Биологический мониторинг

Программа, методические указания и контрольные задания для студентов заочной формы обучения специальности 330200

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ

2003

Министерство образования Российской Федерации

Санкт-Петербургский государственный горный институт им. Г.В. Плеханова (технический университет)

Кафедра экологии, аэрологии и охраны труда

БИОЛОГИЧЕСКИЙ МОНИТОРИНГ

Программа, методические указания и контрольные задания для студентов заочной формы обучения специальности 330200

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ

2003

УДК 502. 55: 502. 65 (075. 84)

БИОЛОГИЧЕСКИЙ МОНИТОРИНГ: Программа, методические указания и кон­трольные задания / Санкт-Петербургский горный ин-т. Сост.: В.Ф. Шуйский, Д.С. Петров. СПб, 2002. 13 с.

Программа, краткие методические указания с контрольными вопросами для самопроверки, а также контрольное задание предназначены для студентов заочного обучения специальности 330200 "Инженерная защита окружающей среды".

Табл. 2. Библиогр.: 9 назв.

Научный редактор проф. Ю. В. Шувалов

©	Санкт-Петербургский государственный горный институт им. Г.В. Плеханова, 2003 г.

Введение

Основная цель дисциплины “Биологический мониторинг" — дать студентам необходимые основные знания в области контроля состояния биоты и абиотической среды по биологическим показателям.

Данная дисциплина включает в себя: основы современной методологии и методов биоиндикации и биотестирования, как важной составляющей экологического мониторинга; закономерности реакции биоты на естественные и антропогенные факторы; принципы и методы оценки, прогноза, нормирования и регуляции состояния биотической среды; представления о нормативной базе биологического мониторинга, биологических составляющих ОВОС и экологической экспертизы, учете результатов и методов биологического контроля состояния окружающей среды при принятии инженерных решений по ее защите.

В результате изучения дисциплины " Биологический мониторинг" студенты должны знать теоретические основы биологического мониторинга окружающей среды; основные понятия, связанные с оценкой и нормированием состояния биоты и с использованием биотических характеристик для оценки и нормирования состояния среды, современную нормативную базу биомониторинга; иметь представление о принципах современного экологического нормирования техногенных воздействий на окружающую среду на основе биологических критериев, о контроле биологического загрязнения, о биологических методах защиты окружающей среды, о перспективах развития и использования биологического мониторинга.

В результате изучения дисциплины "Биологический мониторинг" студенты должны уметь практически осуществлять биологический мониторинг наземных и водных экосистем; применять основные методы биоиндикации и биотестирования; правильно интерпретировать и использовать результаты биомониторинга при работе с предпроектной и проектной документацией.

Программа. Биологический мониторинг как составляющая экологического мониторинга. Возможности, преимущества и недостатки оценки состояния окружающей природной среды по абиотическим и биотическим показателям. Задачи экологического мониторинга. Структура управления ЕГСЭМ. Уровни экологического мониторинга (импактный, региональный, глобальный). Структура территориальных систем экологического мониторинга (ТСЭМ), комплексного мониторинга загрязнения природной среды и состояния растительности (СМЗР). Глобальная система мониторинга окружающей среды (ГСМОС). Основные задачи, направления и приоритетные объекты биомониторинга. Нормативная база биологического мониторинга и тенденции ее развития. Биоиндикация и биотестирование. Биоиндикаторы и тест-объекты, критерии их выбора и оценки состояния. Проблема различения нормы и патологии при оценке антропогенных изменений биосистем.

Биоразнообразие. Основные формы жизни и их современные классификации. Уровни организации биосистем и их соотношение. Биоразнообразие и его роль в сохранении устойчивости биосферы. Систематика и таксономия, их соотношение. Таксоны. Биологический вид и его критерии. Процессы видообразования. Естественный отбор и его зависимость от условий окружающей среды. Отбор стабилизирующий, движущий, дизруптивный. Дивергенция и конвергенция. Правила биологической номенклатуры ранговой и филогенетической.

Генетический мониторинг. Понятие, значение, методы генетического мониторинга. Различия строения клетки Procaryota и Eucaryota. Строение ядра эукариотической клетки. Нуклеоплазма. Нуклеиновые кислоты и их структура. Хроматин и хромосомы. Ген. Локус. Клеточное деление (митоз и мейоз). Мутагенез, его причины, методы изучения, биоиндикационное значение. Мутации соматические и генеративные; генные, хромосомные (делеции, депликации, инверсии, транслокации), геномные. Генотип, фенотип, генофонд, кариофонд. Соматический эмбриогенез. Тератогенез.

Закономерности влияния экологических факторов на биосистемы. Экологические факторы абиотические и биотические; естественные, естественно-антропогенные и искусственные; внутренние и внешние. Среда, окружающая биосистему. Лимитирующие факторы. Пространство императивных экологических факторов. Функции отклика и функции благополучия биосистем от экологических факторов. Диапазоны оптимальных, субоптимальных, пессимальных, толерантных значений естественных, естественно-антропогенных и искусственных факторов. Стенобионтные и эврибионтные организмы. «Экологическая валентность». Преферентное поведение в градиентах значений факторов, преферендум. Критерии оценки состояния биосистем различных уровней организации, их важнейшие биоиндикационные признаки.

Реакция биосистем суборганизменных рангов на воздействие, ее изучение, оценка, использование при биомониторинге. Основные аутэкологические характеристики, используемые при оценке качества окружающей среды. Понятие популяции. Субпопуляционные структуры. Статические и динамические популяционные характеристики, используемые при биоиндикации и биотестировании.

Многовидовые биосистемы. Сообщество, биоценоз, биота, биогеоценоз, экосистема, экосфера, биосфера. Статические и динамические ценотические характеристики, используемые при биоиндикации и биотестировании. Видовой состав как основная характеристика многовидовых биосистем. Видовое богатство и разнообразие, численность, плотность, биомасса сообществ. Функциональные характеристики сообществ (траты на обмен; продукция первичная, вторичная, "реальная"; P/R и P/B коэффициенты). Устойчивость многовидовых биосистем резистентная и упругая, ее критерии и количественная оценка. Основные методы классификации и ординации, используемые при синэкологической биоиндикации.

Автогенные и аллогенные сукцессии природных экосистем. Понятие сукцессии. Сукцессии автогенные, аллогенные, антропогенные, техногенные. Выявление и использование фоновых условий и фонового состояния сообществ и экосистем при изучении антропогенного воздействия на экосистемы и антропогенных сукцессий. Реакция биоты на основные антропогенные факторы и на многофакторные антропогенные воздействия.

Сукцессии наземных экосистем. Средообразующая и средорегулирующая роль лесов. Оценка качества, состояния, продуктивности леса. Типы лесов. Структура лесного фитоценоза. Понятия и основные методы дендроиндикации, лихеноиндикации, бриоиндикации, микоиндикации, альгоиндикации, инсектоиндикации, териоиндикации состояния наземных экосистем.

Сукцессии водных экосистем. Основные сообщества гидробионтов (нейстон, пелагос, планктон, нейстон, бентос, дрифт, перифитон, макрофиты). Основные трофические стратегии гидробионтов. Трофность водоема и ее оценка. Эвтрофирование естественное и антропогенное. Сапробность. Ацидификация, термофикация, токсификация водоемов. Методы изучения, оценки и нормирования качества водных объектов и сукцессии гидроэкосистем по биотическим показателям.

Миграция поллютантов в биоценозах и ее оценка. Регистрирующая биоиндикация и биоиндикация по аккумуляции. Регистрирующие и накапливающие биоиндикаторы. Коэффициенты обогащения. Биоконцентрирование (BCF), биоумножение (BMF), биомагнификация (BMF), биоаккумуляция (BAF). Особенности биоаккумуляции в наземных и водных экосистемах.

Методы биологического мониторинга. Биоиндикация. Биотестирование. Техническое обеспечение биологического мониторинга. Пробоотбор. Камеральная обработка материала. Основные статистические и математические методы анализа результатов биологического мониторинга. Принципы эколого-токсикологического нормирования характеристик окружающей среды на базе биотестирования, его современное состояние, тенденции развития, альтернативы. Основные принципы санитарно-гигиенического и экологического нормирования. Обработка и интерпретация результатов биологической оценки состояния окружающей среды.

Последствия антропогенного изменения биоты, их прогноз, предотвращение, контроль, регуляция, компенсация. Различные формы антропогенного изменения биоты, их прогноз, предотвращение, принципы контроля, минимизация, ликвидация последствий. Оценка и компенсация ущерба экосистемам и биоте от различных техногенных воздействий. Методы анализа экологического риска. "Биологическое загрязнение", его формы, причины и последствия. Интродукция, акклиматизация, инвазия. Предотвращение инвазий и борьба с их последствиями. Правовые основы и пути сохранения разнообразия и своеобразия биоты. Рациональная эксплуатация и восстановление биологических ресурсов. Биологическое обоснование решений по инженерной защите окружающей среды. Обеспечение экологической безопасности антропогенных вмешательств в экосистемы.

Биологические методы защиты и регуляции окружающей среды. Роль биоты в саморегуляции, самоочищении и динамике природных экосистем. Биоремедиация. Биологическое самоочищение водоемов и формирование качества воды. Биоседиментация, биодетоксикация (метаболизм, биодеградация), биоконцентрирование поллютантов, фотосинтетическая аэрация воды. Регуляция и использование этих процессов человеком. Принципы биоманипуляции. Биологическая очистка сточных вод. Биологические аспекты питьевого водоснабжения. Основы борьбы с биологическими помехами.

Методические указания. При сравнительном анализе подходов к оценке состояния окружающей природной среды следует обратить внимание на преимущества и ограничения использования показателей: только абиотических; только биотических; абиотических и биотических, применяемых раздельно; абиотических и биотических, рассматриваемых во взаимосвязи. Требуется разделять два основных аспекта биологического мониторинга – оценку качества абиотической среды по биотических характеристикам и оценку состояния самой биоты, как самоценного объекта и регулятора абиотической среды. Соответственно, к важнейшим задачам биомониторинга относятся: оценка состояния окружающей среды по биотическим параметрам; информационное обеспечение деятельности по сохранению биоты; исследование содержания и миграции различных поллютантов в биосистемах. Необходимо различать методы оценки состояния окружающей среды, основанные на биоиндикации (наблюдении за биотой без экспериментального вмешательства) и на биотестировании (активном вмешательстве в природные процессы, путем постановки эксперимента в природных или лабораторных условиях).

Важно иметь представление о разнообразии современных форм жизни и знать их классификации по различным основным признакам (по структуре клеток, по систематической принадлежности на уровне царств, по размерам, по стратегии питания). Требуется знать иерархию биологических систем различных рангов, соотношение систематики и таксономии, классической ранговой и альтернативной кладистской (филогенетической) биологической номенклатуры. Нужно представлять себе механизмы регуляции среды биотой и хорошо понимать ключевую роль качественной специфичности и разнообразия биоты в этом процессе. Нужно также иметь представление о биологическом виде и об основных механизмах видообразования.

Следует обратить особое внимание на структуру и функции тех элементов ядра соматических и половых клеток Eucaryota, которые определяют процесс митоза и мейоза. Требуется уяснить сущность и основные факторы мутагенеза и изучить его основные разновидности. Важно представлять себе современную роль генетического мониторинга, его возможности и методы, перспективы дальнейшего развития.

Важно усвоить понятие экологического фактора и знать принятые классификации факторов по их природе и происхождению. Следует обратить внимание на отличие современного понятия "лимитирующих факторов" от исходных формулировок. Требуется: знать, какие функции отклика биосистемы на императивные экологические факторы могут использоваться как функции благополучия; уметь выделять основные диапазоны факторных значений; представлять себе основные функции благополучия биосистем различных рангов, используемые при ведении биомониторинга.

Необходимо различать временные изменения характеристик сообществ и экосистем ненаправленные, обратимые (случайные и закономерные) и направленные, необратимые (сукцессионные). Следует уяснить различия между автогенными (эндогенными) сукцессиями, обусловленными естественным развитием экосистемы, и аллогенными (экзогенными), спровоцированными внешним вмешательством. Требуется представлять себе основные признаки и закономерности автогенных и аллогенных (особенно – антропогенных) сукцессий наземных и водных экосистем, соответствующие биоиндикаторы и их характеристики, имеющие наибольшее биоиндикационное значение, основные методы биоиндикации сукцессий.

Следует иметь представление о важнейших методах сбора, обработки и интерпретации материалов при осуществлении биоиндикации и биотестирования. Особое внимание нужно обратить на общепринятые методы, используемые при биомониторинге по системе СГСЭМ и при санитарно-гигиеническом и экологическом нормировании характеристики окружающей среды.