Насекомые как объект биоиндикации

Реферат 

     «Насекомые  как объект биоиндикации» 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     Содержание 

Введение…………………………………………………………………………3

1 Общая характеристика метода биоиндикации………………………………4

2 Насекомые как объект биоиндикации……………………………………….6

3 Насекомые как  биоиндикаторы почвенной среды…………………………..8

4 Насекомые  как биоиндикаторы водной среды………………………………11

Заключение……………………………………………………………………….17 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     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.

     Роль биоиндикации сводится к следующим действиям:

• выделяется один или несколько исследуемых факторов среды (по литературным данным или в связи с имеющейся программой мониторинговых исследований);
• собираются полевые и экспериментальные данные, характеризующие биотические процессы в рассматриваемой экосистеме, причем теоретически эти данные должны измеряться в широком диапазоне варьирования исследуемого фактора (например, в условно-чистых и в условно-грязных районах);
• некоторым образом (путем простого визуального сравнения, с использованием системы предварительно рассчитанных оценочных коэффициентов или с применением математических методов первичной обработки данных) делается вывод об индикаторной значимости какого-либо вида или группы видов.

     1 Общая характеристика метода биоиндикации 

     Биоиндикация - это оценка состояния среды с помощью живых объектов.

     Биоиндикатор - группа особей одного вида или сообщества, по наличию или по состоянию которых, а также по их поведению судят о естественных и антропогенных изменениях в среде.

     Живые объекты (или системы) - это клетки, организмы, популяции, сообщества. С  их помощью может производиться  оценка как абиотических факторов (температура, влажность, кислотность, соленость, содержание поллютантов и т.д.) так и биотических (благополучие организмов, их популяций и сообществ).

     Установлено, что биоиндикаторы имеют ряд  преимуществ перед химическими  методами оценки состояния окружающей среды, а именно:

• они суммируют влияние всех без исключения биологически важных воздействий и отражают состояние окружающей среды в целом, включая ее загрязнение и другие антропогенные загрязнения;
• в условиях хронических антропогенных нагрузок биоиндикаторы могут реагировать даже на относительно слабые воздействия вследствие кумулятивного эффекта;
• делают необязательным применение дорогостоящих и трудоемких физических и химических методов для измерения биологических параметров;
• живые организмы постоянно присутствуют в окружающей человека среде и реагируют на кратковременные и залповые выбросы токсикантов, которые можно не зарегистрировать при помощи автоматической системы контроля с периодичным отбором проб на анализы;
• указывают пути и места скоплений в экологических системах различного рода загрязнений и ядов, возможные пути их попадания в пищу человека; е) позволяют судить о степени вредности любых синтезируемых человеком веществ для живой природы и для него самого, причем дают возможность контролировать их действие;
• помогают нормировать допустимую нагрузку на экосистемы, различающиеся по своей устойчивости к антропогенному воздействию, так как одинаковый состав и объем загрязнений может привести к различным реакциям природных систем в разных географических зонах .

     По  мнению Ван Штраалена (1998), существуют по крайней мере 3 случая, когда биоиндикация становится незаменимой.

     1. Фактор не может быть измерен. Это особенно характерно для попыток реконструкции климата прошлых эпох. Так, анализ пыльцы растений в Северной Америке за длительный период показал смену теплого влажного климата сухим прохладным и далее замену лесных сообществ на травяные. В другом случае остатки диатомовых водорослей (соотношение ацидофильных и базофильных видов) позволило утверждать, что в прошлом вода в озерах Швеции имела кислую реакцию по вполне естественным причинам.

     2. Фактор трудно измерить. Некоторые пестициды так быстро разлагаются, что не позволяют выявить их исходную концентрацию в почве. Например, инсектицид дельтаметрин активен лишь несколько часов после его распыления, в то время как его действие на фауну (жуков и пауков) прослеживается в течение нескольких недель.

     3. Фактор легко измерить, но трудно  интерпретировать. Данные о концепции  в окрукражующей среде различных поллютантов (если их концентрация не запредельно высока) не содержат ответа на вопрос, насколько ситуация опасна для живой природы. Показатели предельно допустимой концепции (ПДК) различных веществ разработаны лишь для человека. Однако, очевидно, эти показатели не могут быть распространены на другие живые существа. Есть более чувствительные виды, и они могут оказаться ключевыми для поддержания экосистем. С точки зрения охраны природы, важнее получить ответ на вопрос, к каким последствиям приведет та или иная концентрация загрязнителя в среде. Эту задачу и решает биондикация, позволяя оценить биологические последствия антропогенного изменения среды. Физические и химические методы дают качественные и количественные характеристики фактора, но лишь косвенно судят о его биологическом действии. Биоиндикация, наоборот, позволяет получить информацию о биологических последствиях изменения среды и сделать лишь косвенные выводы об особенностях самого фактора. Таким образом, при оценке состояния среды желательно сочетать физико-химические методы с биологическими.

     Актуальность  биоиндикации обусловлена также  простотой, скоростью и дешевизной определения качества среды.  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     2 Насекомые как  объект биоиндикации 

     Наблюдать за изменениями животных в нарушенной среде значительно сложнее, чем  за неподвижными растениями. Более  доступны насекомые. Эти группы чаще других используют в целях биоиндикации.

     1. Морфологические изменения (размеров, пропорций, покровов, окраски, уродства):

     а) размеры и пропорции тела на загрязненных участках достоверно отличаются:

• У ряда тлей (ширина головы, длина бедра и голени, усиков, хвостика и сифона);
• На загрязненном корме размеры личинок насекомых обычно уменьшаются;

     б) покровы. У тли (Aphis fabae) после добавления к пище сульфит-ионов существенно  изменялись полигоны и зернистость  кутикулы у потомком;

     в) окраска. Явление промышленного  меланизма (более темной окраски) в загрязненных районах отмечено у:

• Бабочки пяденицы березовой;
• Двухточечной божьей коровки (доля черных форм обычно 2-3%, а в загрязненных районах много выше);
• Коллемболы (Orchelesella villosa);

     г) уродства. Под действием ксенобитотиков (дизельного топлива, ДДТ и др.) возникают нарушения формообразующих процессов в онтогенезе насекомых. В опытах доля аномальных бабочек огневки выросла от 5 до 35% при добавлении в пищу PbO.

     2. Физиологические изменения. Следующие изменения покажут принцип использования физиологических показателей в целях биоиндикации:

     а) у личинок водных насекомых имеются  хлоридные клетки, способные активно  поглощать анионы, особенно хлорид-ионы, обеспечивая постоянство их концентрации в гемолимфе. Эти клетки обычно расположены на жабрах (личинки поденок) или на брюшке (личинки ручейников). Число этих клеток обратно пропорционально уровню солености, при каждой линьке их число приводится в соответствие с соленостью среды. От линьки к линьке можно определить тенденции в изменении солености водоема;

     б) общее физиологическое состояние  организма насекомого может быть охарактеризовано общим количеством  гемоцитов (клеток гемолимфы) в единице  объема и соотношением их основным типов. Например, в зоне загрязнения  сернистым газом количество гемоцитов у гусениц сосновой пяденицы падает вдвое, при этом возрастает количество фагоцитов с 5 по 32%.

     3. Размножение. Плодовитость обычно падает, например:

• У тлей и непарного шелкопряда при окуривании их сернистым газом;
• У коллембол (Onychiurus armatus, Orrchesella cincta) на участках, загрязненных тяжелыми металлами.

     В лабораторных условиях в качестве тест-организмов могут быть использованы саранчовые (Acrotylus patruelis, Aiolopus thalassinus). При действии хлорида ртути у этих видов  возрастает число яиц в кладке, при действии мочевины (>0,055 г./кг почвы) уменьшается число яиц в кладке и количество кладок.

     4. Онтогенез и продолжительность жизни:

     а) нарушение течения линек у  насекомых:

• При загрязнении у бабочек снижается доля окукливающихся гусениц и процент вылета имаго;
• Удлинение личиночной стадии у совки (Scotia segetum) при интоксикации медью и у непарного шелкопряда при фумигации фтористым водородом (HF) и метилмеркаптаном;

     б) сокращение сроков развития:

• У совки (Scotia segetum) на 4-7 дней при добавлении хлорида кадмия (CdCI2);
• У коллембол (Isotoma notabilis, Onychiurus armatus) при загрязнении тяжелыми металлами;

     в) изменение срока жизни. Обычно он сокращается, например:

• У кобылки (Acrotylus patruelis) при увеличении концентрации HgCI2;
• У гусениц (особенно младших возрастов) непарного, тутового и соснового шелкопрядов, сосновой пяденицы и многих других при питании загрязненным кормом и фумигации промышленными выбросами;
• У личинок мухи (Calliphora vicina) пропорционально концентрации сернистого газа.

     Реже  наблюдают удлинение срока жизни, например, у дрозофилы при добавлении в пищу 0,3% антиоксиданта пропилгаллата  срок жизни возрастает на треть. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     3 Насекомые как  биоиндикаторы почвенной  среды 

     Большое значение  при построении имитационной модели почвенных экосистем имеет выделение основных факторов среды,   определяющих развитие каждого из биоценозов.

     Основная  задача при этом заключается  в  том, чтобы проследить в дальнейшем изменения  позитивных и негативных факторов в новых экологических условиях. Это позволит оценить в целом состояние почвенной среды и составить прогноз его изменения.

     Решение этих задач на практике осуществляют с помощью различных видов-

     Основными целями биоиндикации почвы являются:    

• выяснение отдельных свойств почвы и почвенных процессов,     
• оценка антропогенного вмешательства  (рекреация, загрязнение,  эвтрофикация почв)
• прогнозирование экологического состояния почвенной среды. 

     Начальным этапом биоиндикации является выбор вида-биоиндикатора.      При этом следует придерживаться следующих важных критериев выбора биоиндикатора: 

• быстрый ответ;
• надежность  (ошибка  <20%);
• простота;
• мониторинговые возможности  (постоянно присутствующий в природе объект).

     Биоиндикаторы принято описывать с помощью двух характеристик: специфичность и  чувствительность. При низкой специфичности биоиндикатор реагирует на разные факторы, при высокой – только на один. При низкой чувствительности биоиндикатор отвечает  только на сильные отклонения фактора от нормы, при высокой – на незначительные. К  таким тест-организмам в почвенном сообществе относятся многие группы беспозвоночных,  и в первую очередь, насекомые. На определенное состояние среды зачастую может указать лишь присутствие тех или иных видов- биоиндикаторов в почве.

     В связи с этим, на следующем этапе практической работы происходит определение и описание отдельных свойств почвы по наличию или отсутствию различных беспозвоночных организмов. К таким характеристикам почвы относятся: механический состав, тип гумуса, степень гумификации органических остатков,  кислотность  (рH), содержание кальция, а также гидротермический режим почвы.

     Грубый  тип  гумуса диагностируют многоножки-геофилиды,  мягкий гумус –  личинки комаров-долгоножек.

     Степень созревания компостов можно также  определить по преобладанию разных групп беспозвоночных (в зрелых компостах много среди коллембол преобладают белые почвенные формы).

     Разные  стадии разложения древесины осуществляются при участии разных групп организмов, которые могут служить индикаторами. Так,  первую стадию маркируют жуки-усачи и короеды,  вторую  – ферментативная активность грибов,  третью  – муравьи и четвертую – дождевые черви.

     Высокое содержание кальция определяется по обилию в почве особых групп организмов - калькофилов. К ним относятся многоножки- диплоподы. И, наконец,  показателем глубокого залегания грунтовых вод является, например, присутствие личинок майского хруща в почве.

     Последующий этап индикации состояния почвы представляет собой оценку антропогенного вмешательства. На сильное воздействие антропогенного фактора указывают различные изменения животных в нарушенной среде,       затрагивающие их морфологию, физиологию и поведенческие реакции.

     Наиболее  доступными для изучения являются морфологические изменения организмов – особенности размеров, пропорций, покровов, окраски, уродства.

     На загрязненном корме обычно уменьшаются размеры личинок и имаго насекомых (может меняться ширина головы, длина бедра и голени, усиков и т.п.), а также отличается их окраска (у коллембол).

     Под действием ксенобиотиков (дизельного топлива, ДДТидр.) возникают нарушения  формообразующих процессов в онтогенезе насекомых.

     Уязвимы к антропогенному воздействию размножение  и развитие организмов. Так, на участках,  загрязненных тяжелыми металлами, плодовитость насекомых обычно падает,  но иногда, как у некоторых коллембол,    повышается.  При этом,  у коллембол наблюдается сокращение сроков развития.

     Антропогенные факторы воздействуют также на количественные показатели популяций организмов.  В связи с этим особое внимание в работе уделяется определению плотности популяций видов-индикаторов. Для биоиндикации важен выход этого показателя за пределы нормы.

     Среди почвенных насекомых по реакции на прямое, либо опосредованное воздействие техногенного фактора выделены три группы

• чувствительные, положительно реагирующие на умеренные дозы техногенного вещества -  диплоподы.
• чувствительные, испытывающие негативное влияние - литобиоморфные многоножки и герпетобионтные насекомые.
• индифферентные, не имеющие индикационного значения для данного типа загрязнения - большинство насекомых, развитие которых протекает в почве.

     Заключительный  этап биоиндикации почвы с помощью насекомых представляет собой составление общей характеристики экологического состояния почвы и ее обитателей, которая включает описание доминирующей линии развития объектов исследования, выявление основных факторов фона и критериев для оценки пороговых уровней возможных изменений,   подтвержденных количественными данными. При этом устанавливается логическая последовательность событий, показывающая изменения, которые претерпевают объекты исследований в данных экологических условиях, и представляется прогноз экологического состояния почвы в данном регионе.

     Таким образом,   использование насекомых в качестве биоиндикаторов позволяет оценить,  в целом,   состояние почвенной среды,    а именно ее токсичность, эвтрофикацию,  содержание определенных элементов и даже угрозу различных заболеваний.

     Также насекомые используются для диагностики элементарных почвенных процессов.

     Существует 14 элементарных почвенных процессов (ЭПП), в том числе оглеение, олуговение, образование лесной подстилки, остепнение, засоление и др. Для диагностики  этих процессов могут быть использованы экогруппы беспозвоночных, объединения видов со сходным пространственным распределением. Особенно наглядно выделяются экогруппы по катене - ландшафтному профилю, проходящему от местной депрессии к местному водоразделу. Так, для степной катены Барабинской низменности Мордкович выделил 8 экогрупп имаго жужелиц: пойменно-болотная, болотная, солончаковая, лесная, лугово-лесная, солонцовая, луговая и степная.

     То, что виды предпочитают одну и ту же часть катены, говорит об их адаптированности к какому-то одному интегральному фактору, который является ведущим в данном типе почв. Таким фактором можно считать ЭПП, который влияет на жужелиц через изменение экологической обстановки. В таком случае пойменно - болотная экогруппа жужелиц четко диагностирует место и интенсивность глеевого процесса в верхней части почвы, болотная - торфообразование, солончаковая - солончаковый процесс (галобионты), луговая - лесная - осолодение, солонцовая - осолонцевание (мелкие плоские жужелицы, обитающие в трещинах), луговая - луговое гумусонакопление, степная - степной почвообразовательный процесс, лесная - процесс образования лесной подстилки.

     Далее проводится диагностика типов почв по спектрам экогрупп. Тип почв характеризуется определенным сочетание ЭПП. А так как каждому ЭПП соответствует определенная, то типы почв отвечает определенный спектр экогрупп. Например: обыкновенный чернозем отличается доминированием жужелиц степной экогруппы (74%), что указывает на определяющую роль степного гумусонакопления в процессе формирования чернозема. Наличие 15% луговых видов маркирует проявление процесса олуговения во влажные сезоны. Небольшая доля участия других экогрупп (болотной, лугово - лесной, солонцовой и лесной) свидетельствует о былом гидроморфизе чернозема и его возможной облесенности в прошлом. 

     4 Насекомые как  биоиндикаторы водной  среды 

     При оценке качества воды необходимо помнить, что проведение соответствующих  измерений требует соблюдения определенных принципов.

     При первых визитах к реке или другому  водоему мы, как правило, задаем описательные вопросы: что, каким образом и  где. Функциональные вопросы (почему?) возникают позднее. Эти вопросы  гораздо труднее, для ответа на них  уже требуется не только измерительная работа, но и работа с литературой и мыслительные усилия.

     При интерпретации результатов измерений  качества воды надо иметь в виду, что результаты измерений верны  только по отношению к определенному  времени. Днем позднее или ранее  результаты измерений могут существенно отличаться. Например, вы можете отметить очень низкую концентрацию нитратов в ручейке или речке в один из дней. Однако, придя на другой день, вы можете отметить чрезвычайно высокое содержание нитратов, так как находящееся неподалеку сельскохозяйственное предприятие вывалило навоз в реку. Таким образом, физико-химические измерения позволяют оценить качество воды только на данный момент.

     Присутствие индикаторных видов растений или  животных позволяет более глубоко  судить о качестве воды в водоеме.

     Оценка  качества воды водоемов и водотоков  может быть проведена с использованием физико-химических и биологических  методов. Биологические методы оценки - это характеристика состояния водной экосистемы по растительному и животному  населению водоема.

     Любая водная 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 водных сообществ и соотношении численности слагающих их видов. Биологический метод оценки состояния водоема позволяет решить задачи, разрешение которых с помощью гидрофизических и гидрохимических методов невозможно.

     Оценка  степени загрязнения водоема  по составу живых организмов позволяет  быстро установить:

• санитарное состояние,
• определить степень и характер загрязнения и пути его распространения в водоеме, 
• 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 в случае далеко идущих изменений.

     Таким образом, видовой состав живых организмов из загрязняемого водоема служит итоговой характеристикой токсикологических свойств водной среды за некоторый промежуток времени и не дает ее оценки на момент исследования.

     В холодное время года системы биологической  индикации в гидробиологии вообще не могут быть применены.

     Каждая  группа организмов в качестве биологического индикатора имеет свои преимущества и недостатки, которые определяют границы ее использования при  решении задач биоиндикации.

     Зоопланктон достаточно показателен как индикатор эвтрофирования и загрязнения (в частности органического и нитратного) вод. Составной частью зоопланктона являются также разнообразные личинки насекомых.

     Зообентос - совокупность животных, обитающих  на дне и в придонных слоях  воды, служит хорошим индикатором загрязнения донных отложений и придонного слоя воды. Положительные результаты дает также оценка качества воды по личинкам насекомых. Свободно живущие личинки ручейников, а также поденок являются наиболее чувствительными организмами.

     Проведение биологических исследований имеет свои особенности в стоячих и текущих водоемах.

     Также случайные загрязнения местного характера легче всего могут  повлиять на характер населения дна (т.е. организмов бентоса) в таких  водоемах.

     Это обстоятельство заставляет при исследовании рек обращать внимание на быстрые места их течения - перекаты, плотины и т. д. Если мы хотим получить представление об общем состоянии реки, то станции необходимо выбирать именно здесь. Если же нас интересуют разовые или местные загрязнения необходимо исследовать обитателей дна в местах со слабым течением - в заводях, бочагах и т.п. После впадения в реку тех или иных загрязненных стоков последние сносятся течением вниз по реке и откладываются в более глубоких местах реки с замедленным течением.