Биологический мониторинг

Содержание

     Введение

     1. Методы биологического мониторинга

         1.1 Метод биоиндикации

         1.2 Метод биотестирования

         1.3 Метод оценки значимости воздействий

     2. Основные характеристики биоиндикаторов 

         2.1 Основные биоиндикаторы для оценки загрязнения атмосферы

         2.2 Основные биоиндикаторы для оценки загрязнения водных объектов

         2.3 Основные биоиндикаторы для оценки загрязнения почв

     3. Биоиндикация окружающей среды

         3.1 Особенности использования растений в качестве биоиндикаторов

         3.2 Особенности использования животных качестве биоиндикаторов

     4. Использование метода биологического  мониторинга в разных странах

     Заключение 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Введение

       Биомониторинг является составной частью экологического мониторинга слежения за состоянием окружающей среды по физическим, химическим и биологическим показателям. В задачи биомониторинга входит регулярно проводимая оценка качества окружающей среды с помощью специально выбранных для этой цели живых объектов. В 1990 г. экономическая комиссия Европы под эгидой ООH приняла программу интегрированного мониторинга (IM) окружающей среды по следующим группам показателей (в скобках указано их количество): общая метеорология (6), химизм воздуха (3), химизм почвенных и подземных вод (4), химизм поверхностных вод (4), почва (6), биологические показатели (11).

     Мониторинг биологический – это слежение за природными и антропогенными процессами, протекающими в биоценозах и на более высоких уровнях биологической организации, с целью выявления изменений, возникающих при взаимодействии живого с факторами внешней среды (колебания численности популяций, накопление тяжёлых металлов в организмах и др.) и изучения ответных реакций всех биологических уровней на эти воздействия (изменение климата, разрушение биоценозов, заболевания организмов и др.).

          Биоиндикация является одним  из методов 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) [1].

          Существует еще один метод  биологического мониторинга.  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).

          Для проведения различных исследований  в области биомониторинга требуются  биоиндикаторы, с помощью которых  определяются показатели качества водных объектов, атмосферы, а также состояния почв. Основные биоиндикаторы более подробно будут рассмотрены далее. 

     1. Методы биологического мониторинга 

          1. Биоиндикация — метод, который позволяет судить о состоянии окружающей среды по факту встречи, отсутствия, особенностям развития организмов-биоиндикаторов. Биоиндикаторы — организмы, присутствие, количество или особенности развития которых служат показателями естественных процессов, условий или антропогенных изменений среды обитания. Условия, определяемые с помощью биоиндикаторов, называются объектами биоиндикации.

          2. Биотестирование — метод, позволяющий в лабораторных условиях оценить качество объектов окружающей среды с помощью живых организмов.

          3. Оценка компонентов биоразнообразия — является совокупностью методов сравнительного анализа компонентов биоразнообразия [2]. 

     1.1 Метод биоиндикации

          Объективные факты свидетельствуют  о существовании тесного влияния факторов среды на биотические процессы экосистемы (плотность популяций, динамику видовой структуры, поведенческие особенности). Такие факторы среды, как свет, температура, водный режим, биогенные элементы (макро- и микроэлементы), соленость и другие имеют функциональную важность для организмов на всех основных этапах жизненного цикла. Однако можно использовать обратную закономерность и судить, например, по видовому составу организмов о типе физической среды. Поэтому «биоиндикация»– это определение биологически значимых нагрузок на основе реакций на них живых организмов и их сообществ. В полной мере это относится ко всем видам антропогенных загрязнений”.

          Существенные методологические трудности биоиндикации возникают и при оценке состояния биоценоза по соотношению видов в конкретной экосистеме выборочным методом. Если исходить из понимания популяции, как совокупности особей, то информация, которую мы получили, не может быть экстраполирована за пределы временного периода или станции (полигона), на котором осуществлена выборка. Необходимо получить информацию о форме распределения вероятностей нахождения особей в той или иной точке пространства экосистемы. Исходя из найденного закона распределения, можно рассчитать число необходимых проб, обеспечивающих заданную точность интерполяции. Такой подход возможен для оценки состояния популяций на небольших площадях, например, в небольших замкнутых мелководных водоемах. Для крупных водоемов количество выборок ограничивается временем, за которые можно сделать пробы в сходных условиях (например, даже в течение суток может произойти перераспределение планктонных особей в пространстве). Проблемы, связанные с изучением пространственно-временной дифференциации зоопланктона при проведении мониторинговых исследований, показаны, например, на большом экспериментальном материале О.М. Кожовой и Б.К. Павловым [1986].

          Таким образом, биоиндикацию можно  определить как совокупность  методов и критериев, предназначенных для поиска информативных компонентов экосистем, которые могли бы:

• адекватно отражать уровень воздействия среды, включая комплексный характер загрязнения с учетом явлений синергизма действующих факторов;
• диагностировать ранние нарушения в наиболее чувствительных компонентах биотических сообществ и оценивать их значимость для всей экосистемы в ближайшем и отдаленном будущем.

          С точки зрения математики  поставленная задача биоиндикации  в реальных условиях относится к классу плохо формализуемых задач, поскольку характеризуется следующими особенностями:

• существенной многомерностью факторов среды и измеряемых параметров экосистем;
• сильной взаимообусловленностью всего комплекса измеренных переменных, не позволяющей выделить в чистом виде функциональную связь двух индивидуальных показателей F(x);
• нестационарностью большей части информации об объектах и среде;
• трудоемкостью проведения всего комплекса измерений в единых координатах пространства и времени, в результате чего обрабатываемые данные имеют обширные пропуски.

     1.2 Метод биотестирования

          Биотестирование - использование  в контролируемых условиях биологических объектов (тест-объектов) для выявления и оценки действия факторов (в том числе и токсических) окружающей среды на организм, его отдельную функцию или систему организмов.

          Наиболее полно методы биотестирования  разработаны для гидробионтов и позволяет использовать их для оценки токсичности загрязнений природных вод, контроля токсичности сточных вод, экспресс - анализа в санитарно-гигиенических целях, для проведения химических анализов в лабораторных целях и решения целого ряда других задач.

          В зависимости от целей и  задач токсикологического биотестирования  в качестве тест - объектов применяются  различные организмы: высшие и  низшие растения, бактерии, водоросли, водные и наземные беспозвоночные и другие [3].

      1.3 Метод оценки значимости воздействий

          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 [Черп и др., 2000]. Понятие величины охватывает здесь несколько факторов, таких как интенсивность воздействия (например, повышение величины показателя БПК5 в реке до 10 мг/л); 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.

          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).

          Объективные факты свидетельствуют  о существовании тесного влияния факторов среды на биотические процессы экосистемы (плотность популяций, динамику видовой структуры, поведенческие особенности). Такие факторы среды, как свет, температура, водный режим, биогенные элементы (макро- и микроэлементы), соленость и другие имеют функциональную важность для организмов на всех основных этапах жизненного цикла. Однако можно использовать обратную закономерность и судить, например, по видовому составу организмов о типе физической среды. Поэтому «биоиндикация– это определение биологически значимых нагрузок на основе реакций на них живых организмов и их сообществ. В полной мере это относится ко всем видам антропогенных загрязнений».

     2. Основные характеристики биоиндикаторов 

          Каждый организм, сообщество организмов реагирует на возмущающие воздействия неблагоприятных экологических факторов, и в этом смысле могут рассматриваться как биоиндикаторы. Для выбора среди этого множества организмов-индикаторов требуются критерии или требования, которым должны удовлетворять растительные и животные биоиндикаторы. Ю. Одум и др. ученые сформулировали следующие требования к биоиндикаторам:

• биоиндикатор должен быть наиболее приспособлен к существованию в строго определенных условиях среды обитания (стенотопные виды), более редкие виды в биоценозах, как правило, являются лучшими индикаторами, нежели широко распространенные (эвритопные виды);
• более крупные виды биоценозов являются лучшими индикаторами по сравнению с мелкими, так как скорость оборота последних в биоценозах, выше, и они могут не попасть в пробу в момент исследования;
• при выделении вида (группы видов), используемого в качестве биоиндикатора, необходимо иметь экспериментальные данные, лимитирующие значениях вредного воздействия среды с учетом возможных компенсаторных реакций вида и его толерантности;
• численное соотношение разных видов более показательно, нежели численность одного вида (целое лучше, чем часть отражает общую сумму условий);
• универсальность; чем в большем количестве климатических зон распространен биоиндикатор, тем он более универсален;
• минимизация усилий при работе в полевых условиях, т.е. при равных достоинствах выбирать тот биоиндикатор, с которым удобнее и дешевле работать.

     2.1 Основные биоиндикаторы для оценки  загрязнения атмосферы 

          Биоиндикаторы качества атмосферного  воздуха, удовлетворяющие указанным  требованиям, являются лишайники  и сосна, основные показатели  и приемы определения которых, приведены в таблице 2.1.

          Таблица 2.1- Основные показатели  и приемы определения внешних признаков лишайников и сосны

          Сосна чувствительна к загрязнению  атмосферного воздуха. Под действием ЗВ на хвое сосны появляются сначала пятна хлороза, затем некрозы ив конечном итоге наблюдается усыхание хвои. Действие ЗВ негативно сказывается на репродуктивную функцию сосны: уменьшается число шишек на дереве, снижается число нормальных семян в шишках. Наблюдается усыхание кроны сосны. По этим внешним признакам судят о неблагополучном состоянии атмосферного воздуха. Однако количественных критериев оценки качества атмосферного воздуха по состоянию хвои сосны пока не разработано. Сложность состоит в том, что причиной усыхания хвои сосны может быть не только загрязнение воздуха, но и почвы.

          Лишайники не имеют связи с  почвой, растут на стволах и  ветвях других растений, на скалах, камнях и других неподвижных предметах. Симпсон Швендер в 1867 году установил, что тело лишайников (слоевище или таллом)

     всегда  состоит из гриба водоросли. Водорослевые компоненты под действием света из углекислого газа и воды синтезируют органические соединения. Этот процесс, именуемый фотосинтезом, обычно выражается суммарным уравнением:

6СО₂+12Н₂О+ свет (хлорофилл) +С₆ Н₁₂О₆+ 6Н₂О+6О₂+2815680 Дж

          Из уравнения видно, что хлорофилл  лишайников под действием света  из углекислого газа и воды синтезирует глюкозу (С₆Н₁₂О₆) и кислород. Процесс идёт при избытке воды и с выделением энергии 2815680 Дж.

          Интенсивность фотосинтеза в  большей мере зависит от экологических  условий, одно из них – влажность.  Установлено если влажность ниже 30% или выше 90% (на массу сухого вещества), то скорость фотосинтеза быстро падает. При влажности от 2 до 10 % лишайники впадают в «анабиоз» и в таком состоянии могут выдерживать сильное солнечное облучение, сильное нагревание и охлаждение до минус 35 С?0. В результате непостоянства влажности воздуха скорость роста лишайников составляет от 0,1 до 10 мм в год.

          По внешним признакам можно  различить три основные группы  лишайников: накипные, листоватые, кустистые. Тело лишайника состоит из слоевища, которое образовано сложным переплетением нитей гриба с клетками водорослей. Слоевище накипных лишайников имеет вид корочки, плотно сросшейся с субстратом (корой дерева или другого предмета, находящегося годами в неподвижном состоянии). Толщина корочки в виде накипи или еле заметного порошкообразного налёта может быть от 1 до 5 мм.

          Слоевище накипных лишайников  может быть и в виде чешуек (переходная форма от накипных к листоватым лишайникам). Цвет лишайника преимущественно серый, но встречаются виды желтого и бурого цветов.

          Слоевище листоватых лишайников  имеет вид листовидной пластинки,  горизонтально распростёртой на  субстрате. Наиболее характерна для него

     округлая  форма. Размеры пластинки могут  достигать в диаметре 10-20 см. Такая  пластинка нередко бывает плотной, кожистой, окрашенной в тёмно-серый, тёмно-коричневый или чёрный цвет. Листоватое слоевище может быть рассечённым на множество мелких лопастей самого разного размера и формы. Лопасти бывают узкими и широкими, слабоветвистыми, сильноветвистыми, плоскими, выпуклыми, тесно сомкнутыми, разделёнными, налегающими друг на друга своими краями или строго ограниченными.

          Характерной особенностью листоватого  лишайника является то, что

     верхняя поверхность бывает серой или  желтой (оранжевой), а нижняя – красновато-оранжевой, белесой, розоватой или красновато-оранжевой. В отличие

     от  накипных лишайников, слоевище которых  плотно срастается с субстратом, листоватые лишайники обычно довольно рыхло с ним связаны. Листоватые лишайники по сравнению с накипными являются более организованными формами. Среди листоватых лишайников встречаются и неприкреплённые, кочующие формы (блуждающие пармелии).

          Слоевище кустистых лишайников  имеет вид прямостоячего или  свисающего кустика, реже неразветвлённых выростов. По организационному уровню кустистые лишайники представляют высший этап развития слоевища. Слоевища кустистых лишайников могут быть разных размеров – от нескольких миллиметров до 30 ...50 см.

          Особая чувствительность лишайников  к токсичным веществам объясняется тем, что они не могут выделить в среду впитанные элементы. Токсические вещества вызывают разрушение хлорофилла в клетках водорослей, приводя лишайники к гибели. Шкала оценки загрязнения среды обитания лишайников, приведена в табл. 4.2 .

          Таблица 2.2- Шкала загрязнения атмосферного воздуха по лишайникам

          В таблице выделены 5 классов загрязнения  атмосферного воздуха по наличию  и внешним признакам лишайников  и мхов. Обращает на себя внимание (выделено жирным шрифтом), что в каждом классе загрязнения воздуха имеется группа лишайников, наличие которого характеризует максимальный уровень информации о качестве воздуха:

     1 кустистый лишайник – чистый  воздух;

     2 листоватый лишайник – слабо  загрязненный воздух;

     3 накипной лишайник – средне загрязненный воздух;

     4 мох – сильно загрязненный  воздух;

     5 отсутствие лишайников и мхов  – очень сильно загрязненный  воздух

     2.2 Основные биоиндикаторы для оценки  загрязнения водных объектов 

         2.2 Основные биоиндикаторы для оценки загрязнения водных объектов 

     Биоиндикаторы качества поверхностных вод, относящиеся к стенотопным видам животных, приведены в таблице 2.3.

     Таблица 2.3 - Основные показатели биоиндикаторов качества поверхностных вод и приемы их определения.

     Анализ  данных таблицы показывает, что для  таких биоиндикаторов как рыбы и  раки необходимо измерение биомассы, что усложняет процедуру биоиндикации качества поверхностных вод. Что касается пресноводных моллюсков, то определение их биоразнообразия и плотности популяции (шт./м²) проводится чисто визуально, что весьма привлекательно для военного эколога.

     Пресноводные  моллюски обычно обитают в слое придонного ила водоема. Плавающие и мигрирующие организмы позволяют получать лишь сравнительно небольшую информацию относительно условий, в которых протекает их жизнь в течение длительного периода времени. Хорошо сбалансированная благополучная система насчитывает большое число видов, ни один из которых не является доминирующим. Поскольку в загрязненной воде почти всегда присутствуют живые организмы, которые представляют собой особо толерантные к загрязнению виды, то, наблюдая изменение соотношения видов разной толерантности, можно судить лишь приблизительно о качестве поверхностных вод.

     Среда, которая является почти анаэробной, считается самой неблагоприятной для водных форм жизни. Поскольку на разложение органических отходов может быть израсходован весь растворенный в воде кислород, то вследствие снижения его концентрации гибнет рыба. В результате отложения ила на дне лишаются среды обитания большинство живущих на дне организмов, сокращаются районы нереста рыбы. Водные растения встречаются в ограниченных количествах, так как они не в состоянии выжить на мягком покрове из ила.

     В сильно мутной воде гибнут плавающие растения и животные. Но в этих условиях происходит интенсивное разложение органических отходов, и образуются неистощимые запасы пищи для тех водных организмов, которые приспособились к такой среде. В такой водной среде значительно возрастает численность бактерий и некоторых простейших организмов, обитающих на дне, например, трубочники, черви красного цвета и др. Так, например, на 1 м² загрязненного дна можно обнаружить 500 000 и более иловых червей.

     Одним из показателей оценки качества поверхностных вод является численности водных организмов. В зависимости от их толерантности к ЗВ организмы подразделяются на соответствующие группы. Так, например, организмы, относящиеся к группе иловых червей, могут обитать как в незагрязненной, так и в загрязненной органическими отходами воде. Ценность этой группы состоит в том, что в незагрязненной воде численность особей в пределах группы чрезвычайно мала, тогда как в среде, загрязненной органическими отходами, эта численность может быть значительной.