Наиболее распространенные методы биоиндикации

Методами биоиндикации и биотестирования осуществляется обнаружение и определение биологически значимых антропогенных нагрузок на основе реакции на них живых организмов и их сообществ. Таким образом, применение биологических методов для оценки среды подразумевает выделение видов животных или растений, чутко реагирующих на тот или иной тип воздействия. Методом биоиндикации с использованием подходящих индикаторных организмов в определенных условиях может осуществляться качественная и количественная оценка (без определения степени загрязнения) эффекта антропогенного и естественного влияния на окружающую среду.

Биондикация – это метод обнаружения и оценки воздействия абиотических и биотических факторов на живые организмы при помощи биологических систем. Возможно выделение следующих уровней биоиндикации:

1. Биохимические и физиологические реакции (изменение различных процессов и накопление определенных токсикантов в органах).

2. Анатомические, морфологические, биоритмические и поведенческие реакции.

3. Флористические, фаунистические изменения.

4. Ценотический.

5. Биогеоценотический.

6. Ландшафтный.

Существует два основных метода биоиндикации: пассивный и активный. В первом случае исследуют видимые или незаметные повреждения и отклонения от нормы, являющиеся признаками неблагоприятного воздействия, во втором используют ответную реакцию наиболее чувствительных к данному фактору организмов – биотестирование.

Под биотестированием обычно понимают процедуру 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. В роли тест-объектов выступают организмы, используемые при оценке токсичности химических веществ, природных и сточных вод, почв, донных отложений, кормов и др.

К чувствительным биоиндикаторам относятся лишайники, мхи, почвенные и водные микроорганизмы (водоросли, бактерии, микроскопические грибы). В роли биоиндикаторов могут быть использованы пыльца растений, хвоя сосны обыкновенной и др. Среди животных также выделяются группы организмов, положительно или отрицательно реагирующие на различные формы антропогенной трансформации среды (ракообразные, хирономиды, моллюски, личинки ручейников, поденок, веснянок и др.).

Биологические методы помогают диагностировать негативные изменения в природной среде при низких концентрациях загрязняющих веществ. При этом используемые виды биоиндикаторов должны удовлетворять следующим требованиям:

1) это должны быть виды, характерные для природной зоны, где располагается данный объект;

2) организмы-мониторы должны быть распространены на всей изучаемой территории повсеместно;

3) они должны иметь четко выраженную количественную и качественную реакцию на отклонение свойств среды обитания от экологической нормы;

4) биология данных видов-индикаторов должна быть хорошо изучена.

С помощью биоиндикаторов принципиально возможно следующее:

• обнаруживать в экосистемах места скоплений различного рода загрязнений;

• проследить скорость происходящих в окружающей среде изменений;

• судить о степени вредности тех или иных веществ для живой природы;

• прогнозировать дальнейшее развитие экосистемы.

Преимуществом методов биоиндикации и биотестирования перед физико-химическими методами является интегральный характер ответных реакций организмов, которые:

• суммируют все без исключения биологически важные данные об окружающей среде и отражают ее состояние в целом;

• выявляют наличие в окружающей природной среде комплекса загрязнителей;

• в условиях хронической антропогенной нагрузки могут реагировать на очень слабые воздействия в силу аккумуляции дозы;

• фиксируют скорость происходящих в окружающей среде изменений;

• указывают пути и места скоплений различного рода загрязнений в экологических системах и возможные пути попадания этих веществ в организм человека.

Особую значимость имеет то, что биоиндикаторы отражают степень опасности соответствующего состояния окружающей среды для всех живых организмов, в том числе и для человека. 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.

В противоположность химико-аналитическому контролю биологический мониторинг позволяет корректно оценивать и прогнозировать отклонения в состоянии биологических систем от нормы реакции, вызванные воздействием антропогенных/техногенных факторов. Безусловно, биологический мониторинг не позволяет связать регистрируемый эффект с определенным действующим фактором, но дает интегральную оценку последствий для представителей живой природы действия комплекса загрязняющих окружающую среду веществ и качества среды обитания человека. Совмещение методов химического анализа и биологического тестирования позволило, например, установить, что определенный эффект (токсический, генотоксический, тератогенный) может быть обусловлен разными факторами, а его величина зависит в первую очередь от химических свойств и биологической значимости действующих агентов, а не от концентраций отдельно взятых компонентов. Таким образом, теряется смысл выявления единственного «действующего фактора» и выдвигается на первый план необходимость поиска чувствительных тест-объектов и тест-систем, которые адекватно отражают уровень техногенного воздействия.

Далеко не каждый биологический объект может быть использован в качестве индикатора внешнего воздействия. Для этого он должен удовлетворять следующим требованиям: 1) высокая чувствительность при низкой индивидуальной изменчивости; 2) генетическая однородность; 3) наличие объектов, применяемых в целях биоиндикации, по возможности в большом количестве и с однородными свойствами; 4) возможность существования в широком диапазоне экологических условий; 5) легкость идентификации в природе; 6) высокая продолжительность жизни; 7) воспроизводимость результатов, полученных при использовании конкретной тест-системы; 8) комплексность с точки зрения возможности регистрации разных по механизмам возникновения биологических эффектов на одном тест-объекте; 9) оперативность получения информации.

Следует также учитывать, что поллютанты, присутствующие в окружающей среде, могут быть разной – физической, химической, биологической – природы. Если ответная реакция клетки на внешнее воздействие универсальна и отличается для разных организмов диапазоном доз, в котором проявляются определенные изменения биологических процессов, вызванные внешним воздействием, то действующие факторы, отличаясь своими физическими и химическими характеристиками, обладают специфичностью действия в том смысле, что могут вызывать разные первичные повреждения в клетке. Так, двунитевые разрывы ДНК считают маркерами радиационного воздействия, тогда как механизм действия многих тяжелых металлов, например, кадмия, связан с образованием однонитевых разрывов ДНК, а алкилирующие соединения индуцируют различные повреждения оснований. Поэтому в настоящее время все больше говорят о комплексной оценке загрязнений.