Экологический мониторинг и экспертиза. Учебное пособие

- высокочувствительные индикаторы, способные реагировать на ничтожно малые концентрации токсических веществ в среде. К ним можно отнести среди индикаторов воздуха - лишайники р.Usnea; среди индикаторов пресной воды - личинки веснянок и подёнок; среди индикаторов почв -

коллембол; - умеренно чувствительные индикаторы, способные выдерживать

малые концентрации загрязнителей. К ним относятся лишайники р.Эверния,

рачки-дафнии, почвенные многоножки; - низкочувствительные индикаторы, реагирующие на высокие

концентрации загрязнителей в среде. К ним принадлежат лишайники рода ксантория, рачки-гаммарусы, некоторые наземные травы.

Биологическая индикация как научный раздел экологического мониторинга основана на следующих принципах:

1. Оценка состояния среды по организмам-индикаторам направлена не столько на определение реальных концентраций загрязнителей, сколько на выяснение «жизненности» среды, т.е. её способности обеспечивать организмы необходимыми экологическими ресурсами. К примеру, исследуя эффекты загрязнения на хвойных породах (некроз и хлороз хвои,

дефолиацию и др.), невозможно установить точную концентрацию диоксида серы SO2 в воздухе, однако можно выяснить класс опасности загрязнения атмосферы и её влияние на жизнедеятельность организмов.

2. Ответные реакции организмов-индикаторов могут быть вызваны как загрязнением среды, так и простым отклонением некоторых факторов от оптимального уровня. В практике биоиндикации необходимо уметь чётко разграничивать эффекты загрязнения от прочих физиологических реакций организма. Например, сильная дефолиация (падение ассимилирующих побегов) дуба или тополя может быть вызвана как увеличившейся концентрацией поллютантов в воздухе (SO2, NO2 и др), так и деятельности насекомых-вредителей.

81

3.Организмы-индикаторы не могут дать моментальную оценку качества той или иной среды. Для повышения надёжности биоиндикационных методов необходимо проводить регулярные мониторинговые наблюдения за состоянием индикаторов на одной и той же территории. Например, одномоментное изучение видового состава лишайников городских парков не сможет установить уровень загрязнённости атмосферы. Но при изучении многолетней динамики видового состава лихенофлоры можно проследить за изменением уровня загрязнённости воздуха.

4.Точность результатов биоиндикации зависит от строго соблюдения правил и методов исследования. Любое биоиндикационное исследование должно проводится по строгой программе, учитывающей особенности местности, время года и наличие дополнительных ограничивающих факторов среды. Спонтанные наблюдения за организмами-индикаторами проводить нельзя!

5.В современном мониторинге при оценке загрязнения среды приоритетными являются физико-химические методы анализа.

Биоиндикационные методы рассматриваются как дополнительные. В связи с этим при проведении любого биоиндикационного исследования его данные должны быть дополнены результатами физ.-хим. анализа. Делать выводы о качестве среды только на основе результатов биоиндикации нельзя!

Методы биоиндикации имеют как ряд существенных преимуществ и недостатков по сравнению с традиционными физико-химическими способами определения качества воздушной среды.

К преимуществам следует отнести:

-высокую чувствительность и специфичность отдельных индикаторов

ктоксическим веществам;

-суммирование всех без исключения данных о загрязнении;

-возможность характеризовать состояние той или иной среды за длительный промежуток времени;

82

- низкую стоимость исследований.

К недостаткам относятся:

-сложность при работе с живыми индикаторами, а также при их сортировке и хранении;

-трудоёмкость исследований;

сложность в обработке полученных результатов.

11.1 Биологическая индикация воздушной среды

Биологическими индикаторами называют живые организмы, по наличию которых, а также по их состоянию и поведению можно судить о состоянии окружающей среды и её загрязнённости различными веществами.

Вупрощённом варианте понятие «биологический индикатор»

обозначает живой организм, являющийся показателем чистоты среды.

В качестве биоиндикатора может выступать любой организм,

способный определённым образом реагировать на токсические вещества в природной среде. В современном мониторинге широко используются индикаторы как растительного, так и животного происхождения: лишайники,

мхи, хвойные и широколиственные деревья, многие травы, простейшие,

ракообразные, насекомые и даже позвоночные животные.

Биологической индикацией называют целенаправленную оценку загрязнения окружающей среды по существующим организмам-

биоиндикаторам.

Методы биологической индикации разрабатывались в течении нескольких последних столетий, однако широкое распространение получили только в начале XX века. В настоящее время биоиндикация является одним из важнейших разделов экологического мониторинга среды.

83

Биологическая индикация как научный раздел экологического мониторинга основана на следующих принципах:

1. Оценка состояния среды по организмам-индикаторам направлена не столько на определение реальных концентраций загрязнителей, сколько на выяснение «жизненности» среды, т.е. её способности обеспечивать организмы необходимыми экологическими ресурсами. К примеру, исследуя эффекты загрязнения на хвойных породах (некроз и хлороз хвои,

дефолиацию и др.), невозможно установить точную концентрацию диоксида серы SO2 в воздухе, однако можно выяснить класс опасности загрязнения атмосферы и её влияние на жизнедеятельность организмов.

2.Ответные реакции организмов-индикаторов могут быть вызваны как загрязнением среды, так и простым отклонением некоторых факторов от оптимального уровня. В практике биоиндикации необходимо уметь чётко разграничивать эффекты загрязнения от прочих физиологических реакций организма. Например, сильная дефолиация (падение ассимилирующих побегов) дуба или тополя может быть вызвана как увеличившейся концентрацией поллютантов в воздухе (SO2, NO2 и др), так и деятельности насекомых-вредителей.

3.Организмы-индикаторы не могут дать моментальную оценку качества той или иной среды. Для повышения надёжности биоиндикационных методов необходимо проводить регулярные мониторинговые наблюдения за состоянием индикаторов на одной и той же территории. Например, одномоментное изучение видового состава лишайников городских парков не сможет установить уровень загрязнённости атмосферы. Но при изучении многолетней динамики видового состава лихенофлоры можно проследить за изменением уровня загрязнённости воздуха.

4.Точность результатов биоиндикации зависит от строго соблюдения правил и методов исследования. Любое биоиндикационное исследование

должно проводится по строгой программе, учитывающей особенности

84

местности, время года и наличие дополнительных ограничивающих факторов среды. Спонтанные наблюдения за организмами-индикаторами проводить нельзя!

5. В современном мониторинге при оценке загрязнения среды приоритетными являются физико-химические методы анализа.

Биоиндикационные методы рассматриваются как дополнительные. В связи с этим при проведении любого биоиндикационного исследования его данные должны быть дополнены результатами физ.-хим. анализа. Делать выводы о качестве среды только на основе результатов биоиндикации нельзя!

Методы биоиндикации имеют как ряд существенных преимуществ и недостатков по сравнению с традиционными физико-химическими способами определения качества воздушной среды.

К преимуществам следует отнести:

-высокую чувствительность и специфичность отдельных индикаторов

ктоксическим веществам;

-суммирование всех без исключения данных о загрязнении;

-возможность характеризовать состояние той или иной среды за длительный промежуток времени;

-низкую стоимость исследований.

К недостаткам относятся:

-сложность при работе с живыми индикаторами, а также при их сортировке и хранении;

-трудоёмкость исследований;

-сложность в обработке полученных результатов.

Существует несколько классификаций организмов-биоиндикаторов.

По происхождению различают:

-фитоиндикаторы - ель европейская; пихта, лиственница и др;

-зооиндикаторы - личинки ручейников, подёнок, веснянок, рачки-

дафнии и циклопы, пресноводные амфибии и др;

- микробоиндикаторы - цианобактерии и др.

85

По среде жизни выделяют:

-индикаторы чистоты воздуха - эпифитные лишайники, мхи и др;

-индикаторы чистоты пресных водоёмов - зелёные водоросли, водные насекомые, моллюски и др;

-индикаторы чистоты морских систем - моллюски, ракообразные,

рыбы и др; - индикаторы загрязнения почв - клевер, горох, шпинат, виноград и др.

По специфичности различают:

- неспецифические индикаторы, реагирующие на общее загрязнение среды - хвойные и широколиственные породы деревьев - сосна, кедр, ель,

дуб, клён, тополь и др;

-специфические индикаторы, избирательно реагирующие на присутствие отдельных веществ-токсикантов. К ним относятся:

-индикаторы на диоксид серы - многие виды лишайников-эпифитов и мхов, ель европейская, ель сербская, пихта европейская, сосна обыкновенная,

сосна Банкса, ясень американский, пшеница, ячмень, гречиха, люцерна,

горох, клевер, хлопчатник, фиалка; - индикаторы на фтористый водород - ель европейская, пихта

европейская, сосна обыкновенная, орех грецкий, виноград, абрикос,

петрушка, гладиолус, ландыш, тюльпан, нарцисс, рододендрон; - индикаторы на аммиак - граб обыкновенный, липа сердцевидная,

сельдерей, махорка;

-индикаторы на хлористый водород - ель европейская, пихта европейская, лиственница европейская, ольха клейкая, лещина обыкновенная, фасоль, шпинат, редис, смородина, клубника;

-индикаторы на озон - сосна Веймутова, табак, картофель, соя, томаты,

цитрусовые; - индикаторы на группу тяжёлых металлов - тсуга канадская, вяз

гладкий, боярышник обыкновенный, овсяница, орхидные, бромелиевые.

86

По степени чувствительности (толерантности) к загрязнению различают:

- высокочувствительные индикаторы, способные реагировать на ничтожно малые концентрации токсических веществ в среде. К ним можно отнести среди индикаторов воздуха - лишайники р.Usnea; среди индикаторов пресной воды - личинки веснянок и подёнок; среди индикаторов почв -

коллембол; - умеренно чувствительные индикаторы, способные выдерживать

малые концентрации загрязнителей. К ним относятся лишайники р.Эверния,

рачки-дафнии, почвенные многоножки; - низкочувствительные индикаторы, реагирующие на высокие

концентрации загрязнителей в среде. К ним принадлежат лишайники рода ксантория, рачки-гаммарусы, некоторые наземные травы.

Современный мониторинг располагает несколькими разработанными группами методов биоиндикации воздушной среды. Одним из важнейших среди них является лихеноиндикация.

Лихеноиндикацией обозначают область биологической индикации, в

которой состояние воздушной среды определяется по лишайникам.

Первые лихеноиндикационные исследования были проведены в 1926 г.

в Стокгольме шведским ботаником Р. Сернандером. Он разделил город на различные по степени загрязнения зоны и проследил их корреляцию с видовым составом и количеством лишайников. В настоящее время лихеноиндикация считается наиболее развитым разделом биоиндикации.

Из всех экологических групп лишайников в качестве индикаторов используются эпифитные виды, произрастающие на коре деревьев.

Лишайники-эпифиты являются одним из основных объектов глобального экологического мониторинга. Этому способствуют следующие причины:

широкая распространённость по всем климатическим и природным зонам планеты и высокая чувствительность к загрязнителям атмосферного воздуха

(поллютантам).

87

В современной лихеноиндикации лишайники-эпифиты используются в двух направлениях: слежение за изменениями в газовом составе атмосферы и контроль загрязнения тяжёлыми металлами, поступающими с осадками.

Из всех традиционных поллютантов наибольшее негативное влияние на лишайники оказывает диоксид серы (SO2), а также оксиды азота (NO, NO2), оксиды углерода (СО, СО2), газообразные соединения фтора и др.

Диоксид серы по отношению к растениям выступает как сильнейших ассимиляционный яд. Он способен угнетать многие виды лишайников уже в концентрациях от 0,08 до 0,1 мг/м3, а доза в 0,5 мг/м3 для большинства лишайников является летальной. Этот газ вызывает нарушения физиологических процессов, приводящие к образованию бурых пятен и деградации хлорофилла в хлоропластах водорослей. При этом нарушается физиологический баланс между грибом и водорослью, что приводит к гибели лишайниковых слоевищ.

Установлено, что при повышении концентрации токсических веществ в атмосфере первыми исчезают кустистые, затем - листоватые, и последними -

накипные формы лишайников.

Ответные реакции лишайников на повышении степени загрязнения воздуха выражаются в прекращении роста и развития слоевищ, их отмирании и изменении в видовом составе лишайниковых сообществ.

Методы лихеноиндикационных исследований загрязнений воздушной среды традиционно делятся на активные и пассивные. Активная лихеноиндикация основана на переносе (трансплантации) слоевищ эпифитных лишайников из «чистых» территорий в «загрязнённые» и

слежением за ответными реакциями лишайников на изменение внешних условий. Активные методы особенно удобны при оценке загрязнённости воздуха в зонах с сильным антропогенным воздействием, где лишайники изначально отсутствуют.

Программа активной лихеноиндикации состоит из следующих пунктов.

88

По таблицам полиотолерантности подбирается индикаторный вид или виды лишайников.

Изготавливаются «элементарные площадки». Они представляют собой дощечки с площадью, достаточной для прикрепления 25-30 слоевищ лишайника-индикатора.

На площадках определяется начальное проективное покрытие лишайников. Этот показатель можно вычислить с помощью палетки непосредственно на площадке или по фотографии.

«Элементарные площадки» размещают на исследуемой территории и через 1 - 1,5 года вновь определяют проективное покрытие слоевищ.

Сравнивают результаты начального и конечного измерения проективного покрытия и общего жизненного состояния лишайников.

Делают вывод о газовом составе атмосферы и изменении содержания SO2, NОx .

Пассивная лихеноиндикация заключается в изучении индикаторных признаков лишайников в местах их произрастания. При этом основное внимание уделяется изменениям относительной численности лишайников.

Программа пассивной лихеноиндикации выглядит следующим образом:

На исследуемой территории закладывают несколько лихенологических площадей.

На каждой площади выбирают модельные деревья с лишайниками-

эпифитами. Деревьев должно быть не менее 7, они должны быть одной породы и одного возраста.

На каждом модельном дереве закладываются лихенологические площадки, на которых определяются индикаторные признаки лишайников-

эпифитов.

Полученные результаты обрабатывают. Высчитывают лихеноиндикационные индексы и по их значению делают вывод о качестве атмосферного воздуха.

89

При необходимости проводят повторные изменения. Полученные результаты сравнивают и делают вывод об изменении химического состава воздуха и концентраций токсических веществ.

Для подтверждения результатов пассивной лихеноиндикации нередко используются активные методы.

При организации лихеноиндикационных исследований необходимо соблюдать несколько правил.

Измерения лишайников должны проводится на постоянных площадях и модельных деревьях в течение длительного времени. Разовое обследование площадей не объективно.

Биотические и абиотические условия среды на сравниваемых площадях должны быть по возможности близкими друг другу.

Количество модельных деревьев на всех площадях должно быть велико

(несколько десятков). Это позволит получить большой объём статистически достоверной информации.

При описании лишайников-индикаторов обязательно учитываются атмосферная влажность, освещённость, экспозиция площадки и угол склона дерева, высота прикрепления на стволе талломов и сопутствующая флора.

11.2 Биондикация почв

Почвой называют поверхностный слой земной коры (коры выветривания), генезис которого определяется взаимодействием материнских пород, растений, животных, микроорганизмов, воды, газов и климатических факторов. Почвы являются самостоятельным природным образованием, важнейшей отличительной чертой которого является плодородие, т.е. способность обеспечивать рост и развитие растений.

90