Биоиндикация

Биоиндикация - это оценка состояния среды с помощью живых объектов. Живые объекты (или системы) - это клетки, организмы, популяции, сообщества. С их помощью может проводиться оценка как абиотических факторов (температура, влажность, кислотность, соленость, содержание поллютантов и т.д.), так и биотических (благополучие организмов, их популяций и сообществ). Термин «биоиндикация» чаще используется в европейской научной литературе, а в американской его обычно заменяют аналогичным по смыслу названием «экотоксикология».

Существуют по крайней мере три случая, когда биоиндикация становится незаменимой.

1. Фактор не может быть измерен. Это особенно характерно для попыток реконструкции климата прошлых эпох. Так, анализ пыльцы растений в Северной Америке за длительным период показал смену теплого влажного климата сухим прохладным и далее замету лесных сообществ на травяные. В другом случае остатки диатомовых водорослей (соотношение ацидофильных и базофильных видов) позволили утверждать, что в прошлом вода в озерах Швеции имела кислую реакцию по вполне естественным причинам.

2. Фактор трудно измерить. Некоторые пестициды так быстро разлагаются, что не позволяют выявить их исходную концентрацию в почве. Например, инсектицид дельтаметрин активен лишь несколько часов после его распыления, в то время как его действие на фауну (жуков и пауков) прослеживается в течение нескольких недель.

3. Фактор легко измерить, но трудно интерпретировать. Данные о концентрации в окружающей среде различных поллютантов (если их концентрация не запредельно высока) не содержат ответа на вопрос, насколько ситуация опасна для живой природы. Показатели предельно допустимой концентрации (ПДК) различных веществ разработаны лишь для человека. Однако, очевидно, эти показатели не могут быть распространены на другие живые существа. Есть более чувствительные виды, и они могут оказаться ключевыми для поддержания экосистем. С точки зрения охраны природы, важнее получить ответ на вопрос, к каким последствиям приведет та или иная концентрация загрязнителя в среде. Эту задачу и решает биоиндикация, позволяя оценить- биологические последствия антропогенного изменения среды. Физические и химические методы дают качественные и количественные характеристики фактора, но лишь косвенно судят о его биологическом действии. Биоиндикация, наоборот, позволяет получить информацию о биологических последствиях изменения среды и сделать лишь кос венные выводы об особенностях самого фактора. Таким образом, при оценке состояния среды желательно сочетать физико-химические методы с биологическими.

Актуальность биоиндикации обусловлена также простотой, скоростью и дешевизной определения качества среды. Например, при засолении почвы в городе листья липы по краям желтеют еще до наступления осени. Выявить такие участки можно, просто осматривая деревья. В таких случаях биоиндикация позволяет быстро обнаружить наиболее загрязненные местообитания.

Экологические основы биоиндикации

Все биологические системы — будь то организмы, популяции или биоценозы — в ходе своего развития приспособились к комплексу факторов местообитания. Они завладели внутри биосферы определенной областью, экологической нишей, в которой находят подходящие условия существования и могут нормально питаться и размножаться (Schubert, 1984). Каждый организм обладает в отношении любого действующего на него фактора генетически детерминированным, филогенетически приобретенным, уникальным физиологическим диапазоном толерантности, в пределах которого этот фактор является для него переносимым. Если фактор отличается слишком высокой или слишком низкой интенсивностью, но еще не детален, то организм находится в физиологическом пессимуме. За пределами некоторого минимального и максимального значения фактора дальнейшая жизнь невозможна. В ограниченной области интенсивности фактора, особо благоприятной для данной особи, организм существует в условиях физиологического оптимума. Физиологический диапазон толерантности обычно неодинаков для разных стадий развития организма и для всех особей данных популяции.

При широкой амплитуде толерантности организмы называются эврипотентными, при узкой — стенопотентными.

Нередко развитие организма зависит от фактора, интенсивность которого близка к крайним переносимым значениям, т. е. соответствует физиологическому пессимуму. Поэтому изменение его значений в сторону оптимума вызывает наибольшие экологические воздействия. Правда, и в этом случае общее развитие всегда определяется взаимодействием всех воздействующих факторов (Полетаев, 1973).

Будучи взаимозависимыми, отдельные факторы могут до известной степени взаимозаменяться. Различные сочетания факторов вызывают сходные эффекты, хотя их полной взаимозаменяемости не происходит. Поэтому в природе существуют отличающиеся по присутствию и по размерам от физиологических (потенциальных) диапазонов толерантности экологическим диапазоны присутствия (экологические потенции), отражающие фактическую реакцию организма при воздействии всех факторов среды (Schubert, 1984) (рис. 1). Физиологическая толерантность и экологическая потенция организма определяют его индикаторную ценность. В результате каждая биологическая система (организм, популяция, биоценоз) характеризует зависящее от времени воздействие на нее факторов среды — природных, измененных человеком или антропогенных (Schubert, 1977). Метод оценки абиотических и биотических факторов местообитания при помощи биологических систем часто называют биоиндикацией (лат.—indicare—указывать) (Rabe, 1982).

Рис. 1. Физиологическая толерантность и экологическая потенция (Schubert, 1984)

В соответствии с этим организмы или сообщества организмов, жизненные функции которых так тесно коррелируют с определенными факторами среды, что могут применяться для их оценки, называются биоиндикаторами. Это емкое определение относится и к индикации природных условий местообитания в целом, осуществляемой, например, в сельском и лесном хозяйстве по присутствию растений, характерных для определенного экотопа.

Однако часто понятие биоиндикации, включающее условия сравнения результатов, применяется исключительно для зависящей от времени оценки антропогенных или испытывающих антропогенное влияние факторов среды на основе изменения количественных характеристик биологических объектов и систем (Stocker, 1980).

Поскольку, с одной стороны, антропогенные изменения и загрязнение ландшафта и природных условий воздействуют на живые существа аналогично естественным факторам, а с другой - большая часть природных факторов антропогенно изменена, экологические различия между широким и узким определениями биоиндикации не являются принципиальными.

Значительное внимание уделено биоиндикации в узком смысле, относящейся к антропогенным или антропогенно-модифицированным факторам среды.

При этом речь идет преимущественно не об оценке присутствия, концентрации или интенсивности какого-то параметра среды, а о реакции биологических систем, т. е. рассматривается биологическое воздействие фактора среды.

Антропогенные воздействия, с одной стороны, представляют собой новые параметры среды, с другой - обусловливают антропогенную модификацию уже имевшихся природных факторов и тем самым изменение свойств биологической системы. Если эти новые параметры значительно отклоняются от соответствующих исходных величин, то возможна биоиндикация (Stocker, 1980) (рис. 2). В этом основное различие между физическим или химическим изменением антропогенных факторов среды и биоиндикацией. Если первые методы дают количественные и качественные характеристики фактора, но позволяют лишь косвенно судить о его биологическом действии, то с помощью второго подхода можно получить информацию о биологических последствиях и сделать лишь косвенные выводы об особенностях самого фактора.

В зависимости от времени развития биоиндикационных реакций можно выделить шесть различных типов чувствительности (рис. 2).

I тип: биоиндикатор дает спустя определенное время, в течение которого он никак не отвечал на воздействие (отсутствие эффективного уровня), одноразовую сильную реакцию и тут же теряет чувствительность (выше верхнего эффективного уровня).

II тип: как и в первом случае, реакция внезапная и сильная, однако продолжается известное время, а затем резко исчезает.

III тип: биоиндикатор реагирует с момента появления нарушающего воздействия с одинаковой интенсивностью в течение длительного времени.

IV тип: после немедленной сильной реакции наблюдается ее затухание, сначала быстрое, потом более медленное.

V тип: при появлении нарушающего воздействия начинается реакция, становящаяся все более интенсивной, пока не достигает максимума, а затем постепенно затухает.

VI тип: реакция V типа неоднократно повторяется; возникает осцилляция биоиндикационных параметров.

Рис. 2. Типы биоиндикации в зависимости от развития реакции во времени: НУР—ниже уровня реакции; ВУР—выше уровня реакции; Ст — стрессор; Ч — чувствительность