249

Лекция 17. Биоиндикационные методы контроля загрязнения атмосферы, гидросферы и почв.

Реакция организмов на изменение окружающей среды. Понятие о чувствительности и селективности биоиндикаторов. Прямая и косвенная биоиндикация. Клеточный, организменный, популяционно-видовой уровни биоиндикации. Биоиндикация на уровне биоценозов и экосистем. Биоиндикаторы кислотности среды. Использование биоиндикации в оценке устойчивости экосистем.

Обобщенно, биоиндикация¹ - это набор методов обнаружения и оценки воздействия абиотических (температура, соленость и др.) и биотических факторов на живые организмы при помощи анализа реакций биологических систем, называемых биондикаторами. В биоиндикации можно использовать биотестирование, искусственно вводя тест-объект в среду, или наблюдать за реакцией уже находящихся в среде организмов. Методы биоиндикации среды должны отвечать следующим требованиям: относительная быстрота проведения индикации, получение достаточно точных и воспроизводимых результатов о среде, наличие пригодных для индикации объектов в большом количестве.

17.1. Реакция организмов на изменение окружающей среды.

Биоиндикаторы – это биологические объекты от биологических макромолекул до экосистем, используемые для оценки состояния окружающей среды. Тест-организмы –это биондикаторы, которых используют для оценки качества воздуха, почв и воды в лабораторных опытах. Характеристики биоиндикатора описывается его

а) чувствительностью, т.е. быстротой реакции на отклонение от норматива среды. Приведем примеры различной чувствительности к газам растворенному кислороду и сероводороду, взвеси у водных биологических организмов. Гидробионты по разному отвечают на изменение среды например по отношению к растворенному кислороду эвриоксибионты такие как рачки Cyclops streamus, черви Тubifex Tubifex, моллюски Viviparous Viviparous живут почти полном отсутствии кислорода. Стенооксибионты такие как ресничные черви Planaria alpina и личинки Lanterbornia не выдерживают условий с содержанием кислорода ниже 4 мл/л.

Обитающие в чистой воде полихеты Nerеis zonata, Phylodoce tuberculata и рачки Daphnia longispina не переносят даже следов сероводорода, а полихета Nereis diversicolor живущая среди гниющего ила, выдерживает до 6 дней в условиях с H₂S до 8 мл/л. С возрастом устойчивость к ядам повышается. Например, для молоди рачков Аrtemia salina, летальный порог сероводоворода, при котором погибает 100% особей ЛП₁₀₀=77 мл/л, а для взрослых ЛП₁₀₀=100 мл/л.

Присутствие взвеси ухудшает условия фотосинтеза у растений, что но ещё к мутности более чувствительны организмы, фильтрующие воду. Моллюск Маrgaritana Margaritifera исчез из относительно чистых рек Валдайской возвышенности, где обитал до 40-годов прошлого века, из-за относительно небольшого помутнения воды, вызванного увеличением распаханности склонов на водосборах.

В ряде случаев реакции живых организмов на изменения окружающей среды настолько высока, что даже превосходит доступные в практике разрешающие возможности физических приборов или химических анализов. Например известен опыт с лососями Оncorhynchis kisutsch, которые с замкнутой носовой полостью шли нерестится в равной степени в свою или другие реки, при открытой полости же с помощью хеморецепторов выбирали свою неповторимую по набору гуминовых кислот в воде реку.

Так называемые аккумулятивные индикаторы долго накапливают воздействие без проявления нарушений. Например, лес в начальной стадии вытаптывания и загрязнения будет прежним по основным характеристикам разнообразие видового состава, обилии и т.д. Обнаружение таким биоиндикатором (лесным сообществом) нарушения среды произойдет лишь по прошествии времени, когда произойдет смена доминантных форм состава, численности организмов, форм ландшафта и т.д.

б) специфичностью или проще селективностью реакции. Классический пример селективной и чувствительной реакции: даже очень малая концентрация озона, через несколько дней вызывает на листьях табака BЕL W3, выведенного для биондикации озона появление некротических пятен серебристого цвета. С другой стороны снижение численности беспозвоночных в почве леса может произойти под действием химических загрязнителей, при вытаптывании, в период засухи или иных причин, т.е. неспецифично.

В принципе, чувствительность индикатора может сочетаться с его низкой селективностью. Например, у чувствительных к загрязнению воздуха, липы и клена снижается содержания хлорофилла в листьях, еще до появления видимых изменений (хлорозов). Однако разрушение хлорофилла с изменением окраски листьев наблюдается, также и при недостатке азота, железа и других элементов, что часто используется для оценки плодородия почв.

С прагматической точки зрения, кроме селективности и чувствительности важна распространенность биоиндикатора. В качестве чувствительных биоиндикаторов к загрязнению газовыми выбросами используется сосна и ель обыкновенные, липа мелколистная, каштан конский, клён платанолистный. Основные требования к тест-организмам – это возможность получения культур генетических однородных организмов, (хлорелла, требоуксия, ряска, инфузория-туфелька, рачки дафния и артемия, мох мниум, кресс-салат) только в этом случае отличия между опытом и контролем могут быть отнесены к исследуемому загрязнителю, а не к индивидуальных различием в группе особей. Например, использование дафнии в качестве тест-организма, среди прочего определяется тем, что в благоприятных условиях, дафнии могут размножаться без оплодотворения - партеногенетически. Одна дафния магна может дать 10 и более партеногенетических поколений самок, следующих друг за другом через 3-4 дня.

Некоторые организмы-биоиндикаторы реагируют не только на малые дозы экологического фактора, отвечая торможением или ускорением жизненных процессов на физико-химическое воздействие (температура, токсическое вещество, аэрозоль и др.), но часто дают реакцию на совокупность действий факторов (синергизм). У экосистемы, при этом могут обнаружиться новые свойства, не выводимые из изменений отдельных её элементах (эмерджентность). Исходя из этих фактов, различают прямую биоиндикацию, когда некий фактор физической или химической природы действует непосредственно на организм, и косвенную биондикацию, когда появление загрязнителя приводит к последовательности абиотических и биотических процессов в среде, косвенно влияющих на состояние биоиндикатора. Так, применение гербицида 2,2 дихлорпропионовой кислоты ведет к уменьшению злаковых в растительном покрове в среднем с 60% до 10% и соответственно увеличению доли разнотравья. Оценка доли разнотравья в этом случае прямой индикатор. Однако такое изменение в составе растительности ведет к изменению и в животном мире: среди насекомых уменьшается доля саранчовых, и увеличивается доля тлей. Оценка соотношения этих групп насекомых пример косвенной биондикации.