Биологические методы контроля окружающей среды

Совершенно очевидно, что оценка экологической обстановки на территории в ходе формирования эффек-

тивной системы государственного экологического мониторинга невозможна без использования методов биоди-

агностики качества окружающей среды.

Оценивать качество окружающей среды, степень её благоприятности для человечества необходимо, преж-

де всего, в целях:









определения состояния природных ресурсов;

разработки стратегии рационального использования региона;

определения предельно допустимых нагрузок для любого региона;

решение судьбы районов интенсивного промышленного и сельскохозяйственного использования, за-

грязненных территорий и т.д.;





решения вопроса о строительстве, пуске или остановке определённого предприятия;

оценки эффективности природоохранных мероприятий, введения очистных сооружений, модернизации

производства и т.д.;





введения новых химикатов и оборудования;

создания рекреационных и заповедных территорий.

Ни один из этих вопросов не может быть объективно решён лишь на уровне рассмотрения формальных

показателей, а требует проведения специальной разносторонней оценки качества среды обитания, т.е. необхо-

дима интегральная характеристика её состояния, биологическая оценка.

Прямые (интегральные) методы оценки экологической обстановки в свою очередь тоже можно разделить

на две группы – биоиндикации и биотестирования (последние называют также токсикологическими метода-

ми).

Объектом исследования первых являются организмы или сообщества организмов-биоиндикаторов, на-

блюдаемые в естественных условиях обитания.

Биоиндикаторами называются растительные и животные организмы, наличие, количество и состояние

которых служат показателями изменения качества среды их обитания. Глубина биоиндикации может быть

различной от простой визуальной диагностики растений до изучения иммунных и генетических изменений в

организме индикаторов.

Вторая группа методов изучает реакции тест-объектов – организмов, помещаемых в исследуемую среду.

Они подразумевают оценку токсических свойств загрязняющих веществ с использованием модельных живых

систем (тест-объектов). Оценка токсичности производится, как правило, в лабораторных условиях.

Методы биоиндикации основаны на наблюдениях отдельных организмов, популяции или сообществ орга-

низмов в естественной среде обитания с целью определения по их реакциям (изменениям) качества окружаю-

щей среды. В сельском хозяйстве широко применяется метод биоиндикации для диагностики питания сельско-

хозяйственных культур. Данный метод визуальной биоиндикации основан на изучении внешних признаков фи-

то- и биоценозов, которые отражают качественные изменения среды обитания.

В качестве признаков визуальной биоиндикации используется внешний вид растений. Таких признаков,

связанных с нарушением питания растений, множество, в частности: замедление роста стеблей; ветвей и кор-

ней; пожелтение; бурение; загибание листьев; «краевые ожоги»; образование гнили; одревеснение стеблей и др.

Для целей биоиндикации качества окружающей среды могут применяться популяционные и экосистемные

критерии, которые характеризуются показателями: численности и биомассы отдельных видов; соотношением в

сообществах различных видов, их распределение по обилию и т.п.

Для получения более достоверных, долгосрочных прогнозов наряду с видами-индикаторами отслеживают-

ся изменения, происходящие в популяциях устойчивых видов, способных выдерживать значительные возму-

щающие воздействия (воздействия экологически неблагоприятных факторов) в течение длительного времени.

Под влиянием загрязняющих веществ в организме происходят перестройка структуры и функции клеток.

Результаты гистологических исследований таких изменений могут свидетельствовать о качестве окружающей

среды. Злокачественный рост клеток, дегенеративные изменения или появление некротических очагов характе-

ризуют высокую степень токсичности среды обитания.

Патолого-анатомические и гистологические методы биоиндикации особое внимание уделяют изучению

репродуктивной системы, любые изменения которой непосредственно связаны с жизненно важными парамет-

рами популяции. Репродуктивная система очень чувствительна к стрессовым воздействиям, и любое нарушение

можно рассматривать как сигнал о наличии неблагоприятных изменений в окружающей среде.

Эмбриональные методы диагностики базируются на том обстоятельстве, что наиболее уязвимыми к воз-

действию внешних возмущений являются ранние стадии развития многоклеточных организмов. На стадиях

дробления и формирования зародышевых органов и тканей даже незначительные воздействия, как правило,

приводят к видимым уродствам более поздних стадий или даже гибели зародышей. В качестве биоиндикаторов

обычно используются быстро развивающиеся и дающие многочисленное потомство организмы (рыбы, моллю-

ски, земноводные, насекомые). Данные организмы могут быть использованы и как тест-объекты для биотести-

рования окружающей среды.

Более тонкими и точными методами биодиагностики являются иммунологические и генетические методы.

Иммунологические – основаны на измерениях показателей иммунной системы под воздействием внешних

возмущающих факторов. В результате любого рода отрицательного воздействия на иммунную систему живых

организмов в первую очередь изменяется функциональное состояние иммунокомпетентных клеток – спленоци-

тов и лимфоцитов. При введении в клетки организма специальных веществ – стандартных мутагенов (липопо-

 

лисахаридов и др.) – в зависимости от вида воздействия ингибирование реакции может свидетельствовать о

нарушении иммунологического статуса организма.

Генетические методы позволяют анализировать генетические изменения, возникающие вследствие небла-

гоприятных внешних воздействий. Появление таких изменений характеризует мутагенную активность среды, а

возможность их сохранения в клеточных популяциях отражает эффективность иммунной потенции организма.

В нормальных условиях большая часть генетических аномалий удаляется из популяций посредством им-

мунной системы организма. Наличие таких аномалий можно использовать в качестве индикатора стресса, ве-

дущего к продукции аномальных клеток и снижению способности иммунной системы организма их уничто-

жать.

Такое разнообразие методов биоиндикации говорит об их несовершенстве. Действительно, биоиндикация

предусматривает контроль уже состоявшегося или происходящего загрязнения компонентов окружающей сре-

ды по функциональным характеристикам их обитателей и экологическим характеристикам организмов.

Разработка единой системы показателей токсичного загрязнения окружающей среды на сегодняшний день

встречает серьезные трудности. Постепенные изменения видового состава формируются в результате длитель-

ного отравления и становятся явными в случае далеко зашедших изменений. Таким образом, видовой состав не

даёт оценки на момент исследования. В этом плане методы биоиндикации загрязнения окружающей среды

инерционны. В холодное время года системы биологической индикации малоэффективны.

Однако отличительная простота методов оценки экологической обстановки методами биоиндикации, от-

сутствие потребности в специальном инструментальном обеспечении являются их бесспорным достоинством.

Умение объединить в комплексную форму биоиндикацию, биотестирование и химико-аналитические ме-

тоды диагностики экологической обстановки позволяет минимизировать затраты на исследования. Именно

комплексное использование методов обеспечивает перспективу биоиндикации.

Методы биотестирования. Биотестирование как способ интегральной оценки токсичности загрязнений

уже достаточно давно используется в системе мониторинга качества окружающей среды за рубежом и начинает

применяться в нашей стране. Аргументами в пользу целесообразности использования подходов биотестирова-

ния качества окружающей среды являются их универсальность, экспрессность, простота, доступность и деше-

визна. Высокая чувствительность тест-организмов к действию загрязняющих веществ привела ряд специали-

стов даже к идее о возможности полной замены всех гигиенических нормативов единственным критерием ка-

чественной оценки окружающей среды на основе биотестирования. Это определило необходимость изучения

эффективности последнего. В частности, для выявления залповых сбросов загрязняющих веществ в водные

объекты и особенно в целях обнаружения резких изменений качества питьевой воды биотестирование имеет

значение как сигнальный показатель экспресс-контроля, позволяющий уже в течение одного часа получить

данные интегральной оценки токсичности воды и принять необходимые меры для защиты населения, в то вре-

мя как органолептические свойства воды могут оставаться без изменения, а на идентификацию веществ, посту-

пивших в воду, химическими методами требуется несколько часов и даже суток.

В настоящее время особое внимание уделяется приёмам токсикологического биотестирования, т.е. исполь-

зования в контролируемых условиях биологических объектов в качестве средства выявления суммарной ток-

сичности воды.

При оценке биологического действия загрязняющих веществ интактные организмы или их сообщества

специально вводятся в испытуемую среду. Таким образом, режим воздействия задаётся заранее. Для исследова-

ния общетоксикологических закономерностей применяются разнообразные методы практически из любой сфе-

ры биологии и смежных научных областей. Обобщающей основой таких исследований оказывается воздейст-

вие загрязняющих веществ, других факторов среды или их совокупности на систему биологического происхо-

ждения. Это может быть биохимическая система – выделенный элемент клеточной структуры организма; раз-

личные показатели функции и структуры организма; интегральные характеристики организма; параметры, ха-

рактеризующие состояние популяций, сообществ, организмов и экосистем.

В зависимости от поставленных задач предъявляются различные требования к методам и всей системе

биотестирования (постановка опытов и оценка результатов). В качестве объектов биотестирования применяют-

ся разнообразные организмы – бактерии, водоросли, высшие растения, пиявки, моллюски, рыбы и др. Каждый

из организмов имеет свои преимущества, но ни один организм не может служить универсальным объектом.

Растения могут оказаться наиболее чувствительными к присутствию в среде гербицидов, дафнии – к присутст-

вию инсектицидов и т.д. Кроме того, тест-реакция может выявить токсикант по его функции-мишени, напри-

мер, пропанид избирательно поражает фотосинтетический аппарат водорослей. В связи с этим для гарантиро-

ванного выявления присутствия токсического объекта неизвестного химического состава должен использовать-

ся набор различных групп, представителей водного сообщества. С введением каждого дополнительного объек-

та эффективность схемы испытаний повышается, однако нет смысла бесконечно расширять ассортимент обяза-

тельных объектов для использования в такой оценке.

Оптимальной может быть система, в которую включено три – пять видов, состояние которых оценивается

по параметрам относящихся к разным уровням интегральности (например, по одному виду водных растений,

беспозвоночных и рыб). Для контроля самого тест-объекта необходима периодическая постановка опытов с

некоторым стандартным токсикантом в одной и той же концентрации. Этот контроль позволяет оценить изме-

 

нение реактивности тест-объекта на стандартное токсическое воздействие. В качестве такого токсиканта часто

применяется дихромат калия (К2Сr2О7).

Важное условие правильного проведений биотестирования – использование генетически однородных ла-

бораторных культур, так как они проходят поверки чувствительности, содержатся в специальных, оговорённых

стандартами лабораторных условиях, обеспечивающих необходимую сходимость и воспроизводимость резуль-

татов исследований, а также максимальную чувствительность к токсическим веществам.

Длительность биотестирования зависит от задачи, поставленной исследователем. Существуют следую-

щие виды биотестов:

 острые биотесты (acute tests), выполняемые на различных тест-объектах по показателям выживаемо-

сти, длятся от нескольких минут до 24 – 96 ч;

 краткосрочные (short-term chronic tests) хронические тесты, длятся в течение семи суток и заканчива-

ются, как правило, после получения первого поколения тест-объектов;

 хронические тесты (chronic tests), распространяются на общую плодовитость ракообразных, охватывая

три поколения.

Генетически однородные культуры тест-объектов (водных беспозвоночных и водорослей) можно получить

в специализированных научных учреждениях, аккредитованных в системе сертификации на проведение анали-

зов с использованием необходимого тест-объекта.

В последние годы в России и ряде стран мира внедряются методы биотестирования качества поверхност-

ных вод с использованием инфузорий, дафний и других водных биоценозов. В законодательном порядке уста-

новлена необходимость биотестирования водных вытяжек опасных отходов для определения их токсичности.

В «Правилах охраны поверхностных вод» (Госкомприрода СССР, 1991 г.) биотестирование является обя-

зательным методом при анализе качества природных и сточных вод. Любая комбинация традиционных анали-

тических приборов не в состоянии предусмотреть специфический биологический эффект, выявленный в про-

цессе контроля токсичности в качестве интегрального показателя.

Основные нормативные документы по биотестированию в России:

 РД 52.18.344–93 Методика выполнения измерений интегрального уровня загрязнения почвы техноген-

ных районов методом биотестирования.

 ПНД ФТ 14.1:2:3:4.7–02,16.1:3:3:3.4–02 «Токсикологические методы контроля. Методика определения

токсичности воды и водных вытяжек из почв, осадки сточных вод, отходов по смертности и изменению плодо-

витости дафний».