Антропогенных нагрузок на основе реакции на них живых организмов

Состояние биологической системы (организм, популяция, биоценоз) в той или иной степени характеризует воздействие на нее природных или антропогенных факторов и условий среды и может применяться для их оценки.

Учёные Древнего Рима и Древней Греции писали в своих фундаментальных работах о некоторой возможности использования живых организмов в качестве показателей, которые находятся в определённых природных условиях. Например, в трудах А.Н. Радищева и М.В. Ломоносова упоминается о растениях, которые представляют собой показатели особенностей почв, горных пород, подземных вод. В ХIХ веке с развитием экологии была показана связь растений с факторами окружающей среды. Геолог А.М. Карпинский писал о возможности растительной биоиндикации, также другие геологи использовали способ распределения растительных сообществ для составления геологических карт, а почвоведы в свою очередь - почвенных карт. Русский учёный почвовед В.В. Докучаев внёс огромный вклад в развитие биоиндикации [2].

В начале ХХ века биоиндикационные исследования стали развиваться интенсивно, и сформировался раздел геоботаники – индикационная геоботаника.

Работа по изучению биоиндикаторов ведётся давно во всём мире. Существует лаборатория биоиндикации и в структуре НИУ «БелГУ».

Наиболее известные методики, которые получили распространение на общемировом уровне – это лихеноиндикация, анализ химического состава хвои, использование хвойных растений, скорость разложения растительных остатков, определение почвенных ферментов.

Изучение спектра биологических эффектов загрязнителей окружающей среды в эксперименте является процессом трудоемким и длительным.

На данный момент времени в мире уже разработаны методы, позволяющие проводить предварительную оценку экологического состояния в сравнительно короткий срок. К числу таких методов относятся: метод биоиндикации и расчётный метод. С помощью них проводят сравнительный анализ состояния различных экосистем на настоящий момент времени и на протяжении ряда лет. При работе с этими методами не требуется сложное лабораторное оборудование, дорогостоящие реактивы и тем самым, методы доступны студентам ВУЗов небиологических специальностей. Кроме того, они дают возможность овладения навыками научного эксперимента [7].

Биоиндикация – это метод обнаружения и определения экологически значимых природных и антропогенных нагрузок на основе реакций на них живых организмов непосредственно в среде их обитания [8]. Он позволяет судить о состоянии окружающей среды по факту встречи, отсутствия, особенностям развития организмов – биоиндикаторов [20]. В настоящее время можно считать общепринятым, что основным индикатором устойчивого развития в конечном итоге является качество среды обитания.

Основными исходными понятиями в биоиндикации являются «биоиндикатор» и «объект индикации».

К объектам биоиндикации относятся определённые типы природных объектов, такие как почва, вода, воздух, а также различные свойства этих объектов (механический, химический состав и др.) и определённые процессы, протекающие в окружающей среде (засоление, эрозия), в том числе происходящие и под влиянием человека [18]. Показатели, которые при этом используются, называются индикаторами.

По современным критериям б иоиндикаторами могут быть все живые организмы, которые обладают хорошо выраженной реакцией на внешнее воздействие, например, различные виды водорослей, бактерий, грибов, растений и животных. В свою очередь, ведущая роль при этом принадлежит фитоиндикации – изучению реакций растений на стрессовые воздействия. В качестве биоиндикаторов широко используются древесные растения (дендроиндикация), лишайники (лихеноиндикация) и мхи (бриоиндикация) [20].

При выборе биоиндикаторов один из крупнейших американских экологов Ю.Одум считает, что нужно учитывать следующее:

1) стенобионтные виды – это виды, приспособленные к существованию в строго определенных условиях. Они являются лучшими индикаторами, нежели эвритопные (широко распространенные, обладающие широким диапазоном экологической выносливости);

2) более крупные виды являются лучшими индикаторами, чем мелкие, так как скорость оборота последних в биоценозах выше и они могут не попасть в пробу в момент исследований (при наблюдениях с длительной периодичностью);

3) при выделении вида (или группы видов), используемого в качестве индикатора воздействия того или иного фактора, необходимо иметь полевые и экспериментальные сведения о лимитирующих значениях данного фактора с учетом возможных компенсаторных реакций организма и толерантности вида (группы видов);

4) численное соотношение разных видов (популяций или сообществ) более показательно и является более надежным индикатором, нежели численность одного вида [2].

Многолетний опыт ученых разных стран по контролю состояния окружающей среды показал преимущества, которыми обладают живые индикаторы:

• в условиях хронических антропогенных нагрузок могут реагировать даже на относительно слабые воздействия вследствие кумулятивного эффекта; реакции проявляются при накоплении некоторых критических значений суммарных дозовых нагрузок;

• суммируют влияние всех без исключения биологически важных воздействий и отражают состояние окружающей среды в целом, включая ее загрязнение и другие антропогенные изменения;

• исключают необходимость регистрации химических и физических параметров, характеризующих состояние окружающей среды;

• фиксируют скорость происходящих изменений;

• вскрывают тенденции развития природной среды;

• указывают пути и места скоплений в экологических системах различного рода загрязнений и ядов, возможные пути их попадания в пищу человека;

• позволяют судить о степени вредности любых синтезируемых человеком веществ для живой природы и для него самого, причем дают возможность контролировать их действие.

В качестве биоиндикаторов могут быть использованы представители всех «царств» живой природы. Для биоиндикации не пригодны организмы, поврежденные болезнями, вредителями и паразитами. Идеальный биологический индикатор должен удовлетворять ряду требований:

• быть типичным для данных условий;

• иметь высокую численность в исследуемом экотопе;

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

• находиться в условиях, удобных для отбора проб;

• давать возможность проводить прямые анализы без предвари­тельного концентрирования проб;

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

• использоваться в естественных условиях его существования;

• иметь короткий период онтогенеза, чтобы была возможность отслеживания влияния фактора на последующие поколения.

Ответная реакция биоиндикатора на определенное физическое или химическое воздействие должна быть четко выражена, т.е. специфична, легко регистрироваться визуально или с помощью приборов.

При выборе индикатора необходимо принимать во внимание соображения экономии и учитывать характер использования тех или иных организмов.

Существуют различные виды биоиндикации. Если одна и та же реакция вызывается различными 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. Например, лишайники и хвойные деревья могут характеризовать чистоту воздуха и наличие промышленных загрязнений в местах их произрастания. Видовой состав животных и низших растений, обитающих в почвах, является специфическим для различных почвенных комплексов, поэтому изменения этих группировок и численности видов в них могут свидетельствовать о загрязнении почв, химическими веществами или изменении структуры почв под влиянием хозяйственной деятельности [20].(сказать своими словами!!!!)

Методы биоиндикации подразделяются на виды: регистрирующая биоиндикация и биоиндикация по аккумуляции.

Регистрирующая биоиндикация позволяет судить о воздействии факторов среды по состоянию особого вида или популяции, а биоиндикация по аккумуляции использует свойство растений и животных накапливать те или иные химические вещества. В соответствии с этими методами различают регистрирующие и накапливающие индикаторы.

Регистрирующие биоиндикаторы – биоиндикаторы, реагирующие на изменения состояния окружающей среды изменением численности, повреждением тканей, соматическими проявлениями (в том числе уродливостью), изменением скорости роста и другими хорошо заметными признаками. В качестве примера регистрирующих биоиндикаторов можно привести лишайники, хвойных деревьев (хлороз, некроз). Но с помощью регистрирующих биоиндикаторов не всегда удается установить причины изменений, то есть назвать факторы, определившие численность, распространение, конечный облик или форму биоиндикатора. Это один из основных недостатков биоиндикации, поскольку наблюдаемый эффект может порождаться разными причинами или их комплексом.

Накапливающие биоиндикаторы - концентрируют загрязняющие вещества в своих тканях, определенных органах и частях тела. При помощи химического анализа в дальнейшем выясняется степень загрязнения окружающей среды по содержанию в органах и тканях животных конкретных веществ. Примером таких индикаторов могут служить хитиновые панцири ракообразных и личинок насекомых, обитающих в воде, мозг, почки, печень млекопитающих, раковины моллюсков, мхи [2].см.в книге

Мониторинг с применением накапливающих биоиндикаторов зачастую требует применения сложных и дорогостоящих приборов, оборудования, трудоемких методик, что под силу только специальным лабораториям. Но в основном методы биоиндикации не требуют значительных затрат труда, сложного и дорогостоящего оборудования, а поэтому широко используются в экомониторинге.

Какой бы современной ни была аппаратура для контроля загрязнения и определения вредных примесей в окружающей среде, она не может срав­ниться со сложно устроенным «живым прибором». Правда, у живых прибо­ров есть серьезный недостаток – они не могут установить концентрацию какого-либо вещества в многокомпонентной смеси, реагируя сразу на весь комплекс веществ. Поэтому с помощью биоиндикаторов можно получить информацию о биологических последствиях и сделать только косвенные выводы об особенностях самого фактора.

Наиболее конструктивно использовать биоиндикаторы одновременно с инструментальным контролем за состоянием окружающей природной среды, применяемым при локальном мониторинге источников или объектов загрязнения.