Биохимические методы мониторинга

Экобиохимический мониторинг - мониторинг, базирующийся на оценке двух составляющих окружающей среды (химической и биологической).

Дистанционный мониторинг - в основном авиационный, космический мониторинг с применением летательных аппаратов, оснащенных радиометрической аппаратурой, способный осуществлять активное зондирование изучаемых объектов и регистрацию опытных данных.

В зависимости от принципа классификации имеются различные  системы мониторинга

Наиболее универсальным  является комплексный экологический  мониторинг окружающей среды.

Комплексный экологический  мониторинг окружающей среды - это организация системы наблюдений за состоянием объектов окружающей природной среды для оценки фактического уровня загрязнения и предупреждения о создающихся критических ситуациях, вредных для здоровья людей и других живых организмов.

При проведении комплексного экологического мониторинга окружающей среды:

а) проводиться постоянная оценка экологических условий среды  обитания человека и биологических  объектов (растений, животных, микроорганизмов  и т.д.), а так же оценка состояния  и функциональной целостности экосистем;

б) создаются условия для  определения корректирующих действий в тех случаях, когда целевые  показатели экологических условий  не достигаются.

 

Система комплексного экологического мониторинга предусматривает:

• выделение объекта наблюдения;
• обследование выделенного объекта наблюдения;
• составление для объекта наблюдения информационной модели;
• планирование измерений;
• оценку состояния объекта наблюдения и идентификацию его информационной модели;
• прогнозирование изменения состояния объекта наблюдения;
• предоставление информации в удобной для использования форме и доведение ее до потребителя.

Основные цели комплексного экологического мониторинге состоят  в том, что на основании полученной информации:

1) оценить показатели  состояния и функциональной целостности  экосистем и среды обитания  человека (т.е. провести оценку  соблюдения экологических нормативов);

2) выявить причины изменения  этих показателей и оценить  последствия таких изменений,  а так же определить корректирующие  меры в тех случаях, когда  целевые показатели экологических  условий не достигаются (т.е.  провести диагностику состояния  экосистем и среды обитания);

3) создать предпосылки  для определения мер по исправлению  возникающих негативных ситуаций  до того, как будет нанесен  ущерб, т.е. обеспечить заблаговременное  предупреждение негативных ситуаций.

 

Существует так же понятие общего мониторинга, объектом исследования которого является, по мнению академика И.П. Герасимова (1975), «многокомпонентная совокупность природных явлений, подверженная многообразным естественным динамическим изменениям и испытывающая разнообразное воздействие и преобразование ее человеком».

Для конкретизации действий и удобства рассмотрения общий мониторинг он подразделяет на следующие блоки:

- биоэкологический;

- геоэкологический;

- биосферный;

В каждый из этих блоков могут  быть включены определенные виды мониторинга  в зависимости от конкретных объектов наблюдения. В свою очередь, структура  отдельного вида мониторинга может  состоять из отдельных подсистем  или подпрограмм из других видов  мониторинга.

В настоящее время наибольшую актуальность приобретает мониторинг антропогенных изменений, так как именно техногенное или хозяйственное воздействие человека на окружающую среду приносит опасные изменения в экологические системы, ландшафты, природные комплексы. Основой для этого служит фоновый мониторинг в неизмененных или малоизмененных природных комплексах.

Исключительно важное значение имеют результаты фонового мониторинга  в процессе биосферного мониторинга, предназначенного для определения глобально-фоновых изменений в окружающей природной среде под усиливающимся антропогенным воздействием.

Последствиями антропогенного «давления» на биосферу могут быть изменения циркуляции газов между  океаном и воздушной оболочкой  Земли, погодно-климатических условий  на планете, нарушение озонового  слоя, загрязнения Мирового океана нефтью и нефтепродуктами, нарушение  естественных мест обитания и путей  миграции в животном мире, нарушение  биогеоценозов и т.д.

И подобным нарушениям имеются  веские аргументы, полученные при биосферном мониторинге.

Неотъемлемой частью биосферного  мониторинга являются биосферные заповедники (заказники), позволяющие поддерживать стратегию биоразнообразия.

 

 

4. Биохимический мониторинг

Успехи некоторых видов мониторинга: химического, гидрологического, гидробиологического  и др. – ставят на повестку дня  разработку мониторинга более высокого порядка – эколого-биохимического. Дело в том, что изменения в обмене веществ гидробионтов (например, рыб) наступают, как правило, до появления морфологических, физиологических, популяционных и других отклонений от нормы. Поэтому ранняя диагностика в метаболизме гидробионтов позволяет следить за поступлением в воду загрязнений даже в ничтожно малых количествах, т.е. проводить эколого-биохимический мониторинг.

В качестве примера можно привести данные по зависимости активности лизосомальных ферментов рыб от степени загрязнения водоемов. Так, активность ферментов печени окуня и щуки с повышением уровня загрязненности воды значительно уменьшается. При этом изменения особенно ярко проявляются у щуки, экологически более привязанной к прибрежным, наиболее загрязненным частям водоемов.

Еще одним примером может служить  состояние организма ряпушки, обитающей  в трех близко расположенных, но изолированных  друг от друга озерах Карелии. Оказалось, что содержание триацилглицеринов в ряпушке из озера Вендюрское существенно выше: в воду озера попали гербициды, что сразу отразилось на количестве сильно реактивных липидов по отношению к загрязнениям.

Система эколого-биохимического мониторинга  необходима как для контроля за биологическим  состоянием еще не загрязненных токсикантами территорий, так и для выяснения причин различных патологий, возникающих под влиянием антропогенного стресса, и их динамики во времени. Ее можно использовать в экспертизах и при арбитражах, связанных с различными отравлениями живых организмов промышленными и сельскохозяйственными выбросами.

 

4.1. Биологический мониторинг  как составная часть экологического  мониторинга

Методы биомониторинга применяются при анализе содержания вредных веществ в водных средах, почвах, атмосфере, растительных и животных объектах.

Биомониторинг является составной частью экологического мониторинга. В задачи биомониторинга входит регулярно проводимая оценка качества окружающей среды с помощью специально выбранных для этой цели живых объектов.

 

Методы биологического мониторинга:

Биоиндикация (bioindication) – это обнаружение и определение экологически значимых природных и антропогенных нагрузок на основе реакций на них живых организмов непосредственно в среде их обитания. Живые объекты (или системы) – это клетки, организмы, популяции, сообщества. С их помощью может проводиться оценка как абиотических факторов (температура, влажность, кислотность, соленость, содержание поллютантов и т.д.), так и биотических (благополучие организмов, их популяций и сообществ).

Биотестирование (bioassay) – это процедура установления токсичности среды с помощью тест-объектов, сигнализирующих об опасности независимо от того, какие вещества и в каком сочетании вызывают изменения жизненно важных функций у тест-объектов. Для оценки параметров среды используются стандартизованные реакции живых организмов (или отдельных органов, тканей, клеток и молекул).

Поскольку система биологического мониторинга включает в себя набор  подходов, охватывающих разные стороны  индивидуального развития организма, она обеспечивает разностороннюю интегральную оценку состояния живых организмов и качества среды в целом. Применение различных методов в отношении  широкого спектра живых организмов позволяет дать реальную оценку воздействия  на окружающую среду. Большинство используемых методов просты и относительно недороги, пригодны для широкого использования, к тому же обеспечивают получение  интегральной оценки качества среды,  подверженной всему многообразию экологических  изменений. Актуальность биомониторинга обусловлена также простотой,  скоростью и дешевизной определения качества среды. Во многих случаях биоиндикация позволяет быстро обнаружить наиболее загрязненные местообитания,  а широкое использование методов биомониторинга предприятиями позволит более оперативно и достоверно оценивать качество окружающей среды и в комплексе с другими инструментальными методами стать существенным звеном в системе экологического мониторинга.

 

4.1.1. Биоиндикация.

Существует несколько  разных форм биоиндикации. Если две одинаковые реакции вызываются различными антропогенными факторами, то это будет неспецифическая биоиндикация. Если же те или иные изменения можно связать с влиянием какого- либо одного фактора, то биоиндикация такого типа называется специфической. Применение биологических методов для оценки среды подразумевает выделение видов животных или растений, чутко реагирующих на тот или иной тип воздействия. Организмы или сообщества организмов, жизненные функции которых так тесно коррелируют с определенными факторами среды, что могут применяться для их оценки, называются биоиндикаторами.

 

Типы биоиндикаторов:

1. Чувствительный. Быстро  реагирует значительным отклонением  показателей от нормы. Например, отклонения в поведении животных,  в физиологических реакциях клеток  могут быть обнаружены практически  сразу после начала действия  нарушающего фактора.

2. Аккумулятивный. Накапливает  воздействия без проявляющихся  нарушений. Например, лес на начальных  этапах его загрязнения или  вытаптывания будет прежним по своим основным характеристикам (видовому составу, разнообразию, обилию и пр.). Лишь по прошествии какого-то времени начнут исчезать редкие виды, произойдет смена преобладающих форм, изменится общая численность организмов и т.д.  Таким образом, лесное сообщество как биоиндикатор не сразу обнаружит нарушение среды.

Идеальный биологический  индикатор должен удовлетворять  ряду требований:

– быть характерным для  данных условий, иметь высокую численность  в данном экотопе;

– обитать в данном месте  в течение ряда лет, что дает возможность  проследить динамику загрязнения;

– находиться в условиях, удобных для отбора проб;

– характеризоваться положительной  корреляцией между концентрацией  загрязняющих веществ в организме-индикаторе и объекте исследования;

– обладать высокой толерантностью по отношению к широкому спектру  токсичных веществ;

– ответная реакция биоиндикатора  на определенное физическое или химическое воздействие должна быть четко выражена, то есть, специфична, легко регистрироваться визуально или с помощью приборов;

– биоиндикатор должен использоваться в естественных условиях его существования;

– биоиндикатор должен иметь  короткий период онтогенеза,  чтобы  была возможность отслеживания влияния  фактора на последующие поколения.

 

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

1. Сравнение с характеристиками  объекта вне зоны воздействия.  Например, чтобы выявить изменение  растительных сообществ при промышленном  загрязнении, их сравнивают с  сообществами,  расположенными вне  зоны антропогенного воздействия.

2. Сравнение с характеристиками  объектов в прошлом до воздействия  человека (исторические стандарты). Некоторые типы экосистем, например,  европейские степи, практически  утратили свой начальный облик.  В таких случаях о степени  их нарушенности можно судить по подробным научным описаниям, сделанным около века назад.

3. Контроль – определенный  вид функциональной зависимости,  отклонение от которой рассматривается  как нарушение. 

 

Поскольку чувствительность разных организмов, используемых при  биоиндикации, может существенно различаться по времени реакции на один и тот же фактор среды, выделяются следующие типы чувствительности биоиндикаторов:

1 тип – биоиндикатор  спустя определенное время после  воздействия дает сильную одноразовую  реакцию и тут же теряет  чувствительность,

2 тип – внезапная и  сильная реакция продолжается  известное время, после чего  резко исчезает,

3 тип – биоиндикатор  реагирует с момента появления  нарушающего воздействия с одинаковой  интенсивностью в течение длительного  времени,