Биоиндикационные методы мониторинга

Подчеркивая всю важность биоиндикационных методов исследования, необходимо отметить, что биоиндикация предусматривает выявление уже состоявшегося или происходящего загрязнения окружающей среды по функциональным характеристикам особей и экологическим характеристикам сообществ организмов. Постепенные же изменения видового состава формируются в результате длительного отравления водоема, и явными они становятся в случае далеко идущих изменений.

2.2.1. Растения в качестве биоиндикаторов

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

Чувствительные фитоиндикаторы указывают на присутствие загрязняющего  вещества в воздухе или почве  ранними морфологическими реакциями  – изменением окраски листьев, 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.

Некоторые естественные факторы могут вызывать симптомы, сходные с антропогенными нарушениями. Например, хлороз листьев может быть вызван недостатком железа в почве или ранним заморозком. Поэтому при определении морфологических изменений у растений необходимо учитывать возможность действия других повреждающих факторов.

Индикаторы другого типа представляют собой растения – аккумуляторы. Они накапливают в своих тканях загрязняющее вещество или вредные  продукты метоболизма, 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 снижении продуктивности.

Б. В. Виноградов классифицировал индикаторные признаки растений как флористические, физиологические, морфологические  к фитоценотические. Флористическими признаками являются различия состава растительности изучаемых участков, сформировавшиеся вследствие определенных экологических условий. Индикаторное значение имеет как присутствие, так и отсутствие вида. К физиологическим признакам относятся особенности обмена веществ растений, к анатомо-морфологическим признакам -- особенности внутреннего и внешнего строения, различного рода аномалии развития и новообразования, к фитоценотическим при знакам - особенности структуры растительного покрова: обилие и рассеянность видов растений, ярусность, мозаичность, степень сомкнутости. [2]

Очень часто в целях биоиндикации используются различные аномалии роста и развития растения - отклонения от общих закономерностей. Ученые систематизировали их в три основные группы, связанные: с торможением или стимулированием нормального роста (карликовость и гигантизм); с деформациями стеблей, листьев, корней, плодов, цветков и соцветий; с возникновением новообразований (к этой группе аномалий роста относятся также опухоли).

Гигантизм и карликовость многие исследователи  считают уродствами. Например, избыток  в почве меди вдвое уменьшает  размеры калифорнийского мака, а  избыток свинца приводит к карликовости смолевки.

В целях биоиндикации представляют интерес следующие де формации растений:

• фасциация - лентовидное уплощение и сращение стеблей, корней и цветоносов;
• махровость цветков, в которых тычинки превращаются в лепестки;
• пролификация - прорастание цветков и соцветий;
• асцидия - воронковидные, чашевидные и трубчатые листья у растений с пластинчатыми листьями;
• редукция - обратное развитие органов растений, вырождение;
• нитевидность - нитчатая форма листовой пластинки;
• филлодий тычинок - превращение их в плоское листовидное образование.

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.

2.2.2. Животные в качестве биоиндикаторов

Позвоночные животные также служат хорошими индикаторами состояния среды  благодаря следующим особенностям:

1. Являясь консументами, они находятся на разных трофических уровнях экосистем и аккумулируют через пищевые цепи загрязняющие вещества;
2. Обладают активным обменом веществ, что способствует быстрому проявлению воздействия негативных факторов среды на организм;
3. 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;
4. 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;
5. Животных с коротким циклом развития и многочисленным потомством можно использовать для проведения ряда длительных наблюдений и прослеживать воздействие фактора на последующие поколения; для долгоживущих животных можно выбрать особо чувствительные тесты в соответствии с особо уязвимыми этапами онтогенеза. [3]

Основное преимущество использования  позвоночных животных в качестве биоиндикаторов заключается в их физиологической близости к человеку. Основные недостатки связаны со сложностью их обнаружения в природе, поимки, определения вида, а также с длительностью морфо-анатомических наблюдений. Кроме того, эксперименты с животными зачастую дороги, требуют многократной повторяемости для получения статистически достоверных выводов.

Оценка и прогнозирование состояния  природной среды с привлечением позвоночных животных проводятся на всех уровнях их организации. На организменном  уровне с помощью сравнительного анализа оцениваются морфо-анатомические, поведенческие и физиолого-биохимические показатели.

Морфо-анатомические 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 позвоночных животных, сразу же воз действуют на функции, обеспечивающие жизнедеятельность. Даже при узкоспецифичном влиянии токсиканта на определенную функцию ее сдвиги отражаются на состоянии всего организма вследствие взаимосвязанности процессов жизнедеятельности. Достаточно отчетливо присутствие токсикантов проявляется в нарушении ритма дыхания, сердечных сокращений, скорости пищеварения, ритмике выделений, продолжительности циклов размножения.

Для того чтобы иметь возможность  сравнивать материал, собранный разными  исследователями в различных  районах, набор видов-индикаторов  должен быть един и невелик. Вот некоторые  критерии пригодности различных  видов млекопитающих для биоиндикационных исследований:

• Принадлежность к разным звеньям трофической цепи  - растительноядным, насекомоядным, хищным млекопитающим;
• Оседлость или отсутствие больших миграций;
• Широкий ареал распространения (сравнительно высокая эвритопность), т.е. этот критерий исключает использование в качестве тест - индикаторов эндемиков;
• Принадлежность к естественным сообществам: критерий исключает синантропные виды, питающиеся вблизи жилища чело века и неадекватно характеризующие микроэлементный состав загрязнения данного региона;
• Численность вида должна обеспечивать достаточный материал для анализа;
• Простота и доступность методов добывания видов. [4]

2.2.3. Микроорганизмы в качестве биоиндикаторов

Микроорганизмы – наиболее быстро реагирующие на изменение  окружающей среды биоиндикаторы. Их развитие и активность  находятся  в прямой связи с составом органических и неорганических веществ в среде, так как  микроорганизмы способны разрушать  соединения естественного  и антропогенного происхождений. На этом основаны  принципы биоиндикации с использованием микроорганизмов. Необходимо иметь сведения о составе, количестве и функциональной активности последних.

Особенности использования  микроорганизмов в качестве биоиндикаторов следующие:

1.Функциональная структура  группировок гетеротрофных почвенных  микроорганизмов.

2. Почвенные микроорганизмы  – индикаторы экологического  стресса.

3. Микробная индикация  в водоемах.

4. Микроорганизмы – индикаторы  санитарного состояния объектов  внешней среды. [6]

2.2.4. Симбиологические методы в биоиндикации

Симбиоз широко распространен в  природе, а симбиотические ассоциации часто играют ключевую роль в поддержании  нормального функционирования наземных, пресноводных и морских экосистем. Симбиоз грибов и азотфиксирующих  бактерий с высшими растениями и  водорослей с грибами обеспечил  процветание этих ассоциаций в наземной среде. Лишайники, симбиотическая ассоциация водорослей и грибов, очень чувствительны  к качеству среды и уже давно  используются как традиционные биомаркеры состояния атмосферного воздуха. Мадрепоровые кораллы (склерактинии) - симбиоз одноклеточных водорослей зооксантелл с кишечнополостными животными, определяющий важную ландшафтообразующую роль этой ассоциации в тропических морях. Все более значительной признается роль симбиотических микроорганизмов в трофике практически всех видов организмов. Прямо или косвенно регулируя численность своих хозяев, симбионты оказывают существенное влияние на их динамику численности и структуру популяции. Биоразнообразие симбионтов (паразитов, комменсалов, мутуалистов), как правило, значительно превышает разнообразие их хозяев. [2]

Помимо уточнения оценки биоразнообразия  по числу видов учет симбионтов позволяет  получать достоверную информацию о  качестве среды, так как степень  интенсивности инвазии (относительное  количество хозяев, имеющих симбионтов) и экстенсивность инвазии (среднее  количество симбионтов на хозяине) напрямую зависят от условий, в которых  находится популяция хозяев. Многие симбионты чувствительны к изменениям внешней среды, в частности симбионты  водных организмов - к загрязнению  и опреснению, а симбионты наземных организмов - к радионуклеидам. При оценке разнообразия фауны симбионтов широко используют статистические методы. Учет симбиотических, в том числе и паразитических, организмов, а также исследование состояния симбиотических ассоциаций позволяют более точно оценить биоразнообразие и характер динамических процессов в экосистемах и могут быть рекомендованы в качестве важных элементов экодиагностических исследований.

2.3 Преимущества и недостатки  живых индикаторов

2.3.1. Преимущества живых индикаторов

• Суммируют все без исключения биологически важные данные об окружающей среде и отражают ее состояние в целом;
• Делают необязательными применение дорогостоящих и трудоемких физических и химических методов измерения биологических параметров (не всегда могут зарегистрировать кратковременные и залповые выбросы токсикантов);
• Отражают скорость происходящих в природе изменений;
• Указывают пути и места скопления различного рода загрязнений в экологических системах и возможные пути попадания этих агентов в пищу;
• Позволяют судить о степени вредности тех или иных веществ для природы и человека;
• Дают возможность контролировать действие многих синтезируемых человеком соединений;

2.3.2. Недостатки живых индикаторов

• Невысокая точность при определении классов чистоты среды вследствие объединения при анализе в качестве второй группы индикаторов большого числа видов организмов.
• Сложность при работе с живыми индикаторами, а также при их сортировке и хранении;
• Трудоёмкость исследований;
• Сложность в обработке полученных результатов.

3. Области применения биоиндикаторов

3.1. Оценка качества воздуха

От загрязнения воздуха страдают все живые организмы, но особенно растения. По этой причине растения, в том числе низшие, наиболее пригодны для обнаружения начального изменения  состава воздуха. Соответствующие  индексы дают количественное представление  о токсичном эффекте загрязняющих воздух веществ.

Лишайники являются симбиотическими  организмами. Многими исследователями  показана их пригодность для целей  биоиндикации. Они обладают весьма специфическими свойствами, так как  реагируют на изменение состава  атмосферы, обладают отличной от других организмов биохимией, широко распространены по разным типам субстратов, начиная  со скал и кончая корой и листьями деревьев, удобны для экспозиции в  загрязненных районах.

Выделяют четыре основные экологические  группы лишайников: эпифитные - растущие на коре деревьев и кустарников; зпиксильные - растущие на обнаженной древесине; эпигейные - на почве; эпилитные - на камнях. Из них наиболее чувствительны к загрязнению воздуха эпифитные виды. С помощью лишайников можно получать вполне достоверные данные об уровне загрязнения воздуха. При этом можно выделить группу химических соединений и элементов, к действию которых лишайники обладают сверхповышенной чувствительностью: оксиды серы и азота, фторо- и хлороводород, а также тяжелые металлы. Многие лишайники погибают при невысоких уровнях загрязнения атмосферы эти ми веществами. Процедура определения качества воздуха с помощью лишайников носит название лихеноиндикации. [9]