Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Агроэкология. Учебное пособие
.pdf
Другое важное требование заключается в том, что воздействие на тест-объект токсиканта должно вызывать ответную
реакцию, аналогичную или близкую к реакциям лабораторных
животных.
Знание механизмов специфического токсического действия
позволяет ослаблять или усиливать действие токсиканта с помощью специально подобранных фармакологических средств.
Если последние обладают селективностью, то в ряде случаев
становится
возможным с помощью тест-объектов не только обнаружить токсический эффект, но и произвести групповую идентификацию токсиканта. Усиление действия с помощью фармакологических средств позволяет снизить порог обнаружения токсиканта, не прибегая к его концентрированию (прием, обычный
при инструментальном физико-химическом анализе примесей).
По чувствительности и степени изученности среди
других
тест-объектов выделяют дафний, несколько видов микроско-
пических одноклеточных зеленых водорослей из класса протококковых и 5–6 видов рыб, как аквариумных (гуппи, данио-
рерио), так и мелких аборигенных (голец, гольян). Опыт токсикологического нормирования показывает, что при использовании этих видов биотестированием может быть охвачено более
80 % подлежащих контролю химикатов, загрязняющих
воду.
Кроме того, для биотестирования применяются бактерии,
водоросли (в том числе по степени встречаемости, по соотношению живых и мертвых клеток), высшие растения, моллюски, пиявки, ветвистоусые рачки, рыбы (главным образом, на
ранних стадиях развития) и другие организмы. Каждый из
этих объектов имеет свои преимущества и ограничения, и ни
из организмов не может служить универсальным «тесте-
один
ром», одинаково чувствительным ко всем загрязняющим веществам. Однако нецелесообразно бесконечно расширять круг
биологических тест-объектов.
Для биотестирования почвенных образцов применяют дождевых червей, олигохет (кольчатых червей) и различных насекомых. Размножение дождевых червей в значительной степени
зависит от наличия в перерабатываемом субстрате пестици
дов, тяжелых металлов и других поллютантов.
При наличии определенного количества вредных веществ в
анализируемой пробе животные сигнализируют о токсичности
изменением своего физиологического состояния или смертью.
-
191
13.4. Фитоиндикация состояния почвенного покрова
Роль почвенного покрова в биосфере и хозяйственной деятельности человека общеизвестна. Тем большее значение приобретает своевременная обоснованная оценка качественного
состояния почв.
Диагностика почв использует достижения различных разделов почвоведения (минералогии, морфологии, физики и химии). Нельзя, однако, упускать из виду, что физические и химические показатели характеризуют относительно консервативные
тельное время для своего проявления. Кроме того, определение
соответствующих показателей нередко требует использования
достаточно дорогостоящих и трудоемких методик. Полученные же результаты не всегда адекватно отражают степень подверженности воздействию поллютантов такой сложнейшей
системы, как почва.
среды и
нические, зоологические, микробиологические и биохимические методы.
ды фитоиндикации). В настоящее время эти методы доста-
точно хорошо разработаны и широко используются в практике
почвенных исследований. Они составляют специальный раздел индикационной геоботаники, дают неплохие результаты
при
полезных ископаемых и др.
тельного покрова, так и отдельных сообществ и видов в качестве показателя (индикатора) состояния исследуемых компонентов среды. Термин «фитоиндикатор» впервые предложил в
1914 г. А.П. Ильинский. Ученый рекомендовал выращивать
растения в сосудах с
личные участки поля, а по отклонениям в биомассе определять
влияние микроклимата поля на урожай.
дельных видов к определенному комплексу экологических
условий. Индикаторные свойства проявляются как в наличии,
так и в отсутствии того или иного вида.
дить о степени гидроморфности, засоленности, кислотности или
щелочности, а также о богатстве почв питательными элементами.
признаки и свойства почв, которым необходимо дли-
Биологический способ индикации состояния окружающей
ее компонентов (в том числе и почвы) включает бота-
Ботанические методы индикации и диагностики (мето-
дистанционном изучении почв, грунтов, грунтовых вод,
Фитоиндикация заключается в использовании как расти-
одной и той же почвой, помещая их в раз-
Фитоиндикаторы являются следствием приуроченности от-
Накопление
большого фактического материала позволяет су-
192
Например, по отношению растений к кислотности почв
(рН) установлены группы, характеризующие приуроченность
отдельных их видов к определенным значениям рН.
Наиболее кислым почвам (рН 3,0–4,5) соответствуют крайние ацидофилы: белоус, скерда тупоконечная, ситник тощий,
щучка, луговик извилистый, марьянник луговой, зеленые и
сфагновые мхи.
Также кислые почвы (рН от 4,5–6,0 и до 6,5) можно определить по развитию умеренных ацидофилов: калужницы болотной, лютиков ядовитого и жгучего, фиалки собачьей, пырея собачьего, осоки пузырчатой, вейников ланцетного и наземного.
О несильно кислых почвах (рН 5,0–6,7; иногда до 7,2) свиде-
тельствуют слабые ацидофилы: василистники светлый и простой, бубень душистый, вероника длиннолистная, осока ранняя, смородина черная.
К группе ацидофилонейтральных
эвритрофов (рН от 4,5
до 7,0 иногда до 7,5) можно отнести: чину луговую, смолку
обыкновенную, нивяник, василек шероховатый, осоку заячью.
Особую группу составляют растения околонейтральных
почв, хорошо развивающиеся при рН 6,0–7,3: лисохвост луговой, клевер горный и луговой, астрагал детский, мыльнянка
лекарственная, борщевик сибирский.
По отношению к засолению почв различают растения незасе-
ленных территорий
– гликофиты и приспособленные к обита-
нию на засоленных почвах – галофиты. К последним относятся
солянки, верблюжья колючка, некоторые виды полыни, саксаул.
По приуроченности к гранулометрическому составу почв
растения делятся на псаммофиты (растения песков) и пелито-
фиты (растения глин). На каменистых и щебнистых субстратах
произрастают растения-петрофиты (например, камнеломка).
Примером индикатора богатых
питательными вещества-
ми почв является крапива.
Морфологические признаки проявляются в изменениях
окраски и формы листьев, строения корневой системы, ширины годичных колец деревьев; особенностях строения проводящей ткани; различиях в строении отдельных клеток и тканей;
различных аномалиях.
Изменение морфологических признаков как реакция на загрязнение хорошо прослеживается на лишайниках. Она про
является в слабой выраженности зоны роста, в неравномерном
-
193
развитии лопастей, которые приобретают неправильную форму, в изменении структуры верхней поверхности слоевища и
ее окраски.
При выращивании ячменя на почвах, загрязненных медью,
его листья утрачивают нормальную зеленую окраску и становятся хлоротичными. Аналогичная реакция наблюдается у
растений ячменя, томата и картофеля при избытке бора. При
избытке марганца листья ячменя и
ются буроватыми пятнами и т.д.
Физиологические признаки предполагают учет особенно-
стей химического состава и обмена веществ (пигментов, белков, жиров, величины осмотического давления, водоудерживающей способности, интенсивности транспирации).
Фитоценотические признаки связаны с особенностями
структуры растительного покрова (обилие и рассеянность,
ярусность, мозаичность).
По отношению к воде (по
тения делятся на фреатофиты (постоянно связаны корневой
системой с грунтовыми водами – камыш, рогоз, тростник, бузина, крыжовник, терновник), корневая система некоторых из
них может достигать 20–30 м; трихогидрофиты (связаны с ка-
пиллярной каймой грунтовых вод); амброфиты (используют
влагу атмосферных осадков); факультативные фреатофиты
(существуют в зависимости от
тофиты и как амброфиты).
стебли картофеля покрыва-
условиям водного питания) рас-
условий увлажнения как фреа-
13.5. Почвенно-зоологическая
и микробиологическая индикации
Почвенно-зоологические исследования диагностической направленности стали активно развиваться в середине минувше-
го столетия. В 1950-х гг. почвенная зоология сформировалась
как самостоятельная область науки. Выдающуюся роль в этом
сыграли исследования академика М.С. Гилярова. Он же доказал возможность диагностики почв на основе изучения связей
между типами почв и характерными для
ми животными, особенно беспозвоночными.
Наибольшее влияние на состав почвообитающих животных
оказывают такие свойства почв, как гранулометрический состав и сложение, содержание и характер органических остатков и гумуса, реакция (рН) почвы и содержание карбонатов,
гидротермический и солевой режимы.
194
них почвообитающи-
На основании многолетних исследований М.С. Гиляров
пришел к выводу о целесообразности использования обитающих в почве животных для диагностики изменений почвенных
условий и направления почвообразовательного процесса под
влиянием хозяйственной деятельности человека.
Структура обитающих в почве животных, в частности такие ее показатели, как общая численность беспозвоночных, их
трофические группировки, видовой
состав и особенно количественные сочетания видов в пределах отдельных групп почвенных животных, могут служить достаточно достоверными
критериями для ландшафтной характеристики регионов.
Зоомасса мезофауны (тел огромного количества насекомых,
червей, многоножек и других почвообразователей) является
активным компонентом почвообразующего комплекса. В определенной мере это – характеристика особенностей почвообразовательного процесса. Для
ности беспозвоночных и их зоомассы, выраженной в г/м
многих почв показатели числен-
2
или
кг/га, достоверно коррелируют с содержанием гумуса.
Поведенческие реакции различных представителей животного мира также могут служить индикаторами состояния окружающей среды и отдельных ее компонентов. Например, в опытах по влиянию на пчел инсектицида дельтаметрина в подострой дозе (в 27 раз ниже ЛД
) было установлено, что они
50
теряли пространственную ориентацию. Пчелы не возвращались в улей через 30 с после контрольного выпуска, что втрое
превышает среднее время возврата контрольных особей. Своеобразным индикатором является продуктивность сельскохозяйственных культур, характеризуемая количеством биомассы
на единицу площади.
Среди применяемых биологических методов индикации
наиболее чувствительными являются микробиологические, что
объясняется особенностями микробиоты. Они обусловлены
исключительно высокой чувствительностью микроорганизмов
к малейшим изменениям в состоянии окружающей природной
среды и ее компонентов.
Большой вклад в развитие и становление этого направления внес академик Е.Н. Мишустин. Изучая распространение
спорообразующих бактерий, в частности Bacillus mycoides, он
обнаружил изменения морфологических и биохимических
признаков данного вида
в зависимости от экологических условий. Так, под влиянием различных факторов окружающей
среды меняются характер спирализации клеточных колоний,
195
активность каталитических процессов и др. Обстоятельными
исследованиями Е.Н. Мишустина и его школы было показано,
что, несмотря на широкий ареал спорообразующих бактерий,
существуют зоны их оптимального развития.
Среди микроорганизмов выявлены виды, характеризующие
как определенное состояние компонентов окружающей среды,
в частности почв, так и изменения в функционировании микробоценозов в различных экологических
условиях.
Например, индикатором глубины минерализационных про-
цессов является соотношение северных и южных видов бацилл. В экосистемах, где слабо протекают процессы транс-
формации органического вещества, доминантами выступают
северные виды: В. cereus, В. virgulus, B. agglomeratиs.
О глубокой минерализации органического вещества свидетельствует преобладание южных видов, таких, как В. теsen-
tericus, В. subtilis.
Индикатором засоленных почв
служит В. gasifacans и под-
вид В. mesentericus – В. mesentericus subsp. niger, хорошей обеспеченности почв азотом – В. megaterium.
В последние годы значительное внимание уделяют индикации состояния экосистем, подвергающихся антропогенному
загрязнению. При этом изучают такие показатели, как биохимическое, физиологическое и морфологическое изменения
микробиоты; динамика численности микроорганизмов; видовой состав; интенсивность функционирования; мутагенные
эффекты и т.д.
Изменения морфологических и биохимических признаков
внутри вида достаточно адекватно отражают нарушения в состоянии окружающей природной среды. Так, при наличии в почве высоких доз свинца (более 8000 мг/кг) изменяется морфологическое строение В. mycoides. Скрученные, извилистые гифообразные выросты распрямляются и становятся вытянутыми.
В этих же
условиях изменяется энергия прорастания ми-
кроскопических грибов. Она снижается примерно в 5 раз. Вместо 2–3 дней, по истечении которых грибы прорастают в нормальных условиях, продолжительность покоя увеличивается
до 10–15 дней.
Показателем снижения устойчивости экосистем под влиянием свинцового загрязнения является также изменение структуры микробного ценоза, в которой возрастает содержание
микроскопических грибов
. При этом иным становится характер
метаболических процессов, и грибы начинают продуцировать
196
вещества, угнетающе действующие на растения. Сказанное
подтверждается результатами опытов с растениями гороха
(табл. 13.1). Согласно данным таблицы, экссудаты грибов, вы-
деленных из почвы с низким уровнем свинцового загрязнения,
почти не влияли на интенсивность прорастания гороха. Она
оказалась практически такой же, как в водной среде. Прорастание же семян в культуральной жидкости
грибов, выращенных в
условиях максимально высокой дозы токсиканта (80 000 мг/кг),
характеризуется наименьшей длиной корней проростков (3,5 ±
± 0,5 мм), что в 7 раз меньше, чем в контроле (24 ± 2,0 мм).
Таблица 13.1. Фитотоксичность микроскопических грибов
рода Alternaria в условиях различного свинцового загрязнения
Средняя
Доза свинца в
опыте, мг/кг
Контроль Вода 24 ± 2,0 100 – –
80 Гриб 25 ± 1,0 104 – –
800 То же 24 ± 0,8 96 0,04 4
8000 » 18,5 ± 1,0 78 1,4 22
80000 » 3,5 ± 0,5 34 3,0 66
НСР » 1,5 14 7,0 86
Вариант
длина корня
проростков
гороха, мм
Изменение длины
корня
в
процентах
к контролю
в число
раз
Токсичность
субстрата, %
О повышении фитотоксичности грибов при возрастании
почвенного загрязнения свидетельствуют результаты определения энергии прорастания гороха. В культуральной жидкости
грибов, выращенных при высоких дозах свинца, энергия прорастания семян была существенно ниже, чем в контроле. И в
контроле, и в варианте с невысоким загрязнением (80 мг/кг)
более половины семян (65 и 56 % соответственно)
прорастало
уже через 30 ч. При загрязнении до 800 мг/кг у микроорганизмов существенно нарушался ход метаболических процессов, а
продукты жизнедеятельности становились токсичными для
растений. Так, у семян гороха, погруженных в экссудаты гриба, замедлялись ростовые процессы, резко снижалась энергия
прорастания. Эти изменения можно было наблюдать уже через
18 ч после начала
опыта.
Таким образом, структура микробного ценоза и продукты
метаболизма микроскопических грибов можно не без успеха
использовать для индикации загрязнения почв тяжелыми
197
металлами. Доза же свинца, составляющая более 80 мг/кг
почвы, является пороговой. При ее превышении наблюдается
снижение самоочищающей способности дерново-подзолистой почвы, и она становится токсичной для растений.
Индикация загрязнения почв тяжелыми металлами возможна и по другим микробиологическим показателям. Увеличение
дозы свинцового загрязнения приводит к массовому развитию
стерильных актиномицетов, появляются
черноокрашенные
формы группы Niger, происходит снижение фитомассы.
В условиях загрязнения почв надежным индикатором их
состояния является организация (структура) амилолитическо-
го микробного сообщества, определяемая методом инициированного микробнного сообщества.
Данный метод позволяет выделить четыре зоны (уровни)
устойчивости (по мере снижения) экосистемы: гомеостаза,
стресса, резистентности и репрессии. Каждая зона характеризуется определенным
структурным разнообразием, которое
и обусловливает степень его воздействия на экосистему.
Для целей индикации несомненный интерес представляют
показатели наличия в почве различных биологически активных веществ, в том числе микотоксинов – продуктов жизне-
деятельности микроорганизмов.
Отмечая в целом важное значение микробиологической индикации состояния окружающей среды и ее компонентов, в
частности почвы,
с целью достаточно раннего обнаружения
антропогенных нарушений в этой сложнейшей системе, следует иметь в виду пока еще недостаточную изученность проблемы и, как следствие, определенную ограниченность в использовании индикационных возможностей микроорганизмов.
Здесь, безусловно, сказываются сложность и трудоемкость микробиологических методов, динамичность микробиологических показателей, слабо разработанные систематика микробов, идентификация видов и т.д.
Повышение индикаторной ценности микробиологических
показателей связано с определением общего состава видов и
выделением среди них доминантов, имеющих экологическое
значение в условиях конкретного местообитания, с учетом
особенностей функционирования микробоценозов при антропогенном загрязнении.
В последние годы серьезное внимание исследователей привлекает проблема ландшафтной индикации загрязнения при
родной среды, суть которой заключается в том, что по состоя-
-
198
нию ландшафта и его морфологической структуры выявляется
уровень загрязнения среды обитания, характер техногенной
трансформации. При этом индикаторами загрязнения могут
служить степень нарушенности природного комплекса на
уровне перестройки и ломки морфологической структуры за
счет выпадения, антропогенного преобразования и модификации составных частей ландшафта (природных комплексов разного ранга, состояния отдельных компонентов или
тов – атмосферы, вод, почв, растений, животных, литосферы).
По сравнению с биоиндикацией и биотестированием ландшафтная индикация требует не только установления компонентов-индикаторов, но и выявления показателей нарушенности вертикальных и горизонтальных связей в ландшафтах.
Знание свойств морфоструктуры ландшафта, возможной глубины ее изменений имеет принципиально важное значение
прогноза его состояния при том или ином воздействии и
для
модифицировании. Приведенные обстоятельства играют, несомненно, ключевую роль в решении задач формирования агроландшафтов и систем земледелия на ландшафтной основе.
В заключение необходимо отметить, что использование
биоиндикации и биотестирования в агроэкологии для анализа
и оценки состояния агроэкосистем не может ограничиваться
только выявлением
Биодиагностика должна служить и для оценки эффективности
технологий возделывания сельскохозяйственных культур, сохранения устойчивости агроэкосистем, их биологического и
генетического разнообразия.
потенциальных загрязняющих веществ.
элемен-
Глава 14
ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ
ОСУШЕНИЯ ПОЧВ БЕЛАРУСИ
14.1. Экология, распространение
и классификация торфяных болот
Болота относятся к сложным природным образованиям,
возникновение и развитие их определяется геолого-геоморфологическими, почвенно-литологическими, гидрологическими и климатическими условиями местности. Формирование
происходит в течение длительного геологического времени.
В основе функциональной структуры данных образований существует тесная связь и взаимодействие как между отдельными компонентами болотного комплекса, так и между
целом и окружающей средой.
Торфяные болота как элемент экологической системы тесно связаны с окружающим ландшафтом и выполняют определенные биосферные функции. Поэтому роль болотных ландшафтов прежде всего весьма сложна, многофакторна и отнюдь
не регрессивна. Болота не являются природным злом, а представляют собой закономерное явление природы.
фа следует рассматривать как важнейшее национальное богатство с экономической и экологической точек зрения.
Специфика болотных геосистем заключается в преобладании накопления органической массы на поверхности земли
над ее разложением, что позволяет отнести болота к особому
типу аккумулятивных систем биосферы. Аккумулятивная
функция болот относится к категории незаменимых, так как
только в болотах образуется специфический природный продукт – торф, который нигде больше не накапливается.
Торфяные месторождения отличаются высокой биологической продуктивностью, а их роль в выделении кислорода –
аналогичная или выше роли леса. Моховые болота поглощают
до 40 % парниковых газов. Если в состав ландшафта входят
болота, то они оказывают решающее влияние на
ланс территории и определяют сток малых речных систем.
Общеизвестна исключительно важная роль торфяных месторождений в формировании местного климата и создании спе-
торфом в
Ресурсы тор-
водный ба-
200
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]