17.3 Биоиндикация на разных уровнях живого.

Биоиндикация может осуществляться на всех уровнях организации живого (клеточном, организменном, популяционном-видовом, сообществ, экосистем и биосферы в целом). Обычно, биоиндикаторы низших по рангу уровней организации прямые и специфичные, а высших косвенные и неспецифичные. Возможны следующие процессы и реакции доступные индикации того или иного биологического уровня.

1. Биохимические и физиологические реакции на клеточном и субклеточном уровне.

На клеточном уровне биондикация практически смыкается с обычными физико-химическими методами, поскольку основана на узких пределах ряда биохимических и физиологических процессах в клетках и макромолекулах. К таким реакциям относятся: изменения проницаемости клеточных мембран, концентрации и активности ферментов, аминокислот и др. макромолекул, аккумуляции вредных и синтез защитных веществ и т.д. Приведем некоторые примеры.

Сернистый газ, проникая в лист через устьица и растворясь в воде, образует кислоту, разрушающую мембрану. В итоге снижается буферная емкость цитоплазмы клетки, изменяется её кислотность. Другие окислители, такие как озон и пероксиацетилнитраты также нарушают проницаемость мембран. Накопление ионов тяжелых металлов усугубляет действие окислителей. Во всех случаях наиболее сильно страдают мембраны хлоропластов листьев, их разрушение причина снижения фотосинтеза. Определяя с помощью хроматографа, спектрофотометра и флуориметра и др., интенсивность фотосинтеза, флуоресценцию хлорофилла и соотношение хлорофилла А и В, в контрольной и исследуемой выборке растительных клеток можно оценить степень загрязнения среды.

Способов действия загрязнителя, которые, нарушают процесс нормального соединения фермента и макромолекулы (субстрата), три: 1) к ферменту вместо субстрата присоединяется поллютант.; 2) загрязнитель ингибирует фермент, нарушая его связь с субстратом; 3) присоединясь вместе с ферментом к субстрату поллютант ингибирует его действие. Мы уже рассматривали изменение газобмена кислорода при связывание CО и гемоглобина. Присутствие SO₂, тормозит ассимиляцию углекислого газа в процессе фотосинтеза. Сернистый газ связывается с активным центром рибулозодифосфаткарбоксилазы, ключевого фермента фотосинтеза вместо CО₂, тормозя его фиксацию (цикл Кальвина).

В клетках под действием нарушений накапливаются защитные вещества, изменяется содержание пигментов, аминокислот, белков, углеводов. Хорошим биоиндикационным признаком являются многочисленные видимые на организменном уровне и физиологические проявления, связанные с пигментами фенольной природы². Основная функция этих пигментов окраска и защита, — они накапливаются в органах растений в неблагоприятных и стрессовых условиях среды. Так, в хвое ели повышение содержания фенольных веществ под влиянием сернистого газа наблюдалось за месяц до повреждения хвои, т. е. явилось как бы предвестником видимых хлорозов и некрозов. Другой индикатор стресса — аминокислота пролин имеет повышенное содержание в листьях некоторых видов широколиственных (тисс, каштан) подверженных городскому загрязнению. Содержание аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ) показатель жизнеспособности клетки. По отношению («показатель энергетического заряда») между содержанием АТФ и суммарным содержанием менее энергоёмких АДФ и АМФ, можно судить о неблагоприятных условиях среды. В клетках таких растений как сосна и водоросль требоуксия обнаружено снижение энергетического заряда с ростом концентраций сернистого газа. При газовых выбросах растет содержание глюкозы и фруктозы в листьях гороха.

Как уже сказано, негативное влияния среды на процессы в клетки чаще всего специфично. Избыток минеральной и органической взвеси в воде, ведет к загрязнению пор водного организма, поэтому нарушаются общие условия осморегуляторных функций водного организма важные для стабилизации тоничности внутренней среды, т.е. реакция организма не специфична. Специфичная реакция клетки (селективность) определяется катионным составом воды: повышенное содержание Са²⁺ уплотняет клеточную оболочку, а Na⁺ повышает её проницаемость. На уровне клетки же можно заметить как синергизм, так и эмерджентость реакций: повышение концентраций кальция и калия по одиночке действует на оболочку клетки водного организма однонаправлено, но при одновременном повышении они себя не проявляют (т.н. аполярность действия).

Достоинством биоиндикации на клеточном и субклеточном уровне, является то, что первые нарушения среды проявляются именно здесь. Например, негативное действие повторяющихся малых доз радиации на человека, сводится к увеличению проницаемости мембран клеток и пониженному их сопротивления, как к последующему облучению, так и действию вирусов, приводя к дефициту иммунитета.

Недостатком индикации клеточного уровня служит сложность аппаратуры и физико-химических методов определения реакции. Поэтому на клеточном уровне используются относительно простые методы определения интенсивности фотосинтеза, флуоресценции хлорофилла; оценивается изменение ферментативной активности, изменение в пигменте (обычно фенольной группы), накопление серы в листья, измерения концентраций некоторых защитных органических веществ, вырабатывающихся под действием стресса ( аминокислоты- пролин, аланин, пероксидаза).

2. Организменный уровень: морфологические, биоритмические и поведенческие реакции.

Одним из самых распространенных методов индикации загрязнения среды- это наблюдения за морфологическими изменениями растений, выражающиеся в

а) изменения окраски листьев: хлороз- бледная окраска листьев между жилками наблюдается при избытке в почве тяжелых металлов, водянистость (как при заморозке) при действии пероксиателнитратов; под действием сернистого газа из накопления антоциана возникает покраснение и др.

б) отмирание участков ткани листа - некрозы. Различают точечные и пятнистые, межжилковые, краевые некрозы и верхушечные некрозы и их сочетания. Побурение и побронзовение, побеление листьев часто означает первую стадию некрозов. Хвоинки пихты и сосны буреют под действием SO₂, верхушки листьев гладиолусов становятся белым под действием HF. Отдельные некрозы специфичны: некрозы под действием озона на листьях табака BEL W3, не наблюдаются на устойчивом сорте BEL В. При значительном содержании соли для таяния льда, на листьях липы возникают ярко-желтые краевые зоны, затем край листа отмирает, а желтая зона передвигается к середине листа. Разработана бонитировочная шкала, позволяющая по степени нарушения листовых пластинок липы оценить уровень засоления почв.

в) дефолиация обычно наблюдается после хлорозов и некрозов. Осыпаются: хвоя ели и сосны при общем загрязнении воздуха, листья смородины под действием сернистого газа, липы и каштана при засолении почв. При индикации загрязнения атмосферного воздуха по продолжительности жизни хвои из средней части кроны условно одновозрастных деревьев срезают ветви, по мутовкам определяют возраст хвои на побегах разного возраста. Поскольку хвоинки в норме живут 4 года, то двух-четырехлетние побеги должны быть ими покрыты в той же степени как и побеги первого года, если среда благоприятная. Бонитировочная шкала некрозов и продолжительности жизни хвои позволяет количественно оценить степень загрязнения среды.

г) изменения размеров органов, формы количества и положения органов. У кресс-салата высаженного вдоль автострад отчетливо снижается длина проростков. У ягодных кустарников уменьшается длина листьев. В загрязненном воздухе хвоинки первого года укорочены и сближены в результате ухудшения роста побега.

д) изменение жизненной формы и жизненности. Кустовая или подушечная форма свойственна многим лиственным породам при устойчивом загрязнении воздуха и почв. Бонитет деревьев снижается с 1-2 до 4-5 класса, сопровождаясь изреживанием кроны и уменьшением линейного и радиального прироста. Измеряют прирост стволов, длины побегов, листьев, диаметр таллома лишайника и т.д.

е) изменение плодовитости обнаружено у многих растений. Снижается образование плодовых тел у грибов, лишайников.

В животном мире индикация на организменном уровне значительно сложнее, чем у растений. Чаще всего биондикаторами является личиночные стадии насекомых, моллюски, молодь гидробионтов.

а) морфологические изменения. Отличие в размере и пропорции тела достоверно найдены у ряда тлей, размеров раковинок почвенных моллюсков. При наличие токсиканта в питании насекомых обычно уменьшается размеры их личинок и имаго. Изменение окраски (т.н. промышленный меланизм) отмечается у пяденицы берёзовой, повышается доля черных форм двухточечной божьей коровки. В загрязненной водной среде из-за нарушений в процессе онтогенеза увеличивается количество рыб с нарушением формы тела, пигментации, с «оплавленными» и уменьшенными плавниками, «мопсовидной» головой, с редуцированным зрачком, бельмами и слепотой и т.д. Поскольку уродства резко уменьшают выживаемость мальков, то количественная оценка спектра аномалий осуществима лишь на самых ранних стадиях их развития.

б) физиологические изменения наиболее ярко фиксируются на примере личинок водных насекомых поденок (ручейников). На жабрах (брюшке) этих личинок расположены клетки, поглощающие анионы Сl^-. Организм подстраивается так, что при каждой линьке число клеток, способных поглощать эти ионы соответствует изменениям в солености воды.

в) размножение, онтогенез и продолжительность жизни. Плодовитость при загрязнении обычно падает³. При действии тяжелых металлов и ДДТ, уменьшается кладка, повышается смертность зародышей (из-за утончения скорлупы) и птенцов у птиц. При загрязнении у бабочек уменьшается количество окуклившихся гусениц и процент вылета имаго. Удлиняется личиночная стадия: у совки Scotia segetum при выпадениях меди и у непарного шелкопряда в атмосфере с превышением фторида водорода

Характерным является изменение поведенческих реакций организмов: при падении значений окислительно-восстановительный потенциала Еh до отрицательных величин, личинки Сhironomus dorsalis меняют знак фототаксиса с минуса на плюс и всплывают на поверхность. Двигательная активность рыб зависит от содержания кислорода.