Текст книги "Биологический мониторинг"

6 Типы анализа растительного и животного материала. Общие основы методов

К основным типам анализа растительного и животного материала:

1) визуальный (морфологический);

2) гистологический;

3) химический.

Морфологический анализ. Морфология растений как фундаментальная ботаническая дисциплина абсолютно необходима для решения разнообразных практических задач: медицинских, лесохозяйственных, природоохранных и многих других. Морфологические признаки составляют основу классификации растений, так как без знания структуры невозможно изучать жизненные процессы, происходящие в растениях. Изучение структурных особенностей растений необходимо для развития других ботанических дисциплин. Решение как частных ботанических, так и общебиологических проблем, в том числе экологических, возможно благодаря специфическим методам, используемым в морфологии растений:

1. Сравнительно-морфологический (описательный) – изучение топографических закономерностей в строении растений.

2. Онтогенетический – изучение закономерностей морфогенеза в процессе индивидуального развития растения (онтогенеза) от зиготы до смерти. При этом важное значение имеет анализ всех проявлений морфогенеза: особенностей роста, морфологической и анатомической дифференциации тела растения, возникающих в процессе его развития, полярности, симметрии, корреляции.

3. Эволюционная морфология (изучение морфогенетических изменений в процессе эволюции) основана на синтезе данных онтогенетической морфологии и сравнительной морфологии ныне живущих и вымерших растений. Задача эволюционной морфологии – изучение общих закономерностей преобразования структуры растений в процессе эволюции, без знания которых невозможно решение вопросов, связанных с филогенией растений, отражающей не только родственные отношения между разными таксонами, но и основные направления их эволюции. Сходство морфологических признаков может быть следствием родства, либо параллельного развития нескольких групп растений от какихто общих предков, либо следствием конвергенции – появлением сходных особенностей строения под влиянием одинаковых условий существования.

4 Функциональная морфология (изучение взаимодействия структуры и функции). Соединение морфологического и физиологического методов исследования дает представление о растении как целостной структурнофункциональной и динамичной системе, которая приспособлена к жизни в определенной экологической обстановке и реагирует на любые изменения внешних условий.

Гистологический анализ. Гистопатология – микроскопическое исследование и изучение больных тканей.

Загрязняющие вещества поражают определенные ткани, клетки и органоиды. Иногда специфические микроскопические повреждение достаточно четко варьируют в зависимости от вещества. В таком случае гистопатология может помочь поставить диагноз. Так как эта процедура трудоемкая, она применяется только тогда, когда другие методы не дают результата. Гистологический анализ используется для диагностики чаще у хвойных, чем у широколиственных деревьев.

Химический анализ. Когда изучены все предпосылки диагностики и их взаимосвязи, а причина возникшего состояния не установлена, хотя прогнозируется действие загрязняющих веществ – проводится химический анализ.

Обычно берут листья растений, так как они поглощают наибольшее количество загрязняющих веществ. Можно использовать для анализа стебли, корни, семена растений.

Анализ проводится в химической лаборатории, отбор образцов требует особой тщательности. В зависимости от серьезности проблемы образцы отбираются через интервал 0,5 – 1 километр, начиная от источника и отходя на несколько километров, чтобы выйти из пораженной местности.

В точке отбора следует брать полную пробу листьев одного возраста, одного или двух наиболее представительных видов со следами повреждений. Условия роста образцов должны быть как можно более однородными.

Не все вещества аккумулируются растениями и не всегда накапливаются в концентрациях, в достаточной степени превышающих фоновый уровень, т.е. уровень, достаточный для анализа.

Использование дистанционных методов. В качестве дистанционных методов можно использовать аэрофотосъемку с инфракрасной и другой специальной техникой для выявления областей, растительность которых находится в стрессовом состоянии. В случае заболевания растения дышат более интенсивно, у них повышается температура, это обнаруживается на теплочувствительной инфракрасной пленке.

Когда часть растения гибнет, дыхание снижается, что тоже фиксируется инфракрасной пленкой. Сказанное выше относится и к изображениям, полученным с помощью спутников.

Крупномасштабные съемки оказывают помощь в обнаружении районов стресса, но поставить диагноз с их помощью нельзя, для этого требуются наземные исследования.

7 Антропогенные стрессоры, их воздействие на организм и другие биосистемы

7.1 Понятия «стресс» и «стрессоры»

Понятие «стресс» используется во многих областях науки, причем трактуется по-разному. В качестве научного термина это понятие было введено в медицину в 1936 г. биологом и врачом Гансом Селье. Он определял стресс как состояние критической нагрузки, которая проявляется в виде комплекса реакций, слагающегося из самых разнообразных изменений внутри биологических систем. Вскоре этот термин стал использоваться и в других областях науки и в обиходе, где им стали обозначать состояние неспецифического психического напряжения.

Со времени появления этого термина прошло около 80 лет, однако до настоящего времени нет общепринятого определения понятия и классификации его видов. Чаще всего стресс понимают как «состояние напряжения организма, которое проявляется в совокупности физиологических реакций организма в ответ на воздействие различных неблагоприятных или исключительно благоприятных факторов». При таком подходе выделяют:

а) эустресс – характеризуется физиологически адаптивными реакциями, когда в критической ситуации живому существу необходимо приспособится к изменившимся условиям среды;

б) дистресс – патогенные процессы, возникающие при постоянных высоких нагрузках или усилиях, которые организм не в состоянии регулировать. У животных, например, он может возникать при постоянном беспокойстве человеком, в результате скопления большого числа особей. В какой мере тот или иной фактор определяет развитие эустресса или дистресса, зависит от многих причин, как экзогенных так и эндогенных. В конечном итоге норма реакции каждого организма определяется его генофондом. При возникновении стресса у организмов большую роль играет и фактор времени, связанный как с развитием в онтогенезе чувствительности к стрессу, так и с продолжительностью воздействия фактора на протяжении различных периодов жизни. При другом подходе стресс понимают как напряженное состояние экосистемы, испытывающей повреждающее воздействие необычных природных и антропогенных факторов, которое проявляется в изменении энергетических процессов, круговорота биогенных веществ, структуре сообщества.

В биологии принимаются оба этих подхода и под стрессом понимают также реакцию различных биологических систем на воздействие экстремальных факторов среды (или стрессоров), которые в зависимости от силы, интенсивности, продолжительности воздействия могут оказывать довольно значительное влияние на состояние экосистем.

7.2 Стрессоры окружающей среды

В естественных условиях организмы часто подвергаются воздействию различных стрессоров. Обычно стрессоры делят на следующие группы:

1. Химические – включают различные химические соединения, которые действуют как в избытке, так и при недостатке.

2. Физические – температура, влага, излучение.

3. Энергетические – ветер, давление, шум.

4. Механические – скашивание, перевыпас.

К ритмически повторяющемуся воздействию экстремального количества этих факторов (холода, жары и т. д.) организмы приспосабливаются различно:

а) путем периодического изменения активности, что делает их более устойчивыми к влиянию стрессоров;

б) уклонением от воздействия экстремальных факторов среды с помощью специфических приспособлений. Например, глубоко укореняющиеся растения оказываются нечувствительными к поверхностному пересыханию почвы;

в) некоторые растения ставят на пути стрессоров физические или химические барьеры.

Среди вызываемых стрессорами нагрузок на биологические системы различают обратимые (упругие) и необратимые (пластические) нагрузки. Так, низкая температура может вызвать такие обратимые нагрузки, как затвердение жиров, денатурацию белков, замедление метаболических процессов. В то же время низкая температура может привести к таким необратимым изменениям, как непроницаемость клеточных мембран.

При длительном действии экстремальных условий среды ряд биологических систем может адаптироваться к ним. При этом наблюдается следующая закономерность – за исходным устойчивым состоянием в ответ на воздействие стрессора обычно следует избыточная реакция, которая затем сменяется некоторым стабилизирующим состоянием, на смену которому наступает новое устойчивое адаптированное состояние (рисунок 1).

Опасность антропогенных стрессоров состоит в том, что биологические системы недостаточно адаптированы к ним, что обусловлено, прежде всего, тем, что антропогенные стрессоры создаются с такой скоростью, что биосистемы не успевают активизировать свои адаптивные процессы. Многие антропогенные факторы потому и становятся опасными для живого, что они существенно отличаются по интенсивности и продолжительности воздействия от той, обычно существующей в природе нормы, к которой биосистемы адаптированы. В итоге антропогенные стрессоры оказывают заметное влияние на диапазон толерантности экосистем, что приводит к их деградации. Так, промышленные и технические сооружения вызывают подогрев воздуха и воды, их загрязнение вредными веществами, уплотнение почвы и т.д., что приводит к сокращению ареалов типичных видов, уничтожению целых комплексов естественной растительности и распространению рудеральных растений.

Рисунок 1 – Адаптация биологических систем к воздействию стрессоров

8 Особенности поведения загрязняющих веществ в окружающей среде

8.1 Выведение загрязняющих веществ из атмосферы и проникновение в растения

Большая часть загрязняющих веществ от источников загрязнения попадает сначала в атмосферу и уже из нее в почвенную и водную среду.

Различают три способа выведения загрязняющих веществ из атмосферы:

1. Облачное вымывание.

2. Подоблачное вымывание.

3. Сухое выпадение на подстилающую поверхность.

Поскольку многие загрязняющие вещества либо сорбированы на твёрдых частицах, либо растворены в каплях влаги, процесс выпадения осадков – важная стадия выведения загрязняющих веществ из атмосферы.

Загрязняющие вещества могут растворяться в облачных каплях в процессе образования облаков. Эта стадия выведения загрязнения из воздуха называется облачным вымыванием.

При этом количество загрязняющих веществ, попадающих в жидкую фазу за счет диффузии пропорционально их уровню внутри облака.

Так как облака находятся на относительно большом расстоянии от поверхности земли, облачное вымывание эффективно при метеорологических условиях, способствующих активному вертикальному перемещению воздушных масс в нижнем слое атмосферы, включением их в облачную массу. Из этого следует, что облачное вымывание наиболее эффективно при дальнем переносе загрязняющих веществ.

После абсорбции загрязняющих веществ облачными каплями, эти вещества могут вступать в химические реакции, подобные реакции двуокиси серы и аммиака, приводящей к образованию сульфата аммония или другие реакции.

Облачные капли являются начальной стадией образования более крупных капель осадков. Обычные капли, не превратившиеся в дождевые, могут испаряться и таким образом выделять из своего объема загрязняющие вещества в атмосферный воздух. Загрязняющие вещества затем вновь растворяются в облачных каплях и цикл выведения загрязнений из атмосферы повторяется, приводя, в конечном итоге, к выпадения дождевых капель на землю.

Вторым типом выведения загрязняющих веществ из атмосферы является процесс подоблачного вымывания, при котором дождевые капли, пролетая, захватывают загрязняющие вещества и переносят их на подстилающую поверхность.

Этот процесс недостаточно эффективен вследствие низкой плотности дождевых капель в воздушной массе и незначительного времени контакта капель и загрязняющих соединений, однако в районах с высоким уровнем загрязнения и значительным количеством осадков подоблачное вымывание может играть важную роль.

В отсутствии мокрых осадков загрязняющие вещества могут также попадать на подстилающую поверхность и растительность. Такой процесс выведения загрязнений из атмосферы называется сухим выпадением. Для относительно крупных частиц диаметром более 20 мкм осаждение на поверхность описывается законом Стокса, который устанавливает соотношение между скоростью осаждения, силой тяжести и аэродинамическим сопротивлением. Этот закон хорошо описывает особенности процессов гравитационного осаждения, которые наблюдаются в зонах с высокой запыленностью воздуха, например в районах горных разработок полезных ископаемых.

За счет процессов сухого осаждения за несколько дней из атмосферы выводится около 50 % загрязняющих веществ, выбрасываемых в атмосферу тепловой электростанцией, работающей на угле.

В настоящее время существует обоснованное мнение о необходимости уменьшения высоты труб электростанций и других источников эмиссии двуокиси серы в атмосферу, поскольку выведение загрязняющих веществ высокими трубами уменьшает вероятность сухого осаждения и разрушения двуокиси серы на подстилающей поверхности и приводит к увеличению роли процессов выведения SO2 с жидкими осадками, т.е. увеличивается количество кислотных осадков.

Однако сухое осаждение не ограничивается только гравитационным осаждением крупных частиц. Существует еще несколько видов процессов осаждения, приводящих к выпадению из атмосферы микродисперсных частиц и газов. В этом случае эффективность осаждения определяется коэффициентом, который представляет собой отношение потока загрязняющих соединений к земной поверхности к уровню этого соединения в пограничном слое атмосферы непосредственно над подстилающей поверхностью. Скорость осаждения зависит от химических свойств вещества. Более высокую скорость осаждения имеют газообразные соединения, обладающие большой реакционной способностью.

В процессах сухого осаждения участвуют как газы, так и аэрозольные частицы. Их сухое осаждение осуществляется также вследствие того, что в непосредственной близости к поверхности находится тонкий слой неподвижного воздуха толщиной от 10 до 10 мкм. Проникающие в него частицы или газы, по причине броуновского движения, входят в непосредственный контакт с частицами почвы или растительности. Вследствие такого взаимодействия (химической реакции или физической сорбции) загрязняющие вещества выводятся из пограничного слоя воздуха.

При наличии растительности выведение веществ из пограничного слоя осуществляется не только на поверхность почвы, но и в устьица растений. Растворимые газы такие, например, как SO2 обладают лучшими характеристиками осаждения по сравнения с газами, которые менее растворимы.

На влажной поверхности, например, на влажной листве, водной поверхности, скорость сухого осаждения растворимых соединений выше, чем на песчаных или сухих почвах.

В атмосфере содержится множество твердых частиц, постоянно осаждающихся на поверхности растений. Часть их сдувается или смывается, а часть проникает в лист через устьица или поврежденные клетки эпидермиса.

Размер этих маленьких многомолекулярных частиц исчисляется микронами и дифференцируется по величине частиц. Определить размеры частиц, как правило, трудно, поскольку они взаимодействуют друг с другом, с водой и газами, присутствующими в воздухе. Сами по себе эти частицы зачастую инертны, однако при соединении с другими веществами могут становиться фитотоксичными, HF и SO₂ представляют собой растворимые в воде газы, которые могут образовывать водяные оболочки (пленки) вокруг частиц. В результате растворения SO₂ образуются кислые частицы, вызывающие ожог листьев растений.

В ряде работ показано воздействие взвешенных в воздухе частиц на растения в естественных условиях. Частицы могут оседать на листьях, снижая уровень светопоглощения и соответственно фотосинтез, засорять устьица и повышать чувствительность растений к SO₂; они также могут негативно влиять на опыление цветков, размер и состояние листьев, состав лесных насаждений путем воздействия на рН почвы. Роль твердых частиц в воздействии загрязнения воздуха на растительность нуждается в дальнейшей разработке.

В атмосфере большинство тяжелых металлов встречается в виде твердых частиц, адсорбированных на других частицах, или в виде солей. Из атмосферы они оседают на растения или земную поверхность (почву). Существуют споры о том, поглощаются ли тяжелые металлы листьями растений или же они поглощаются корнями и откладываются в них или переносятся вверх к листьям, плодам и т. д.

8.2 Накопление загрязняющих веществ в пищевых цепях

Живые организмы активно участвуют в распространении многих загрязнений, кроме того, большинство из них способно накапливать загрязнители в своих тканях, что увеличивает токсикологическую опасность, например:

1. Бурые водоросли используются для добычи йода, встречающегося в минеральном мире лишь в виде следов.

2. В крови кальмаров зафиксирован повышенный уровень ванадия, а поджелудочная железа двухстворчатого моллюска морского гребешка содержит большое количество кадмия.

3. Речной фитопланктон содержит в 1000 раз больше радиоактивного фосфора, чем вода.

4. Морковь накапливает многие пестициды.

5. Дождевые черви и другие малощетинковые кольчецы могут накапливать в своем организме пестициды, в уровни во много десятков раз превышающих содержание их в гумусе, служащем для червей пищей.

6. Среди морских беспозвоночных, обладающих способностью к аккумуляции выделяются, например, устрицы, которые накапливают в своем организме инсектициды в уровнях превышающих содержание их в воде в 70000 раз.

Все живые существа (в разной степени) обладают способностью накапливать в своем организме любые вещества, биологически слабо или совсем не разрушающиеся. Таким образом, постепенно происходит заражение всей пищевой цепи экосистемы, начало которому положили зеленые растения (продуценты), «выкачивающие» загрязняющие вещества, рассеянные в биотопе. Накопление токсичных веществ в живых организмах увеличивается на каждом последующем трофическом уровне. Во всех случаях хищники, находящиеся в самом конце пищевой цепи, оказываются обладателями наиболее высокого уровня заражения.

Организмы, аккумулирующие токсичные вещества, служат пищей другим животным, которые затем накопят эти вещества в своих тканях. Во всех случаях хищники, находящиеся в самом конце пищевой цепи оказываются обладателями наиболее высокого уровня заражения. Например, накопление инсектицида диэлдрина в организме морских растений и животных происходит по следующей схеме:

Диэлдрин, содержащийся в едва различимых концентрациях в морской воде, достигает максимального уровня на пятом трофическом уровне. В печени бакланов, питающихся исключительно рыбой, содержание диэлдрина в 1600 раз выше, чем в фитопланктоне.

В Японии около 30 лет назад произошла массовая гибель людей из-за отравления ртутью. Она накопилась в тканях рыб, которой питались пострадавшие рыбаки. В ходе анализа было выявлено, что содержание ртути в тканях рыб в 500 тысяч раз выше, чем в воде залива.

Радиоактивные вещества, в основном ⁹⁰Sr и ¹³⁷Cs хорошо накапливается в лишайниках, а затем передается по пищевой цепи:

Лишайник (Cladonia) → северный олень → человек.

В этом случае уровень радиоактивных веществ в теле человека оказывается в 55 раз выше, чем фоновая.

9 Изменение состава и свойств почвы в результате антропогенного влияния

Растения могут извлекать из почвы минеральные вещества только в виде ионов растворимых солей. Эти ионы быстро бы вымывались из почвы, если бы не имели прочную связь со стабильными почвенными частицами. Глина и гумус почвы вступают в тесные взаимоотношения, образую так называемый глинисто– гумусовый комплекс. Структурные единицы этого комплекса – мицеллы играют большую роль в поступлении минеральных ионов в экосистему почвы и оттоке ионов из нее.

Глинисто-гумусовая мицелла имеет на своей поверхности многочисленные отрицательно заряженные участки, притягивающие к себе положительно заряженные ионы.

Связи между минеральными ионами и мицеллой постоянно разрываются и образуются вновь. Некоторые ионы связываются с мицеллой более прочно, чем другие. В порядке убывающей прочности связывания их можно расположить так: H⁺, Ca²⁺, Mg²⁺, K⁺, Na⁺. Ионы водорода вытесняют из мицеллы все прочие ионы. Содержащаяся в дождевой воде угольная кислота непрерывно вносит в верхние слои почвы водородные ионы, которые легко вытесняют ионы мeталлов, вымываемые затем из почвы в грунтовые воды.

Катионы водорода выделяются также в процессе деятельности корневой системы растений. Вытесненные ионы мeталлов тут же усваиваются корнями.

Воздух, вода, почвенные растворы служат жизненной основой для растений и различных организмов, обитающих в почве. Уменьшение количества поступающего в почву органического вещества, например, в следствии сведения лесов, приводит к тому, что изменяется почвенная структура, а с ней и все свойства, которые она обуславливает. Такой процесс носит название минерализации почвы.

Обработка земли тяжелыми машинами, уличный транспорт и строительство приводят к сильному уплотнению больших участков окультуренных земель и потере порозности. В результате уменьшается влагоёмкость и снабжение почвы кислородом. В уплотненной почве начинаются процессы восстановления, при которых в растворимую форму переходят марганец, железо и ряд других металлов, проявляющих в повышенных концентрациях токсичность. Увеличение подвижности металлов в восстановительных условиях способствует вымыванию этих элементов из почвы, которая в результате обедняется этими металлами.

Существенное отрицательное влияние на плодородие почвы оказывают кислотные осадки, которые вызывают выщелачивание из почвы солей кальция и магния. Закисление почв приводит также к переходу в растворимые формы соединений алюминия. Засоление почв оказывает существенное влияние на почвенные системы и развитие растительности в связи с нарушением водного баланса в клетках.

В целом различают следующие основные показатели деградации почв, которые должны подвергаться постоянному наблюдению в системе мониторинга почвенного покрова:

1. Дегумификация почв (осуществляется контроль за содержанием и запасами гумуса).

2. Линейная эрозия почв (определяется густота овражной сети, коэффициент расчлененности).

3. Плоскостная эрозии почв (изменение мощности гумусного горизонта, соотношение почвенных горизонтов).

4. Изменение кислотно-щелочных условий почв.

5. Переуплотнение почв (определяется плотность и порозность почв).

6. Засоление почв (содержание и запасы солей, их химический состав, распределение по почвенному профилю).

7. Загрязнение земель тяжелыми металлами, радионуклидами, пестицидами.

8. Изменение земель в результате воздействия морей, озер, рек и других водоемов (определяется скорость разрушения береговой линии, накопление данных осадков, заиливание водоемов).

9. Нарушение земель техногенной деятельностью (взрывные работы, карьеры, т.е.деятельность, которая сопровождается выемкой почвы).

10. Каменистость (определяется степень каменистости в процентах от площади, распределение камней по профилю).

11. Деградация природных кормовых угодий (закустаренность, закочкаренность).

12. Изменение состояния земель населенных пунктов.