Текст книги "Биологический мониторинг"

Евстифеева Т. А., Фабарисова Л. Г.
Биологический мониторинг

1 Понятие биологического мониторинга. История развития науки

Под экологическим мониторингом следует понимать регулярно выполняемые по заданной программе наблюдения за состоянием природных сред, природных ресурсов, здоровья населения, позволяющие выявить происходящие в них процессы под влиянием антропогенной деятельности.

Наблюдение и исследование состояния природных сред можно производить различными способами, в том числе с помощью живых организмов, по реакции которых можно, в большинстве случаев, определить характер и степень загрязнения той или иной среды. Исследование состояния воздушной, почвенной и водной сред с помощью живых организмов называется биологическим мониторингом или биотестированием (биоиндикацией).

Учение о растительных индикаторах находится в тесной взаимосвязи с развитием ряда смежных наук, особенно с экологией почв и географией растений. Впервые экологическую характеристику условий произрастания растений дали античные авторы. Подобные сведения можно встретить в сочинениях Феофраста (327-287 гг. до н. э.), Катона (234-149 гг. до н. э.), Плиния Старшего (79-23 гг. до н. э.). Значение растительных указателей почв подчеркивал Колумелла (I век н. э.). Он писал, что «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». Уяснение взаимосвязей «почва – растение», наверное, самое первое утилитарное понятие сути индикации, усвоенное первыми земледельцами. По мере развития наук, расширения кругозора, разработки методов исследований характер взаимосвязей принял облик научно обоснованных закономерностей, законов. С ростом цивилизации и, особенно, интенсификацией сельскохозяйственного производства роль биоиндикатирования резко возросла.

Изучение экологии и географии растений в XVII – XVIII вв. приносит новые научные сведения об экологической приуроченности растительности (Трагус, Кордус в Германии, Ломоносов в России, европейские путешественники в разных странах).

Основоположником учения о растительных индикаторах почв можно считать Ф.И. Рупрехта (1866), который в своем геоботаническом исследовании писал, что «свойство растительного слоя зависит от рода его покрова».

Дальнейшее развитие учения о растительных индикаторах было подготовлено крупными географическими исследованиями конца XIX века. Разработанные В.В. Докучаевым принципы «естественно-исторической эволюции почв» (1898) явились теоретической и практической основой широкого развития учения об индикаторных свойствах растительности.

Наиболее фундаментальным и выдающимся трудом явилась работа Ф. Клементса (Clements, 1920), положенная в основу учения о растительных индикаторах как одного из направлений ботанической географии. Более современные сводки по растительным индикаторам почв дают труды Л.Г. Раменского (1938, 1956), Г. Элленберга (Ellenberg, 1950, 1952), А.А Крюденера (Kruedener, 1951), И.В. Ларина (1953). Вопросы общей систематизации в теории растительных индикаторов рассматриваются в работах Ткалича С.М. (1952), Викторова С.В. (1953), Виноградова Б.В. (1957), Петрова В.С.(1960).

В начале нового тысячелетия, когда естественная природная обстановка трансформируется в новом витке эволюции – антропогенезе, что сопровождается изменением эколого-геохимического состояния почв и биохимического – растений, проблема индикации, оценки сопряженного изменения этих объектов природной среды особенно актуальна.

Метод фитоиндикации может быть применим на всех стадиях мониторинга окружающей среды (таблица 1).

Таблица 1 – Система наземного мониторинга окружающей среды (И.П. Герасимов, с изменениями)

2 Понятие биоиндикатора. Виды индикаторов

Индикатор (лат. Indico – указываю, определяю) – указатель. По Н.Ф. Реймерсу, биоиндикатор – это:

1) группа особей одного вида организмов или сообщество, по наличию или состоянию которых, а также поведению судят о биоэкотопических изменениях в среде, в том числе о присутствии и концентрации загрязнителей;

2) вид или сообщество, присутствие которых указывает на геохимические особенности среды, обусловленные наличием полезных ископаемых.

Таким образом, индикатор условий внешней среды – термин, относящийся, главным образом, к живым организмам-биоиндикаторам или индикаторным сообществам как показателям общего состояния окружающей среды, включающим физические, химические, биологические и иные факторы, их интенсивность, соотношение между собой, скорость и степень изменения.

Прямыми индикаторами называются такие, присутствие которых непосредственно определяется наличием данного объекта индикации и зависит от него.

Косвенные индикаторы не имеют прямой связи с объектом индикации, но приурочены к какому-либо промежуточному условию, которое сопряжено с объектом индикации.

К индикаторным признакам относятся: флористические (различия в видовом составе); физиолого – биохимические (характеристики химического состава, обмена веществ, их аномалии, особенности состава пигментов, определяющих цвет растений); эколого – физиологические, в частности, отношение к воде, засолению почв, характеру субстрата и т.д. (выявление ксерофитов, мезофитов, галофитов, петрофитов и др.); морфологические (размеры, особенности внешнего и внутреннего строения растений, в частности, ветвления, искривлений и других отклонений, ширина годичных колец и др.); эколого-морфологические (особенности жизненных форм); онтогенетические признаки (особенности фенологии, длительность развития); ассоциированность видов; структура сообществ (особенности сложения ярусов, микрогруппировок, микро-фитоценозов); взаимоотношения и динамика сообществ в пространстве и во времени (экологодинамические, эколого-генетические ряды, сукцессии) и др.

По сравнению с физико-химическими, биоиндикационные методы имеют некоторые преимущества, а именно: они не требуют дорогостоящих и капризных аппаратов, результаты могут быть получены без вмешательства в жизненные процессы организмов, выявляются интегральные оценки, мало зависящие от мгновенных значений, можно одновременно охарактеризовать большие территории, составляя, например, биоиндикационные карты степени загрязненности среды. Биоиндикационные методы изучения антропогенного влияния на окружающую среду являются вспомогательными (но достаточно точными и дешевыми), они не заменяют точные физико-геохимические исследования среды. Лишь дружный и целенаправленный «союз» и комплексность определений вещественно-элементарного характера сред и биоиндикационных методов мониторинга может дать результаты, всесторонне характеризующие состояние и динамику изменений экосреды.

Наиболее изучены в настоящее время реакции на загрязнение перечисленных сред различными веществами и их смесями со стороны растений. Фитоиндикационные наблюдения тесно связаны с определенными экологическими условиями, с их помощью возможно качественно и даже количественно оценивать характер изменений во внешней среде (по присутствию и состоянию этих растений). Использование популяций, отдельных видов, групп видов и растительных сообществ в целях индикации экологических условий – предмет изучения индикационной геоботаники, одного из первых направлений, получивших широкое развитие в биоиндикации.

Для обнаружения специфических загрязнений воздушного бассейна и для слежения за динамикой этого загрязнения возможно применение чувствительных видов растений и других организмов. К их числу относятся низшие растения, лишайники, грибы, многие высшие растения. Толерантные или индикаторные виды, а также их сообщества используются для характеристики почвенных условий, определения концентрации тяжелых металлов.

В качестве биотесторов, кроме растений, достаточно часто используются бактерии (особенно кишечная палочка), водоросли (в частности, хлорелла), низшие грибы, инфузории, низшие ракообразные, беззубки, личинки хирономид, рыб, земноводных и т. д.

Микробиология. Микроорганизмы быстро обнаруживают загрязнения как воды, так и почвы. Существуют микроорганизмы, особо чувствительные к некоторым веществам, другие принимают участие в распаде загрязнителей.

Зоология. Изучение отдельных видов, а также целых сообществ животных может стать источником сведений, касающихся накопления химических веществ в их теле. Индикаторные виды могут быть использованы для определения уровня токсичности в продуктах питания людей.

Клеточная биология и генетика. Превосходными биоиндикаторами являются клеточные и субклеточные (включая хромосомы) компоненты организма, адаптированные к определенным условиям. Уже имеются и еще будут выявлены многочисленные тест-системы in vivo и in vitro для кратковременного и долгосрочного слежения за изменениями природной среды.

Сравнительная физиология. Функциональные приспособления животных к изменениям в окружающей среде могут быть исследованы на экологическом, биохимическом, физиологическом и морфологическом уровнях и могут указывать на присутствие в ней загрязняющих веществ.

Гидробиология. Фауна и особенности распределения видов, чувствительных к качеству воды, могут указывать на состояние водного бассейна.

Круг объектов индикации в последние годы все больше расширяется. К ним относятся: индикация климата; геологического строения горных пород; тектонических движений; геоморфологических процессов; полезных ископаемых; грунтовых вод; типа, богатства, кислотности, засоления, увлажнения, механического состава и динамики почв; состояния и динамики растительности; пастбищной дигрессии; местообитаний животных; загрязнения воды, воздуха, почвы газообразными неорганическими соединениями, тяжелыми металлами, радионуклидами, пестицидами, нефтепродуктами; мутагенных факторов; эрозионных процессов; состояния экосистем; ландшафтов; сельскохозяйственных земель; появления вредителей и болезней и др.

При активном мониторинге пытаются обнаружить прежде всего антропогенные стрессовые воздействия на тест – организмах, находящихся в стандартизированных условиях. При этом рекомендуется подвергать действию изучаемых факторов одновременно несколько видов растений или других организмов, различающихся по устойчивости к стрессорам, устанавливать особенности воздействия стрессоров в зависимости от их дозы.

Наибольшую ценность представляют биоиндикаторы, присутствующие на объекте индикации в большом количестве с высокой достоверностью, отличающиеся однородными свойствами, не требующие больших затрат для их выявления и получения достаточно точных и воспроизводимых результатов, имеющие диапазоны погрешностей по сравнению с другими методами не более 20 %. Преимущества живых индикаторов состоят в том, что они суммируют все биологически важные данные об окружающей среде, отражают ее состояние в целом, устраняют трудную задачу применения дорогостоящих и трудоемких физических и химических методов для измерения биологических параметров, вскрывают скорость происходящих в природной среде изменений; указывают пути и места скопления в экологических системах различного рода загрязнений, позволяют судить о степени вредности тех или иных веществ для живой природы и человека, дают возможность контролировать действие многих синтезируемых человеком соединений; помогают нормировать допустимую нагрузку на экосистемы.

3 Индикаторные и аккумулирующие растения. Понятие антропотолерантности

Индикаторные растения – растения, дающие визуально определяемые признаки поражения теми или иными загрязняющими веществами и их смесями. Определенные виды и расы высших сосудистых растений реагируют на газообразные и твердые вещества, причем на такие концентрации этих веществ в атмосфере, которые не вызывают реакции человека и животных, и эти реакции можно прогнозировать. Многие растения могут служить индикаторами присутствия тех или иных загрязняющих веществ в атмосферном воздухе, реакции же других могут быть связаны с влиянием определенных концентраций специфических загрязняющих атмосферу веществ (таблица 2).

Таблица 2 – Загрязняющие вещества и чувствительные к ним растенияиндикаторы (по Н. А. Воронкову, 1999)

Аккумулирующие растения – растения, способные накапливать загрязняющие вещества в своих тканях в количествах, достаточных для физико – химического определения уровня загрязнения сопредельных сред.

Проявляется экологический принцип химического соответствия и средообразующей роли живого. Избирательная средообразуюшая способность поглощения элементов растениями определила аккумуляцию в почвах биофильных элементов (азот, фосфор, калий) из рассеянного состояния и отторжение элементов, не свойственных их биолого-физиологическим процессам. Биофильность элементов ранжируется их способностью к биологическому поглощению или отторжению растением. При избытке элементов, не свойственных физиологическим отправлениям живого, создаются стрессовые ситуации, контролируемые мониторингом и регистрируемые индикационно по изменениям морфологии живых организмов или изменениям видового состава биоценоза.

Антропотолерантность отдельных видов растений и растительных сообществ – это устойчивость их к воздействию антропогенных факторов.

Экспериментально установлено, например, что растения ряда видов усваивают через листья SO2 и, включая его в свой обмен, способствуют очистке воздуха без заметного ущерба для себя. Другие растения слабо загрязняются ввиду особенностей своего строения и также обладают толерантностью.

Выявлена достоверная устойчивость лип и конского каштана к воздействию автомобильных газов, к SO2 устойчивы клен красный, береза бородавчатая, сосна черная, акация белая, сирень обыкновенная, свекла, огурцы.

Однолетние растения поражаются в меньшей степени, чем многолетние; широколиственные растения больше, чем хвойные.

Хлорелла обыкновенная выдерживает влияние фосфатов, нитратов и мочевины в очень высоких концентрациях.

4 Диагностика стрессовых состояний живых организмов. Эффекты острого и хронического воздействия

Диагностика – процесс определения природы и особенностей проявления болезненного состояния.

Правильная диагностика включает много связанных элементов, самый главный из которых– симптомы.

Симптом – заметное изменение в ожидаемом внешнем виде, структуре или функции организма, предполагающее, что с ним что-либо не в порядке.

Причина болезни может быть связана с действием какого-либо организма и в таком случае называется биотической, если она связана с физическим стрессом, то является абиотической.

Реакция большинства растений на различные стрессы в основном одинакова. Первым показателем нарушения нормальной жизнедеятельности растений является потеря зеленого пигмента листа – хлорофилла. Зеленый лист постепенно выцветает, лист желтеет. В связи с ослаблением функций тканей, начинается отмирание, выражающееся в появлении фрагментов коричневого цвета. Появление коричневых или желтых пятен или точек на листе – также достоверная первоначальная реакция на стресс.

Эффекты воздействия загрязнения различных сред на растения, условно можно разделить на:

– эффекты острого воздействия высоких уровней загрязняющих веществ за короткий промежуток времени;

– эффекты хронического воздействия низких уровней этих веществ за продолжительный период.

Примером эффектов острого воздействия являются отчётливо наблюдаемый хлороз или некроз тканей листьев, опадение листвы, плодов, лепестков цветков, свёртывание листьев, искривление стеблей.

К эффектам хронического воздействия относятся замедление или прекращение нормального роста, хлороз и некроз верхушек листьев, медленное увядание растений или отдельных его органов.

Иногда проявление хронического или острого воздействия может быть специфическими для отдельных загрязняющих веществ или их смесей.

Довольно много видов растений можно использовать в качестве индикаторов или накопителей загрязнения воздуха из-за их способности давать визуально заметные реакции (таблица 3).

Поскольку растения в целом обладают высокой чувствительностью к воздействию некоторых загрязняющих веществ, их можно использовать в качестве индикаторов для выявления загрязнений и определения его уровня.

Если растения способны накапливать загрязняющие вещества без изменения их химического состава за счёт метаболических процессов и если эти аккумулированные вещества могут быть легко идентифицированы в образцах растений, такие виды растений можно использовать как накопители загрязнения.

Если аккумулирование веществ растениями рассматривается как проявление воздействия загрязнения, то использование растений чрезвычайно удобно для определения уровня и состава загрязнения а также мониторинга эффекта воздействия загрязняющих веществ.

Таблица 3 – Реакция отдельных растений на воздействие загрязняющих веществ

Для такого мониторинга чрезвычайно важно соблюдение следующих условий:

1. Воздействия должны приводить к заметной реакции растения на загрязнение среды.

2. Эффекты воздействия должны хорошо восприниматься при использовании растений генетически подобных популяций, что гарантирует представительность результатов.

3. Эффекты воздействия должны характеризоваться специфическими симптомами, свойственными воздействию определённых загрязняющих веществ.

4. Растения должны быть чувствительны даже к чрезвычайно низким уровням загрязняющих веществ.

5. Растения должны хорошо расти, быть устойчивыми к заболеваниям и воздействию насекомых.

При выборе растений полезно, чтобы эффект воздействия на индикаторные или аккумулирующие растения являлся представительным для других видов растений, имеющих схожее значение

5 Стандартизация индикаторных и аккумулирующих растений. Контроль в биоиндикации

Стандартизация аккумулирующих и индикаторных видов растений является чрезвычайно важным этапом, позволяющим уменьшить влияние побочных эффектов на результаты исследования воздействия загрязнений на растения. Так как эффекты зависят не только от уровня загрязняющих веществ и продолжительности воздействия, но и от вида растения, стадии его развития и физиологического состояния, от условий окружающей среды, основное значение имеет соблюдение правил выбора растений. В идеальном варианте растительный материал должен быть генетически однородным (клоны). На практике выбирают растения с оптимальными условиями роста, близкими во всех исследуемых районах.

Если при мониторинге испытываются растения, произрастающие в разных районах с различным состоянием почвы, результаты исследований можно признать только с большими поправками.

При сравнении уровня загрязнения сред в различных районах не следует исключать из расследования различия климатических условий, уровень которых измеряется на местах и учитывается при сравнении результатов наблюдений. Влияние патогенных микроорганизмов, паразитов на растения должно быть минимизировано или исключено за счет специальной обработки, если это невозможно, влияние этих факторов должно быть точно оценено. В случае выбора определенного вида растений условия, при которых проводятся наблюдения, должны соответствовать цели исследования. Если известен тип вещества, первым этапом получения адекватных результатов должен быть выбор растения, обладающего особой чувствительностью к этому веществу. Если состав загрязнения не известен, последовательно используют различные виды растений, обладающих специфической чувствительностью к одному из предполагаемых загрязнителей.

Для оценки возможного влияния биотических или абиотических факторов, таких, как вирусы, бактерии, грибы, насекомые, морозы на состояние растений следует проводить параллельные опыты на одном из подвидов индикаторного вида растений, который обладает высокой толерантностью к воздействию загрязняющих веществ.

Контроль – определенный вид функциональной зависимости, отклонение от которой рассматривается как нарушение, например, появление на листьях растений некротических пятен, большой интервал формы и размера – всегда показатель изменения среды, поскольку в норме их быть не должно.

Отклонения характеристик биоиндикатора в нарушенной среде необходимо сравнить с нормой или контролем. В зависимости от ситуации используют разные подходы:

1. Сравнение с характеристиками объекта, находящегося вне зоны воздействия (например, чтобы выявить изменения растительности сообществ при промышленном загрязнении, их сравнивают с сообществами, расположенными вне зоны воздействия этих промышленных предприятий).

2. Сравнение с результатами эксперимента. В лабораторных опытах часть тест – организмов контактирует с загрязненной почвой, водой или воздухом, другая же часть (контроль) контактирует с чистыми субстратами.

Для тестирования воздуха, например, применяют специальные камеры с тест – растениями: через опытные камеры пропускают загрязненный воздух, а через контрольные – отфильтрованный с помощью активированного угля.

3. Сравнение с характеристиками объектов в прошлом, до воздействия человека (так называемые исторические стандарты). Некоторые типы экосистем, например, европейские степи, утратили свой первоначальный облик. В таких случаях о степени их разрушения можно судить по подробным научным описаниям, прошлых лет.

4. Выявление функциональных зависимостей от фактора, отклонение которого рассматривается как нарушение.

В исходных сообществах наблюдается множество видов с невысокой численностью и незначительное количество массовых видов, в нарушенных сообществах видов мало, но все они отличаются высокой численностью.

Ситуация усложняется, когда нормой является не одно конкретное состояние биоиндикатора, а целый набор. К таким показателям относятся:

– численность популяций;

– разнообразие сообществ;

– видовой состав сообществ.

Эти характеристики меняются по сезонам и годам, могут различаться в разных местообитаниях, из чего следует, что, чтобы установить норму для таких показателей, нужно располагать данными об их сезонной и многолетней динамике, их изменении по местообразованиям. Так, численность мелких почвенных членистоногих на одном и том же участке ненарушенного леса может меняться в течение года в 10 – 20 раз, а разнообразие сообществ – в 2 – 3 раза.