15.Определение токсикантов с помощью биологических методов. Использование биодиагностики в эко­логии. Отличие биоиндикации от биотестирования. Микробиологическая диагностика загрязнения почв.

Одним из методов экомониторинга является биологический метод, основывающийся на использовании биоиндикаторов. Биологические индикаторы – виды, группы видов или сообщества живых организмов, по наличию, степени развития, изменению морфологических, генетических, биохимических и других признаков которых судят о состоянии, специфических особенностях и свойствах ОПС и ее компонентов, об антропогенных изменениях среды (о составе почвы, наличии полезных ископаемых, о наличии и составе загрязняющих веществ). Например, обилие лишайников - чистый воздух, серные бактерии - сильное загрязнение водоема.

Плюсы метода : отображает состояние экосистемы в целом ; оценивает весь спектр загрязняющих веществ и их взаимодействие друг с другом ; более полно позволяет судить о токсичности веществ на теплокровных и человека ; воспринимает все загрязняющие вещества. Метод доступен, прост, надежен. Для сравнения: химико - аналитические методы дают как бы « моментальный снимок » картины загрязнения и только конкретными веществами, они трудоемки и дорогостоящи. Кроме того, для многих химических веществ не разработаны нормативы, а значит, нельзя оценить степень воздействия на человека.

Биодиагностика включает биоиндикацию и биотестирование. Биоиндикация заключается в оценке качества среды обитания и ее отдельных характеристик по состоянию ее биоты в природных условиях. Биотестирование представляет оценку (преимущественно в лабораторных условиях) качества объектов ОС с использованием живых организмов. Классический пример биоиндикации- домашние пчелы. По химическому составу их меда можно судить о загрязнении территории, на которой они этот мед собирают. Биотестирование биоиндикаторов позволяет с помощью специально подобранных, высокочувствительных к загрязнениям животных - биотестов определить токсичность проб, оценить состояние агроценозов .

Биоиндикация позволяет непосредственно наблюдать на определенной территории реакцию живых организмов в течение длительного времени. Различают биоиндикаторы уровней загрязнения и биоиндикаторы состояния экосистемы. Первые представляют собой организмы – концентраторы. В их случае оценку среды обитания осуществляют по накоплению токсикантов в органах и тканях. Подобрав биоиндикаторы, активно аккумулирующие интересующее нас вещество, можно целенаправленно изучать на различных территориях уровни антропогенного воздействия. Например, лишайники хуже, чем высшие растения защищены покровной тканью, поэтому особенно чувствительны к загрязняющим веществам. Биоиндикаторы состояния давно используются человеком (по поведению кошек и собак можно предсказать землетрясение или извержение вулкана). Еще пример: молодые листья табака очень чувствительны к присутствию в воздухе озона. Чем более в воздухе озона, тем более проявляется некротичность листьев табака. Таким образом, можно сделать вывод о возникновении и степени тяжести «смоговой ситуации».

Биотестирование применяют для контроля качества природных и токсичности сточных вод, при проведении экологической экспертизы новых технологий очистки стоков, при обосновании нормативов ПДК загрязняющих компонентов. Тест - объекты выбирают среди наиболее чувствительных видов. Второе важное требование – ответная реакция тест – объекта на воздействие токсиканта, которая должна быть близкой к реакции лабораторных животных. Для биотестирования применяются дафнии, несколько видов микроскопических водорослей, некоторые виды рыб, бактерии, водоросли, высшие растения, моллюски, пиявки, кольчатые черви.

Биотестирование с использованием дафний основано на определении изменений выживаемости и плодовитости их при воздействии токсических веществ, содержащихся в водной вытяжке из почвы, по сравнению с контролем. Кратковременное биотестирование определяет острое токсическое действие на дафний. Критерий токсичности – гибель 50% и более дафний за 96 часов. Длительное биотестирование (до 20 суток) определяет хроническое токсическое действие на дафний. Критерий токсичности – достоверное отличие от контроля показателей выживаемости или плодовитости дафний. Изучение гибели дафний в водных экстрактах загрязненных почв позволило установить, что ракообразные чувствительны к загрязнению почвы полициклическими ароматическими углеводородами (ПАУ) , следовательно их можно использовать для интегральной оценки токсичности почв, загрязненных ПАУ. Разработан метод йодирования фенола в пробах сточных вод, что резко повышает токсичность раствора. В результате дафнии дают ответную реакцию не за сутки, а за 1 – 3 минуты. Таким образом, получается экспресс – метод. По такому же принципу построены биотестирования с использованием других видов тест – организмов : в краткосрочном опыте показатели токсичности – поведенческие реакции, дыхательный ритм, выживаемость, а в длительном – поведение, выживаемость, количество съеденного корма, темпы роста, размножение, качество потомства.

Общие требования , предъявляемые к индикаторам, следующие : широкий ареал (охват всего многообразия физико – географических и иных условий ) ; оседлость (вид должен н всех стадиях жизненного цикла находится в данном регионе ) ; виды – индикаторы должны относится к естественным сообществам ; пластичность вида (присутствие у него и чувствительности, и толерантности к токсиканту одновременно ) ; достаточная масса пробы (высокая численность особей и отсутствие ее сильных колебаний) ; простота добычи и учета ; изученность видов для предотвращения появления неопределенностей, связанных с межвидовыми различиями.

Среди применяемых методов биоиндикации наболее чувствительны микробиологические. Это объясняется высокой чувствительностью микроорганизмов к малейшим изменениям в состоянии ОПС и ее компонентов. Среди микроорганизмов выявлены виды, характеризующие как определенное состояние компонентов среды, так и изменения в функционировании микробоценозов в различных экологических условиях. Например, индикатором глубины процессов минерализации является соотношение северных и южных видов бацилл. В экосистемах, где слабо протекают процессы трансформации органического вещества, доминантами выступают северные виды : B. cereus, B. virgulus, о глубокой минерализации свидетельствует преобладание южных видов : B.mesentericus, B. subtilis. При индикации состояни экосистем изучают : биохимические, морфологические, физиологические изменения микробиоты, динамику численности, видовой состав, интенсивность функционирования, мутагенные эффекты и т. д. Так, при наличии в почве высоких доз свинца изменяется строение B. mycoides. Скрученные, извилистые гифообразные выросты распрямляются и становятся вытянутыми. В этих же условиях энергия прорастания микроскопических грибов снижается примерно в 5 раз. Показателем снижения устойчивости экосистем под влиянием свинцового загрязнения является также изменение структуры микробного ценоза, в которой возрастает содержание микроскопических грибов (род Fusarium и Alternaria). При этом иным становится характер метаболических процессов, и грибы начинают продуцировать вещества, угнетающе действующие на растения. Таким образом, структуру микробного ценоза и продукты метаболизма микроскопических грибов можно использовать для индикации загрязнения почв тяжелыми металлами. Индикацию загрязнения почв тяжелыми металлами возможна и по другим показателям. Увеличение дозы свинцового загрязнения приводит к массовому развитию стерильных актиномицетов, появляются черноокрашенные формы группы Niger ,происходит снижение фитомассы. Для целей индикации применяют показатели наличия в почве различных биологически активных веществ, в том числе микотоксинов – продуктов жизнедеятельности микроорганизмов.

Итак, в систему микробиологических показателей для индикации антропогенных воздействий на почву входят : видовое разнообразие бацилл, содержание стерильных актиномицетов, содержание черноокрашенных актиномицетов группы Niger, наличие в среде Fusarium, структура микробного ценоза, фитотоксичность микроскопических грибов, биологическая активность почвы, соотношение вегетативные клетки : споры, поведенческие реакции.

В целом проблема исследований еще недостаточно изучена и ограничена в использовании. Здесь сказываются трудоемкость микробиологических методов, динамичность микробиологических показателей, слабо разработанные систематика микробов, идентификация видов и т. д.

Использование биоиндикации и биотестирования в агроэкологии не может ограничиваться только выявлением загрязняющих веществ. Биодиагностика должна служить и для оценки эффективности технологий возделывания с/х культур, сохранения устойчивости агроэкосистем, их биоразнообразия.

Учебник «Агроэкология 2 часть» стр.37 – 52.

16.Характеристика основных загрязнителей экосистем и агроэкосистем. Классы опасности основных токсикантов. Их миграция по трофическим цепям. Экологическая толерантность. Фотохимическое разложение поллютантов.

Загрязнитель – физический, химический или биологический агент, который увеличивает свое количество или чужероден окружающей среде в исследуемое время.

Виды загрязнителей: природные (извержение вулканов, солевые потоки, землятресения); антропогенные – механические (аэрозоль, пыль, смог); химические (тяжелые металлы, пестициды, диоксины, кислоты, щелочи); биологические (бактерии, микроскопические грибы); физические (радиационное, шумовое или акустическое, электромагнитное загрязнение).

Миграция по трофическим цепям. Трофическая цепь - это ряд организмов (растений, животных, микроорганизмов), в котором каждое предыдущее звено служит пищей для последующего. Связаны друг с другом отношениями: пища - потребитель. Трофическая цепь включает обычно от 2 до 5 звеньев. Токсиканты по трофическим цепям передаются от одно организма к последующему. Например: тяжелые металлы попадают в почву, затем в растение, затем к человеку.

Трофическая цепь: почва – растение – животное – человек; вода – водные растения – рыбы – человек. Каждый токсикант проходит все стадии.

Классы опасности основных токсикантов. .

А.С Кольцов систематизировал химические и биологические загрязняющие вещества ( токсиканты), расположив их по степени убывания экологической опасности:

I. 1.Химические

а) Ртуть, б) свинец , в)кадмий , г) сурьма, д) мышьяк, е) хром, ж) кобальт, з) никель, и) олово

1. Пестициды, метаболиты продукции их деградации

а. инсектициды: хлорорганические фосфорорганические, б. дитиокарбоматы , в. метилбромид

2. Радиоизотопы а). цезий-137, б). стронций -90, в).иод 131

3. Другие вещества а. нитраты, нитриты, N-нитросоединения, включая (N -нитрозамины) б. полициклические углеводороды в. полигалогенные дифинилы г.Стимуляторы роста животных, антибиотики

II. Биологические

1. бактерии и бактериальные токсины : а. токсин "клостридиум ботулинум" б. сальмонеллы, шигеллы в. Энтеротоксины стафилококковые

2. Микотоксины В-1 В-2 G-1 G-2 охратоксин А, патулин, зеараленон

3. Паразиты и вирусы.

Бльшинство пестицидов относятся к синтетическим химическим соединениям - ксенобиотикам т.е. вещенствам, чуждым биосфере. Подавляющее число пестицидов - кумулятивные яды, токсичное действие., которых зависит не только от концентрации, но и от длительности воздействия. По степени комплексного воздействия на организм пестициды подразделяют на четыре класса: (комплексная гигиеническая классификация учитывающая возможную степень негативного воздействия)

1.Черезвычайно опасные. 2. высокоопасные 3. умеренно опасные 4. малоопасные

Экологическая толерантность. Толерантность – способность живых организмов противостоять неблагоприятному воздействию факторов внешней среды.

Закон толерантности (В.Шелфорд): процветание организма ограничено законами максимума и минимума определенных экологических факторов. Между ними располагается зона оптимума. Каждый вид характеризуется своей толерантностью - способностью переносить отклонения экологических факторов от оптимальных.

Живые организмы проявляют различную устойчивость к токсикантам. Высшие растения по устойчивости к вредным воздействиям подразделяются (в порядке возрастания толерантности) на:

Кормовые → хлопчатник → салат → лук → злаковые → виноград → кукуруза

Древесные и кустарниковые по устойчивости образуют следующий ряд (в порядке возрастания):

Дуб→ лох → клен маньчжурский и красный → бирючина→ бересклет → береза → бузина → можжевельник.

По отношению к ТМ составлен такой ряд устойчивости (в порядке убывания):

Волоснец >ива >осина> ольха

Среди травянистых наибольшая устойчивость к ТМ отмечается у растений семейств:

Злаковые, бобовые, маревые.

Например, ежа сборная и волоснец песчаный выдерживают высокие концентрации свинца и даже лучше развиваются в его присутствии. Способность гречихи Сахалинской выдерживать высокие концентрации этого элемента используют для биологической рекультивации почв от ТМ.

По чувствительности к Cd и способности накапливать его растения располагаются так (по восходящему принципу):

Томаты >овес >салат> луговые травы >морковь> редька >горох >шпинат

Увеличение содержания Hg в растениях различных семейств в основном происходит в таком порядке:

Злаковые, гречишные, крестоцветные, астровые, бобовые, гвоздичные.

Фотохимическое разложение поллютантов.

Отмечая обший характер поведения токсикантов в окружающей среде, следует отметить особенности их поведения в зависимости от места нахождения (воздух, вода, почва).

Например, при воздушном (аэратиом) загрязнении длительность пребывания токсиканта и возможность его перемещения зависят от скорости потока воздуха и турбулентности (смешивания) воздушных масс, а также направления и розы ветров. При аэральном загрязнении может иметь место фотохимический эффект, т.е. разложение под влиянием света Этим эффектом объясняется более высокая концентрация некоторых пестицидов в лесных почвах по сравнению с почвами открытых участков, где разложение пестицидов идет быстрее под действием света. В воздушной среде некоторые токсиканты (например, диоксины) обладают способностью осаждаться на мелких частицах, например, пыли, и прилипать к ней (явление adtejuu), усиливая опасность загрязнения

Водной среда - важный фактор в транспорте токсикантов Они могут постучать в поверхностные воды из промышленных отходов, случайных смывов и грязевых потоков В водных объектах, как и в воздушной среде, токсиканты могут разлагаться под действием фотохимического эффекта (фотолиза) Важным фактором при этом выступает рН водной среды чем

выше, рН тем больше ускорение распада (за исключением диметинала) Однако фотолиз в очень мутной воде, куда проникновение солнечного света затруднено, является незначительным Первичное воздействие ультрафиолетовой радиации вызывает разрыв эфирной связи с последующим образованием фенолыико или гетероциклического из карбонатного эфира. Особенно важное значение имеет поведение токсикантов в почве, т.к почва -основное средство сельскохозяйственного производства и, таким образом, основным поставщиком продуктов питания для человека И, кроме того, от состояния почв, ее буферной и самоочищающей способности зависит поведение токсиканта в системе почва-растение-ж квотное-ч ел о век-окружающая среда В почву различные токсиканты попадают в результате воздушных выпадений, с поливной водой, а также при непосредственном поступлении. Здесь они испытывают ряд превращений, определяющихся следующими факторами, летучестью; выщелачиванием .влажностью почвы; температурой, фоторазложением; микробным распадом, типом почвы.

21.Классификация и характеристика основных типов природных ландшафтов. Методы изучения состояния и функционирования агроландшафтов. Оптимизация агроландшафтов. Альтернативные системы земледелия и их значение.

Природный ландшафт - геосистема наименьшей региональной размерности, состоящая из взаимосвязанных генетических и функциональных локальных геосистем, сформировавшаяся на единой морфоструктуре в условиях местного климата.

Классификация ( А. Перельман, 1975 г.)

1.Первый уровень (самый высокий) - разделение ландшафтов в зависимости от преобладания в них основного вида миграции

а)Абиогенные - отсутствует биогенная миграция веществ (Гренландия,высокогорья)

б) Биогенные - ведущим видом миграции является биогенный круговорот элементов (БИК), т.е. поглощение - выделение химических элементов в системе почва - растение - атмосфера. Механическая и физико-химическая миграция имеет подчинённую роль

в)Техногенные - имеют нарушенный БИК, определяющий вид миграции – техногенная (социальная)

2.Второй уровень - разделение ландшафтов основано на особенности ведущего вида миграции.

а) Биогенные ландшафты разделяются исходя и ёмкости БИК, интенсивности мобилизации в раствор (доступное состояние) элементов и их включение в биогеохимические циклы.

б) Техногенные ландшафты разделяются на сельскохозяйственные, промышленные, лесотехнические, ландшафты населённых пунктов (селитебные), искусственных водоёмов и дорожные. Сельскохозяйственные ландшафты дифференцированы на следующие типы: полевой, лугово-пастбищный, садовый и смешанный. Высокая динамичность агроландшафтов - прямой результат непрерывного и масштабного вмешательства человека.

3.Третий уровень - биогенные ландшафты разделяются в зависимости от внутренней обстановки (кислородная, глеевая, сероводородная, рН, формы типоморфных элементов и их водная миграции)

4. Четвёртый уровень - биогенные и техногенные ландшафты подразделяются с учётом воздушной миграции химических элементов. Выделяются ландшафты с почвами, подверженными аэральному загрязнению, ландшафты с отложениями эолового материала в аридных зонах.

5. Пятый уровень - картирование биогенных и техногенных ландшафтов осуществляется по мезо- и микрорельефу сообразно характеру почвообразующих и подстилающих пород.