История развития биоиндикации как способа наблюдения за изменениями состояния природный среды, вызванными антропогенными причинами. Использования живых организмов для оценки состояния окружающей среды. Определение чувствительности биоиндикаторов.
В целях мониторинга среды часто применяется и используется достаточно эффективный и недорогой способ-биоиндикация, т.е. использование живых организмов для оценки состояния окружающей среды. Обнаружив по состоянию растений присутствие загрязнителей, приступают к измерению количества этих веществ, например, испытывают растения в условиях лаборатории. биоиндикатор антропогенный природный среда Весь комплекс экологических факторов (температура воздуха и почвы, влагообеспеченность, загрязнение почв и воздуха) сказывается на пигментации, изменяя окраску различных частей растения. Загрязнение медью сказывается на росте растений, цинком - приводит к отмиранию листьев у растений, кобальтом - к ненормальному развитию и т.д. В нашей стране основоположником биоиндикационного использования растений, оценки свойств почв и подстилающих горных пород по особенностям развития растений и составу растительного покрова бесспорно считают А.П.Карпинского.По этому биоиндикация служит помощников в жизни человека, в различных сферах деятельности, таких как, эпидемиология, санитария, экология, геология. Так, при мониторинге загрязнения водоемов сточными водами можно проводить оценку угрозы инфекционных заболеваний с помощью теста на кишечную палочку.
Введение
В последнее время, наблюдения за изменениями состояния окружающей среды, вызванными антропогенными причинами довольно актуальны. В целях мониторинга среды часто применяется и используется достаточно эффективный и недорогой способ- биоиндикация, т.е. использование живых организмов для оценки состояния окружающей среды.
Последствия загрязнения окружающей среды отражаются на состоянии и внешнем виде растений. У растений под влиянием вредных веществ происходят различные изменения: увеличивается число устьиц, толщина кутикулы, густота опушения, развивается некроз листьев, рано опадает листва. Некоторые растения наиболее чувствительно реагируют на характер и степень загрязнения окружающей среды. Это означает, что они могут являться индикаторами состояния среды.
Индикаторы можно использовать как для выявления отдельных загрязнителей воздуха, так и для оценки состояния природной среды. Обнаружив по состоянию растений присутствие загрязнителей, приступают к измерению количества этих веществ, например, испытывают растения в условиях лаборатории. биоиндикатор антропогенный природный среда
О состоянии природной среды можно судить по продуктивности растений. Индикаторами присутствия сернистого газа являются лишайники и хвойные породы, наиболее сильно страдающие от загрязнений. Во многих промышленных городах вокруг заводов возникают зоны, называемые «лишайниковые пустыни» где лишайники отсутствуют вовсе. Чем выше концентрация или продолжительнее действие на хвою сосны сернистого газа тем более толстый слой воска она образует на поверхности. На этом основании был разработан метод индикации в атмосфере сернистого газа - «тест помутнения по Гертелю».
Весь комплекс экологических факторов (температура воздуха и почвы, влагообеспеченность, загрязнение почв и воздуха) сказывается на пигментации, изменяя окраску различных частей растения. Этот биоиндикатор может быть наиболее информационным.
Исследования, проведенные на древесных растениях показали, что тяжелые металлы могут накапливаться в растениях, и по их содержанию можно оценить экологическую обстановку территории. Загрязнение медью сказывается на росте растений, цинком - приводит к отмиранию листьев у растений, кобальтом - к ненормальному развитию и т.д. Индикаторами присутствия фтора являются чувствительные растения, накапливающие его и реагирующие на этот фитотоксикант некрозом листьев (гладиолусы, фрезия).
Чувствительные живые организмы могут заменить дорогостоящие установки, что определяет доступность каждому человеку.
1. История развития биоиндикации
Биоиндикация прошла большой путь развития. Первые наблюдения делали еще античные ученые: они обратили внимание на связь между тем как выглядит растения с условиями их произрастания. Теофраст (327-287 гг. до н.э.) написал работу "Природа растений", в которой содержится много советов о том, как по характеру растительности судить о свойствах земель. Похожие сведения можно встретить в трудах римлян Катона и Плиния Старшего. В трудах Катона Старшего (234-149 гг. до н. э.) есть указания на то, что густота травостоя до перепашки помогает выбирать участки, пригодные для посева культур бобовых. В высказываниях римского ученого и писателя Плиния Старшего (23 или 24-79 гг.) содержатся предостережения о связи почв и растительности. Он пишет, что не всегда высокие деревья или пышные луга и высокие травы служат признаком плодородия почвы.
В I в. до н. э. римский писатель и агроном Ю. Колумелла - по листве деревьев, по травам или по уже поспевшим плодам мог судить о свойствах почвы и знать, что может хорошо на ней расти.
Идею биоиндикации по растениям выдвинул еще в I веке до н. э. Колумелла: "Рачительному хозяину подобает по листве деревьев, по травам или уже поспевшим плодам иметь возможность здраво судить о свойствах почвы и знать, что может хорошо на ней расти". Это направление, получившее название “ландшафтная биоиндикация”, успешно используется в практических целях.
В нашей стране основоположником биоиндикационного использования растений, оценки свойств почв и подстилающих горных пород по особенностям развития растений и составу растительного покрова бесспорно считают А.П.Карпинского. Его работу, посвященную приуроченности растений к различным горным породам и опубликованную в 1841 г., до сих пор нередко используют.
Основой биоиндикации является теснейшая взаимосвязь всех явлений природы. Она представляет собой частный случай приложения идей В.В.Докучаева о связи всех элементов условий среды с решением практических задач. В.В.Докучаевым (1883, 1893 г.) было развито представление о почве как об особом естественно- историческом образовании. В.В.Докучаевым (1898) был сформулирован "закон постоянства взаимоотношений между почвой и обитающими на ней растительными организмами как во времени, так и в пространстве". Глубокие связи между почвой, породой и растительностью изложены в трудах П.А.Костычева (1890). Отсюда и возникла возможность устанавливать по растительности компоненты, особенности почвы и ландшафта в целом. Примеры практического использования индикаторов почв приведены Ф.И.Рупрехтом (1866). В связи с этим одним из первых направлений в биоиндикации была индикационная геоботаника. Из теоретических, обобщающих работ по биоиндикации первой наиболее фундаментальной и выдающейся была сводка Ф.Клементса (Clement, 1920). Эта работа положена в основу учения о растительных индикаторах.
Значительный интерес представляют работы по использованию растительности как показателя климата; типов леса; уровня залегания грунтовых вод. Идеи В.И.Вернадского (1926,1934), А.П.Виноградова (1952, 1954) дали обоснование возможности использования растений и растительных сообществ в целях индикации полезных ископаемых, направленности геохимических процессов.
Широко используются растительные индикаторы при изучении сельскохозяйственных угодий, оценке богатства, засоления, увлажнения, механического состава почв, стадий пастбищной дигрессии. Последовательный анализ экологических условий земель и их оценка по растительному покрову содержатся в трудах Л.Г.Раменского (1938, 1941), В.И. Ларина (1953).
Современные сведения о растительных индикаторах обобщены в обзорной статье А.Сэмпсона (Sampson, 1939) "Растительные индикаторы"; Б.В.Виноградова (1964) "Растительные индикаторы..."; С.В.Викторова, Г.Л.Ремезовой (1988) "Индикационная геоботаника". В последней работе особое внимание уделяется применению в биоиндикации дистанционных методов с использованием аэрофото- и космических снимков, послуживших основой для интенсивного развития нового направления -ландшафтной индикации.
Почти одновременно с геоботаникой индикационное направление появилось и в гидробиологии (гидробиологическая индикация), где в качестве индикатора состояния вод использовался планктон.
Практическим направлением в оформившейся с середины XX в. науки - почвенной зоологии стал зоологический метод диагностики почв (почвенная индикация). Он основан на взаимосвязи и взаимообусловленности организмов и среды их обитания, особенно четко проявляющихся в почве, представляющей не только среду обитания организмов, но и результат их совокупной деятельности. Основоположником этого направления в России является академик М.С.Гиляров. Исследования и идеи в этом направлении были обобщены им в монографии "Зоологический метод диагностики почв" (1965).
Учение В.И.Вернадского о биосфере, ноосфере, явилось основой биогеохимического направления. Изучение химического состава живого вещества и связь его с химизмом окружающей среды положили начало биогеохимическому методу поисков полезных ископаемых и геохимической экологии.
К настоящему времени в биоиндикационных исследованиях наметились направления, основывающиеся на приоритетном использовании различных групп живых организмов: микроорганизмов, водорослей, растений, животных.
С конца 60-х годов XX в. в Скандинавских странах начали широко использовать мхи, лишайники при оценке загрязнения атмосферного воздуха. Так, Гриндон отмечал значительное сокращение числа лишайников изза вырубки старых лесов и притока фабричного дыма. Лихеноиндикационная съемка проведена на территории многих крупных городов: в Казани, Харькове, Лондоне, Львове, Париже, Нью-Йорке, Москве, Санкт-Петербурге.
На первом этапе развития биоиндикации преобладало использование живых объектов как индикаторов естественных компонентов биогеоценозов. Однако с ухудшением экологических условий окружающей среды и возникновением проблем ее охраны все большее значение приобретают биоиндикационные исследования как природных, так и главным образом антропогенных загрязнений воды, воздуха, почвы, растительного покрова, животного населения (т.е. нарушенных биоценозов).
Учение о тяжелых металлах (ТМ), возникшее более ста лет тому назад, явилось основой при биоиндикационных исследований загрязнений. Одним из основателей его является К.Я.Тимирязев, который в 1872 г., первым из исследователей установил положительное действие Zn на рост и развитие растений. Конец XX в. ознаменовался резким усилением внимания к решению экологических вопросов и своего рода «экологизацией» всех наук. В настоящее время установлены и широко используются группы видов-индикаторов различных антропогенных воздействий, эвтрофирования водных объектов, химического загрязнения почв, влияния на биоту рекреационной нагрузки, особенностей послепожарных сукцессий, воздействия на живые организмы радионуклидов, приоритетных поллютантов, в том числе ксенобиотиков, хлорорганических соединений (ДДТ, ГХЦГ, диоксины, фураны и т.д.), полициклических ароматических углеводородов (ПАУ), синтетических поверхностно-активных веществ (СПАВ), фенолов и др.
2. Принципы использования биоиндикаторов
Многолетний опыт ученых из разных стран по контролю состояния окружающей среды показал преимущества, которыми обладают живые индикаторы: O в условиях хронических антропогенных нагрузок могут реагирование даже на слабые воздействия; реакции проявляются при накоплении нагрузок;
O суммирование влияний всех без исключения биологически важных воздействий и отражение состояния окружающей среды в целом, включая ее загрязнение и другие изменения;
O исключение необходимости регистрации химических и физических параметров, характеризующих состояние окружающей среды;
O фиксирование скорости изменений происходящих в окружающей среде;
O показ тенденции развития природной среды;
O указание места и пути скоплений в экологических системах различного рода загрязнений и ядов, возможные пути их попадания в пищу человека;
O позволяют судить о степени вредности веществ для живой природы и человека, и дают возможность контролировать их действие.
Выделяют две формы реакции живых организмов, используемых в целях биоиндикации, - специфическую и неспецифическую. При специфической биоиндикации, происходящие изменения связаны с действием одного фактора. А при неспецифической различные антропогенные факторы вызывают одинаковые реакции.
В зависимости от типа ответной реакции биоиндикаторы подразделяют на чувствительные и кумулятивные. Чувствительные реагируют на стресс сильным отклонением от жизненных норм, а кумулятивные накапливают неблагоприятное воздействие, значительно превышающее нормальный уровень в природе, без видимых изменений.
В качестве биоиндикаторов могут быть использованы представители всех «царств» живой природы. Для биоиндикации непригодны организмы, поврежденные вредителями, болезнями и паразитами.
Ответная реакция биоиндикатора на определенное воздействие, химическое или физическое, должна быть ясно выражена, т.е. специфична, легко улавливаться визуально или с помощью соответствующих приборов.
Для биоиндикации необходимо выбирать наиболее чувствительные сообщества, характеризующиеся максимальной скоростью реакции и выраженностью параметров. Например, в водных экосистемах наиболее чувствительными является планктон, которые быстро реагируют на изменение среды благодаря короткому жизненному циклу и высокой скорости воспроизводства. В сообществах, где организмы имеют достаточно длинный жизненный цикл, перестройки происходят при длительном хроническом загрязнении, приводящем к необратимости процессов.
К методам биоиндикации, которые можно применять при исследовании экосистемы, относится выявление в изучаемой зоне редких и исчезающих видов. Список таких организмов является набором индикаторных видов, наиболее чувствительных к антропогенному воздействию.
3. Чувствительность биоиндикаторов
Биоиндикаторами могут быть живые организмы, ярко реагирующие на внешние воздействия: бактерии, грибы, водоросли, растения, животные и др. Существенный признак биоиндикаторов - чувствительность. В зависимости от времени развития реакции, выделяют 6 типов чувствительности (рис.1): 1 тип: одноразовая реакция спустя некоторое время и сразу теряет чувствительность.
2 тип: реакция сильная, внезапная, длится некоторое время и резко исчезает.
3 тип: сохранение постоянной чувствительности в течение длительного времени.
4 тип: сильная, быстрая реакция сменяется сначала быстрым, за тем более медленным затуханием.
5 тип: реакция нарастает до максимума, а потом медленно затухает.
6 тип: реакция 5 типа повторяется неоднократно.
4. Требования к биоиндикаторам
Для объективной оценки загрязнения агроценоза необходимы тесты, реагирующие на комплекс загрязнителей и пригодные для выявления мутагенного потенциала встречающихся в агросфере поллютантов. Биологический индикатор должен удовлетворять следующие требования: O быть типичным для данных условий;
O иметь высокую численность в исследуемом месте;
O обитать в данном месте в течение многих лет;
O находиться в удобных условиях для отбора проб;
O давать возможность проводить прямые анализы;
O характеризоваться положительной корреляцией между концентрацией загрязняющих веществ в организме и объекте исследования;
O использоваться в естественных условиях для его существования;
O иметь короткий период онтогенеза.
O накопление загрязняющих веществ не должно приводить к гибели тест-организмов;
O фитотесты должны быть генетически однородными;
O должна реализоваться относительная быстрота проведения тестирования;
O биотесты должны обеспечивать получение достаточно точных и воспроизводимых результатов;
O биоиндикаторы должны быть одновозрастными и характеризоваться, по-возможности, близкими свойствами;
O диапазон погрешностей измерений не должен превышать 20-30%;
O при выборе тест-организмов предпочтение следует отдавать регистрации функциональных, этологических, цитогенетических изменений отдельных индикаторных процессов биоты, а не только изменению ее структуры , численности или биомассы, т.к. эти последние являются более консервативными (К.С.Бурдин, 1985; Биоиндикация заг.наз.экосистем.,1988; Научные основ.монит.земель., 1992; Н.П.Дубинин, Ю.В.Пашин, 1978; В.Г.Минеев и др.,1991; М.С.Соколов, В.И.Терехов, 1994; Т.М. Умылина, 1989).
Вывод
Биоиндикация является не дорогостоящим, доступным для любого человека способом наблюдения за состояние окружающей среды. Она позволяет эффективно проводить мониторинг антропогенного загрязнения, как в длительные сроки, так и в сравнительно короткие. По этому биоиндикация служит помощников в жизни человека, в различных сферах деятельности, таких как, эпидемиология, санитария, экология, геология. Так, при мониторинге загрязнения водоемов сточными водами можно проводить оценку угрозы инфекционных заболеваний с помощью теста на кишечную палочку. Так же, ряд растений-индикаторов определенным видимым образом реагирует на повышенные или пониженные концентрации микро- и макроэлементов в почве. Это явление используется для предварительной оценки почв, определения возможных мест поиска полезных ископаемых.
Таким образом, биоиндикацию можно считать хорошим подспорьем для улучшения качества жизни человека.
Список литературы
O Ляшенко О.А. “Биоиндикация и биотестирование в охране окружающей среды” Учебное пособие. - СПБ.: СПБ ГТУРП, 2012.
O Биоиндикация загрязнений наземных экосистем. Шуберт,Р.,1988 год. Москва, издательство «Мир»
O Биоиндикация загрязнений. Опекунова, М. Г., 2004 год. СПБ, издательство санкт-петербургского государственного университета.
O Биологические методы оценки природной среды/ под редакцией Н.Н. Смирнова - издательство “Наука”, 1978г.
O Биологический контроль окружающей среды: биоиндикация и биотестирование: учебное пособие для студентов высших учебных заведений/ О.П. Мелехова, Е.И. Сарапульцева, Т.И. Евсеева и др; под редакцией О.П. Мелеховой и Е.И. Сарапульцевой. Издательский центр “Академия”, 2008
Размещено на .ru
Вы можете ЗАГРУЗИТЬ и ПОВЫСИТЬ уникальность своей работы
