Биоиндикация и биотестирование экологического состояния среды

Министерство образования  и науки РФ

ФГБОУ ВПО «Челябинский государственный  университет»

Кафедра общей экологии

КУРСОВАЯ РАБОТА №1 

БИОИНДИКАЦИЯ И БИОТЕСТИРОВАНИЕ  ЭКОЛОГИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ СРЕДЫ

Выполнил: студ. гр. ЭЭ-201

  Юмагулов И.У.

                                                                               Научный руководитель:

                                                                                                           Мальцев Т.А

Дата сдачи:_______________

Дата защиты:_____________

Оценка:__________________

Челябинск

2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ                            3  

ГЛАВА  1                                                                                                      4

1.1 Принципы организации биологического мониторинга                                4

1.2 Биологический контроль окружающей среды                                                6

1.3 Области применения биоиндикаторов                                                            7

   1.3.1 Оценка качества воздуха                                                                            7

   1.3.2 Оценка качества воды                                                                                 9

   1.3.3 Диагностика почв                                                                                        9

ГЛАВА 2

2.1 Особенности использования  биологических объектов разных  систематических групп в качестве  биоиндикаторов                                         12

   2.1.1 Особенности использования растений в качестве биоиндикаторов    12

   2.1.2 Особенности использования животных в качестве биоиндикаторов  14

   2.1.3 Особенности использования микроорганизмов в качестве биоиндикаторов                                                                                                     16

   2.1.4 Симбиотические методы в биоиндикации                                       18

ЗАКЛЮЧЕНИЕ                                                                                                     20

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ВВЕДЕНИЕ

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

Основной  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 предаст 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 работы: Изучить подходы к биологическому контролю окружающей среды. Изучить общие принципы биоиндикации и биотестирования окружающей среды.

ГЛАВА 1    Биологический контроль окружающей среды

   1.1 Принципы организации биологического мониторинга

   Под экологическим качеством среды обитания человека понимают интегральную характеристику природной среды, обеспечивающую сохранение здоровья и комфортное проживание человека.

Поскольку человек адаптирован  и может комфортно существовать только в современном биологическом  окружении, в при родных экосистемах, понятие «экологическое качество среды» подразумевает сохранение экологического равновесия в природе (относительной устойчивости видового состава экосистем и со става сред жизни), которое и обеспечивает здоровье человека.

Необходимо различать  цели и способы нормирования и  оценки качества среды обитания человека по основным физико-химическим параметрам, с одной стороны, и экологического прогноза будущего изменения состояния  экосистемы и здоровья людей в  условиях антропогенного пресса —  с другой.

Для общей оценки состояния  окружающей среды и определения  доли участия отдельных источников в ее загрязнении применяют санитарно-гигиенические  и токсикологические нормативы (предельно  допустимые концентрации — ПДК —  поллютантов, предельно допустимые уровни воздействия — ПДУ). Однако для прогноза результатов влияния антропогенных факторов как на экосистемы, так и на здоровье людей необходимо учитывать так же и многие показатели, характеризующие реакцию отдельных организмов и экосистемы в целом на техногенное воздействие.

Антропогенные загрязнения  действуют на живые организмы, и  в том числе на человека, в самых  различных сочетаниях, комплексно. Их интегральное влияние можно оценить  только по реакции живых организмов или целых сообществ. Прогноз действия на человека загрязненной воды, химических добавок в пище или за грязненного воздуха правомочен, если в оценку токсичности входят не только аналитические методы, но и биологическая диагностика действия среды на животных. Кроме того, многие ксенобиотики (чуждые для биосферы вещества) накапливаются в организме, и в результате длительное воздействие даже малых концентраций этих веществ вызывает патологические изменения в организме. Наконец, известен парадоксальный эффект малых доз многих биологически активных соединений, когда сверхслабые дозы (ниже ПДК) оказывают на организм более сильное действие, чем их средние дозы и концентрации.

Универсальным показателем  изменения гомеостаза тест-организма является состояние стресса при попадании из «чистой» среды в «загрязненную».

В биологии под стрессом понимается реакция биологической  системы на экстремальные факторы  среды (стрессоры), которые могут  в зависимости от силы, интенсивности, момента и продолжительности  воздействия более или менее  сильно влиять на систему.

Стрессовое воздействие  среды приводит к отклонению основных параметров организма от оптимального уровня.

В настоящее время оценка степени экологической опасности  традиционно осуществляется путем  определения в окружающей среде  отдельных потенциально вредных  веществ или воздействий и  сравнения полученных результатов  с законодательно установленными для  них предельно допустимыми величинами.

Реализация основных принципов  устойчивого развития цивилизации  в современных условиях возможна лишь при наличии соответствующей  информации о состоянии среды  обитания в ответ на антропогенное  воздействие, собранной в ходе проведения биологического мониторинга. Оценка качества среды является ключевой задачей  любых мероприятий в области  экологии и рационального природопользования. Сам термин «мониторинг» (от англ. monitoring — контроль) подразумевает проведение мероприятий по непрерывному наблюдению, измерению и оценке состояния окружающей среды.

Объектами мониторинга являются биологические системы и факторы, воздействующие на них. При этом желательна одновременная регистрация антропогенного воздействия на экосистему и биологического отклика на воздействие по всей совокупности показателей живых систем.

Основополагающим принципом  биологического мониторинга является установление оптимального — контрольного — уровня, любые отклонения от которого свидетельствуют о стрессовом воз  действии. Обычно при оценке оптимума по какому-либо одному параметру возникает  вопрос о том, будут ли данные условия  оптимальными также для других характеристик  организма. Однако если исследуемые  параметры характеризуют основные свойства организма в целом, то их оптимальный уровень оказывается  сходным. Например, столь разные и, казалось бы, совершенно независимые параметры, как асимметрия морфологических  признаков, показатели крови, интенсивность  потребления кислорода, ритмика  роста и частота хромосомных  аберраций, могут изменяться синхронно, когда при определенном стрессовом воздействии в действительности изменяется наиболее общая базовая  характеристика организма — гомеостаз  развития.

   1.2 Биологический контроль окружающей среды

   Биологический контроль окружающей среды включает две основные группы методов: биоиндикацию и биотестирование. Применение в качестве биоиндикаторов растений, животных и даже микроорганизмов позволяет проводить биомониторинг воздуха, воды и почвы.

Биоиндикация (bioindication) – 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, процесса и явлений. В настоящее время можно считать общепринятым, что основным индикатором устойчивого развития в конечном итоге является качество среды обитания.

Биотестирование (bioassay) – процедура установления токсичности среды с помощью тест-объектов, сигнализирующих об опасности независимо то того, какие вещества и в каком сочетании вызывают изменения жизненно важных функций у тест-объектов. Для оценки параметров среды используются стандартизованные реакции живих организмов (отдельных органов, тканей, клеток или молекул) В организме, пребывающем контрольное время в условиях загрязнения, происходят изменения физиологических, биохимических, генетических, морфологических или иммунных систем. Объект извлекается из среды обитания, и в лабораторных условиях проводится необходимый анализ.

Хотя подходы очень  близки по конечной цели исследований, надо помнить, что биотестирование  осуществляется на уровне молекулы, клетки или организма и характеризует  возможные последствия загрязнения  окружающей среды для биоты, а биоиндикация – а уровне организма, популяции и сообщества и характеризует, как правило, результат загрязнения. Живые объекты – открытые системы, через которые идёт поток энергии и круговорот веществ. Все они в той или иной мере пригодны для целей биомониторинга.

Контроль качества окружающей среды с использованием биологических  объектов в последние десятилетия  оформился как актуальное научно-прикладное направление. При этом необходимо отметить дефицит учебной литературы по этим вопросам и большую потребность  в ней.

   1.3 Области применения биоиндикаторов 

   1.3.1 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.

Оценку чистоты воздуха  можно проводить с помощью  высших растений. Например, голосеменные — отличные индикаторы чистоты атмосферы. Возможно также изучение мутаций  в волосках тычиночных нитей традесканции. Французские ученые подмети ли, что  при увеличении в воздухе окиси  углерода и окислов азота, выбрасываемых  двигателями внутреннего сгорания, окраска ее тычиночных нитей меняется от синей к розовой. По следствия нарушений в индивидуальном развитии растений могут быть выявлены также по частоте встречаемости морфологических отклонений (фенодевиантов), величине показателей флуктуирующей асимметрии (отклонение от совершенной билатеральной и радиальной симметрии), методом анализа сложноорганизованных комплексных структур (фрактал-анализ). Уровни любых отклонений от нормы оказываются минимальными лишь при оптимальных условиях и возрастают при любых стрессирующих воздействиях.

   1.3.2 Оценка качества воды

   Для биологической индикации качества вод могут быть использованы практически все группы организмов, населяющие водоемы: планктонные и бентосные беспозвоночные, простейшие, водоросли, макрофиты, бактерии и рыбы. Каждая из них, выступая в роли биологического индикатора, имеет свои преимущества и недостатки, которые определяют границы ее использования при решении задач биоиндикации, так как все эти группы играют ведущую роль в общем круговороте веществ в водоеме. Организмы, которые обычно используют в качестве биоиндикаторов, ответственны за самоочищение водоема, участвуют в создании первичной продукции, осуществляют трансформацию веществ и энергии в водных экосистемах. Всякое заключение по результатам биологического исследования строится на основании совокупности всех полученных данных, а не на основании единичных находок индикаторных организмов. Как при выполнении исследования, так и при оценке полученных результатов необходимо иметь в виду возможность случайных, местных загрязнений в точке наблюдения. Например, разлагающиеся растительные остатки, труп лягушки или рыбы могут вызывать местные изменения в характере населения водоема.

   1.3.3 Диагностика почв

   Теоретической предпосылкой применения почвенно-зоологического метода для целей диагностики почв является сформулированное М.С.Гиляровым в 1949 г. представление об «экологическом стандарте» вида — потребности вида в определенном комплексе условий среды. Каждый вид в пределах своего ареала встречается только в тех местообитаниях, которые обеспечивают полный комплекс необходимых для проявления жизнедеятельности условий. Амплитуда варьирования отдельных факторов среды характеризует экологическую пластичность вида. Эврибионты мало пригодны для индикационных целей, тогда как стенобионты служат хорошими индикаторами определенных условий среды и свойств субстрата. Это положение представляет собой общий теоретический принцип в биологической диагностике. Однако использование для индикации одного вида не дает полной уверенности в правильности выводов (здесь имеет место «правило смены местообитаний» и как следствие смена экологических характеристик вида). Лучше исследовать весь комплекс организмов, из которых одни могут быть индикаторами на влажность, другие — на температуру, третьи — на химический или механический со став. Чем больше общих видов почвенных животных встречается на сравниваемых участках, тем с большей долей вероятности можно судить о сходстве их режимов, а следовательно, о единстве почвообразовательного процесса. Менее других полезны микроскопические формы — простейшие и микроартроподы (клещи, ногохвостки). Их представители отличаются космополитизмом в силу того, что почва для них не выступает как единая среда обитания: они живут в системе пор, капилляров, полостей, которые можно найти в любой почве. Из микроартропод наиболее хорошо изучены индикаторные свойства панцирных клещей. Состав их комплексов сообществ зависит не только от почвенных условий, но и от характера и флористического состава растительности, поэтому данный объект перспективно использовать для индикации повреждающих воздействий на почву.

Особенно ценны и удобны для индикационных работ сообщества крупных беспозвоночных (дождевые черви, многоножки, личинки насекомых). Так, стафилиниды рода Bledius и чернотелки рода Belopus показательны для солончаково-солонцовых почв, многоножки-кивсяки, некоторые мокрецы и легочные моллюски служат индикаторами содержания в почве извести. Дождевые черви Octolasium lacteum и некоторые виды проволочников являются показателями высокого содержания кальция в грунтовых водах.

Интерес представляет почвенно-альгологическая диагностика, в основе которой лежит положение о том, что зональности почв и растительности соответствует зональность водорослевых группировок. Она проявляется в общем видовом составе и комплексе доминантных видов водорослей, наличии специфических видов, характере распространения по почвенному профилю, преобладании определенных жизненных форм.

ГЛАВА 2    Особенности  использования биологических объектов разных         систематических  групп в качестве биоиндикаторов

   2.1.1 Особенности использования растений 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 поллютантами. Например, на содержание в почве свинца указывают виды овсяницы (Festuca ovina и др.), полевицы(Agrostis tenuis и др.); цинка — виды фиалки (Viola tricolor и др.), ярутки (Tlaspialpestre и др.); меди и кобальта — смолевки (Silene vulgaris и др.), многие злаки и мхи.

Чувствительные фитоиндикаторы указывают на присутствие загрязняющего вещества в воздухе или почве ранними морфологическими реакциями — изменением окраски листьев (появление хлорозов; желтая, бурая или бронзовая окраска), различной фор мы 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.

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.

Очень часто в целях  биоиндикации используются различные аномалии роста и развития растения — отклонения от общих закономерностей. Ученые систематизировали их в три основные группы, связанные: (1) с торможением или стимулированием нормального роста (карликовость и гигантизм); (2) с деформациями стеблей, листьев, корней, плодов, цветков и соцветий; (3) 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.

   2.1.2 Особенности использования животных в качестве биоиндикаторов

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

·  являясь консументами, они находятся на разных трофических уровнях экосистем и аккумулируют через пищевые цепи загрязняющие вещества;

·  обладают активным обменом веществ, что способствует быстрому проявлению воздействия негативных факторов среды на организм;

·  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;

·  сложные приспособления животных к условиям среды и чет кие поведенческие реакции наиболее чувствительны к антропогенным изменениям, что дает возможность непосредственно наблюдать и анализировать быстрые отклики на оказываемое воз действие;

·  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.

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 при влечением 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 пище варения, ритмике выделений, продолжительности циклов размножения.

Для того чтобы иметь возможность  сравнивать материал, со бранный 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 — рас тительноядным, 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 матери ал для анализа;

·  простота и доступность методов добывания видов.

Анализируя по данным критериям  представителей всех отрядов млекопитающих, встречающихся на территории стран  СНГ, можно остановиться на семи видах: обыкновенная бурозубка (Sores areneus), европейский крот (Talpa europaea), алтайский крот (Talpaaltaica), бурый медведь (Ursus arctos), лось (Alces alces), рыжая полевка(Clethrionomys glareolus), красная полевка (Clethrionomys rubilus).

   2.1.3 Особенности использования микроорганизмов 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.

При прямом микроскопировании, например воды, количество обнаруживаемых микроорганизмов оказывается небольшим, поэтому для изучения морфологического разнообразия и оценок их общего числа в единице объёма проводят концентрирование пробы. Для фильтрации воды используют фильтры Зейтца или иной конструкции с размером пор 0,35; 0,5; 0,23;

1. 3; 0,4 мкм. Объём фильтруемой воды может быть от 10 до 20 мл в зависимости от типа водоёма. Для подсчёта численности микроорганизмов фильтр прокрашивают, переносят на предметное стекло в каплю иммер си- онного масла и микроскопируют с перемещением сетчатого микрометра. Просчитывается 20 полей зрения; в каждом поле зрения должно быть не менее 50 микробов.

Число колониеобразующих  клеток бактерий в 1 мл воды (N) рассчитывают по формуле:

K n

N =

V

где К= S/S₁ (S - площадь фильтра, мкм² ; S₁ - площадь, на которой просчитываются клетки, мкм²); п - среднее число бактерий в одном поле зрения;

• - объём профильтрованной воды, мл.

Для определения биомассы бактерий необходимо определить размер клеток с помощью микрометра.

Выявление микроорганизмов и их учёт можно произвести путём высева проб в жидкие и агаризованные питательные среды. Для учёта сапро- фитов используют мясопептонный агар, олиготрофных бактерий выращивают на агаризованной воде из исследуемого водоёма.