Биохимические методы мониторинга

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ  РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН

ВОСТОЧНО-КАЗАХСТАНСКИЙ  ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМ С. АМАНЖОЛОВА.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Курсовая работа

 

по дисциплине «Мониторинг окружающей среды»

 

на тему:

 

«Биохимические методы мониторинга».

 

 

 

 

 

 

Выполнил: студент 4 курса

Безгачев Д.С.

 

Преподаватель: Камбарова Ж.Д.

 

 

 

 

 

 

 

Г. Усть–Каменогорск, 2012 г.

 

План:

1. Введение

2. Понятие о мониторинге окружающей среды. Цели и задачи. Объект исследования

3. Классификация видов мониторинга

4. Биохимический мониторинг

4.1. Биологический мониторинг как составная часть экологического  мониторинга. Методы биологического мониторинга

4.1.1. Биоиндикация

4.1.2. Биотестирование

4.2 Химический мониторинг как составная часть экологического  мониторинга. Методы химического мониторинга

5. Заключение

6. Список литературы

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Введение

Печальные последствия хозяйственной  деятельности человека для биосферы являются объективной реальностью. Вместе с тем негативные результаты антропогенных воздействий в  условиях развития современной цивилизации  не могут быть признаны неизбежными. Ухудшение состояния окружающей природной среды, как правило, связано  с нерациональным и «хищническим»  использованием природных ресурсов, ошибками в технической и экологической  политике, крайне низким уровнем разработки и внедрения безотходных технологий, малой изученностью всех последствий  антропогенного воздействия на окружающую среду. В сложившейся ситуации чрезвычайно  важным для практических действий и  долгосрочного прогнозирования  качества окружающей среды являются контроль состояния и определение  тенденций ее изменения.

Важнейшим вопросом стратегии регулирования  качества окружающей природной среды (ОПС) является вопрос создания системы, способной определять критические  источники и факторы антропогенного воздействия на здоровье населения  и ОПС, выделять наиболее уязвимые элементы и звенья биосферы, подверженные такому воздействию.

Такой системой признана система мониторинга  антропогенных изменений состояния  окружающей среды, способная представить  необходимую информацию для принятия решений соответствующими службами, ведомствами, организациями.

Осознание во многих странах неэффективности  усилий по финансированию сбора и  переработки информации о состоянии  окружающей среды потребовало новых  подходов и координации действий как на национальном, так и на международном, глобальном, уровнях.

Первым шагом в этом направлении  стала конференция ООН по охране окружающей среды в Стокгольме в 1972 году. Одним из важнейших решений  Стокгольмской конференции была рекомендация по созданию глобальной системы мониторинга окружающей среды.

В 1974 году в Найроби была образованна  межправительственная комиссия по системе  глобального мониторинга, разработана  первая схема организации мониторинга  антропогенных загрязнителей. Тогда  же был уточнен список наиболее опасных  загрязнителей для учета их при  организации мониторинга.

Загрязнители оценивались по различным  критериям, в том числе по воздействию  на здоровье человека; влиянию на климат или экосистемы; склонности к разрушению в природной среде; способности  накапливаться в пищевых цепях; возможности химической трансформации  во вторичные токсические или  мутагенные вещества и другим.

Следует отметить, что еще до этого  в нашей стране под руководством известного ученого Ю.А. Израэля были разработаны научные основы мониторинга, которые доложены на заседании Совета управляющих программ ООН по проблемам окружающей среды (ЮНЕП) в Найроби. А затем и на других международных симпозиумах и совещаниях.

В последующем вопросы мониторинга  окружающей среды неоднократно обсуждались  на различных уровнях, как национальных, так и международных правительственных  и общественных организаций, что  находило отражение в многочисленных печатных изданиях, посвященных проблемам  мониторинга окружающей среды.

 

 

2. Понятие о мониторинге окружающей среды. Цели и задачи. Объект исследования

Экологический мониторинг является комплексным  мониторингом биосферы. Он включает в  себя контроль за изменениями состояния  окружающей среды под влиянием как  природных, так и антропогенных  факторов.

Термин «мониторинг» образован  от лат. Monitor - наблюдающий, предостерегающий, Существует несколько современных формулировок определения мониторинга. Некоторые исследователи под мониторингом понимают систему повторных наблюдений за состоянием объектов окружающей среды в пространстве и во времени в соответствии с заранее подготовленной программой. Более конкретная формулировка определения мониторинга предложена академиком РАН Ю.А. Израэлем в 1974.: мониторинг состояния природной среды, и в первую очередь загрязнений и эффектов, вызываемых ими в биосфере, - комплексная система наблюдений, оценки и прогноза изменений состояния биосферы или ее отдельных элементов под влиянием антропогенных воздействий.

Программа ЮНЕСКО от 1974 г. определяет мониторинг как систему регулярных длительных наблюдений в пространстве и во времени, дающую информацию о прошлом и настоящем состояниях окружающей среды, позволяющую прогнозировать на будущее изменение ее параметров, имеющих особенное значение для человечества. В России же в настоящее время создана и функционирует Единая государственная система экологического мониторинга (ЕГСЭМ). В связи с этим был принят государственный стандарт определения  «мониторинга окружающей природной среды» - это система наблюдения и контроля, проводимых регулярно по определенной программе для оценки состояния окружающей среды, анализа происходящих в ней процессов и своевременного выявления тенденций ее изменения.

Таким образом, объектами мониторинга  в первую очередь являются: атмосфера (мониторинг приземного слоя атмосферы  и верхней атмосферы); атмосферные  осадки (мониторинг атмосферных осадков); поверхностные воды суши, океаны и  моря, подземные воды (мониторинг гидросферы), криосфера (мониторинг составляющих климатической  системы).

 

 

 

Кроме того, объектами мониторинга  являются антропогенные воздействия  и их источники:

• Связанные с поступлением в окружающую среду токсичных для человека и опасных для флоры и фауны веществ, а так же других видов воздействия (электромагнитного, шумового и др.);
• Приводящие к изменению сложившегося или естественного состояния природных сред, природных комплексов и их компонентов, а так же к сокращению или изменению биологического разнообразия, изменению ландшафта;
• Связанные с изъятием или изменением состояния природных ресурсов.

 

С помощью экологического мониторинга  контролируется состояние экологических  систем, в том числе природно-технических  подсистем, а так же медико-гигиенические  показатели среды обитания человека.

Таким образом, объектом мониторинга  является окружающая природная среда. Окружающую среду, в таком случае следует рассматривать как совокупность факторов и элементов, способных  оказывать прямое влияние на живой  организм на любой стадии его индивидуального  развития.

В настоящее время, с развитием  антропосферы, необходимо учитывать прямую и обратную связь между деятельностью человека и состоянием окружающей среды, что позволяет сделать мониторинг.

Таким образом, задачи и цели мониторинга  окружающей природной среды будут  следующие:

• Наблюдение за источниками антропогенного воздействия;
• Наблюдение за факторами антропогенного воздействия;
• Наблюдение за состоянием природной среды и происходящими в ней процессами под влиянием факторов антропогенного воздействия;
• Оценка физического состояния природной среды;
• Прогноз изменений природной среды под влиянием факторов антропогенного воздействия и оценка прогнозируемого состояния природной среды.

 Наблюдение за состоянием  окружающей среды по сути представляет  собой сбор информации о фактическом  состоянии объектов окружающей  среды; об источниках загрязнения;  об основных изменениях в состоянии  окружающей среды под воздействием  загрязнителей. В соответствии  с целями и задачами мониторинга  сбор информации о состоянии  окружающей среды относится к  системе так называемого «диагностического»  мониторинга, который служит основой  для оценки наблюдаемых изменений,  составления прогнозов возможных  изменений окружающей среды, предотвращения  отрицательных последствий антропогенного  воздействия на окружающую среду  и разработки стратегий оптимальных  взаимоотношений общества и окружающей  среды.

 

 

3. Классификация видов мониторинга

Ступени мониторинга	Объекты мониторинга	Характеризуемые показатели
Локальный (санитарно - гигиенический, биоэкологический)	Приземной слой воздуха	ПДК токсических веществ
	Поверхностные и грунтовые  воды, промышленные и бытовые стоки  и различные выбросы	Физические и биологические  раздражители (шумы, аллергены и  др.)
	Радиоактивные излучения	Предельная степень радиоизлучения
Региональный (геосистемный, природно-хозяйственный)	Исчезающие виды животных и растений	Популяционное состояние  видов
	Природные экосистемы	Их структура и нарушения
	Агроэкосистемы	Урожайность сельскохозяйственных структур
	Лесные экосистемы	Продуктивность насаждений
Глобальный (биосферный, фоновый)	Атмосфера	Радиационный баланс, тепловой перегрев, состав и запыление
	Гидросфера	Загрязнение рек и водоемов, водные бассейны, круговорот воды на континентах
	Растительные и почвенные  покровы, животное население	Глобальные характеристики состояния почв, растительного покрова  и животных. Глобальные круговороты, баланс кислорода и др. веществ

 

 

Существует классификация  систем мониторинга по факторам, источникам и масштабам воздействия.

Мониторинг факторов воздействия - мониторинг различных химических загрязнителей (ингредиентный мониторинг) и разнообразных природных и физических факторов воздействия (электромагнитное излучение, радиоактивные излучения, солнечная радиация, акустические шумы и шумовые вибрации).

Мониторинг источников загрязнения - мониторинг точечных стационарных источников (заводские трубы), точечных подвижных (транспорт), пространственных (города, поля с внесенными химическими веществами) источников.

По масштабам воздействия  мониторинг бывает пространственным и  временным.

По характеру обобщения  информации различают следующие  системы мониторинга:

Глобальный - слежение за общемировыми процессами и явлениям в биосфере Земли, включая все ее экологические компоненты, и предупреждение о возникающих экстремальных ситуациях;

Базовый (фоновый) - слежение за общебиосферными, в основном природными явлениями, явлениями без наложения на них региональных антропогенных влияний;

Национальный - мониторинг в масштабах страны;

Региональный - слежение за процессами и явлениями в пределах какого-то региона, где эти процессы и явления могут различаться и по природному характеру, и по антропогенным воздействиям от базового фона, характерного для всей биосферы;

Локальный - мониторинг воздействия конкретного антропогенного источника;

Импактный - мониторинг региональных и локальных антропогенных воздействий в особо-опасных зонах и местах.

Классификация систем мониторинга  может основываться и на методах  наблюдения (мониторинг по физико-химическим и биологическим показателям, дистанционный  мониторинг).

Химический мониторинг - это система наблюдений за химическим составом (природного и антропогенного происхождения) атмосферы, осадков, поверхностных и подземных вод, вод океанов и морей, почв, донных отложений, растительности, животных и контроль за динамикой распространения химических загрязняющих веществ. Глобальной задачей химического мониторинга является определение фактического уровня загрязнения окружающей среды приоритетными высокотоксичными ингредиентами.

Физический мониторинг - система наблюдений за влиянием физических процессов и явлений на окружающую среду (электромагнитные излучения, радиация, акустические шумы и т.д.).

Биологический мониторинг - мониторинг, осуществляемый с помощью биоиндикаторов (т.е. таких организмов, по наличию, состоянию и поведению которых судят об изменениях в среде).

Экобиохимический мониторинг - мониторинг, базирующийся на оценке двух составляющих окружающей среды (химической и биологической).

Дистанционный мониторинг - в основном авиационный, космический мониторинг с применением летательных аппаратов, оснащенных радиометрической аппаратурой, способный осуществлять активное зондирование изучаемых объектов и регистрацию опытных данных.

В зависимости от принципа классификации имеются различные  системы мониторинга

Наиболее универсальным  является комплексный экологический  мониторинг окружающей среды.

Комплексный экологический  мониторинг окружающей среды - это организация системы наблюдений за состоянием объектов окружающей природной среды для оценки фактического уровня загрязнения и предупреждения о создающихся критических ситуациях, вредных для здоровья людей и других живых организмов.

При проведении комплексного экологического мониторинга окружающей среды:

а) проводиться постоянная оценка экологических условий среды  обитания человека и биологических  объектов (растений, животных, микроорганизмов  и т.д.), а так же оценка состояния  и функциональной целостности экосистем;

б) создаются условия для  определения корректирующих действий в тех случаях, когда целевые  показатели экологических условий  не достигаются.

 

Система комплексного экологического мониторинга предусматривает:

• выделение объекта наблюдения;
• обследование выделенного объекта наблюдения;
• составление для объекта наблюдения информационной модели;
• планирование измерений;
• оценку состояния объекта наблюдения и идентификацию его информационной модели;
• прогнозирование изменения состояния объекта наблюдения;
• предоставление информации в удобной для использования форме и доведение ее до потребителя.

Основные цели комплексного экологического мониторинге состоят  в том, что на основании полученной информации:

1) оценить показатели  состояния и функциональной целостности  экосистем и среды обитания  человека (т.е. провести оценку  соблюдения экологических нормативов);

2) выявить причины изменения  этих показателей и оценить  последствия таких изменений,  а так же определить корректирующие  меры в тех случаях, когда  целевые показатели экологических  условий не достигаются (т.е.  провести диагностику состояния  экосистем и среды обитания);

3) создать предпосылки  для определения мер по исправлению  возникающих негативных ситуаций  до того, как будет нанесен  ущерб, т.е. обеспечить заблаговременное  предупреждение негативных ситуаций.

 

Существует так же понятие общего мониторинга, объектом исследования которого является, по мнению академика И.П. Герасимова (1975), «многокомпонентная совокупность природных явлений, подверженная многообразным естественным динамическим изменениям и испытывающая разнообразное воздействие и преобразование ее человеком».

Для конкретизации действий и удобства рассмотрения общий мониторинг он подразделяет на следующие блоки:

- биоэкологический;

- геоэкологический;

- биосферный;

В каждый из этих блоков могут  быть включены определенные виды мониторинга  в зависимости от конкретных объектов наблюдения. В свою очередь, структура  отдельного вида мониторинга может  состоять из отдельных подсистем  или подпрограмм из других видов  мониторинга.

В настоящее время наибольшую актуальность приобретает мониторинг антропогенных изменений, так как именно техногенное или хозяйственное воздействие человека на окружающую среду приносит опасные изменения в экологические системы, ландшафты, природные комплексы. Основой для этого служит фоновый мониторинг в неизмененных или малоизмененных природных комплексах.

Исключительно важное значение имеют результаты фонового мониторинга  в процессе биосферного мониторинга, предназначенного для определения глобально-фоновых изменений в окружающей природной среде под усиливающимся антропогенным воздействием.

Последствиями антропогенного «давления» на биосферу могут быть изменения циркуляции газов между  океаном и воздушной оболочкой  Земли, погодно-климатических условий  на планете, нарушение озонового  слоя, загрязнения Мирового океана нефтью и нефтепродуктами, нарушение  естественных мест обитания и путей  миграции в животном мире, нарушение  биогеоценозов и т.д.

И подобным нарушениям имеются  веские аргументы, полученные при биосферном мониторинге.

Неотъемлемой частью биосферного  мониторинга являются биосферные заповедники (заказники), позволяющие поддерживать стратегию биоразнообразия.

 

 

4. Биохимический мониторинг

Успехи некоторых видов мониторинга: химического, гидрологического, гидробиологического  и др. – ставят на повестку дня  разработку мониторинга более высокого порядка – эколого-биохимического. Дело в том, что изменения в обмене веществ гидробионтов (например, рыб) наступают, как правило, до появления морфологических, физиологических, популяционных и других отклонений от нормы. Поэтому ранняя диагностика в метаболизме гидробионтов позволяет следить за поступлением в воду загрязнений даже в ничтожно малых количествах, т.е. проводить эколого-биохимический мониторинг.

В качестве примера можно привести данные по зависимости активности лизосомальных ферментов рыб от степени загрязнения водоемов. Так, активность ферментов печени окуня и щуки с повышением уровня загрязненности воды значительно уменьшается. При этом изменения особенно ярко проявляются у щуки, экологически более привязанной к прибрежным, наиболее загрязненным частям водоемов.

Еще одним примером может служить  состояние организма ряпушки, обитающей  в трех близко расположенных, но изолированных  друг от друга озерах Карелии. Оказалось, что содержание триацилглицеринов в ряпушке из озера Вендюрское существенно выше: в воду озера попали гербициды, что сразу отразилось на количестве сильно реактивных липидов по отношению к загрязнениям.

Система эколого-биохимического мониторинга  необходима как для контроля за биологическим  состоянием еще не загрязненных токсикантами территорий, так и для выяснения причин различных патологий, возникающих под влиянием антропогенного стресса, и их динамики во времени. Ее можно использовать в экспертизах и при арбитражах, связанных с различными отравлениями живых организмов промышленными и сельскохозяйственными выбросами.

 

4.1. Биологический мониторинг  как составная часть экологического  мониторинга

Методы биомониторинга применяются при анализе содержания вредных веществ в водных средах, почвах, атмосфере, растительных и животных объектах.

Биомониторинг является составной частью экологического мониторинга. В задачи биомониторинга входит регулярно проводимая оценка качества окружающей среды с помощью специально выбранных для этой цели живых объектов.

 

Методы биологического мониторинга:

Биоиндикация (bioindication) – это обнаружение и определение экологически значимых природных и антропогенных нагрузок на основе реакций на них живых организмов непосредственно в среде их обитания. 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).

Биотестирование (bioassay) – это процедура установления токсичности среды с помощью тест-объектов, сигнализирующих об опасности независимо от того, какие вещества и в каком сочетании вызывают изменения жизненно важных функций у тест-объектов. Для оценки параметров среды используются стандартизованные реакции живых организмов (или отдельных органов, тканей, клеток и молекул).

Поскольку система биологического мониторинга включает в себя набор  подходов, охватывающих разные стороны  индивидуального развития организма, она обеспечивает разностороннюю интегральную оценку состояния живых организмов и качества среды в целом. Применение различных методов в отношении  широкого спектра живых организмов позволяет дать реальную оценку воздействия  на окружающую среду. Большинство используемых методов просты и относительно недороги, пригодны для широкого использования, к тому же обеспечивают получение  интегральной оценки качества среды,  подверженной всему многообразию экологических  изменений. Актуальность биомониторинга обусловлена также простотой,  скоростью и дешевизной определения качества среды. Во многих случаях биоиндикация позволяет быстро обнаружить наиболее загрязненные местообитания,  а широкое использование методов биомониторинга предприятиями позволит более оперативно и достоверно оценивать качество окружающей среды и в комплексе с другими инструментальными методами стать существенным звеном в системе экологического мониторинга.

 

4.1.1. Биоиндикация.

Существует несколько  разных форм биоиндикации. Если две одинаковые реакции вызываются различными антропогенными факторами, то это будет неспецифическая биоиндикация. Если же те или иные изменения можно связать с влиянием какого- либо одного фактора, то биоиндикация такого типа называется специфической. Применение биологических методов для оценки среды подразумевает выделение видов животных или растений, чутко реагирующих на тот или иной тип воздействия. Организмы или сообщества организмов, жизненные функции которых так тесно коррелируют с определенными факторами среды, что могут применяться для их оценки, называются биоиндикаторами.

 

Типы биоиндикаторов:

1. Чувствительный. Быстро  реагирует значительным отклонением  показателей от нормы. Например, отклонения в поведении животных,  в физиологических реакциях клеток  могут быть обнаружены практически  сразу после начала действия  нарушающего фактора.

2. Аккумулятивный. Накапливает  воздействия без проявляющихся  нарушений. Например, лес на начальных  этапах его загрязнения или  вытаптывания будет прежним по своим основным характеристикам (видовому составу, разнообразию, обилию и пр.). Лишь по прошествии какого-то времени начнут исчезать редкие виды, произойдет смена преобладающих форм, изменится общая численность организмов и т.д.  Таким образом, лесное сообщество как биоиндикатор не сразу обнаружит нарушение среды.

Идеальный биологический  индикатор должен удовлетворять  ряду требований:

– быть характерным для  данных условий, иметь высокую численность  в данном экотопе;

– обитать в данном месте  в течение ряда лет, что дает возможность  проследить динамику загрязнения;

– находиться в условиях, удобных для отбора проб;

– характеризоваться положительной  корреляцией между концентрацией  загрязняющих веществ в организме-индикаторе и объекте исследования;

– обладать высокой толерантностью по отношению к широкому спектру  токсичных веществ;

– ответная реакция биоиндикатора  на определенное физическое или химическое воздействие должна быть четко выражена, то есть, специфична, легко регистрироваться визуально или с помощью приборов;

– биоиндикатор должен использоваться в естественных условиях его существования;

– биоиндикатор должен иметь  короткий период онтогенеза,  чтобы  была возможность отслеживания влияния  фактора на последующие поколения.

 

Отклонение характеристик  биоиндикатора в нарушенной среде  необходимо сравнить с нормой или  «контролем». В зависимости от ситуации используют разные подходы:

1. Сравнение с характеристиками  объекта вне зоны воздействия.  Например, чтобы выявить изменение  растительных сообществ при промышленном  загрязнении, их сравнивают с  сообществами,  расположенными вне  зоны антропогенного воздействия.

2. Сравнение с характеристиками  объектов в прошлом до воздействия  человека (исторические стандарты). Некоторые типы экосистем, например,  европейские степи, практически  утратили свой начальный облик.  В таких случаях о степени  их нарушенности можно судить по подробным научным описаниям, сделанным около века назад.

3. Контроль – определенный  вид функциональной зависимости,  отклонение от которой рассматривается  как нарушение. 

 

Поскольку чувствительность разных организмов, используемых при  биоиндикации, может существенно различаться по времени реакции на один и тот же фактор среды, выделяются следующие типы чувствительности биоиндикаторов:

1 тип – биоиндикатор  спустя определенное время после  воздействия дает сильную одноразовую  реакцию и тут же теряет  чувствительность,

2 тип – внезапная и  сильная реакция продолжается  известное время, после чего  резко исчезает,

3 тип – биоиндикатор  реагирует с момента появления  нарушающего воздействия с одинаковой  интенсивностью в течение длительного  времени,