Биоиндикация природных сред. Биотестирование. Методы оценки состояния биосистем.

Биоиндикация – метод обнаружения и оценки воздействия абиотических и биотических факторов на живые организмы при помощи биологических систем.

При осуществлении биомониторинга в целях контроля качества среды обитания, часто используют биоиндикаторы. Биоиндикаторы – (от греч. bios – жизнь и лат. indico –указываю, определяю) организмы или сообщества организмов, присутствие, количество или особенности развития которых служат показателями естественных процессов, условий или антропогенных изменений среды обитания. Многие организмы весьма чувствительны и избирательны по отношению к различным факторам среды обитания (химическому составу почвы, вод, атмосферы, климатическим и погодным условиям, присутствию других организмов и т. п.) и могут существовать только в определенных, часто узких границах изменения этих факторов.

Например: 1) скопления морских рыбоядных птиц свидетельствует о подходе косяков рыб;

2) Специфические организмы планктона и бентоса указывают на происхождение водных масс и течений, характеризуют определенные параметры среды обитания (соленость, температура и т. п.);

3) некоторые лишайники и хвойные деревья являются биоиндикаторами чистоты воздуха;

4) Ряд почвенных микроорганизмов и некоторые растения служат биоиндикаторами при поисках различных полезных ископаемых;

5) По комплексам почвенных животных можно определять типы почв и их изменение под влиянием хозяйственной деятельности человека.

6) Локальные внутривидовые группировки у многих животных, например у рыб или грызунов, характеризуются в зависимости от района обитания различными комплексами паразитов-индикаторов.

7) При помощи биоиндикаторов устанавливают содержание в субстрате биологически активных веществ, а также определяют интенсивность различных химических (рН, содержание солей и др.) и физических (радиоактивность и др.) факторов среды.

Характеристика биоиндикаторов:

• вследствие эффекта кумуляции могут реагировать даже на сравнительно слабые антропогенные нагрузки,

• суммируют действия всех без исключения важных биологических факторов,

• отражают физические и химические параметры, характеризующие состояние экосистемы,

• фиксируют скорость происходящих в среде изменений,

• вскрывают тенденции развития окружающей среды,

• указывают пути и места скопления загрязнений и возможные пути попадания их в пищу человека,

• позволяют судить о степени вредности любых веществ для живой природы, давая возможность контролировать их действие,

• устраняют чрезвычайно трудную задачу применения дорогостоящих и трудоемких физических и химических методик,

• постоянно присутствуют в окружающей среде и реагируют, в том числе, на кратковременные залповые сбросы загрязняющих веществ, на которые может не отреагировать автоматизированная система контроля, рассчитанная на дискретный во времени отбор проб,

• помогают нормировать допустимую нагрузку на экосистемы, различные по своей устойчивости к антропогенным воздействиям, так как одинаковый состав и объем загрязнений может привести к различным реакциям экосистем, расположенных в разных географических условиях.

Мировой опыт мониторинга выработал целый ряд требований к биоиндикаторам. Найти какой-либо организм или группу организмов, удовлетворяющих всем этим требованиям, не представляется возможным, поэтому для мониторинга используют самые разные группы – от микроорганизмов до рыб и млекопитающих.

Возможны следующие уровни биоиндикации:

1. биохимические и физиологические реакции (изменение различных процессов, накопление токсикантов в органах);

2. анатомические, морфологические, биоритмические и поведенческие реакции;

3. флористические, фаунистические изменения.

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

Биоиндикация может проводиться на уровне макромолекул, клетки, организма, популяции, сообщества и экосистемы.

Существует биоиндикация специфическая (реакция только на один фактор) и неспецифическая (одна и та же реакция на многие факторы). Чувствительными биоиндикаторами могут служить как отдельные процессы в клетке и организме (изменение ферментативной активности, изменения в пигментном комплексе, накопление серы в листьях), так и морфологические изменения (изменение формы и размера листовой пластинки, появление ассиметрии, хлорозы, некрозы, уменьшение продолжительности жизни хвои, снижение линейного и радиального приростов).

Например, в порядке возрастания толерантности к загрязнениям растительные организмы располагаются в следующем порядке: грибы, лишайники, хвойные, травянистые растения, листопадные деревья. Среди сельхозкультур наиболее чувствительны салат, люцерна, злаковые, крестоцветные, а нечувствительные – кукуруза, виноград, розоцветные, подорожник.

При биомониторинге пресноводных экосистем излюбленным объектом служат животные макрозообентоса. Они удовлетворяют многим требованиям к биоиндикаторам, среди которых: повсеместная встречаемость, достаточно высокая численность, относительно крупные размеры, удобство сбора и обработки, сочетание приуроченности к определенному биотопу с определенной подвижностью, достаточно продолжительный срок жизни, чтобы аккумулировать загрязняющие вещества за длительный период. Бентосные организмы, как правило, не являются хозяйственно ценными или уникальными объектами, поэтому изъятие их из водоема в исследовательских целях не наносит ущерб его экосистеме.

Итак, основные требования к биоиндикаторам: повсеместная встречаемость, высокая численность, приуроченность к биотопу, удобство сбора и обработки, продолжительный срок жизни, не должны быть уникальными и хозяйственно ценными объектами; применительно к экосистемам – основная роль в продуцировании органического вещества должна принадлежать биоиндикаторам.

Важный аспект применения биоиндикаторов – оценка с их помощью загрязнения окружающей среды - биотестирование.

Так, например, после аварийного разлива нефти происходит резкое увеличение численности углеводородокисляющих бактерий (на 3–5 порядков величины). Если в чистых экосистемах они составляют обычно менее 0,1% от общего микробного населения, то в экосистемах океана, загрязненного нефтью, их доля может составить 100%. Гетеротрофные индикаторные бактерии объединяют в группы в зависимости от используемого субстрата (например, гексадекан-окисляющие, бенз(а)пирен-трансформирующие, ксилол-трансформирующие, полихлор-бифенил-транс-формирующие). Определение индикаторных групп бактерий положено в основу микробного тестирования распространения тех или иных загрязняющих веществ в различных средах.

Многоклеточные организмы используются при биотестировании воздуха (обычно растения), воды (некоторые животные и водоросли), почвы (растения и почвенные животные).

   Существуют различные методы биотестирования:

- фитологическое картирование – картирование числа видов и степени проективного покрытия и сравнение с эталоном, в качестве которого обычно используют заповедные территории;

- экспозиция в загрязненной среде растений или животных – биоиндикаторов и сравнение их с выращенными в нормальных условиях;

- анализ изменений в составе и численности видов в сообществах;

- анализ видимых повреждений организмов и другие методы.

Довольно часто в целях биотестирования измеряют содержание загрязняющих веществ в организмах. Этот метод связан с явлением биоаккумуляции. Биоаккумуляция (от греч. bios – жизнь и лат. accumulatio – накопление), синоним биоконцентрирование – накопление в организме загрязняющих веществ, поступающих из окружающей среды. Накапливаются обычно вещества стойкие и активно включающиеся в обменные процессы в организме. К стойким веществам (с большим периодом биологического полураспада) относятся хлорированные углеводороды, тяжелые металлы и т. д.

У человека хлорированные углеводороды накапливаются в жировых тканях, а, например, кадмий – в почках. Особенно в больших масштабах биоаккумуляция обнаруживается в водных организмах, где коэффициент накопления загрязнителей по отношению к его содержанию в воде может достигать 10³–10⁴ и более. Многие организмы усваивают загрязнители селективно. Так, например, некоторые виды съедобных грибов накапливают кадмий, морские многоклеточные организмы асцидии накапливают ванадий, а морские одноклеточные радиолярии и обыкновенный укроп накапливают стронций.