БИОИНДИКАЦИОННЫЕ МЕТОДЫ ОЦЕНКИ КАЧЕСТВА СРЕДЫ В БРАТСКЕ НА ПРИМЕРЕ ОСИНЫ И СОСНЫ

ГЛАВА 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ ПО ТЕМЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1 Биоиндикация как метод оценки загрязнения окружающей среды

Биометрические индикаторы – это использование живых организмов для оценки условий окружающей среды. Живые объекты (или системы) — это клетки, организмы, популяции или сообщества. С их помощью можно оценивать как абиотические факторы (температура, влажность, кислотность, соленость, содержание загрязняющих веществ и др.), так и биотические факторы (благополучие организмов, популяций и сообществ).
В европейской научной литературе чаще используется термин «биологические показания», а в американской его обычно заменяют аналогичным названием «экотоксикология». Часто задают вопрос: «Почему мы должны использовать живые организмы для оценки качества окружающей среды, когда проще использовать физические и химические методы?» По мнению Ван Страалена (1998), существует как минимум три случая, когда биологические показания имеют существенное значение. Фактор невозможно измерить. Особенно это характерно для попыток реконструировать климат прошлых эпох. Таким образом, анализ пыльцы растений Северной Америки за длительный период времени показал, что лесные сообщества заменяются травянистыми сообществами после перехода от теплого и влажного климата к сухому и прохладному.
В другом случае остатки диатомей (соотношение ацидофильных и галофильных видов) позволяют предположить, что вода шведского озера в прошлом была кислой по вполне естественным причинам. Факторы трудно измерить. Некоторые пестициды разрушаются так быстро, что их первоначальную концентрацию в почве невозможно определить. Например, инсектицид дельтаметрин активен лишь в течение нескольких часов после применения, тогда как его действие на фауну (жуков и пауков) можно наблюдать в течение нескольких недель. Факторы легко измерить, но сложно интерпретировать. Данные о концентрациях различных загрязнителей в окружающей среде (если концентрации не являются запредельно высокими) не отвечают на вопрос, насколько опасна ситуация для животного мира.
Показатели предельно допустимой концентрации (ПДК) различных веществ разработаны исключительно для человека. Но очевидно, что эти показатели нельзя распространить на другие формы жизни. Есть более чувствительные виды, и они могут играть ключевую роль в поддержании экосистемы. С точки зрения охраны природы более важно получить ответы на вопрос, какие последствия возникают при концентрации тех или иных загрязнителей в окружающей среде. Биологические показания решают эту проблему, позволяя оценить биологические последствия антропогенных изменений окружающей среды.
Физико-химические методы дают качественную и количественную характеристику факторов, но лишь косвенно определяют их биологическое действие. Биологические показания, напротив, позволяют получать информацию о биологических последствиях изменений окружающей среды и делать лишь косвенные выводы о природе самих факторов. Поэтому при оценке условий окружающей среды желательно сочетать физико-химические методы и биологические методы.
Актуальность биологических показаний обусловлена также простотой, быстротой и дешевизной определения качества окружающей среды. Например, если почва в городе засолена, края листьев липы желтеют еще до начала осени. Определить такие участки можно, просто рассматривая деревья. В этих случаях биологические признаки могут позволить быстро обнаружить наиболее загрязненные места обитания. Биологические показания могут быть специфическими и неспецифическими. В первом случае изменения в жизни могут быть связаны только с одним фактором окружающей среды. Например, из-за высокого содержания озона в воздухе на листьях табака (сорт Бел W3) появляются серебристые некротические пятна. Во втором случае одну и ту же реакцию вызывают разные факторы окружающей среды. Например, численность почвенных беспозвоночных может уменьшаться из-за различного рода загрязнения почвы, вытаптывания, периодов засухи и других причин.
Биоиндикаторы – это биологические объекты (от клеток и биологических макромолекул до экосистем и биосферы), которые используются для оценки состояния окружающей среды. Они используют термин «система биомаркеров», когда хотят подчеркнуть, что биомаркеры могут принадлежать к разным уровням организации организма.
Критерии выбора биомаркеров:
· Быстрый ответ;
· Надежность (погрешность <20%);
· Простота;
· Функции мониторинга (объекты, постоянно присутствующие в природе).
Типы биомаркеров:
1. Чувствительный. Быстро реагируйте на существенные отклонения от нормы. Например, отклонения в поведении животного и физиологических реакциях клеток можно обнаружить сразу после возникновения нарушения.
2. Перезаряжаемый. Он накапливает шок, не указывая на беспокойство. Например, леса на ранних стадиях загрязнения или вытаптывания имеют одинаковые ключевые характеристики (видовой состав, разнообразие, богатство и т. д.). Через некоторое время начинают исчезать редкие виды, изменяются основные формы, меняется общая численность организмов и так далее. Поэтому лесные сообщества как биоиндикаторы не сразу обнаруживают нарушения окружающей среды. Биомаркеры обычно описываются с использованием двух характеристик: специфичности и чувствительности. Из-за низкой специфичности биомаркеры реагируют на множество факторов. Высокая специфичность означает только один ответ.
При низкой чувствительности биомаркер реагирует только на сильные отклонения фактора от нормы. Высокая чувствительность реагирует даже на незначительные отклонения. Тестовые организмы — это биологические индикаторы (растения и животные), используемые для оценки качества воздуха, воды или почвы в лабораторных экспериментах. Примеры тест-организмов: Одноклеточные зеленые водоросли (хлорелла, лишайник Требоксия и др.); Простейшие: инфузория-туфелька; Членистоногие: ракообразные дафния и артемия; Мох: мний; Цветковые растения: плевела, кресс-салат.
Одним из ключевых требований к тест-организму является возможность получения культур генетически однородных организмов. В этом случае различия между экспериментом и контролем, скорее всего, будут обусловлены мешающими факторами, а не индивидуальными различиями между особями.
Преимущества биометрических индикаторов:
1. Биоиндикаторы постоянно присутствуют в окружающей среде и развивают постоянные реакции на появление внешних воздействий, в том числе преходящие и кратковременные, что позволяет адекватно определять концентрации даже через длительные промежутки времени, что важно при проведении регулярного мониторинга. Наблюдения не всегда можно проводить с помощью физического анализа (химических методов среды).
2. Устраняет необходимость детального анализа состава и уровней биомаркеров, физических и химических компонентов, позволяющих разработать индикаторные реакции на комплексные воздействия, а также снижает финансовые и временные затраты на исследования.
3. Использование биологических индикаторов позволяет определить содержание загрязняющих веществ физического, химического и биологического происхождения в окружающей среде, а также скорость естественных процессов загрязнения и возможные пути распространения загрязняющих веществ, что позволяет прогнозировать изменения окружающей среды. будущее качество окружающей среды.
4. Оценка характеристик ответа, продолжительности, амплитуды и обратимости биомаркера. Необходимо разработать критерии экологической стандартизации качества ОС, чтобы можно было определить пределы допустимой нагрузки на ОС.

1.2 Уровни биоиндикации

Биоиндикация может осуществляться на всех уровнях организации живого: биологических макромолекул, клеток, тканей и органов, организмов, популяций (пространственная группировка особей одного вида), сообществ, экосистем и биосферы в целом. На низших уровнях биоиндикации возможны прямые и специфические формы биоиндикации, на высших - лишь косвенные и неспецифические. Однако именно последние дают комплексную оценку влияния антропогенных воздействий на природу в целом.
Биоиндикация на этих уровнях основана на узких пределах протекания биотических и физиологических реакций. Ее достоинства заключаются в высокой чувствительности к нарушениям, позволяющим выявить даже незначительные концентрации поллютантов, и выявить их быстро. К числу недостатков относится то, что биоиндикаторы-клетки и молекулы требуют сложной аппаратуры.
Молекулярный уровень: содержание стероидов, энергетический заряд, отношение концентраций аминокислот, хромосомные нарушения. Уровень органоидов клетки: показатель стабильности лизосом, латентность лизосомальных ферментов.
Клеточный уровень: повреждение мембраны клетки.
Тканевый уровень: язвы и эрозия, аномалии скелета, новообразования в тканях, изменения в иммунной реакции, лимфоцитоз.
Организменный уровень: оценка физиологического состояния особи и ее поведения (изменение скорости питания и потребления кислорода, изменение скорости роста и плодовитости, изменение состава крови, показатели поведения организмов).
Популяционный уровень: скорость роста популяции, воспроизводство, распределение и обилие видов, структура популяции (генеративная, половая, возрастная), динамика популяции.
Уровень сообщества: видовое разнообразие, соотношение основных групп, размерная структура, хорологическая и трофическая структуры, продукция и дыхание сообщества.
Экосистемный уровень: структурные и функциональные особенности. Обмен веществ, энергетические и информационные связи.
В книге «Биоиндикация загрязнений наземных экосистем» (1988) под редакцией Р. Шуберта выделено шесть уровней биоиндикации:
1. Биохимические физиологические реакции;
2. Анатомические, морфологические, биоритмические и поведенческие отклонения;
3. Флористические, фаунистические и хорологические изменения;
4. Ценотические изменения;
5. Биогеоценотические изменения;
6. Изменения ландшафтов.
На низших уровнях организации живого вещества чаще всего преобладает прямая специфическая индикация. Биоиндикация на низших уровнях диалектически включается в биоиндикацию на высших уровнях, приобретая новые качественные черты. При этом преобладает косвенная неспецифическая индикация. Остановимся более подробно на биоиндикационных признаках загрязнений экосистем, используемые на том или ином уровне биоиндикации.
Биохимические и физиологические реакции. На этом уровне объединены так называемые невидимые повреждения. Как синонимы в литературе широко используются понятия «физиологические повреждения», «латентные повреждения». Многие живые организмы обладают относительно высокой чувствительностью к воздействию загрязняющих веществ. Их можно использовать как индикаторы для определения уровня и вида загрязнения, а также для проведения мониторинга состояния атмосферного воздуха, природных вод и почв. Если организмы способны накапливать достаточное количество загрязняющих веществ без изменения их метаболических процессов и если эти поллютанты могут быть легко выявлены и идентифицированы в биомассе, то такие виды можно использовать для определения общего количества загрязняющих веществ, накопленных в организмах за определенный промежуток времени. При слабой интенсивности воздействия стрессора такие повреждения действительно остаются невидимыми.
Анатомические, морфологические, биоритмические и поведенческие отклонения. Одним из широко применяемых методов экологической оценки состояния окружающей среды является анализ особенностей морфологического строения биологических объектов. Накоплению поллютантов в организме при эмиссионных воздействиях, нарушения метаболизма, возникающие при параметрических и ландшафтнодеструктивных изменениях экосистем, приводят к изменению строения тканей, органов и в целом к модификации диагностических признаков видов. При оценке экологического состояния окружающей среды по морфологическим отклонениям в качестве индикаторов должны быть выбраны наиболее чувствительные виды, обладающие хорошо выраженными, яркими и легко распознаваемыми реакциями на определенное антропогенное воздействие. Изучение анатомо-морфологических признаков, не требующее больших материальных затрат, имеет особое практическое значение для экспресс – оценки интенсивности техногенного воздействия на экосистемы. В качестве индикаторных признаков эффективно применение морфологических показателей: высоты растений, длины и ширины листьев, междоузлий и т.д. У древесных видов возможно изучение таких морфологических признаков, как высота стволов, высота прикрепления кроны, первой живой ветви, высота отслаивающейся корки, стояние и разреженности коны, суховершинность и др. Возможность количественной оценки перечисленных параметров при сравнительном анализе фоновых и антропогенно нарушенных территорий с применением аппарата математической статистики повышает надежность и достоверность прогноза сукцессий и выводов о современном состоянии экосистем. Возникновение уродливых форм (тератов), появление хлороза и некроза являются крайней формой проявления стрессового воздействия.
Морфологическая изменчивость растений изучена в различных природноклиматических зонах как под влиянием природных геохимических аномалий, так и при техногенном загрязнений окружающей среды. Но такие отклонения в развитии организма являются лишь качественным признаком стрессовой ситуации. Использование признаковой системы «присутствие – отсутствие» параметра не дает представления об интенсивности воздействия или частоте стресса. Переход к количественной характеристике достигается за счет использования бонитировочных шкал некрозов, хлорозов или, например шкалы продолжительности хвои (листвы) древесных пород. Интенсивность воздействия диагностируется степенью поражения (%покрытия) листьев хлорозом или некрозом, представленной в виде соответствующих классов.
Таким образом, реализуя статистический подход, при сравнительной оценке серии пробных площадей можно получить объективную информацию о степени нарушения и экологическом состоянии окружающей среды.
Таким образом, при биоиндикации используются следующие признаки: 1)изменение окраски листьев и тела, отдельных органов животных; 2)преждевременное пожелтение листьев растений – хлороз. Отмирание тканей – некроз. Выделяют различные формы хлороза и некроза: точечный, пятнистый, межжилковый, краевой, тип «рыбьего скелета», верхушечный, линейный и др.; 3)преждевременные увядания и опадания листвы (дефоилиация); 4)изменение размеров и продуктивности растений и животных; 5)изменение формы клеток, структуры тканей.
Токсичные вещества нейтрализуются внутри клеток или связываются в составе труднорастворимых соединений, морфологически проявляющихся в формировании друз кристаллов (например, оксалатов кальция), «конкреций» и других новообразований; 6)изменение формы роста, экобиоморфных признаков; 7)появление уродливых форм – тератов. Морфологические отклонения в развитии являются одним из наиболее ярких биоиндикационных признаков. Они могут возникать под воздействием различных стрессовых факторов. Врожденные аномалии развития сельскохозяйственных животных отмечаются под действием загрязнения окружающей среды ТМ, ХОС, при радиационном облучении и т.д.; 8)Биоритмические изменения. Особый интерес представляют ритмы, связанные с периодичностью геофизических процессов(циркадианные, окололунные, окологодовые, околоприливные). Основными факторами, определяющими цикличность, выступает освещенность, температура, влажность. Изменение их обуславливает изменение ритмов. Искусственное освещение, изменение температуры вызывает, к примеру, повторное цветение; 9)поведенческие отклонения животных.
3.Флористические, фаунистические и хорологические изменения. Негативное воздействие антропогенеза на природные экосистемы проявляется в изменении их видового состава. Присутствие любого вида в составе сообщества носит случайно-детерминированный характер. С одной стороны, расселение видов определяется случайными факторами и зависит, например, у растения от пассивного переноса семян с помощью ветра, воды, животных или человека. Однако, попадая в различные местообитания, любой организм испытывает на себе влияние внешних факторов и вступает в конкурентные, так называемые системообразующие отношения, выдержать которое может не каждый.
Таким образом, присутствие вида, его обилие, морфологические особенности и процессы жизнедеятельности зависят от того, насколько условия биотопа отвечают тем требованиям, которые он предъявляет к условиям существования. Обладая определенной устойчивостью к негативным воздействиям, виды формируют сообщества, отличающиеся биоразнообразием, которое может быть использовано для индикационных целей.
Показательными признаками являются: 1)видовой состав, видовое разнообразие; 2)характер распространения вида; динамика ареала, в том числе расширение ареалов синантропных видов; 3)популяционный анализ (продуктивность, плотность, динамика ареала, возрастная структура, смертность, внутривидовая дифференциация и формирование различных популяций, отбор устойчивых экотипов). Важной задачей при оценке состояния окружающей среды с применением биоиндикационного метода является выбор видовиндикаторов. От правильности ее решения зависит эффективность применяемого метода в мониторинговых исследованиях и достоверность полученных материалов. Различные виды живых организмов реагируют на антропогенные воздействия по-разному: одни - более, а другие – менее чувствительны к антропогенному стрессу. Некоторые виды более подходят для индикации нарушения почвенного покрова, другие – воздушного загрязнения. Виды-индикаторы – это организмы (или популяции), встречаемость, жизненность и чувствительность которых изменяется под влиянием внешних условий. Это широко распространенные, экологически пластичные виды зональных фитоценозов. Критерии выбора индикаторных видов к настоящему моменту в основном определены: широкий ареал распространения вида, высокая встречаемость, достаточная биомасса. Необходимо, чтобы наряду с простотой учета и добычи они обладали бы специфической реакцией на факторы окружающей среды.
В соответствии с задачами исследования возникают особые требования к фитоиндикатору. Так, например, некоторые виды особенно подходят для индикации воздушного загрязнения, другие – для оценки интенсивности рекреационной нагрузки. Кроме того при оценке экологического состояния окружающей среды по морфологическим отклонениям и химическому составу биомассы в качестве индикаторов должны быть выбраны наиболее чувствительные виды. При изучении химического состава растений как показателей загрязнения геосистем необходимы устойчивые виды, отражающие изменение химизма среды. В тундровых экосистемах таковыми являются ивы, карликовая береза, багульник, кладония альпийская. В таежных фитоценозах рекомендуется использовать древесные виды – сосна обыкновенная, ель европейская, ель сибирская, береза повислая, береза пушистая, виды травяно-кустарничкового яруса черника, брусника. В широколиственных лесах фитоиндикаторами антропогенных нарушений являются липа мелколистная, дуб черешчатый, бук лесной, граб. В степях наиболее показательными являются шалфей степной, коровяк фиолетовый, полынь австрийская, подмаренник настоящий. В селитебных условиях, где отсутствует естественная зональная растительность, в качестве индикаторов могут быть использованы интродуцированные виды рода тополь, липа мелколистная, дуб черешчатый. Биоиндикаторами могут быть как натуральные объекты, так и тесторганизмы, обладающие известной реакцией на воздействие стресса и искусственно помещенные в испытуемые условия. Достаточно хорошо изучены и широко применяются при диагностике различные виды различных видов загрязнений салат-латук, полевица побегообразующая, полевица тонкая, табак курительный, некоторые виды мхов и лишайников.
В биотестировании качества воды используется рачки (дафнии), бактерии, инфузории, рыбы гуппи. В качестве объекта исследования в таежных экосистемах широко используется сосна обыкновенная, древостой которой является хорошим индикатором техногенных эмиссионных воздействий. Этот вид широко распространен, не требователен к климатическим условиям и почве, легко переносит засуху и не страдает от заморозков, чувствителен к загрязнениям. Хорошо изучены основные параметры сложения древостоя: радиальный и линейный прирост, продолжительность жизни хвои, наличие некроза и хлороза, жизненное состояние древостоя. Установлена зависимость их изменения от положения в рельефе и удаленности от источника выбросов, давности последнего пожара, интенсивности рекреационной нагрузки. Вид рекомендован как перспективный для внедрения в практику биомониторинга. Виды травяно-кустарничкового яруса, расположенные под пологом леса, более зависимы от рекреационной нагрузки и низовых пожаров. Показано, что изменения видового состава травяно-кустарничкового яруса напрямую не связаны с антропогенными эмиссиями. Большей индикаторностью они обладают в биогеоценозах, лишенных древесного яруса: в степях, лесотундре, тундре. При изучении состояния травянокустарничкового яруса целесообразен учет биомассы растений, видового разнообразия, степени сложения ценоза тем или иным видом. Высокой индикационной значимостью отличаются мхи и лишайники. В практике биомониторинговых исследований хорошо зарекомендовали себя лихено- и брио- индикационные методы. Изучение бриосинузий позволяет установить интенсивность рекреационной и техногенной нагрузки на лесные экосистемы. Характерно увеличение видового разнообразия мохового покрова при нарастании антропогенной нагрузки. Лихеноиндикация является надежным методом при оценке эмиссионных воздействий, особенно при оценке чистоты атмосферного воздуха.
4. Ценотические изменения. Индикаторные признаки биоценотического уровня имеют большое значение при визуальных рекогносцировочных и мониторинговых исследованиях особенно в труднодоступных районах. Смена коренных зональных сообществ вторичными свидетельствует об интенсивности антропогенного влияния и комплексном воздействии всех факторов на конкретную экосистему. В целом антропогенные сукцессионные ряды аналогичны пространственно-временным рядам естественных динамических смен. Однако самовосстановление антропогенно нарушенных и загрязненных природно-территориальных комплексов (ПТК) может существенно отличаться по срокам и продолжительности прохождения отдельных стадий. На этом уровне биоиндикации изучаются: 1) анализ фито-, зоо- и микробиоценоза; определение видовой насыщенности, изучение доминантов и их обилия; 2) горизонтальная и вертикальная структуры биоценоза; 3) продуктивность сообщества; 4) временная динамика, цикличность; 5) экологические спектры по жизненным формам. 5. Региональные и глобальные изменения. При оценке взаимосвязи между абиотическими, биокосными и биотическими составляющими биогеоценозов необходимо иметь в виду, что четкого совпадения их границ в природе не существует. Одни и те же растительные сообщества могут формироваться на различных подстилающих породах, орографических уровнях и на разных почвах. Опыт исследований восстановительных сукцессий показывает, что по мере восстановления природного биоразнообразия размеры и границы каждого элемента биотических и биокосных систем изменяются по-разному. Индикаторными признаками антропогенных трансформаций физикогеографических ландшафтов, подзон и зон являются: 1)изменение естественных границ биогеоценозов (зональных, азональных и интрозональных); 2) видовая насыщенность; 3) анализ пищевых цепей; 4) установление гемеробности (окультуренности) природнотерриториальных комплексов.