредных примесей в окружающей среде, она не может сравниться со сложно устроенным «живым прибором». Правда, у живых приборов есть серьезный недостаток -- они не могут установить концентрацию какого-либо вещества в многокомпонентной смеси, реагируя сразу на весь комплекс веществ. В то же время физические и химические методы дают количественные и качественные характеристики фактора, но позволяют лишь косвенно судить о его биологическом действии. С помощью биоиндикаторов можно получить информацию о биологических последствиях и сделать только косвенные выводы об особенностях самого фактора. Мониторинг с применением накапливающих биоиндикаторов зачастую требует применения сложных и дорогостоящих приборов, оборудования, трудоемких методик, что под силу только специальным лабораториям. Но в основном методы биоиндикации не требуют значительных затрат труда, сложного и дорогостоящего оборудования, а поэтому могут широко использоваться в школьном экомониторинге. Наиболее конструктивно использовать биоиндикаторы одновременно с инструментальным контролем за состоянием окружающей природной среды, применяемым при локальном мониторинге источников или объектов загрязнения [1].



2. Методы мониторинга воздушной среды

2.1 Биоиндикационные методы мониторинга воздушной среды

Сильнейшее антропогенное воздействие на фитоценозы оказывают загрязняющие вещества в окружающем воздухе, такие, как диоксид серы, оксиды азота, углеводороды и др. Среди них наиболее типичным является диоксид серы, образующийся при сгорании серо содержащего топлива (работа предприятий теплоэнергетики, котельных, отопительных печей населения, а также транспорта, особенно дизельного).

Устойчивость растений к диоксиду серы различна. Даже незначительное наличие диоксида серы в воздухе хорошо диагностируется лишайниками - сначала исчезают кустистые, потом листоватые и, наконец, накипные формы. Из высших растений повышенную чувствительность к S0₂ имеют хвойные (кедр, ель, сосна). Устойчивы к загрязнению бересклет, бирючина, клен ясенелистный.

Для ряда растений установлены границы их жизнедеятельности и предельно допустимые концентрации диоксида серы в воздухе. Величины ПДК (мг/куб. м): для тимофеевки луговой, сирени обыкновенной - 0,2; барбариса - 0,5; овсяницы луговой, смородины золотистой - 1,0; клена ясенелистного - 2,0 .

Чувствительны к содержанию в воздухе других загрязнителей (например, хлороводорода, фтороводорода) такие растения, как пшеница, кукуруза, пихта, ель, земляника садовая, береза бородавчатая.

Стойкими к содержанию фтороводорода в воздухе являются хлопчатник, одуванчик, картофель, роза, табак, томаты, виноград, а к хлороводороду - крестоцветные, зонтичные, тыквенные, гераниевые, гвоздичные, вересковые, сложноцветные.[1]



2.2.1 Биоиндикация загрязнения воздуха по состоянию сосны

Считается, что для условий лесной полосы России наиболее чувствительны к загрязнению воздуха сосновые леса. Это обусловливает выбор сосны как важнейшего индикатора антропогенного влияния, принимаемого в настоящее время за «эталон биодиагностики».

Информативными по техногенному загрязнению являются морфологические и анатомические изменения, а также продолжительность жизни хвои. При хроническом загрязнении лесов диоксидом серы наблюдаются повреждения и преждевременное опадение хвои сосны. В зоне техногенного загрязнения отмечается снижение массы хвои на 30 - 60% в сравнении с контрольными участками.

Ключевые участки для мониторинга загрязнения атмосферы могут иметь большую площадь (например, 1 га), и выбираются в однородном по видовому составу массиве леса.

Определение состояния хвои сосны обыкновенной для оценки загрязненности атмосферы

В незагрязненных лесных экосистемах основная масса хвои сосны здорова, не имеет повреждений и лишь малая часть хвоинок имеет светло-зеленые пятна и некротические точки микроскопических размеров, равномерно рассеянные по всей поверхности. В загрязненной атмосфере появляются повреждения и снижается продолжительность жизни хвои сосны. Методика индикации чистоты атмосферы по хвое сосны состоит в следующем. С нескольких боковых побегов в средней части кроны 5-10 деревьев сосны в 15-20-летнем возрасте отбирают 200-300 пар хвоинок второго и третьего года жизни.

Анализ хвои проводят в лаборатории. Вся хвоя делится на три части (неповрежденная хвоя, хвоя с пятнами и хвоя с признаками усыхания) и подсчитывается количество хвоинок в каждой группе. Данные заносятся в рабочую таблицу 1 с указанием даты отбора проб на каждом ключевом участке.

На рисунке показаны различные варианты состояния хвои сосны.

Рис.2.1 Повреждение и усыхание хвои сосны: 1- хвоинка без пятен; 2, 3- с черными и желтыми пятнами; 4-6 -хвоинки с усыханием

Таблица 1.

Определение состояния хвои сосны обыкновенной для оценки загрязненности атмосферы (измеряемые показатели - количество хвоинок)

Повреждение и усыхание хвоинок	Номера ключевых участков
	1	2	…	9
Общее число обследованных хвоинок
Количество хвоинок с пятнами
Процент хвоинок с пятнами
Количество хвоинок с усыханием
Процент хвоинок с усыханием
Дата отбора проб

2.2.1.2 Определение загрязненности атмосферы по продолжительности жизни хвои

Определение загрязненности атмосферы по продолжительности жизни хвои

Информативным по техногенному загрязнению является продолжительность жизни хвои сосны (от 1 до 4-5 и более лет).

С целью определения продолжительности жизни хвои на каждом участке необходимо осмотреть не менее 100-200 деревьев. для удобства про ведения исследования методом визуального осмотра выбираются невысокие деревья (в возрасте 10-15 лет). Результаты осмотра заносят в таблицу 3.[1]

Таблица 2.Определение по продолжительности жизни хвои как оценка загрязненности атмосферы (измеряемый показатель - количество деревьев)

Количество осмотренных деревьев с данной продолжительностью жизни хвои, Т	Номера ключевых участков
	1	2	.. .	9	10
Возраст хвои 4 года и более	В1
Возраст хвои 3 года	В2
Возраст хвои 2 года	В3
Хвоя только текущего года	В4

2.2.1.3 Определение состояния генеративных органов сосны обыкновенной

Под действием загрязнителей происходит подавление репродуктивной деятельности сосны. Число шишек на дереве снижается, уменьшается число нормально развитых семян в шишках, заметно изменяются размеры женских шишек (до 15-20%).

Для проведения исследования в осеннее или зимнее время на ключевом участке отбирают 100-200 шишек (по 10 шишек с 10- 20 деревьев 30 - 40-летнего возраста) и определяют их линейные размеры штангенциркулем, мерной лентой или полоской миллиметровой бумаги.

Полученные данные вносят в рабочую тетрадь, подсчитывают средние для ключевого участка длину и диаметр шишек и заносят данные в табл. 2.

Полученные результаты сравниваются с результатами прошлых лет. Делается вывод об изменении загрязнения атмосферы. [1]

Таблица 3. Определение состояния генеративных органов сосны обыкновенной (измеряемые показатели - размеры шишек сосны)

Средние значения по 10-20 деревьям (все показатели - средние)	Номера ключевых участков
	1	2	...	9	10
Средняя длина шишки, мм
Средний диаметр шишки, мм

2.2.1.4 Определение состояния атмосферы по состоянию прироста деревьев последних лет

Биоиндикатором загрязненности атмосферы может служить ежегодный прирост деревьев по высоте, который на загрязненных участках может быть на 20-60% ниже, чем на контрольных.

Для индикации состояния атмосферы этим методом в сентябре следует визуально осмотреть на ключевых участках сосновый древостой возраста 10-15 лет. На исследуемом участке выбрать направление (например, с севера на юг), вдоль которого подсчитать все деревья подряд, кроме тех, у которых поврежден главный побег. Чтобы измерения были более точными, необходимо обследовать не менее 100 деревьев, находящихся по возможности в разных местах исследуемого участка для исключения случайных факторов, например, вредителей (хрущ, пилильщик, сосновая совка). На каждом дереве измерить длину центрального побега между двумя верхними мутовками (т. е. прирост последнего года) и определить среднюю величину прироста.

По данным таблицы рассчитывают индекс продолжительности жизни хвои Q сосны по формуле:

3В₁+2В₂+1В₃

Q = ---------------

B₁+B₂+B₃

где B₁, В₂, В₃ - количество осмотренных деревьев с данной продолжительностью жизни хвои. Чем выше индекс Q, тем больше продолжительность жизни хвои сосны, а значит - и чище воздух.

Затем проводят расчет средней продолжительности жизни хвои Q сосны для каждого ключевого участка.



2.2.2 Определение чистоты воздуха по лишайникам

Лишайники - своеобразная группа симбиотических организмов, в которых совместно живут организмы, принадлежащие к разным типам (грибы и водоросли) и снабжающие друг друга необходимыми для жизнедеятельности веществами. Гриб, нуждающийся в готовых органических веществах, получает их от водоросли, способной к фотосинтезу органических веществ из минеральных с помощью солнечной энергии. В свою очередь гриб поставляет водоросли необходимые ей минеральные вещества и хорошо удерживает воду, причем не только дождевую, но и содержащуюся во влажном воздухе в форме пара или тумана.

Такие особенности биологии позволяют лишайникам поселяться на поверхности камней, на стволах деревьев, на других голых поверхностях. Значительную часть необходимых для их жизни минеральных веществ лишайники получают из поглощаемой их поверхностью пыли, оседающей из воздуха. Это делает их весьма чувствительными к химическому составу пыли и к содержанию в воздухе загрязняющих веществ. Лишайники первыми из живых существ страдают от загрязнения воздуха. На этой реакции основана методика лихеноиндикации (определения по лишайникам) - оценки степени загрязненности воздуха в городах и в лесных массивах.

На территории России встречается около 25 тысяч видов лишайников. Их точное определение требует профессиональных знаний и опыта. Однако, отличить разные виды лишайников друг от друга не так трудно, даже не зная их видовых названий. Как правило, виды лишайников, обитающих на одном древесном стволе (эпифитные лишайники) или одном камне можно, различить по следующим признакам:

1) по структуре таллома или слоевища - так называют специалисты "тело" лишайника, образованное грибом (корковидная, губчатая, чешуйчатая, листовидная, ветвистая);

2) по цвету, который зависит как от гриба, так и от водоросли, образующих лишайник (черный, темносерый, сизосерый, коричневый, иногда с желтым, оранжевым, зеленым оттенком);

3) по консистенции слоевища (сухая ломкая, сухая упругая, влажная упругая, влажная мягкая и т.п.);

4) по размеру, форме и окраске образующихся на поверхности органов - апотеций, в которых вызревают споры, служащие для размножения гриба. Это небольшие в несколько миллиметров круглые или овальные плотные образования, часто отличающиеся от слоевища по цвету.

Как и большинство биологических методов оценки состояния окружающей среды, лихеноиндикация не может различить конкретные вредные вещества, загрязняющие атмосферный воздух, но зато позволяет выделить территории, подверженные воздействию загрязненного воздуха. Для выделения таких неблагополучных территорий иногда бывает достаточно даже неполного, без видовой идентификации, описания лишайников по их разнообразию и обилию на единице площади в данном массиве.

Лучше всего сделать такое описание лишайников, обитающих на стволах деревьев (эпифитов) в парке, в лесополосе около автомобильных и железных дорог, в дворовом озеленении. Главное требование при этом - тщательное соблюдение единых правил описания лишайников для всех сравниваемых территорий. А правила эти не так уж сложны.

На участке леса или посадок, намеченном к описанию, выбираются случайным образом 10 деревьев, на стволах которых описываются все лишайники по признакам, сведенным в таблицу. Если лесной массив достаточно большой, то следует выделить несколько участков - один на опушке, остальные в глубине леса или парка.

Для каждого описания составляется таблица, в которую заносятся данные об исследуемом массиве, глазомерные характеристики обилия лишайников на стволе дерева, начиная от поверхности почвы до высоты 2 метра. Обилие выражается в процентах поверхности ствола, покрытой лишайниками от общей поверхности ствола.

Поскольку некоторые лишайники предпочитают определенные виды деревьев, необходимо указать породный состав деревьев обследуемого участка, приведенный к сумме 10 баллов (формула леса). Например. Л8К2 - означает, что на данном участке леса 80% липы и 20% клена; С9Б1 - 90% сосны и 10% березы; Е2ДЗЛ1Б4 - 20% ели, 30% дуба. 10% липы 40% березы. Диаметр ствола определяется на высоте груди среднего человека. После внимательного осмотра всех лишайников на всех намеченных деревьях, нужно определить количество разновидностей лишайников, достаточно ясно отличающихся друг от друга. Количество разновидностей лишайников (разнообразие) определяется не как сумма разновидностей встреченных на отдельных деревьях, а как общее количество разновидностей, которые удалось выделить на всех обследованных деревьях данного массива.

Проведя такую работу в различных массивах леса или парках города, можно заметить как, точно отражает разнообразие и обилие эпифитных лишайников состояние воздушного бассейна в разных частях города. Если нанести полученные данные визуальных оценок на карту города, можно получить карту степени загрязненности городского воздуха под влиянием выбросов промышленных предприятий и автотранспорта. Такая карта может служить ориентиром для планирования мер защиты воздушного бассейна от загрязнения [3].



3.Биоиндикация почв

3.1 Установление таксона почвы и ее происхождения

Биоиндикация применяется в случаях:

* установления таксона почвы и ее происхождения;

* выяснения отдельных свойств почвы и почвенных процессов;

* оценки антропогенного вмешательства (рекреация, загрязнение, эвтрофикация почв).

Развитие методов биоиндикации применительно к почве связано с работами основателя отечественной почвенной зоологии М.С. Гилярова и его школы, обобщенными в книге . Эта работа дала мощный импульс подобным исследованиям не только в нашей стране, но и за ее пределами.

1. Выяснение природы красноцветных почв южного берега Крыма по данным почвенной фауны. По поводу происхождения этих почв существовали две гипотезы почвоведов: 1) это такие же почвы, как красноцветные почвы (terra rossa) в Италии, 2) это реликты третичной эпохи, которые должны исчезнуть.

По данным почвенной зоологии оказалось, что 96% всех видов беспозвоночных красноцветных почв Крыма имеют средиземноморское распространение или более широкое, и только 4% обитают в других областях. В других типах почв южного берега Крыма средиземноморские виды уступают широкораспространенным. Беспозвоночные указывают на то, что условия обитания (и прежде всего гидротермический режим) в красноцветных почвах Крыма такой же, как и в других красных почвах Средиземноморья. Следовательно, с точки зрения почвенной зоологии, красноцветные почвы на выходах известняков в Крыму - это terra rossa, образующиеся в настоящее время, а не реликтовые почвы.

2. Выяснение природы почв безлесных горных вершин северозападного Кавказа. Это степные участки на высоте, где мог бы расти лес Почвы под ними специалисты относили то к черноземам, то к горно-луговым, то к перегнойно-карбонатным и т.д.

Учеты почвенной фауны показали, что она слагается в основном из тех же видов, которые преобладают в почвах целинных разнотравно-ковыльно-типчаковых степей на равнине. Таким образом, по зоологической оценке почвы на вершинах являются своеобразными черноземами.

3. Черноземы иногда могут формироваться под светлыми дубовыми лесами. Было показано, что население беспозвоночных здесь сходно с населением степей, а не лесов. В таких случаях животные более четко отражают почвенные условия, чем естественный растительный покров.

3.2 Выяснение отдельных свойств почвы

* Механический состав

Мокрицы - показатели тяжелых почв (в песчаных почвах их норки обрушиваются). По останкам пустынных мокриц установлено, что современные такыры недавно были солончаками.

Вертикальное распределение микроартропод коррелирует с общей по-розностью почвы.

* Виды гумуса

Грубый гумус (мор) - диагностируют многоножки-геофилиды, мягкий гумус (мулль) - личинки комаров-долгоножек. В настоящее время для отдельных групп, например, коллембол, выявлены виды, характерные для разных видов лесного гумуса.

* Степень гумификации органических остатков

Зоологическая характеристика компостов по Н.М. Черновой [11] позволяет отличать разные стадии созревания компостов по преобладанию разных групп беспозвоночных (в зрелых компостах много дождевых червей, среди коллембол преобладают белые почвенные формы).

Разные стадии разложения древесины осуществляются при участии разных групп организмов, которые могут служить индикаторами. Первую стадию маркируют жуки-усачи и короеды, вторую - ферментативная активность грибов, третью - муравьи и четвертую - дождевые черви.

* Кислотность (рН)

Кислотность -- одно из характерных свойств почвы лесной зоны. Повышенная кислотность отрицательно сказывается на росте и развитии ряда видов растений. Это происходит из-за появления в кислых почвах вредных для растений веществ, например растворимого алюминия или избытка марганца. Они нарушают углеводный и белковый обмен в растениях, задерживают образование генеративных органов и приводят к нарушению семенного размножения, а иногда вызывают гибель растений. Повышенная кислотность почв подавляет жизнедеятельность почвенных бактерий, участвующих в разложении органики и высвобождении питательных веществ, необходимых растениям. В лабораторных условиях кислотность почв можно определить универсальной индикаторной бумагой, набором Алямовского, рН-метром, а в полевых условиях -- при помощи растений-индикаторов. В процессе эволюции сформировались три группы растений: ацидофилы -- растения кислых почв, нейтрофилы -- обитатели нейтральных почв, базифилы -- растут на щелочных почвах. Зная растения каждой группы, в полевых условиях можно приблизительно определить кислотность почвы 

Кислотность - один из ведущих факторов, определяющих видовой состав и численность сообществ почвенных беспозвоночных. Численность дождевых червей, например, обычно прямо пропорциональна рН от 3 до 8.

* Содержание кальция

Калькофилы - это наземные раковинные моллюски, многоножки-диплоподы, сухопутные рачки-мокрицы, раковина или панцирь которых состоят в основном из углекислого кальция. Обилие этих групп в почве говорит о большом содержании кальция.

* Гидротермический режим

В Восточной Сибири встречаемость в почве личинок майского хруща говорит о том, что вечная мерзлота залегает не ближе 2,2-3 м от поверхности почвы и что зимой не происходит смыкания промерзшего слоя с вечной мерзлотой. В Европейской части присутствие личинок майского хруща - показатель глубокого залегания фунтовых вод.

3.3 Диагностика элементарных почвенных процессов

Существует 14 элементарных почвенных процессов (ЭПП), в том числе оглеение, олуговение, образование лесной подстилки, остепнение, засоление и др. Для диагностики этих процессов могут быть использованы экогруппы почвенных беспозвоночных, объединения видов со сходным пространственным распределением. Особенно наглядно выделяются экогруппы по катене - ландшафтному профилю, проходящему от местной депрессии к местному водоразделу. Так, для степной катены Барабинской низменности Мордкович выделил восемь экогрупп имаго жужелиц: поименно-болотная, болотная, солончаковая, лесная, лугово-лесная, солонцовая, луговая и степная [12].

То, что виды предпочитают одну и ту же часть катены, говорит об их адаптированности к какому-то одному интегральному фактору, который является ведущим в данном типе почв. Таким фактором можно считать ЭПП, который влияет на жужелиц через изменение экологической обстановки. В таком случае поименно-болотная экогруппа жужелиц четко диагностирует место и интенсивность глеевого процесса в верхней части почвы, болотная - торфообразование, солончаковая - солончаковый процесс (галобионты), лугово-лесная - осолодение, солонцовая - осолонцевание (мелкие плоские жужелицы, обитающие в трещинах), луговая - луговое гумусонакопление, степная - степной почвообразовательный процесс, лесная - процесс образования лесной подстилки.

Далее проводится диагностика типов почв по спектрам экогрупп. Тип почв характеризуется определенным сочетанием ЭПП. А так как каждому ЭПП соответствует определенная экогруппа, то типу почвы отвечает определенный спектр экогрупп. Например: обыкновенный чернозем отличается доминированием жужелиц степной экогруппы (74%), что указывает на определяющую роль степного гумусонакопления в процессе формирования чернозема. Наличие 15% луговых видов маркирует проявление процесса олуговения во влажные сезоны. Небольшая доля участия других экогрупп (болотной, лугово-лесной, солонцовой и лесной) свидетельствует о былом гидроморфизме чернозема и его возможной облесенности в прошлом.

Ограничение метода:для каждого региона нужно разрабатывать свои экогруппы организмов.

3.4 Антропогенное воздействие на почвы

В предыдущих разделах (биоиндикация на разных уровнях организации) было рассмотрено достаточно примеров биоиндикации загрязнений и других нарушений почвы. В этой части мы хотели бы остановиться на многокомпонентных тест-системах, предназначенных для биотестирования почвенного и снежного покрова. Такие системы, по Кабирову с соавторами [13], должны включать:

1) про- и эукариотические организмы,

2) представителей двух трофических уровней: автотрофов и гетеротрофов,

3) представителей из основных функциональных блоков наземных экосистем - продуцентов, консументов и редуцентов,

4) представителей из основных царств живого - бактерий, грибов, растений, животных,

5) тест-организмы, хорошо растущие в лабораторных условиях,

6) организмы, обладающие высокой чувствительностью к наиболее распространенным загрязнителям природной среды,

7) организмы с широкими ареалами распространения, с хорошо изученной экологией и биологией,

8) такие тест-реакции тест-объектов, регистрация которых не требует сложной и дорогостоящей аппаратуры, но в то же время несущих достаточный объем информации.

Те же авторы предлагают следующий состав многокомпонентной тест-системы:

1) сииехоцистис водяной (цианобактерия, прокариот, автотроф, продуцент, распространен в солоноватых или загрязненных водоемах и почве),

2) хлорелла обыкновенная (низшее растение, эукариот, продуцент),

3) пенициллум циклопиум (гриб, эукариот, гетеротроф, сапрофит, консумент),

4) овес посевной (высшее растение, эукариот, автотроф, продуцент).

У этих тест-растений определяют следующие тест-реакции:

* у цианобактерий и микроскопических водорослей - размножение и рост клеток в почвенной вытяжке. Увеличение численности клеток измеряют по изменению оптической плотности суспензии на фотоэлектроко-лориметре или на спектрофотометре;

* у микроскопических грибов - рост колоний на агаровой среде, приготовленной на почвенной вытяжке;

* у высших растений - всхожесть и энергия прорастания семян, замоченных в почвенной вытяжке.[4]

3.5 Признаки избыточного содержания химических элементов в почве

Цинк -- обесцвечивание и отмирание ткани листьев, молодые листья желтеют, верхушечные почки отмирают, более старые листья могут опадать без увядания,жилки окрашиваются в красный или черный цвет (на ранних стадиях повреждение сходно с недостатком железа). Первые признаки появляются на молодых растениях, при этом поражается все растение.

Медь -- хлороз молодых листьев, жилки остаются зелеными.

Марганец -- первые признаки появляются на молодых растениях, поражение местное. Ткань некротическая, хлороз развивается между жилками молодых листьев, превращая их в желтые или беловатые с темно- коричневыми или почти белыми некротическими пятнами, лист искривляется и сморщивается (в этом основное отличие от голодания).

Железо -- ткань не некротическая: хлороз развивается между жилками молодых листьев, жилки остаются зелеными, позднее весь лист становится желтым или беловатым, что сходно с голоданием.

Кобальт -- у некоторых растенийвдоль основных зеленых жилок листа появляются прозрачные, наполненные водой участки; между жилками развивается также некроз; позднее листья становятся коричневыми и опадают.

Фосфор -- первые признаки проявляются на взрослых растениях, повреждается все растение. Ткань некротическая, общее пожелтение листьев; желтоватые или коричневые концы и края более старых: появление ярких некротических пятен; опадение листьев, у некоторых растений сходное с калийным голоданием, у других -- с избытком азота.

Магний -- листья слегка темнеют и немного уменьшаются; иногда наблюдается свертывание и сморщивание молодых листьев, на поздних стадиях роста концы их втянуты и отмирают.

Калий -- ткань не некротическая: на ранних стадиях слабый рост растений, удлинение междоузлий, светло-зеленая окраска листьев; на поздних стадиях рост замедляется, у листьев появляются пятна, листья вянут и опадают.

Сера -- общее огрубление растений, листья маленькие, тускло-зеленые, стебли твердые, позднее листья могут скручиваться внутрь и покрываться наростами, края их становятся коричневыми, затем бледно-желтыми.

Хлор -- общее огрублениерастений, листья маленькие, тускло-зеленые, стебли твердые, у некоторых растений на более старых листьях появляются пурпурно-коричневые пятна, после чего листья опадают.

Азот аммонийный или нитратный -- повреждение местное. Ткань некротическая: хлороз развивается на краях листьев и распространяется между жилками, появляется коричневый некроз, и концы листьев свертываются, затем листья опадают (повреждение у многих растений сходно с голоданием).

Кальций -- хлороз развивается между жилками с беловатыми и некротическими пятнами, которые могут быть окрашенными или иметь наполненные водой концентрические кольца; у некоторых растений происходит рост листовых розеток, отмирание побегов и опадение листьев (по повреждению сходно с недостатком магния и железа).

Бор -- хлороз концов и краев листьев, который распространяется внутрь, особенно между жилками, пока весь лист не становится бледно-желтым или беловатым; ожоги краев листьев и некроз с закручиванием краев, опадение листьев.

В программе экомониторинга предусмотрено определение признаков избытка микро- и макроэлементов в почве ключевых участков методом биодиагностики.

В таблицу экопаспорта обозначается знаком «+» наличие у растений признаков, свидетельствующих об избыточном количестве того или иного химического элемента.[1]

3.5.1 Использование листьев липы в качестве биоиндикатора солевого загрязнения почвы

Для предотвращения гололедицы на проезжих частях улиц городов часто используют песчано-солевую смесь. В весеннюю пору в период таяния снега часть соли растворяется и вместе с талой водой уносится в реки, а часть соли вместе с песком оказывается на газонах, приводя к загрязнению почвы. Большинство растений не выносит хлорид-ионов и гибнет, древесные растения ослабляются, у них повреждаются листья, уменьшается фотосинтезирующая поверхность и замедляется рост, рано опадают листья. Особенно чувствительны к солевому загрязнению липы. Показателем реакции липы на солевой фактор является появление краевого хлороза на листьях. Под хлорозом понимается утрата листовой пластинкой зеленой окраски вследствие разрушения хлорофилла и появления желтой окраски, что приводит к отмиранию участков листа в целом и раннему сбрасыванию их на землю. О степени засоления почвы газонов можно судить по величине повреждения листовых пластинок липы. Исследования лучше всего вести с половины июля по август, когда лист достигнет своего полного развития.

При этом следует внимательно осмотреть листья лип и выявить степень повреждения листовых пластинок. Выделяется 4 степени повреждения, соответствующие характеру засоления почв:

* первая степень загрязнения -- на крае листа появляется узкая желтая полоска, в почве отмечаются следы соли;

* вторая -- сильный хлороз, проявляющийся в виде широкой краевой полосы, при этом в почве отмечается среднее количество соли;

* третья -- обширная зона краевого некроза с желтой пограничной полоской;

* четвертая -- большая часть листовой пластинки отмирает, количество соли в почве крайне велико и граничит с пределами выносливости вида.

Исследуя характер повреждений листьев липы по кварталам, данные заносят на план города. После полного обследования можно получить реальную картину засоления микрорайонов города и выработать предложения по оздоровлению почвы. Для борьбы с засолением иногда прибегают к смене почвенного покрова на газонах, но это мелиоративное мероприятие ложится тяжелым бременем на городской бюджет, поэтому не следует допускать складирования сметаемого с дороги песка на газоны.[1]

4.Методы мониторинга водных объектов

В своем естественном состоянии различные природные водоемы могут сильно отличаться друг от друга. На водную флору и фауну действуют такие показатели, как глубина водоема, скорость течения, кислотно-щелочные свойства воды, мутность, кислородный и температурный режим, количество растворенной органики, соединений азота и фосфора, и многие другие. На все эти параметры влияет как антропогенная нагрузка, так и естественные процессы, происходящие в водоемах. Для водоемов разных типов в норме будет характерен разный видовой состав и обилие водных организмов (гидробионтов).

Оценка качества воды водоемов и водотоков может быть проведена с использованием физико-химических и биологических методов. Биологические методы оценки - это характеристика состояния водной экосистемы по растительному и животному населению водоема .

Любая водная экосистема, находясь в равновесии с факторами внешней среды, имеет сложную систему подвижных биологических связей, которые нарушаются под воздействием антропогенных факторов. Прежде всего, влияние антропогенных факторов, и в частности, загрязнения отражается на видовом составе водных сообществ и соотношении численности слагающих их видов. Биологический метод оценки состояния водоема позволяет решить задачи, разрешение которых с помощью гидрофизических и гидрохимических методов невозможно .

Биологические методы изучения водоемов дают комплексную оценку качества воды, учитывают взаимодействие разных загрязняющих веществ и могут помочь в том случае, когда источник загрязнения имеет переменную мощность или непостоянный химический состав [5].

Биоиндикация выявляет уже произошедшее или происходящее загрязнение водоёма по индикаторным организмам и функциональному состоянию популяций и биоценозов. К, примеру, зоопланктон может быть использован при индикации степени загрязнения водоёмов, прежде всего органическими веществами, особенно когда сравниваются разные водоёмы или достаточно большие участки рек, крупных озёр и водохранилищ.

При оценке качества вод и обобщении результатов наблюдений по гидрохимическим показателям сопоставляют полученные от исследований данные со стандартными показателями качества воды, установленными нормативными документами. Но использование для оценки качества воды только гидрохимических показателей имеет свои недостатки.

Вода - самое распространенное соединение в природе, не бывает абсолютно чистой. Природная вода содержит многочисленные растворенные вещества - соли, кислоты, щелочи, газы (углекислый газ, азот, кислород, сероводород), продукты отходов промышленных предприятий и нерастворимые частицы минерального и органического происхождения. Свойства и качество воды зависят от состава и концентрации содержащихся в ней веществ.

О чистоте воды природного водоема можно судить по видовому разнообразию и обилию животного населения. В таблице 2 приведены индикаторные таксона определяющие эколого-биологическую полноценность воды, класс качества и использование воды [5].

Показателем качества воды может служить биотический индекс, который определяется по количеству ключевых и сопутствующих видов беспозвоночных животных, обитающих в исследуемом водоеме. Самый высокий биотический индекс определяется числом 10, он отражает качество воды экологически чистых водоемов, вода которых содержит оптимальное количество биогенных элементов и кислорода, в ней отсутствуют вредные газы и химические соединения, способные ограничить обитание беспозвоночных животных. Роль биоиндикаторов в этом случае играют личинки комаров-дергунов или хирономусы (в народе «мотыль») и малощетинковые кольчецы (трубочники). Об их количестве судят о степени эвтрофикации водоема. Токсичность природных вод можно определять, используя в качестве биоиндикатора дафнии.

Хорошим биоиндикатором является водоросль Ностак сливовидный. Наличие этого вида говорит о чистой воде. Первый признак тревоги - измельчение и нарушение правильной округлой формы изумрудных "шаров" этой водоросли.

Бурное развитие других сине-зеленых водорослей, например, осциллятории - хороший индикатор опасного загрязнения воды органическими соединениям.