Кафедра «Будівництво та експлуатація колії і споруд»

Кафедра «Будівництво та експлуатація колії і споруд»

 

 

Практичні роботи

З дисципліни

«Основи екології»

 

Рекомендовано

в якостіучбового посібника

 

Донецьк

 

 

ПЕРЕДМОВА

 

 

Виживання людства в умовах дефіциту природних ресурсів і продовольства, погіршення стану навколишнього природного середовища, руйнування природних екосистем – це одна з найголовніших проблем сучасності, яка має загальносвітовий характер. Людство все більше ощущают себя обитателями однієї планети, що зобов'язані в ім'я майбутнього об'єднати зусилля для вирішеннянасущных проблем, ліквідації глобальної екологічної кризи та її наслідків. Саме як кризовий можна охарактеризувати сучасний стан навколишнього природного середовища України, оскільки його самовідновлення і самовідтворення вже неможливі.

Тому в умовах глобальноїекологічної кризи актуальними є як екологічна свідомість всього населення, так і екологічна освіта кожного громадянина.Екологічна освіта формує бережливе відношення до природи і повинне продовжуватись усе свідоме життясучасної людини.У будь-якій галузі, у будь-якій професіїкожному майбутньому спеціалістунеобхідні конкретні професійні екологічні знання. Екологія виступає в якості фундаментальної основи для формування у студентів екологічного мислення.

В цьому посібнику на прикладах наведених екологічних ситуацій студенти навчаться самостійно знаходити шляхи рішення екологічних проблемв тому числі і пов'язаних з впливом залізничного транспорту на навколишнє середовище. Наведені роботи способствуют закріпленню екологічних знань,мають творчий характер.

 

Настоящее учебное пособие направлено на изучение основных компонентов биосферы. Особое внимание уделено влиянию железнодорожного транспорта на окружающую природную среду, предложены методы по ликвидации и устранению загрязнений. На примере

Авторы выражают благодарность за помощь, оказанную в подборе иллюстративного материала и за организацию съемок объектов железнодорожного транспорта: Приходько Н.В., начальнику станции «Украина» Амурской области; студентам филиала ДВГУПС г. Свободный А. Медведевой, А. Севрюк, М. Свиридову.

 

ВСТУП

 

ВВЕДЕНИЕ

На долю железнодорожного транспорта приходится 75 % грузооборота и 40 % пассажирооборота транспорта общего пользования в РФ. Такие объемы работ связаны с большим потреблением природных ресурсов и, соответственно, выбросами загрязняющих веществ в биосферу.

Железнодорожный транспорт постоянно воздействует на природную среду всех климатических зон и географических поясов нашей страны. Уровень воздействия может лежать в допустимых равновесных и кризисных границах. Воздействие объектов железнодорожного транспорта на природу обусловлено строительством дорог, производственно-хозяйственной деятельностью предприятий, эксплуатацией железных дорог и подвижного состава, сжиганием большого количества топлива, применением пестицидов на лесных полосах и др. Строительство и функционирование железных дорог связано с загрязнением природных комплексов выбросами, стоками, отходами, которые не должны нарушать равновесие в экологических системах. Равновесие экосистемы характеризуется свойством сохранять устойчивое состояние в пределах регламентированных антропогенных изменений в окружающих транспортное предприятие природных комплексах. Самоочищающая способность природной среды снижается из-за уничтожения и истощения природных комплексов. Линии железных дорог, прокладываемые на сложившихся путях миграции живых организмов, нарушают их развитие и даже приводят к гибели целых сообществ и видов.

По сравнению с автомобильным транспортом неблагоприятное воздействие железнодорожного транспорта на среду обитания существенно меньше, это связано, в первую очередь, с тем, что железнодорожный транспорт – наиболее экономичный вид транспорта по расходу энергии на единицу работы. Тем не менее, перед железнодорожным транспортом остро стоят проблемы уменьшения и предотвращения загрязнения окружающей среды.

Снижениемасштабов воздействия железнодорожного транспорта на окружающую среду объясняется следующими основными причинами:низким удельным расходом топлива на единицу транспортной работы; широким применением электрической тяги;меньшим отчуждениемземель под железные дороги по сравнению с автодорогами. Несмотря на перечисленные позитивные моменты, негативное влияние железнодорожного транспорта на экологическую обстановку весьма ощутимо. Оно проявляется, прежде всего, в загрязнении воздушной, водной среды и земель при строительстве и эксплуатации железных дорог.

Биосфе́ра – совокупность частей земной оболочки (лито-, гидро- и атмосфера), которая заселена живыми организмами, находится под их воздействием и занята продуктами их жизнедеятельности.

Учение о биосфере, появившееся в 1920 году, намного опередило своё время. Сейчас оно является общепризнанной в мировой науке теоретической основой современной экологии и природопользования. Современная концепция биосферы, основанная на идеях Вернадского, позволила свести всё многообразие жизни на Земле к единству и взаимодействию живой и неживой природы. Учением Вернадского заложены теоретические основы комплексного подхода к изучению земных объектов и явлений, к охране окружающей среды, показана возможность изучения Земли из космоса. Это дало существенный толчок к развитию биологии и экологии. Оно позволяет понять причины образования и дефицита природных ресурсов, условия возникновения ряда заболеваний у человека, возможности поиска полезных ископаемых по организмам-биоиндикаторам.

 

ПрактическАЯ РАБОТА 1

Таблица 2 – Классы опасности загрязняющих веществ для почвы

Показатель	Нормы для классов опасности
1-го	2-го	3-го
Токсичность, ЛД50^*	До 200	200-1000	Св.1000
Персистентность (устойчивость) в почве, мес.	Св.12	6-12	Менее 6
ПД (предельная доза) в почве, мг/кг	Менее 0,2	0,2-0,5	Св.0,5
Персистентность в растениях, мес.	3 и более	1-3	Менее 1
Влияние на пищевую ценность сельскохозяйственной продукции	сильное	умеренное	нет

* ЛД₅₀ – Летальная доза химического вещества, вызывающая при введении в организм гибель 50% человека,животных, растений и других живых организмов.

 

Из химических элементов, попадающих в почву с выбросами, сбросами, отходами, к различным классам опасности относят:

1 класс – мышьяк, кадмий, ртуть, селен, свинец, цинк, фтор, бензапирен;

2 класс – бор, кобальт, никель, молибден, медь, сурьма, хром, висмут;

3 класс – барий, ванадий, вольфрам, марганец, стронций.

 

 

Загрязнение окружающей среды почти всегда носит комплексный характер. В состав загрязнения входит не одно химическое вещество, а несколько, который в разных соотношениях и комбинациях могут вызывать различные эффекты.

В случае наличия в воздухе, в водах или почве нескольких токсичных элементов или соединений, то их суммарную негативную деятельность оценивают по формуле:

 

С₁/ПДК₁+С₂/ПДК₂+….+С_n/ПДК_n£1,

где С₁, С₂…- концентрации загрязнителей (мг/м³ и др.); ПДК₁, ПДК₂… - ПДК загрязнителей.

Эти вещества оказывают сходное неблагоприятное воздействие на организм, а этот эффект называется «эффектом суммации». Например, существует эффект суммации для диоксида азота и формальдегида, диоксида серы и сероводорода, фенола и ацетона, этанола и целой группы органических веществ. Очень вредной является совместное действие таких загрязнителей, как сернистый газ, оксид азота (4), серная кислота, фторид водорода, фенол. Для токсичных веществ безопасная концентрация определяется соотношением С/ПДК£1, где С – фактическая концентрация вещества в среде.

Таким образом, «эффект суммации» - это явление, при котором находящиеся в одной среде загрязнители, обладающие сходным воздействием на организм, усиливают действие друг друга.

 

Задача 1. В воздухе установлена концентрация фенола С_ф=0,345 мг/л, ацетона С_ац=0,009 мг/л, а ПДК_ф=0,35 мг/л, ПДК _ац=0,01 мг/л. Определить санитарное состояние воздушной среды в данной местности.

 

Так как эти вещества обладают эффектом суммации, то их суммарную негативную деятельность оценивают по формуле:

 

С₁/ПДК₁+С₂/ПДК₂£1

 

Для каждого из веществ указанное соотношение меньше 1:

С₁/ПДК₁<1; С₂/ПДК₂<1.

Но, поскольку эти вещества обладают эффектом суммации, то общее загрязнение фенолом и ацетоном превысит предельно допустимое, так как:

С₁/ПДК₁+ С₂/ПДК₂=0,986+0,9=1,886, что больше 1.

Ответ: несмотря на то, что концентрации фенола и ацетона в отдельности находятся в норме, вследствие эффекта суммации состояниеобщее загрязнение фенолом и ацетоном превышает предельно допустимое, т.е. состояние воздушной среды неудовлетворительное.

 

Задача 2. Ртуть и свинец обладают эффектом суммации. Рассчитать, будет ли общее загрязнение этими веществами превышать предельно допустимое при условии, что содержание ртути и свинца в почвах составляют (мг/кг): ртути – 3,6; свинца – 28. ПДК ртути – 2, свинца – 32.

 

Так как эти вещества обладают эффектом суммации, то их суммарную негативную деятельность оценивают по формуле:

 

С₁/ПДК₁+С₂/ПДК₂£1

 

С₁/ПДК₁+ С₂/ПДК₂=1,8+0,87=2,67, что больше 1,

причем С₁/ПДК₁>1; С₂/ПДК₂<1.

 

Ответ. Т.о., несмотря на то, что концентрация свинца находится в норме, вследствие эффекта суммации состояниеобщее загрязнение ртутью и свинцом превышает предельно допустимое, т.е. состояние почвы неудовлетворительное и прежде всего ее нужно очистить от ртути.

 

 

Для более полной оценки качества среды сравнительно недавно стали использовать другой критерий – ПДЭН – предельно-допустимую экологическую нагрузку: для воды – это ПДС – предельно допустимый сброс, г/с; для воздуха – ПДВ – предельно допустимый выброс, г/с. Эти величины характеризуют нагрузку, оказываемую предприятием на ОС в единицу времени, и должны обязательно входить в экологический паспорт предприятия.

ПДС – это количество вещества в сточных водах, максимально допустимое к сбросу в данном пункте водного объекта в единицу времени с целью обеспечения нормального качества воды в контрольном пункте.

ПДВ – предельно допустимый выброс загрязнителей в атмосферу - – количество вредных веществ, которое не должно превышаться во время выброса в воздух за единицу времени, чтобы концентрация загрязнителей воздуха на границе санитарной зоны не была выше, чем ПДК. Устанавливают ПДК на основе расчета рассеивания примесей в атмосфере.

ПДВ=КрхПДК,

Где Кр – коэффициент разбавления загрязнителя, м³/с.

По вычисленному ПДВ устанавливают допустимый суточный выброс (г/сут; кг/сут). При расчете ПДВ необходимо, чтобы концентрация загрязнителей воздуха на границе санитарной зоны не была выше, чем ПДК.

Санитарно-защитные зоны (СЗЗ) – это участки земли около предприятий, которые отделяют их от жилых массивов с целью уменьшения вредного влияния этих предприятий на здоровье человека. Их располагают с подветренного бока предприятий и засаживают пылестойкими деревьями или кустарниками, имеющими бактерицидные свойства (береза, белая акация, грецкий орех, дуб, канадский тополь, сосна, бузина, смородина и др.).

Согласно санитарным нормам проектирования промышленных предприятий выделяют 5 классов промышленных объектов с шириной СЗЗ от 50м до 3000м с учетом степени загрязнения воздуха вблизи производства.

1 класс делят на подклассы 1А с СЗЗ шириной 3000м (особо опасные объекты – АЭС и др.) и 1Б – 1000м (химические, нефтеперерабатывающие, металлургические и бумажно-целлюлозные заводы и предприятия, которые занимаются сжиганием кокса, вторичной переработкой цветных металлов, добычей нефти, природного газа и каменного угля).

2 класс – ширина 500м – относят цементные, гипсовые, известковые и асбестовые заводы и предприятия, которые изготавливают свинцовые аккумуляторы, пластичные массы, добывают горючие сланцы, каменный и бурый уголь.

3 класс – ширина 300м – относят предприятия по производству стекла, керамзита, угольных изделий для электропромышленности, ТЭС, заводы железобетонных, асфальтобетонных изделий, кабельные заводы и др.

4 класс – ширина 100 м – принадлежат предприятия металлообрабатывающей промышленности, машиностроительные заводы, производство кирпичей и др. строительных материалов с отходов ТЭС.

5 класс – ширина 50м – включены предприятия легкой промышленности, производство щелочных аккумуляторов, приборов для электротехнической промышленности без применения ртути и лития, производства пищевой промышленности и др.

В настоящее время на Украине и в других странах СНГ установлены ПДК для более чем 500 примесей в воздухе, более чем 1000 – в воде, более 100 – в продуктах питания и более 30 – в почвах. Кроме этого, научно обоснованы ПДК таких физических факторов окружающей среды, как шум, вибрация, электромагнитное поля разных диапазонов и др.

Таким образом, система стандартов и нормативов, которые используются для охраны окружающей природной среды и рационального природопользования, является комплексом взаимосвязанных ограничений и требований к качеству окружающей среды, с помощью которых гарантируется экологическая безопасность населения, обеспечивается сохранение биоразнообразия, а также рационально используются природные ресурсы.

Для выполнения 3 пункта задания, необходимо, используя приложение 1 и учитывая «эффект суммации», оценить санитарное состояние водоема, общее загрязнение воздуха в рабочем помещении или состояние почвогрунтов. Номер задачи предлагается в соответствии с номером варианта студента.

 

 

Задачи.

 

 

1. Оцените общее загрязнение воздуха рабочего помещения, если в нем установлены концентрации аммиака 6,6 мг/м³, формальдегида 0,02 мг/м³ и диоксида серы 14 мг/м³. К каким классам опасности веществ относятся эти загрязнители?

 

2. В водоеме вблизи нефтеперерабатывающего завода концентрация нефти и нефтепродуктов составляет 0,12 мг/л, фенолов – 0,01 мг/л, ацетона - 0,8 мг/л. Оцените санитарное состояние водоема и укажите к каким классам опасности веществ относятся указанные загрязнители?

 

3. В воздухе цеха предприятия определены следующие содержания загрязнителей: фенола - 0,06 мг/м³, диоксида азота - 0,12 мг/м³, оксида углерода - 5 мг/м³, ацетона – 0,25 мг/м³ и диоксида серы 10 мг/м³. Оцените санитарное состояние воздуха и укажите к каким классам опасности веществ относятся эти загрязнители?

 

4. В водоеме вблизи химического предприятия концентрация аммиака составляет 14,0 мг/л, формальдегида – 0,08 мг/л, фенола - 0,12мг/л, железа – 0,4 мг/л. Оцените санитарное состояние водоема и укажите к каким классам опасности веществ относятся указанные загрязнители?

 

5. На территории завода провели определение содержания загрязнителей в грунте. Выяснилось, что концентрация меди составляет 2,5 мг/кг, нитратов – 140 мг/кг, кобальта – 4,5, мг/кг, диоксида серы – 240,0 мг/кг, никеля - 5,2 мг/кг. Оцените общее санитарное состояние почвогрунта завода и укажите к каким классам опасности веществ относятся эти загрязнители?

 

6.Оцените общее санитарное состояние воздуха рабочего помещения завода, если в нем установлены концентрации диоксида серы 0,15 мг/м³, формальдегида 0,06 мг/м³, сероводорода – 0,04 мг/м³ и фенола 0,14 мг/м³. К каким классам опасности веществ относятся эти загрязнители?

 

7. На территории фабрики провели анализ грунта. Выяснилось, что концентрация гексахлорана составляет 0,05 мг/кг, толуола – 0,6 мг/кг, фозалона - 1,5 мг/кг. Оцените общее санитарное состояние почвогрунта фабрики и укажите к каким классам опасности веществ относятся эти загрязнители?

 

8. В воздухе цеха цементного завода определены следующие содержания загрязнителей: сероводорода - 0,06 мг/м³, оксида углерода - 10,5 мг/м³, пыли – 0,63 мг/м³. Оцените санитарное состояние воздуха и укажите к каким классам опасности веществ относятся эти загрязнители?

 

9. В водоеме рыбоводческого хозяйства концентрация аммиака составляет 12,0 мг/л, формальдегида – 0,06 мг/л, фенола - 0,08 мг/л. Оцените санитарное состояние водоема и укажите к каким классам опасности веществ относятся указанные загрязнители?

 

10 При анализе почвогрунта на территории завода определили, что в грунте концентрация никеля составляет 4,4 мг/кг, толуола – 0,8 мг/кг, диоксида серы - 300 мг/кг. Оцените общее санитарное состояние почвогрунта завода и укажите к каким классам опасности веществ относятся эти загрязнители?

 

 

Приложение 1

Биомониторинг

Биомониторинг является составной частью экологического мониторинга – слежения за состоянием окружающей среды по физическим, химическим и биологическим показателям [1]. В задачи биомониторинга входит регулярно проводимая оценка качества окружающей среды с помощью специально выбранных для этой цели живых объектов.Необходимо различать методы оценки состояния окружающей среды, основанные на биоиндикации (наблюдении за биотой без экспериментального вмешательства) и на биотестировании (активном вмешательстве в природные процессы, путем постановки эксперимента в природных или лабораторных условиях).

О возможности использования живых организмов в качестве показателей определенных природных условий писали еще ученые Древнего Рима и Греции. В России в рукописях XV и XVI вв. уже упоминались такие понятия, как «лес пашенный» и «лес непашенный», т. е. участки леса, пригодные для его сведения под пашню и непригодные.
В трудах М. В. Ломоносова и А. Н. Радищева есть упоминания о растениях указателях особенностей почв, горных пород, подземных вод. В XIX в. с развитием экологии растений была показана связь растений с факторами окружающей среды. О возможности растительной биоиндикации писал геолог А. М. Карпинский. Другой геолог - П. А. Ососков -использовал характер распределения растительных сообществ для составления геологических карт, а почвовед С. К. Чаянов - почвенных карт. Большой вклад в развитие биоиндикации внес русский ученый-почвовед В. В. Докучаев.
В начале XX в., в период, когда началось освоение окраин нашей страны, биоиндикационные исследования стали развиваться особенно интенсивно. Под биоиндикацией в эти годы в основном понимали регистрацию наличия или отсутствия того или иного явления (природного или антропогенного фактора среды), отмечая в терминах «есть» - «нет». К концу XX века биоиндикационные закономерности претерпели качественный скачок. В настоящее время для целого класса индикаторных видов растений и животных целесообразно говорить не только о наличии или отсутствии фактора, но и о степени его влияния на природный комплекс. Разные степени влияния на окружающую природную среду, регистрируемые с помощью этих видов, позволяют ввести шкалу воздействий (например, нет воздействия -слабое - среднее - сильное). Наличие шкалы экологического фактора позволяет намного более верно оценивать исследуемую территорию. В таком случае следует говорить не о биоиндикации, а о биодиагностике территорий -методе количественной оценки степени воздействия экологического фактора
на окружающую природную среду.

В настоящее время для оценки уровня загрязнения и его влияния на здоровье людей используется система химико-аналитического контроля.
Эта система не дает объективной оценки влияния загрязнителей на человека и биоту. Дело в том, что, используя такой подход, мы должны определить содержание многочисленных компонентов загрязняющих веществ в разных природных средах, затем сравнить их концентрации с предельно допустимыми и на этой основе сделать вывод об "опасности" или "безопасности" для биоты и человека комплексного воздействия всех этих факторов. На каждом из указанных этапов возникают проблемы и трудности, не преодолимые с позиций химико-аналитического контроля. Первая проблема состоит в том, что химический анализ позволяет установить концентрации относительно небольшого числа потенциально опасных и уже известных мутагенных и токсичных веществ. Нет никакой гарантии, что именно тот компонент, концентрация которого не определена, не оказывает негативное влияние на биологические системы? Еще одна проблема - высокая стоимость процедуры химического анализа, для осуществления которой, как минимум, требуется развитая приборная база и наличие квалифицированных специалистов.
Даже если мы сможем узнать исключительно много о химическом составе анализируемых субстратов, возникнет необходимость нормирования содержания поллютантов. И эта последняя проблема является наиболее сложной. В Украине установлены ПДК примерно для 1400 веществ в воде, более чем для 300 веществ в воздухе и 100 в почвах, т. е. для относительно небольшой части загрязнителей, поступающих в окружающую среду. В разных странах для одних и тех же токсикантов значения ПДК существенно различаются. Но это еще не главный "недостаток" химико-аналитического контроля, ограничивающий его применение для оценки качества среды обитания.

Лучше других отработана система биомониторинга водной среды. Росгидромет использует классификатор качества вод, включающий шесть классов. Оценивают показатели донных беспозвоночных, перифитона (обитатели водных растений), фито-, зоо- и бактериопланктона. 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).

Среди отслеживаемых показателей видное место заняли биологические индикаторы: эпифитные лишайники, напочвенная растительность, кустарниковая и древесная растительность, проективное покрытие деревьев, биомасса деревьев, химический состав хвойных игл, микроэлементы в хвое, почвенные ферменты, микориза, скорость разложения растительных остатков и один из прочих методов биомониторинга по выбору.

На территории бывшего СССР было намечено шесть площадей для проведения регионального мониторинга по перечисленным выше биологическим показателям.

Наиболее развиты системы регионального мониторинга в Германии и Нидерландах.

Биоиндикация

Биоиндикация – это оценка состояния среды с помощью живых объек­тов.

 

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). Термин «биоиндикация» чаще используется в европейской научной литературе, а в американской его обычно заменяют аналогичным по смыслу названием «экотоксикология».

Часто задают вопрос: «Почему для оценки качества среды приходится использовать живые объекты, когда это проще делать физико-хими­ческими методами?» По мнению Ван Штраалена (1998), существуют по крайней мере три случая, когда биоиндикация становится незаменимой.

1. Фактор не может быть измерен.

2. Фактор трудно измерить.

3. Фактор легко измерить, но трудно интерпретировать.

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 биоиндикация, 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. Например, при засолении почвы в городе листья липы по краям желтеют еще до наступления осени. Выявить такие участки можно, просто осматривая деревья. В таких случаях биоиндикация позволяет быстро обнаружить наиболее загрязненные местообитания.

Формы биоиндикации

Биоиндикация может быть специфической и неспецифической. Специфическая биоиндикация - изменения живой системы можно связать только с одним фактором среды (рис. 1). Неспецифическая биоиндикация - различные факторы среды вызывают одну и ту же реакцию.

Рис. 1. Формы биоиндикации

При другом подходе различают прямую и косвенную биоиндикацию. О прямой биоиндикации говорят, когда фактор среды действует на биологический объект непосредственно (рис. 2). Например, серебристые пятна на листьях табака возникают от прямого действия озона.

Рис..2. Прямая и косвенная биоиндикация

При косвенной био­индикации фактор дей­ствует через измене­ние других (абио­тических или биотических) фак­то­ров среды. Нап­ри­мер, приме­не­ние одного из гер­бицидов (2,2 ди­хлор­­про­пио­но­вой ки­с­лоты) на лугу ведет к уменьшению злаков в растительном покрове (с 55 до 12%) и, соответственно, увеличению разнотравья, что может рассматриваться как прямая биоиндикация. Эти изменения растительного покрова ведут к падению численности саранчовых и росту численности тлей. Изменение в соотношении двух групп насекомых – пример косвенной биоиндикации применения гербицида.

Биоиндикаторы

Биоиндикаторы – это биологические объекты (от клеток и биологических макромолекул до экосистем и биосферы), используемые для оценки состояния среды. Когда хотят подчеркнуть то, что биоиндикаторы могут принадлежать к разным уровням организации живого, употребляют термин «биоиндикаторные системы».

 

Критерии выбора биоиндикатора:

· быстрый ответ;

· надежность (ошибка <20%);

· простота;

· мониторинговые возможности (постоянно присутствующий в природе объект).

Типы биоиндикаторов:

1. Чувствительный. Быстро реагирует значительным отклонением показателей от нормы.

2. Аккумулятивный. Накапливает воздействия без проявляющихся нарушений.

 

Биоиндикаторы принято описывать с помощью двух характеристик: специфичность и чувствительность.

При низкой специфичности биоиндикатор реагирует на разные факторы, при высокой – только на один (см. примеры по специфической и неспецифической биоиндикации).

При низкой чувствительности биоиндикатор отвечает только на сильные отклонения фактора от нормы, при высокой – на незначительные.

 

Тест-организмы – это биоиндикаторы (растения и животные), которых используют для оценки качества воздуха, воды или почвы в лабораторных опытах.

Примеры тест-организмов:

· одноклеточные зеленые водоросли (хлорелла, требоуксия из лишайников и пр.);

· простейшие: инфузория-туфелька;

· членистоногие: рачки дафния и артемия;

· мхи: мниум;

· цветковые: злак плевел, кресс-салат.

Одно из основных требований к тест-организмам – это возможность получения культур из генетически однородных организмов. В таком случае отличия между опытом и контролем с большей вероятностью могут быть отнесены на счет нарушающего фактора, а не индивидуальных различий между особями.

 

2. Биоиндикация на разных уровнях
организации живого

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. Признание этого факта – достижение современной теории биоиндикации.

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 клеточном уровне 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. Именно на этих уровнях возможно наиболее раннее выявление нарушений среды. К числу недостатков относится то, что биоиндикаторы-клетки и молекулы требуют сложной аппаратуры.

Например, аккумуляция вредных веществ

Хорошим показателем загрязнения среды может служить повышенная концентрация поллютантов в клетках живых организмов. Так, накопление ртути в перьях птиц позволило с помощью чучел проследить динамику загрязнений ртутью. Обнаружено, что с начала 40-х годов ХХ века содержание ртути в перьях фазана, куропаток, сапсана и других увеличилось в 10–20 раз, по сравнению с 1840–1940 гг.

Фитоиндикация

Еще в древности некоторые виды растений использовали для поиска руд и других полезных ископаемых. Повреждения растений дымом были отмечены в середине XIX века вокруг содовых фабрик Англии и Бельгии.

Преимущества биоиндикации на этом организменном уровне – это небольшие затраты труда и относительная дешевизна, поскольку не требуются специальные лаборатории и высокая квалификация персонала.

Применение растений в качестве биоиндикаторов называется фитоиндикацией, а данные биоиндикаторы – фитоиндикаторами.

Морфологические изменения растений, используемые в биоиндикации:

1. Изменения окраски листьев (неспецифическая, реже специфическая, реакция на различные поллютанты):

· Хлороз – бледная окраска листьев между жилками. Отмечали при из­бытке в почве тяжелых металлов и при газодымовом загрязнении воздуха.

· Пожелтение участков листьев. Характерно для лиственных деревьев при засолении почвы хлоридами.

· Покраснение, связанное с накоплением антоциана. Возникает под действием сернистого газа.

· Побурение или побронзовение. Часто означает начальную стадию некротических повреждений.

· Листья как бы пропитаны водой (как при морозных повреждениях). Возникает под действием ряда окислителей, например, пероксиацетилнитрата.

· Серебристая окраска листьев. Возникает под действием озона на листьях табака.

2. Некрозы – отмирание участков ткани листа, их форма иногда специфична.

· Точечные и пятнистые. Серебристые пятна на листьях табака сорта Bel W3 возникают под действием озона.

· Межжилковые – некроз тканей между боковыми жилками 1 порядка. Часто отмечаются при воздействии сернистого газа.

· Краевые. На листьях липы под влиянием соли (хлорида натрия), которой зимой посыпают городские улицы для таяния льда.

· «Рыбий скелет» – сочетание межжилковых и краевых некрозов.

· Верхушечные некрозы. У однодольных покрытосеменных и хвойных растений. Например, хвоинки пихты и сосны после действия сернистого газа становятся на вершине бурыми, верхушки листьев гладиолусов после окуривания фтористым водородом становятся белыми.

3. Преждевременное увядание. Под действием этилена в теплицах не раскрываются цветки у гвоздики, увядают лепестки орхидей. Сернистый газ вызывает обратимое увядание листьев малины.

4. Дефолиация – опадание листвы. Обычно наблюдается после некрозов и хлорозов. Например, осыпание хвои у ели и сосны при газодымовом загрязнении воздуха, листьев лип и конских каштанов – от соли для таяния льда, крыжовника и смородины – под действием сернистого газа.

5. Изменения размеров органов обычно неспецифичны. Например, хвоя сосны вблизи заводов удобрений удлиняется от нитратов и укорачивается от сернистого газа. У ягодных кустарников дым вызывает уменьшение размеров листьев.

6. Изменения формы, количества и положения органов. Аномальную форму листьев отмечали после радиоактивного облучения.

7. Изменение жизненной формы растения.

8 Изменение плодовитости. Обнаружено у многих растений. На­при­мер, при действии поллютантов уменьшается образование плодовых тел у грибов, снижается продуктивность у черники и ели. Некоторые виды лишайников не образуют плодовых тел в сильно загрязненном воздухе, но способны размножаться вегетативно.

Примеры фитоиндикации

Растения

1. Мониторинг озона по табаку BEL W3. Этот сорт табака специально выведен для биоиндикации. Уже при слабом воздействии озона через несколько дней на всей листовой пластинке образуются некротические пятна серебристого цвета. Для сравнения одновременно высаживают устойчивый к озону сорт Bel B.

2. Мониторинг загрязнения почвы и воздуха с помощью кресс-салата. Семена проращивают в чашках Петри на фильтрах или исследуемой почве. Наблюдение длится 10 дней. При наличии вредных веществ снижается процент всхожести семян и уменьшается скорость роста зародышевых корешков. У растений, высаженных в открытом грунте в городских центрах с интенсивным движением транспорта, под влиянием газовых выбросов отчетливо снижается длина проростков.

3. Индикация соли (применяемой для таяния льда) по листве липы. Сначала возникают ярко-желтые неравномерно расположенные краевые зоны, затем край листа отмирает, а желтая зона передвигается к середине и основанию листа. Разработана бонитировочная шкала, позволяющая по степени нарушения листовых пластинок оценить уровень засоления почвы. Метод ограничен во времени второй половиной лета.

4. Индикация общего газодымового загрязнения по продолжительности жизни хвои. Для определения у 25 взрослых деревьев ели из средней части кроны вырезают по 1 ветви. Определяют среднее количество хвоинок на побегах разного возраста. Поскольку хвоинки живут в норме 4 года, то четырехлетние побеги должны быть покрыты хвоинками. При загрязнении продолжительность жизни хвои сокращается вплоть до одного года, соответственно большая часть ветвей оголена, а хвоинки остаются лишь на концах ветвей

Биоиндикация в водной среде

Основные задачи, которые решаются при оценке качества воды, могут быть объединены в три группы:

· угроза инфекционных заболеваний;

· токсичность;

· эвтрофикация.

Угроза инфекционных заболеваний

Решение первой задачи достигается при мониторинге загрязнения водоемов сточными водами. Именно канализационные стоки могут содержать патогенные микроорганизмы – основной источник инфекций, передаваемых через воду. Поскольку патогенных микроорганизмов много, каждый выявлять тр