Биохимические методы мониторинга

4 тип – после немедленной  сильной реакции наблюдается  ее затухание,  сначала быстрое,  потом более медленное,

5 тип - при появлении  нарушающего воздействия наступает  реакция,  интенсивно возрастающая  до максимума, а после этого  постепенно затухающая,

6 тип – реакция пятого  типа неоднократно повторяется.

Растения- биоиндикаторы.

С помощью растений можно  проводить биоиндикацию всех природных сред. Индикаторные растения используются при оценке механического состава, увлажнения и засоления почв, степени минерализации грунтовых вод, плодородия почв,  степени загрязнения атмосферного воздуха газообразными соединениями, а также при выявлении трофических свойств водоемов и степени их загрязнения поллютантами. 

Биомониторинг может осуществляться путем наблюдений за отдельными растениями – индикаторами, популяцией определенного вида и состоянием фитоценоза в целом. На уровне вида обычно производят специфическую индикацию какого-то одного загрязнителя, а на уровне популяции или фитоценоза – общего состояния природной среды.

Чувствительные фитоиндикаторы указывают на присутствие загрязняющего вещества в воздухе или почве ранними морфологическими реакциями - изменением окраски листьев (появление хлорозов; желтой, бурой или бронзовой окраски), различной формы некрозами, преждевременным увяданием и опаданием листвы. У многолетних растений загрязняющие вещества вызывают изменение размеров, формы, количества органов, направления роста побегов или изменение плодовитости. Подобные реакции обычно неспецифичны.

Хлороз – бледная окраска  листьев между жилками.  Некрозы  – отмирание ограниченных участков ткани – важные симптомы повреждений  при индикации, иногда довольно специфичные. Дефолиация – опадание листвы. Обычно наблюдается после некрозов и  хлорозов. Например, осыпание хвои у  ели и сосны при газодымовом  загрязнении воздуха, листьев лип  и конских каштанов – от соли для таяния льда, крыжовника и смородины  – под действием сернистого газа.

Индикаторы другого типа представляют собой растения – аккумуляторы. Они накапливают в своих тканях загрязняющее вещество или вредные  продукты метаболизма,  образуемые под действием загрязняющих веществ, без видимых изменений.  При  превышении порога токсичности ядовитого  вещества для данного вида проявляются  различные ответные реакции, выражающиеся в изменении скорости роста и  длительности фенологических фаз, биометрических показателей и, в конечном счете, снижении продуктивности.

Животные- биоиндикаторы.

Основное преимущество использования  животных в качестве биоиндикаторов заключается в физиологической  близости человеку. Основные препятствия  в использовании животных для  изучения состояния окружающей среды  связаны со сложностью их обнаружения,  поимки и определения вида, а также  с длительностью морфо-анатомических наблюдений. Эксперименты с животными зачастую дороги, требуют многократной повторяемости эксперимента для получения статистически достоверных выводов.

Животные служат хорошими индикаторами состояния среды благодаря  следующим особенностям:

•являясь консументами, они находятся на разных трофических уровнях экосистем и аккумулируют через пищевые цепи загрязняющие вещества;

•обладают активным обменом  веществ, что способствует быстрому проявлению негативных факторов воздействия  среды на организм;

•имеют хорошо дифференцированные ткани и органы, которые обладают разной способностью к накоплению токсических  веществ и неоднозначностью физиологического отклика, что позволяет исследователю  иметь широкий набор тестов на уровне тканей, органов и функций;

Животные служат хорошими индикаторами состояния среды благодаря  следующим особенностям:

•сложные приспособления животных к условиям среды и четкие поведенческие реакции наиболее чувствительны к антропогенным  изменениям, что дает возможность  непосредственно наблюдать и  анализировать быстрые отклики  на оказываемое воздействие;

•за животными с коротким циклом развития и многочисленным потомством можно проводить ряд длительных наблюдений и прослеживать воздействие  фактора на последующие поколения, для долгоживущих можно выбрать  особо чувствительные тесты в  соответствии с особо уязвимыми  этапами онтогенеза.

Оценка и прогнозирование  состояния природной среды с  помощью животных проводится на всех уровнях их организации.  На организменном  уровне с помощью сравнительного анализа оцениваются морфо-анатомические, поведенческие и физиолого- биохимические показатели.  Морфоанатомические показатели описывают особенности внешнего и внутреннего строений животных и их изменение под воздействием определенных факторов (депигментация, изменение покровов, структуры тканей и расположения органов,  возникновение уродств, опухолей и других патологических проявлений). Поведенческие и физиолого-биохимические параметры особенно чувствительны к изменению внешней среды. Токсиканты, проникая в кости или кровь животного, сразу же воздействуют на функции, обеспечивающие жизнедеятельность.

На уровне популяции биоиндикация проводится в том случае, если процесс распространения негативных изменений охватывает такое количество особей, при котором заметно сокращается численность популяции, изменяется ее половозрастная структура,  сокращается продолжительность жизни, происходит сдвиг фенологических фаз и др. Экосистемный подход к оценке среды дает возможность ранней диагностики ее изменений. Сигналом тревоги служит разбалансировка продукционно - деструкционных процессов.  Диагностическими признаками таких сдвигов являются накопление органического вещества, заиление, зарастание водоемов, усиленное развитие микроорганизмов.

Организация наблюдений за загрязнением атмосферы Такие наблюдения проводятся на стационарных, маршрутных и передвижных (подфакельных) постах. Стационарные и маршрутные посты служат для проведения систематических наблюдений,  передвижные – для разовых наблюдений в зонах непосредственного влияния промышленных предприятий. Наблюдения под факелами дымовых труб предприятий проводятся с целью получения материалов по распределению вредных веществ от отдельных источников выбросов в зависимости от метеоусловий и для получения оценки их влияния на загрязнение атмосферы. Согласно международным стандартам ИСО 14000 «Системы управления охраны окружающей среды», отбор проб воздуха проводится по направлению ветра на расстояниях от источника выбросов 0,2-0,5; 1; 2; 3; 4; 6; 8; 10; 15 и 20 км, на высоте 1,5 м от поверхности земли в течение 20-30 мин по специальным методикам.

От загрязнения воздуха  страдают все живые организмы, но особенно чувствительны к концентрациям  вредных веществ в воздухе  растения. По этой причине растения, в том числе низшие, особенно пригодны для обнаружения начального изменения  в составе воздуха биосферы. Соответствующие  индексы дают количественное представление  о токсичном эффекте загрязняющих воздух веществ.

Организация наблюдений за загрязнением поверхностных вод  Для правильной оценки качества воды в водоеме, характеристики его химико-биологического состояния, степени загрязнения  необходимо провести отбор репрезентативных проб воды из исследуемого водоема.  В зависимости от цели исследования отбор проб может быть разовым  или регулярным. Место отбора выбирают в соответствии с целями анализа  и на основании исследования местности. Согласно ИСО 14000 «Системы управления охраны окружающей среды», пробы отбирают с глубины 20- 30 см от поверхности. Объем  проб может варьировать от 1-2 до 15-20 л и более. Для отбора проб используют специальные устройства – батометры. Пробы воды для биологического анализа  хранят не более суток в холодильнике при t +4°С в полиэтиленовой или стеклянной посуде. 

Для биологической индикации  качества вод могут быть использованы практически все группы организмов, населяющие водоемы: планктонные и  бентосные беспозвоночные, простейшие,  водоросли, макрофиты, бактерии и рыбы. Каждая из них, выступая в роли биологического индикатора, имеет свои преимущества и недостатки, которые определяют границы ее использования при решении задач биоиндикации.

Организация наблюдений за загрязнением почв В связи с тем  что в твердых средах (грунтах) токсиканты редко распределены равномерно, существуют определенные методики отбора проб, позволяющие нивелировать последствия мозаичности.  Для определения загрязнений промышленного происхождения отбор проб почвы производится один раз в год в летний период. Как правило,  для контроля выбираются почвы, занятые культурными растениями. Для определения точек отбора применяется азимутальный метод.  Каждый год пробы отбираются вокруг промышленных центров по четырем румбам на расстоянии 1; 2; 3; 5 и 10 км. Один раз в пять лет обследование почвы проводят более подробно по всем 16 румбам и на расстояниях 0; 0,2; 0,5; 1; 1,5; 2; 3; 4; 5; 8; 10; 20; 30; 50 км. Положение точек пробоотбора отмечается на карте.

Пробы грунта для биохимического анализа берут специальными пробоотборниками. Обычно они представляют собой круглые  трубки из прочного нейтрального материала («нержавейка», пластмасса)  диаметром 5 см с крышками. В открытом состоянии  пробоотборник аккуратно вгоняют  в грунт на максимально возможную  глубину.  После этого трубка плотно закрывается сверху крышкой и  сразу (если позволяет грунт) снизу  закрывается второй крышкой. Если плотность  грунта велика, то для закрытия взятого  керна трубку необходимо очень аккуратно  наклонить, стараясь не нарушить его  внутри трубки, и затем закрыть  нижнюю крышку.  При отборе проб почвы  буром смешанный образец составляется из 20 кернов (уколов), отобранных через  равные промежутки по диагонали пробной  площадки, примерно через 7-10 м.

Особенно ценны и удобны для индикационных работ комплексы  крупных беспозвоночных (дождевые черви, многоножки, личинки насекомых). Так  стафилиниды рода Bledius и чернотелки рода Belopus показательны для солончаково-солонцового комплекса почв,  многоножки-кивсяки, некоторые мокрецы и легочные моллюски служат индикаторами содержания в почве извести. Вид дождевых червей Octolasium lacteum и некоторые виды проволочников являются  показателями высокого содержания кальция в грунтовых водах. Интерес представляет почвенно-альгологическая диагностика, в основе которой лежит положение о том, что зональности почв и растительности соответствует зональность водорослевых группировок.  Она проявляется в общем видовом составе и комплексе доминантных видов водорослей, в наличии специфических видов, в характере распространения по почвенному профилю, в преобладании определенных жизненных форм.

4.1.2. Биотестирование

Биотестирование – это один из приемов исследования в биологическом мониторинге, который используется для определения степени повреждающего действия химических веществ, потенциально опасных для живых организмов в контролируемых экспериментальных лабораторных или полевых условиях путем регистрации изменений биологически значимых показателей (тест-функций) исследуемых тест-объектов, с последующей оценкой их состояния в соответствии с выбранным критерием токсичности.

Цель биотестирования – выявление на гидробионтах степени и характера токсичности воды, загрязненной биологически опасными веществами и оценка возможной опасности этой воды для водных и других организмов.

В качестве объектов для  биотестирования применяются разнообразные тест-организмы – подопытные биологические объекты, подвергающиеся воздействию определенных доз или концентраций ядов, вызывающих у них тот или иной токсический эффект, который регистрируется и оценивается в эксперименте. Это могут быть бактерии, водоросли, беспозвоночные, а также позвоночные животные. Для гарантированного выявления присутствия токсического агента неизвестного химического состава должен использоватьсянабор объектов, представляющих различные группы сообщества, состояние которых оценивается по параметрам, относящимся к

разным уровням интегральности.

Под биотестом понимается оценка (испытание) в строго определенных условиях действия вещества или комплекса веществ на живые организмы путем регистрации изменений того или иного биологического (или физиолого-биохимического) показателя исследуемого объекта по сравнению с контролем. Главное требование к биотестам – чувствительность и быстрота ответа, четкая реакция на внешние воздействия. Различают острые и хронические биотесты. Первые рассчитаны на получение экспресс-информации о токсичности исследуемого вещества для данного тест-организма, вторые – на выявление долговременного эффекта действия токсикантов, в частности малых и ультрамалых концентраций. Острые опыты проводятся в различные сроки: от нескольких минут до 96 ч. (иногда 72-120 ч). В результате проведенных опытов учитывается величина выживаемости (или обратная величина смертности), т.е. статистически достоверный процент выживаемых или гибнущих особей за определенное время при определенной концентрации вещества.

Наличие токсикантов в среде само по себе еще не означает токсичность. Токсические вещества должны быть биологически доступны. Токсичность – характеристика биологическая. Бывают случаи, когда химический состав не может быть определен, а среда токсична. И наоборот, химический анализ показывает наличие токсикантов, а токсичность не проявляется (тест-объекты не гибнут). Биологические методы тестирования являются группой