Биоиндикационные методы мониторинга

Оглавление

Введение 2

1.Биоиндикация – как один из методов экологического мониторинга 4

1.1. Классификация биоиндикационных показателей 6

2. Методы биоиндикации 8

2.1. Оценка значимости воздействий 8

2.2. Биологические методы оценки 10

2.2.1. Растения в качестве биоиндикаторов 11

2.2.2. Животные в качестве биоиндикаторов 13

2.2.3. Микроорганизмы в качестве биоиндикаторов 15

2.2.4. Симбиологические методы в биоиндикации 16

2.3 Преимущества и недостатки живых индикаторов 17

2.3.1. Преимущества живых индикаторов 17

2.3.2. Недостатки живых индикаторов 17

3. Области применения биоиндикаторов 18

3.1. Оценка качества воздуха 18

3.2. Оценка качества воды 19

3.3. Диагностика почв 20

Заключение 21

Список используемой литературы 22

Введение

Наиболее часто цитируемой и, в  то же время, наиболее идеологически  расплывчатой областью экологии является некоторая совокупность методов, называемая “биоиндикацией”. Хотя истоки наблюдений за индикаторными свойствами биологических объектов можно найти в трудах естествоиспытателей самой глубокой древности, до сих пор отсутствует стройная теория и адекватные методы биоиндикации.

Основой задачей биоиндикации является разработка методов и критериев, которые могли бы адекватно отражать уровень антропогенных воздействий с учетом комплексного характера загрязнения и диагностировать ранние нарушения в наиболее чувствительных компонентах биотических сообществ. Биоиндикация, как и мониторинг, осуществляется на различных уровнях организации биосферы: макромолекулы, клетки, органа, организма, популяции, биоценоза. Очевидно, что сложность живой материи и характера ее взаимодействия с внешними факторами возрастает по мере повышения уровня организации. В этом процессе биоиндикация на низших уровнях организации должна диалектически включаться в биоиндикацию на более высоких уровнях, где она предстает в новом качестве и может служить для объяснения динамики более высокоорганизованной системы.

Актуальность  данной темы состоит в том, что в настоящее время активная деятельность человека наносит Земле непоправимый вред. Биоиндикация, как метод мониторинга, отражает все без исключения данные об окружающей среде и ее состоянии в целом. Является дешевым методом измерения биологических параметров.

Цель курсовой работы: ознакомится с биоиндикационными методами мониторинга, принципами использования биоиндикаторов.

Задачи работы:

1. Дать общую характеристику биоиндикации, как одного из методов мониторинга в экологии.
2. Выявить преимущества и недостатки живых индикаторов.
3. Выявить области применения биоиндикаторов.

1.Биоиндикация  – как один из методов экологического  мониторинга

Понятие «экологический мониторинг»  определяется ведущими специалистами - экологами следующим образом:

- система наблюдений, оценки  и прогноза любых изменений  в биоте, вызванных факторами антропогенного происхождения;

- слежение за биологическими  объектами и мониторинг с помощью биоиндикаторов;

- определение состояния  живых систем на всех уровнях  организации и отклика их на загрязнение среды.

Под "здоровьем среды" , в самом общем смысле, понимается ее состояние (качество), необходимое для обеспечения здоровья человека и других видов живых существ. [1]

Биоиндикация (лат. - indicare - указывать) – обнаружение и определение экологически значимых природных и антропогенных нагрузок на основе реакций на них живых организмов непосредственно в среде их обитания. Биологические индикаторы обладают признаками, свойственными системе или процессу, на основании которых производится качественная или количественная оценка тенденций изменений, определение или оценочная классификация состояния экологических систем, процессов и явлений. В настоящее время можно считать общепринятым, основным индикатором устойчивого развития в конечном итоге является качество среды обитания. [2] В соответствии с этим, организмы или сообщества организмов, жизненные функции которых так тесно связаны с определенными факторами среды, что могут применяться для их оценки, называют биоиндикаторами. При биоиндикации изменения биологической системы всегда зависят как от антропогенных, так и от природных факторов среды. Эта система реагирует на воздействие среды в целом в соответствии со своей предрасположенностью, то есть такими внутренними факторами, как условия питания, возраст, генетически контролируемая устойчивость и уже присутствующими нарушениями.

 Существуют различные  формы биоиндикации. Если две  одинаковые реакции вызываются  различными антропогенными факторами,  то говорят о неспецифической биоиндикации. Если же те или иные происходящие изменения можно связать только с одним фактором, то речь идет о специфической биоиндикации. Если биоиндикатор реагирует значительным отклонением жизненных проявлений от нормы, то он является чувствительным биоиндикатором. Аккумулятивные биоиндикаторы, напротив, накапливают антропогенное воздействие большей частью без быстро проявляющихся нарушений. Для биоиндикации пригодны в основном два метода - пассивный и активный мониторинг. В первом случае у свободно живущих организмов исследуются видимые или незаметные повреждения или отклонения от нормы, являющиеся признаками стрессового воздействия. При активном мониторинге пытаются обнаружить те же самые воздействия на тест - организмах, находящихся в стандартизированных условиях на исследуемой территории. [2]

Используемые для целей  экомониторинга виды-биоиндикаторы отвечают следующим требованиям:

- являются доказательно  исследованными;

- методически хорошо  отработаны;

- имеют адекватный отклик  измеряемых параметров на изменение  экологической ситуации;

- обладают достаточной  чувствительностью;

- зарекомендовали себя  как виды-биоиндикаторы в аналогичных  исследованиях; 

- широко распространены  по всей обследуемой территории, являются массовыми видами;

- удобны для сбора  (коллекционирования);

- удобны для обработки  и хранения;

- имеют четкие (заметные) и удобно читаемые изменяющиеся  признаки, удобные для замеров в практической работе. [2]

Заслуживает внимание индикаторная роль растений. Наблюдая за растениями, человек еще в глубокой древности  усваивал ориентиры в пространстве и времени – растения, верно, служили  ему вместо компаса. Некоторые растения довольно точно показывали человеку время суток. Другие растения выполняли  функцию барометра и гигрометра, являлись индикаторами пресных и  соленых вод. В настоящее время  растения – индикаторы используют в своих исследованиях и практической деятельности геологии, гидрологии, землеустроители, почвоведы, климатические экологи, лесоводы, археологи и др. Например, с помощью растений удается обнаружить кимберлитовые трубки, скрывающие алмазы. Растения могут служить индикаторами плодородия почв. Растения резко реагируют на изменение внешних условий. В зависимости от характера почвенного покрова наибольшее распространение получают те или иные виды растений. Отрицательные воздействия выхлопных газов автомобилей на некоторых растениях настолько отчетливо, что их с успехом можно использовать для обнаружения опасной для людей концентрации этих газов. Особенно это важно в местах скопления выхлопных газов, например в туннелях, автострадах с интенсивным движением. Засыхание концов листьев, изменение окраски, появление белых пятен на листовых пластинах, замедление роста растений свидетельствует на присутствие в окружающей среде опаснейших загрязнителей.

1.1. Классификация биоиндикационных показателей

Существуют различные  классификации биоиндикационных показателей (Л. Г. Раменский, Г. Элленберг, Р. Шуберт, Т. А. Работнов, В. Нобель и др.). На основании обобщения принята следующая иерархическая система. К числу наиболее распространённых методов оценки состояния окружающей среды по различным параметрам индикаторных видов, а также по структуре и строению растительных сообществ относятся:

- анализ химического  состава растений как неотъемлемая  часть биогеохимического метода  для оценки взаимосвязи химического  состава живой и неживой природы,  трансформации химических элементов  по звеньям пищевой цепи и  др.;

- морфологический метод  – изучение внешнего облика  растений и его изменение под  действием внешних факторов;

- флористический метод  – исследование особенностей  видового состава, индикаторных  видов, характера распространения  и динамики ареала, популяционный  анализ и др.;

- спектрофотометрический – исследование спектрального отклика растений и растительности на загрязнение окружающей среды;

- фитоценотический – состоящий из ряда методик изучения состава, вертикальной и горизонтальной структуры и строения растительных сообществ: анализ видового разнообразия, экобиоморфного состава, обилия и проективного покрытия показательных групп видов, анализ продуктивности, анализ жизненного состояния ярусов и др.;

- лихеноиндикация – изучение и анализ лишайникового покрова растительных сообществ;

- бриоиндикация – изучение и анализ мохового покрова;

- дендроиндикация – изучение и анализ древесной растительности. [3]

2. Методы биоиндикации

2.1. Оценка значимости воздействий

В соответствии с природоохранительным законодательством Российской Федерации, оценка качества окружающей природной  среды производится с целью установления предельно допустимых норм воздействия, гарантирующих экологическую безопасность населения, сохранение генофонда и  обеспечивающих рациональное использование  и воспроизводство природных  ресурсов в условиях устойчивого  развития хозяйственной деятельности. При этом под воздействием вообще понимается антропогенная деятельность, связанная с реализацией экономических, рекреационных, культурных интересов и вносящая физические, химические, биологические изменения в природную среду. [4]

Значимость воздействия непосредственно  зависит от его вида или природы (шумовое, радиационное, выбросы определенных веществ в воздух и т.д.), физической величины и вероятности его возникновения. Понятие величины охватывает здесь несколько факторов, таких как интенсивность воздействия; продолжительность воздействия; масштаб распространения воздействия. При этом масштаб распространения воздействия оценивается как в терминах площади (например, территория, на которой зафиксировано повышение радиационного уровня), так и в терминах численности биологических объектов, наличия особо охраняемых территорий и т.д., подвергающихся воздействию данного фактора. Дополнительным аспектом, который чаще всего не учитывается при оценке значимости воздействий, является его контекст. Воздействия, одинаковые по величине и вероятности, могут рассматриваться как более или менее важные, влиять на принимаемые решения в большей или меньшей степени в зависимости от того, где именно они имеют место, как они воспринимаются заинтересованными лицами, какова сложившаяся социальная обстановка и т.д.

Для оценки значимости существует множество  методов: например, Н. Ли описывает 24 метода. Наиболее простым и часто применяемым  методом оценки значимости является сравнение их с универсальными стандартами. Стандарты могут быть количественными (например, предельно допустимые концентрации загрязняющих веществ) или носить характер качественных норм (например, ограничения  на определенные виды хозяйственной  деятельности в пределах особо охраняемой природной территории или вблизи культурных памятников). Однако следует  иметь в виду важные ограничения  применимости стандартов для оценки значимости:

• на многие виды воздействия стандарты отсутствуют (например, в момент написания этой книги в России не существовало стандарта на концентрации или выбросы диоксинов);
• многие стандарты разработаны на основе приблизительных данных (недостаточно проверенных, неточных или неполных) и, таким образом, их область применения ограничена;
• стандарты основаны на представлении о "пороговом воздействии", в то время как многие виды воздействия (например, ионизирующее излучение) не имеют порогового значения: не исключено, что их влияние проявляется при сколь угодно малых величинах;
• стандарты не всегда годятся для учета непрямых, кумулятивных воздействий, синергетического действия нескольких факторов;
• стандарты редко применимы для учета уникальных условий, характерных для конкретной ситуации.[4]

Очень близок к сравнению со стандартами  метод оценки значимости, основанный на сравнении величины воздействия  с усредненными значениями данного  параметра для рассматриваемой  местности. Такой метод вносит в  оценку значимости элемент "контекста", учета местной ситуации. К этому  типу методов относится сравнение  параметров состояния окружающей среды  с фоновыми значениями. Сравнение  величины воздействий со стандартами  или с характерными значениями является "объективным" методом оценки значимости воздействий (хотя стандарты, конечно, могут рассматриваться как субъективная величина).

2.2. Биологические методы оценки

Оценка степени загрязнения  может быть проведена с использованием физико-химических и биологических  методов. Биологические методы оценки - это характеристика состояния экосистемы по растительному и животному  населению.[5]

Любая экосистема, находясь в равновесии с факторами внешней  среды, имеет сложную систему  подвижных биологических связей, которые нарушаются под воздействием антропогенных факторов. Прежде всего, влияние антропогенных факторов, и в частности, загрязнения отражается на видовом составе сообществ  и соотношении численности слагающих  их видов. Биологический метод оценки состояния системы позволяет  решить задачи, разрешение которых  с помощью физических и химических методов невозможно. Рекогносцировочная оценка степени загрязнения по составу  бионтов позволяет быстро установить его санитарное состояние, определить степень и характер загрязнения  и пути его распространения в  экосистеме, а также дать количественную характеристику протекания процессов  естественного самоочищения.

Подчеркивая всю важность биоиндикационных методов исследования, необходимо отметить, что биоиндикация предусматривает выявление уже состоявшегося или происходящего загрязнения окружающей среды по функциональным характеристикам особей и экологическим характеристикам сообществ организмов. Постепенные же изменения видового состава формируются в результате длительного отравления водоема, и явными они становятся в случае далеко идущих изменений.

2.2.1. Растения в качестве биоиндикаторов

С помощью растений можно  проводить биоиндикацию всех природных  сред. Индикаторные растения используются при оценке механического и кислотного состава почв, их плодородия, увлажнения и засоления, степени минерализации  грунтовых вод и степени загрязнения  атмосферного воздуха газообразными  соединениями, а также при выявлении  трофических свойств водоемов и  степени их загрязнения.

Чувствительные фитоиндикаторы указывают на присутствие загрязняющего  вещества в воздухе или почве  ранними морфологическими реакциями  – изменением окраски листьев, различной формы некрозами, преждевременным увяданием и опаданием листвы. У многолетних растений загрязняющие вещества вызывают изменение размеров, формы, количества органов, направления роста побегов или изменение плодовитости. Подобные реакции обычно неспецифичны.

Некоторые естественные факторы могут вызывать симптомы, сходные с антропогенными нарушениями. Например, хлороз листьев может быть вызван недостатком железа в почве или ранним заморозком. Поэтому при определении морфологических изменений у растений необходимо учитывать возможность действия других повреждающих факторов.

Индикаторы другого типа представляют собой растения – аккумуляторы. Они накапливают в своих тканях загрязняющее вещество или вредные  продукты метоболизма, образуемые под действием загрязняющих веществ, без видимых изменений. При превышении порога токсичности ядовитого вещества для данного вида проявляются различные ответные реакции, выражающиеся в изменении скорости роста и длительности фенологических фаз, биометрических показателей и снижении продуктивности.

Б. В. Виноградов классифицировал индикаторные признаки растений как флористические, физиологические, морфологические  к фитоценотические. Флористическими признаками являются различия состава растительности изучаемых участков, сформировавшиеся вследствие определенных экологических условий. Индикаторное значение имеет как присутствие, так и отсутствие вида. К физиологическим признакам относятся особенности обмена веществ растений, к анатомо-морфологическим признакам -- особенности внутреннего и внешнего строения, различного рода аномалии развития и новообразования, к фитоценотическим при знакам - особенности структуры растительного покрова: обилие и рассеянность видов растений, ярусность, мозаичность, степень сомкнутости. [2]

Очень часто в целях биоиндикации используются различные аномалии роста и развития растения - отклонения от общих закономерностей. Ученые систематизировали их в три основные группы, связанные: с торможением или стимулированием нормального роста (карликовость и гигантизм); с деформациями стеблей, листьев, корней, плодов, цветков и соцветий; с возникновением новообразований (к этой группе аномалий роста относятся также опухоли).

Гигантизм и карликовость многие исследователи  считают уродствами. Например, избыток  в почве меди вдвое уменьшает  размеры калифорнийского мака, а  избыток свинца приводит к карликовости смолевки.

В целях биоиндикации представляют интерес следующие де формации растений:

• фасциация - лентовидное уплощение и сращение стеблей, корней и цветоносов;
• махровость цветков, в которых тычинки превращаются в лепестки;
• пролификация - прорастание цветков и соцветий;
• асцидия - воронковидные, чашевидные и трубчатые листья у растений с пластинчатыми листьями;
• редукция - обратное развитие органов растений, вырождение;
• нитевидность - нитчатая форма листовой пластинки;
• филлодий тычинок - превращение их в плоское листовидное образование.

Биомониторинг может осуществляться путем наблюдений за отдельными растениями-индикаторами, популяцией определенного вида и состоянием фитоценоза в целом. На уровне вида обычно производят специфическую индикацию какого-то одного загрязнителя, а на уровне популяции или фитоценоза - общего состояния природной среды.

2.2.2. Животные в качестве биоиндикаторов

Позвоночные животные также служат хорошими индикаторами состояния среды  благодаря следующим особенностям:

1. Являясь консументами, они находятся на разных трофических уровнях экосистем и аккумулируют через пищевые цепи загрязняющие вещества;
2. Обладают активным обменом веществ, что способствует быстрому проявлению воздействия негативных факторов среды на организм;
3. Имеют хорошо дифференцированные ткани и органы, которые обладают разной способностью к накоплению токсических веществ и неоднозначностью физиологического отклика, что позволяет исследователю иметь широкий набор тестов на уровне тканей, органов и функций;
4. Сложные приспособления животных к условиям среды и четкие поведенческие реакции наиболее чувствительны к антропогенным изменениям, что дает возможность непосредственно наблюдать и анализировать быстрые отклики на оказываемое воздействие;
5. Животных с коротким циклом развития и многочисленным потомством можно использовать для проведения ряда длительных наблюдений и прослеживать воздействие фактора на последующие поколения; для долгоживущих животных можно выбрать особо чувствительные тесты в соответствии с особо уязвимыми этапами онтогенеза. [3]

Основное преимущество использования  позвоночных животных в качестве биоиндикаторов заключается в их физиологической близости к человеку. Основные недостатки связаны со сложностью их обнаружения в природе, поимки, определения вида, а также с длительностью морфо-анатомических наблюдений. Кроме того, эксперименты с животными зачастую дороги, требуют многократной повторяемости для получения статистически достоверных выводов.

Оценка и прогнозирование состояния  природной среды с привлечением позвоночных животных проводятся на всех уровнях их организации. На организменном  уровне с помощью сравнительного анализа оцениваются морфо-анатомические, поведенческие и физиолого-биохимические показатели.

Морфо-анатомические показатели описывают особенности внешнего и внутреннего строений животных и их изменение под воздействием определенных факторов (депигментация, изменение покровов, структуры тканей и расположения органов, возникновение уродств, опухолей и других патологических проявлений).

Поведенческие и физиолого-биохимические  параметры особенно чувствительны  к изменению внешней среды. Токсиканты, проникая в кости или кровь позвоночных животных, сразу же воз действуют на функции, обеспечивающие жизнедеятельность. Даже при узкоспецифичном влиянии токсиканта на определенную функцию ее сдвиги отражаются на состоянии всего организма вследствие взаимосвязанности процессов жизнедеятельности. Достаточно отчетливо присутствие токсикантов проявляется в нарушении ритма дыхания, сердечных сокращений, скорости пищеварения, ритмике выделений, продолжительности циклов размножения.

Для того чтобы иметь возможность  сравнивать материал, собранный разными  исследователями в различных  районах, набор видов-индикаторов  должен быть един и невелик. Вот некоторые  критерии пригодности различных  видов млекопитающих для биоиндикационных исследований:

• Принадлежность к разным звеньям трофической цепи  - растительноядным, насекомоядным, хищным млекопитающим;
• Оседлость или отсутствие больших миграций;
• Широкий ареал распространения (сравнительно высокая эвритопность), т.е. этот критерий исключает использование в качестве тест - индикаторов эндемиков;
• Принадлежность к естественным сообществам: критерий исключает синантропные виды, питающиеся вблизи жилища чело века и неадекватно характеризующие микроэлементный состав загрязнения данного региона;
• Численность вида должна обеспечивать достаточный материал для анализа;
• Простота и доступность методов добывания видов. [4]

2.2.3. Микроорганизмы в качестве биоиндикаторов

Микроорганизмы – наиболее быстро реагирующие на изменение  окружающей среды биоиндикаторы. Их развитие и активность  находятся  в прямой связи с составом органических и неорганических веществ в среде, так как  микроорганизмы способны разрушать  соединения естественного  и антропогенного происхождений. На этом основаны  принципы биоиндикации с использованием микроорганизмов. Необходимо иметь сведения о составе, количестве и функциональной активности последних.

Особенности использования  микроорганизмов в качестве биоиндикаторов следующие:

1.Функциональная структура  группировок гетеротрофных почвенных  микроорганизмов.

2. Почвенные микроорганизмы  – индикаторы экологического  стресса.

3. Микробная индикация  в водоемах.

4. Микроорганизмы – индикаторы  санитарного состояния объектов  внешней среды. [6]

2.2.4. Симбиологические методы в биоиндикации

Симбиоз широко распространен в  природе, а симбиотические ассоциации часто играют ключевую роль в поддержании  нормального функционирования наземных, пресноводных и морских экосистем. Симбиоз грибов и азотфиксирующих  бактерий с высшими растениями и  водорослей с грибами обеспечил  процветание этих ассоциаций в наземной среде. Лишайники, симбиотическая ассоциация водорослей и грибов, очень чувствительны  к качеству среды и уже давно  используются как традиционные биомаркеры состояния атмосферного воздуха. Мадрепоровые кораллы (склерактинии) - симбиоз одноклеточных водорослей зооксантелл с кишечнополостными животными, определяющий важную ландшафтообразующую роль этой ассоциации в тропических морях. Все более значительной признается роль симбиотических микроорганизмов в трофике практически всех видов организмов. Прямо или косвенно регулируя численность своих хозяев, симбионты оказывают существенное влияние на их динамику численности и структуру популяции. Биоразнообразие симбионтов (паразитов, комменсалов, мутуалистов), как правило, значительно превышает разнообразие их хозяев. [2]

Помимо уточнения оценки биоразнообразия  по числу видов учет симбионтов позволяет  получать достоверную информацию о  качестве среды, так как степень  интенсивности инвазии (относительное  количество хозяев, имеющих симбионтов) и экстенсивность инвазии (среднее  количество симбионтов на хозяине) напрямую зависят от условий, в которых  находится популяция хозяев. Многие симбионты чувствительны к изменениям внешней среды, в частности симбионты  водных организмов - к загрязнению  и опреснению, а симбионты наземных организмов - к радионуклеидам. При оценке разнообразия фауны симбионтов широко используют статистические методы. Учет симбиотических, в том числе и паразитических, организмов, а также исследование состояния симбиотических ассоциаций позволяют более точно оценить биоразнообразие и характер динамических процессов в экосистемах и могут быть рекомендованы в качестве важных элементов экодиагностических исследований.

2.3 Преимущества и недостатки  живых индикаторов

2.3.1. Преимущества живых индикаторов

• Суммируют все без исключения биологически важные данные об окружающей среде и отражают ее состояние в целом;
• Делают необязательными применение дорогостоящих и трудоемких физических и химических методов измерения биологических параметров (не всегда могут зарегистрировать кратковременные и залповые выбросы токсикантов);
• Отражают скорость происходящих в природе изменений;
• Указывают пути и места скопления различного рода загрязнений в экологических системах и возможные пути попадания этих агентов в пищу;
• Позволяют судить о степени вредности тех или иных веществ для природы и человека;
• Дают возможность контролировать действие многих синтезируемых человеком соединений;

2.3.2. Недостатки живых индикаторов

• Невысокая точность при определении классов чистоты среды вследствие объединения при анализе в качестве второй группы индикаторов большого числа видов организмов.
• Сложность при работе с живыми индикаторами, а также при их сортировке и хранении;
• Трудоёмкость исследований;
• Сложность в обработке полученных результатов.

3. Области применения биоиндикаторов

3.1. Оценка качества воздуха

От загрязнения воздуха страдают все живые организмы, но особенно растения. По этой причине растения, в том числе низшие, наиболее пригодны для обнаружения начального изменения  состава воздуха. Соответствующие  индексы дают количественное представление  о токсичном эффекте загрязняющих воздух веществ.

Лишайники являются симбиотическими  организмами. Многими исследователями  показана их пригодность для целей  биоиндикации. Они обладают весьма специфическими свойствами, так как  реагируют на изменение состава  атмосферы, обладают отличной от других организмов биохимией, широко распространены по разным типам субстратов, начиная  со скал и кончая корой и листьями деревьев, удобны для экспозиции в  загрязненных районах.

Выделяют четыре основные экологические  группы лишайников: эпифитные - растущие на коре деревьев и кустарников; зпиксильные - растущие на обнаженной древесине; эпигейные - на почве; эпилитные - на камнях. Из них наиболее чувствительны к загрязнению воздуха эпифитные виды. С помощью лишайников можно получать вполне достоверные данные об уровне загрязнения воздуха. При этом можно выделить группу химических соединений и элементов, к действию которых лишайники обладают сверхповышенной чувствительностью: оксиды серы и азота, фторо- и хлороводород, а также тяжелые металлы. Многие лишайники погибают при невысоких уровнях загрязнения атмосферы эти ми веществами. Процедура определения качества воздуха с помощью лишайников носит название лихеноиндикации. [9]