Тема: Биоиндикация и биотестирование.

План лекции:

1. Оценка экологической опасности химического загрязнения.

2. Биоиндикация содержания вредных веществ в окружающей среде.

3. Биологические тесты при оценке химического загрязнения объектов внешней среды.

 

Целям определения и прогноза опасности химического загрязнения окружающей среды служит общий методологический подход — постоянное слежение за состоянием здоровья населения района, его флоры и фауны. Биологический мониторинг не исключает, а дополняет исследования загрязнения методом химических анализов (мониторинг окружающей среды). Можно провести аналогию между экологическими исследованиями, проводимыми для оценки опасности химического загрязнения окружающей среды, и санитарно-гигиеническими исследованиями, проводимыми для оценки опасности производства или безопасности населения в районе расположения производственного комплекса.

Исследование здоровья населения, оценка состояния флоры и фауны тех или иных регионов позволяет дать общую оценку экологической обстановки. Последующее выявление источников химического загрязнения и сопоставление всех данных служит для обоснования прогноза и рекомендаций.

Биоиндикаторы - это наиболее чувствительные виды животного и растительного мира, которые раньше всех других реагируют на воздействие вредных веществ. Они могут быть использованы как самые первые показатели наличия и уровня содержания вредных веществ в окружающей среде (наряду и одновременно с методами химического анализа) этих веществ.

Различают два типа биоиндикаторов:

- биоиндикаторы аккумуляции или индикаторы химического состава среды;

- индикаторы активного мониторинга, организмы для наблюдения за состоянием окружающей среды.

Смысл биоиндикации состоит не в измерении параметров загрязнения среды, а в изучении реакции живых систем на воздействие неблагоприятных факторов.

Общие требования к биоиндикаторам не могут быть универсальными, ибо их выбор зависит от конкретных условий. Тем не менее, можно утверждать, что в принципе преимущество должно быть отдано тем биоиндикаторам, которые:

- обладают достаточно высокой чувствительностью к вредным веществам;

- способны накапливать вредные вещества в тканях организма;

- доступны для использования, а их использование экономически оправдано.

В зависимости от конкретных условий биоиндикаторы должны обладать избирательной или, наоборот, универсальной чувствительностью.

Рассмотрение методов применения биоиндикаторов, конкретных вариантов использования живых организмов для наблюдения и оценки состояния окружающей среды целесообразно провести в такой последовательности:

- биоиндикаторы загрязнения атмосферного воздуха;

- биоиндикаторы загрязнения водоемов;

- биоиндикаторы загрязнения почвы.

Следует заметить, что в качестве биоиндикаторов загрязнения атмосферного воздуха используются организмы, не способные к передвижению — растения. Что касаетсяводоемов и почвы, то здесь биоиндикаторами загрязнения могут быть как растения, так и животные разных типов, от простейших до позвоночных. По-видимому, это связано с большей стабильностью уровней загрязнения водоемов и почвы, по сравнению с воздухом атмосферы, качество которого существенно меняется во времени.

Соотносить выявленные действием химических веществ изменения в отдельном организме с изменениями в экологической системе в целом не представляется легким делом. Известно, например, что гибель отдельной популяции (вида) оказавшейся более чувствительной к действию химического вещества, загрязнение которым доминирует в исследуемом районе, далеко не всегда нарушает экологическую систему в целом. Однако, постепенное сокращение количества видов, включенных в биоценоз, ведет к снижению устойчивости экосистемы. Упрощенные экосистемы, создаваемые человеком искусственно, на сельскохозяйственных плантациях, в садах и огородах, не могут существовать без постоянной заботы человека. Упрощенные экологические системы в естественных условиях недолговечны. Отсутствие «резервного» вида пищевой цепи создает угрозу разрыву под влиянием любого неблагоприятного воздействия. Поэтому будет оправданным соотнести изменения, вызываемые химическим веществом в отдельном организме, с изменениями в экологической системе.

В качестве биоиндикаторов используют лишайники. Особенности морфологии и физиологии лишайников делают их высокочувствительными к воздействию химических веществ, загрязняющих атмосферный воздух. Известно, что в районах с относительно высокой концентрацией фитотоксических веществ лишайники вообще не встречаются; такие районы называют «лишайниковой пустыней». В промышленных центрах и больших городах лишайники могут встречаться лишь на окраинах, но таких мест становится все меньше.

Установлено, что вес сухого вещества лишайников зависит от биогеохимической характеристики данной территории и общего уровня загрязнения атмосферного воздуха. Содержание микроэлементов в эпифитных и эпигейных лишайниках значительно повышается в условиях кислой среды в зависимости от вида лишайника.

Слоевища лишайников загрязняет бенз(а)пирен, являющийся общепринятым показателем технологического, промышленного загрязнения окружающей среды. Этот факт лишний раз убеждает в необходимости включения лишайников в число тест-объектов, используемых для характеристики потенциального загрязнения атмосферы, для выявления климатологических закономерностей загрязнения окружающей среды.

Биоиндикационные свойства лишайников широко используются для изучения загрязнения разного характера, в т.ч. и кислого. В Великобритании, например, с 1970 г. изучается зависимость распространения лишайников от уровня загрязнения атмосферы.

Использование лишайников в качестве биоиндикаторов загрязнения воздуха возможно в 2 вариантах:

1) учет и оценка природных эпифитных лишайников;

2) оценка отмершего материала у видов, взятых из незагрязненных областей и трансплантированных в районе, ставшем предметом исследования.

Наиболее приемлемым для районов с незначительным загрязнением является метод картирования растительных сообществ. В среднезагрязненных районах надежные результаты дают такие количественные методы, как исследование содержания хлорофилла. В сильнозагрязненных местностях наилучшие результаты дает метод экспозиции растений из незагрязненных районов. Самый подходящий для индикации оказался листовой лишайник, который широко распространен на территории Европы. Лишайники срезают вместе с корой деревьев из незагрязненных районов, помещают на специальные стенды и выставляют в обследуемых районах. Скорость отмирания слоевища регистрируют при помощи фотографирования, которое производят через определенные промежутки времени. Таким путем можно проводить автоматический контроль условий загрязнения и определить границы загрязненного района, как это показано в экспериментах вблизи одиночных источников и в крупных промышленных районах.

На основании реакции лишайников на загрязнение в настоящее время еще невозможно непосредственно определить размеры опасности для высших растений. Воздействие химических веществ даже в низких концентрациях вызывает продолжительные заболевания у лишайников при сохранении здоровья высших растений.

Метод индикации лишайников позволяет быстро и без больших затрат оценить состояние и выявить динамику условий окружающей среды, особенно атмосферного воздуха. Метод основан на изучении и картографировании определенных тест-видов, характерных для естественных (не измененных человеком) условий, а также для условий с различной степенью отклонений от естественных. На основании изучения тест-видов составляются индикационные карты региона, отражающие загрязненность атмосферного воздуха.

Высшие растения как индикаторы загрязнения атмосферы. При характеристике взаимодействия между загрязняющими воздушную среду соединениями и лесными экосистемами рассматривают 3 типа такого взаимодействия.

1-й тип взаимодействия включает случаи низкого уровня загрязнения, при котором растения и почва экосистемы играют роль важных приемников и источников загрязняющих соединений в процессе их взаимообмена с атмосферным воздухом. Общее действие слабого загрязнения на экосистему может носить характер стимуляции или вообще не проявляться.

2-й тип взаимодействия характеризуется более высоким уровнем загрязнения, состояние некоторых видов деревьев или экземпляров одного вида может ухудшаться после непосредственного контакта с веществами, из-за изменения доступности питательных веществ, нарушений обмена и (или) повышения чувствительности к заболеваниям. Общим результатом является уменьшение продуктивности и биомассы системы, изменение ее видового состава и структуры, увеличение частоты бактериальных заболеваний или поражения насекомыми.

3-й тип взаимодействия характерен для случаев с высоким уровнем загрязнения, когда наблюдается острое ухудшение состояния и (или) гибель растений (деревьев), значительное упрощение структуры сообщества, ухудшение его энергетического обмена, изменение гидрологических и эрозийных процессов, климата, а также неблагоприятное влияние на соседние экосистемы.

Растения обладают более высокой чувствительностью, чем человек и животные, к таким широкораспространенным универсальным промышленным загрязнителям как двуокись серы, фтористый водород и хлористый водород.

Исследование влияния на растительность загрязнения воздуха может послужить важной основой для разработки широких профилактических мероприятий, направленных на оздоровление окружающей среды, на повышение чистоты воздушного бассейна.

Реакция растений на загрязнители зависит от концентрации и времени воздействия, от количества загрязнителя, поглощенного растением в единицу времени. Описаны примеры использования растений (деревьев различных видов и семейств) для индикации и характеристики уровней загрязнения в районе близ активно функционирующих промышленных предприятий.

Изучалось влияние выбросов фтора и металлической пыли на концентрации этих элементов в листьях дуба зеленого и хвое сосны. Фтористые выбросы изучались в зоне воздействия двух заводов фосфатных удобрений и цементного завода г.Сет. Всвязи с тем, что район исследований расположен в прибрежной зоне, растительность испытывает дополнительное влияние аэрозоли морской воды. На одной из контрольных точек сравнивали содержание фтора в дубе, сосне и широко применяемой в практике ловушке из фильтровальной бумаги, пропитанной раствором формиата натрия. Анализ результатов исследований показал, что для сравнения содержания фтора в растениях и в ловушке надо использовать суммарные значения. В этом случае между средними величинами содержания фтора в листьях дуба и величиной накопления его в ловушке наблюдается корреляционная связь. При условии правильной обработки результатов выясняется, что дуб зеленый наиболее четко реагирует на фтор, содержащийся в атмосферном воздухе.

Накопление хрома и железа листьями дуба зеленого изучалось более двух лет в зоне воздействия сталелитейного завода при сравнении с концентрацией этих элементов в переносных ловушках с пористой поверхностью, куда вдувается определенный объем воздуха. Корреляционная связь содержания металлов в воздухе и в листьях дуба, рассчитанная по результатам замеров, отсутствует, однако, кривые распределения содержания хрома во времени показали в обоих объектах изучения одинаковую тенденцию. Проведенные исследования показали, что благодаря простоте опробования растений, «сходимости» данных с полученными с помощью ловушки, растения могут быть использованы для характеристики загрязнения атмосферного воздуха.

В городских условиях морфологические структуры, осуществляющие фотосинтез во всех частях дерева, существенно изменяются. Это показано в примере Quercus robus, Telia cordata. Размер хлоропластов в листьях уменьшается по сравнению с деревьями в незагрязненной местности, их относительный объем в клетке понижается в 1,5—3 раза, количество фотосинтезирующих структур на единицу площади листа снижается. Эти изменения развиваются до появления видимых признаков поражения растений. Среди последних наиболее выражены уменьшение количества и размеров листьев, снижение продолжительности их жизни на 20—24 дня, уменьшение размеров и плотности устьиц, уплотнение листьев, увеличение сетки клеток и уменьшение количества мезофильных клеток. Из-за разреженности крон относительная освещенность увеличивается с 2 до 14%. Хотя количество пигмента в хлоропластах не изменяется, уменьшение количества листьев и плотности пластид приводит к снижению общего содержания хлорофилла в 1,5—2 раза. Описанные изменения фотосинтетической функции деревьев в условиях городской среды сходны с их реакцией на такие стрессорные воздействия, как недостаток влаги или минеральных веществ.

Структурные изменения, обнаруживаемые в растениях при ультрамикроскопировании развиваются до появления видимых признаков поражения листьев.

Растения (травы), накопившие в своих тканях вредные химические вещества, опасны для травоядных животных. У коров молочной породы, для выпаса которых использовали пастбище, расположенное на расстоянии 5 км от свинцово-плавильного предприятия, определяли уровень содержание свинца в крови в течение 7 лет (1976—1982 гг.) Было установлено повышение свинца в организме и изменения в обменных процессах в результате загрязнения пастбища.

Учитывать источники загрязнений необходимо не только при организации животноводческих комплексов, но и в полеводстве и растениеводстве при выращивании плодовых, ягодных и овощных культур, принимая во внимание различия в чувствительности растений к загрязняющим воздух химическим веществам.

Для установления типичных количественных взаимосвязей между уровнем загрязнения химическими веществами окружающей среды и их влиянием на растения необходимы обширные экспериментальные исследования.

Существует три методических подхода для изучения воздействия загрязнителей воздуха на растительность: исследование в лаборатории и в камерах с регулируемым режимом, опыты в стеклянных или пленочных домиках (теплицах), расположенных в естественных условиях, и, наконец, изучение подопытных растений (биотестов) вблизи источников загрязнения. Каждый из этих подходов можно использовать для решения экспериментальной задачи.

Исследование воздействия токсиканта на растения с нормальной восприимчивостью при изменяющихся концентрациях загрязнителя и климатических условиях возможно как в полевых опытах вблизи одиночных источников, так и на территориях, подвергающихся действию токсических агентов из разных источников. Выявленные изменения в растительном покрове и сельскохозяйственных культурах, определяемые в таких экспериментах, позволяют определить потенциально опасные территории, особенно в связи с возможностью долговременного воздействия загрязнителей на культивируемые многолетние растения и звенья естественной экосистемы.

Пригодность той или иной системы эксперимента или наблюдение для решения частных проблем зависит главным образом от типа и количества загрязнителя, а также от климатических факторов.

Важность использования растений как объекта исследования для разработки мер контроля загрязнения среды обусловлена исключительной чувствительностью высших и низших растений или их специфическими реакциями на конкретные загрязнители.

Биоиндикаторы — растения, используемые при оценке загрязнения атмосферы химическими веществами, в отличие от химических индикаторов, дают интегральную характеристику опасности такого загрязнения. При этом следует учитывать возможность синергизма в действии токсических веществ (например, SO₂ и хлорида свинца) или, наоборот, взаимного ослабления токсического влияния веществ в смеси (SO₂ и цементная пыль).

Литература: Экологическая токсикология. Под ред. Барышникова И.И., Лойт А.О., Савченкова М.Ф. Иркутск: Изд-во Иркут. ун-та, 1991