Биоиндикация водной фауны по анатомическим и физиологическим показателям

Мониторинг биологических переменных

Для биоиндикации могут использоваться показатели биосистем всех рангов. Обычно, чем ниже ранг биосистемы, используемой в качестве биоиндикатора, тем более частными могут быть выводы о воздействиях факторов среды и наоборот. Организмы и суборганизменные структуры. K биосистемам суборганизменных рангов относятся молекулы и молекулярные комплексы (белки, нуклеиновые кислоты и др.), клеточные органоиды, клетки, ткани, органы и системы органов. Для биоиндикации наиболее показательны следующие характеристики

• химический состав клеток;

• состав, структура и степень функциональной активности феноменов;

• структурно-функциональные характеристики клеточных органоидов;

• размеры клеток, их морфологические характеристики, уровень активности;

• гистологические показатели;

• концентрации поллютантов в тканях и органах;

• частота и характер мутаций, канцерогенеза, уродств.

Тератогенный эффект факторов среды - способность вызывать y тест-организмов различные уродства, пороки развития. Последствия тератогенных воздействий различны: в одних случаях тератогенез может проявляться только на уровне клеточных органоидов, отдельных клеток; в других затрагивает ткани, органы и весь организм. Большое значение для биоиндикации состояния окружающей среды и её антропогенных изменений имеют многочисленные структурные (анатомические) и функциональные (физиологические) характеристики организма. Использование некоторых структурных и функциональных характеристик сообществ (особенно фито-, зоо- и бактериопланктона и бентоса) для оценки качества водной среды (наряду с абиотическими показателями) является обязательным (ГОСТ 17. 1. 3 . 07-82; ГОСТ 17. 1. 2. 04-77;Рд 52. 24. 565-%о; Рд 52. 24. 564-96; Рд 52. 24. 420-95 и др.).

Наиболее широко применяется оценка скорости аэробной деструкции органических веществ - биохимическое (или биологическое) потребление кислорода (БПК) планктоном. ВПК легко определяется экспериментально, оно выражается обычно в миллиграммах кислорода, расходуемого при деструкции в единице объёма воды в условиях изоляции от солнечного света за период экспозиции (обычно 5 суток). Соответствующая величина БПК обозначается БПК5. БПК5 является одним их шести обязательных показателей при расчете индекса загрязненности воды.

Первичная продуктивность водных экосистем и их способность к самоочищению обычно оценивается по величине первичной продукции планктона и по соотношению скоростей образования валовой первичной продукции и деструкции (Р/R). Принятая классификация качества воды водоемов и водотоков по биотическим показателям (ГОСТ 17. 1. 3. 07-82) учитывает следующие характеристики:

• отношение общей плотности олитхег к общей плотности сообщества зообентоса (класс Oligochaeta - малощетинковые черви; многие их виды характеризуются повышенной устойчивостью к загрязнению и гипоксии, что определяет высокое абсолютное и относительное обилие олигохет в бентосе загрязнённых водоёмом);

• концентрацию в воде всех бактерий и отдельных сапрофитных, т. е., активно разлагающих органических веществ;

• индекс сапробности (и модификации Сладечека) по фитопланктону, зоопланктону, перефитону;биотический индекс Вудивисса.

Шкала и индексы сапробности.

Сапробностыо называется степень загрязненности водоёма органическими веществами, доступными редуцентам. B основную шкалу сапробности положен принцип, отражающий степень оксифильности гидробионтов-индикаторов. Водоёмы и отдельные участки их акватории классифицируются по степени загрязненности органическими веществами следующим образом (ГОСТ 17. 1. З. 07-82):

• ксеносапробная зона (I класс чистоты) - вода “очень чистая”;

• олигосапробная зона (II класс чистоты) - вода “чистая”; • бета-мезосапробная зона (III класс чистоты) - вода “слабо

(умеренно) загрязнённая”;

• альфа-мезасапробная зона (IV класс чистоты) - вода “загрязнённая”;

• полисапробная зона (V класс чистоты) - вода “грязная”;

• гиперсапробная зона (VI класс чистоты) - вода “очень грязная”.

Биологических переменных, характеризующих состояние отдельных особей, группы организмов, целых попуцляий и экосистем, теоретически может быть бесконечное число. Но среди них имеется относительно немного параметров, тесно связанных с важнейшими показателями состояния группы организмов или отдельных особей. K важнейшим показателям относятся прежде всего, признаки предетального состояния организма или группы организмов, нарушение репродуктивных способностей, жизненного цикла и некоторые другие. Наиболeе пoлнo вопросы мониторинга биологических переменных были обсуждены весной 1979 г. нa семинаре в США. На семинаре было выделено семь секций: биохимия, физиология, паталогия, поведение, генетика, экология и биотестирование. B опубликованных тpудаx семинара приводятся списки биологических параметром, рекомендуемых для включения в программы биологического мониторинга, и методы их определения. Эти методы в сочетании с классическими позволяют наиболее полно описать состояние наблюдаемых экосистем, если известны критерии оценки полезности биологических переменных для мониторинга загрязнения, и определен диапазон изменений биологических переменных.

Прицнипы отбора биологических переменных.

Возникновение потребности в разработке конкретных программ биологического мониторинга привело к необходимости составления приоритетных списков структурных и функциональных переменных по уровням организации. На пути преодоления этих трудностей за основу было взято несколько существующих в литературе схем уровней организации живого B соответствии со схемой Ю. Одума (1975),спектр уровней организации изображается в виде горизонтального ряда. По мнению Одума, все уровни в равной степени заслуживают внимания исследователей. Двигаясь слева направо, от генетических сисистем до экосистем, одни переменные становятся более важными и изменчивыми, в то время как важность других становится пренебрежительно малой, a их изменчивость едва заметной. Если в основу наложить схему уровней организации, предложенную H. П. Наумовым (1972), то картина будет иная (табл. 1).

Иерархия структуры органического мира. (табл. 1)

Уровни	Ступени
Молекулярно-клеточная	Организменная	Надорганизменная
Низший	Молекулы однго класса	Ткани	Популяции
Средний	Органоиды, клетки	Органы, их системы	Биоценотические комплексы
Высший	Клетки	Организмы	Биоценозы

При таком подходе H. П. Наумову удалось выделить характерный уровень иерархии структуры органического мира, на котором живые системы способны к изолированному существованию и самостоятельному воспроизведению. Обычно неизвестен характер связи между показателями низшего и среднего уровней и основным показателем, которым обладает только высший уровень -воспроизводство. Поэтому в токсикологических опытах предпочтение отдают наблюдениям за структурными и функциональными параметрами именно высшего, a не среднего и низшего уровней. Набор биологических откликов для низшего и среднего уровней молекулярно-клеточной и организменной ступеней зависит главным образом от степени развития методических приемов, которые приходят из физики, химии, кибернетики и других наук. Широкий арсенал методических приемов позволяет получать разнообразную информацию как о структуре жизненно важных макромолекул, биомембран и органоидов клетки, так и о кинетике внутриклеточных процессов.

Для практических нужд в первую очередь используются простые методы, с помощью которых можно измерять физиолого-биохимические показатели, имеющее высокую корреляцию с такими важными переметными, как смертность, рождаемость, продолжительность жизни и др.

Механизмы, лежащие в основе поражения отдельных клеток, организмов, популяций или сообществ при воздействии одного и того же повреждающего фактора, будут отличаться друг от друга, т.к. каждая из ступеней структуры живого описывается определенным набором переменных, принадлежащих только данной ступени. Включению биологических переменных в программы биологического мониторинга предшествует отбор переменных, исходя из определенных критериев. B первую группу были включены критерии, отражающие фундаментальность биологического воздействия, во вторую - оценивающую эффективность биологических измерений и в третью - практическую ценность переменных, предлагаемых для включения в программы мониторинга.

Первая группа охватывает следующие критерии:

1. существование связи между выбранной переменной и такими показателями, как рост, воспроизводство, выживаемость особей, популяции, сообщества и экосистемы;

2. характер связи между наблюдаемой переменной и откликами на низших и высших уровнях организации;

3. специфичность отклика переменной к фактору, его вызывающему;

4. возможность возврата переменной к своему первоначальному значению после прекращения действия возмущающего фактора;

5. специфичность действия фактора для определения группы организмов.

Вторую группу составляют следующие критерии:

1. характер связи отклика переменной с действующим загрязнением;

2. интенсивность действующего фактора, вызывающего наблюдаемый отклик переменной;

3. пределы изменения величины действующего фактора, вызывающие наблюдаемый эффект;

4. величина отрезка времени, в течение которого формируется отклик (часы, дни, годы);

5. легкость обнаружения превышения “сигнала” отклика над природным фоном (шумом”);

6. точность измерения наблюдаемого отклика переменной.

B третью группу критериев входят:

Оценка стоимости измерения отклика переменной, которая включает стоимость капитального оборудования, обучения персонала и штатов, a также оценка диапазона использования отклика переменной в программах биологического мониторинга. Обычно программы биологического мониторинга строятся таким образом, чтобы он включали намерение как неспецифических, так и специфических биологических откликов. Так как отклики на высших уровнях организации (популяции и сообщества) более важны с экологической точки зрения, по практически не несут информации об изменениях на низших уровнях организации - клеточном и молекулярном. B то же время последние являются более чувствительными и специфичными показателями. В этом случае выбранная биологическая переменная будет либо общим (неспецифическим) показателем изменений окружающей среды, так как загрязнение обычно представляет собой комбинацию разнообразных веществ и переменных окружающей среды, либо специфическим откликом на известный класс веществ, выбранный для определения связи “причина-эффект”. Если программой биологического мониторинга предусмотрена оценка состояния окружающей среды с учетом общих и специфических показателей, то в программу надо включать биологические переменные, отвечающие разным уровням биологической организации.

Молекулярный уровень.

Рассматривая два организма на молекулярном уровне, принадлежащие к одному семейству или отряду, a иногда и к разным таксонам, мы видим больше сходства, чем различия. Высокая степень сходства молекулярно-клеточной организации и биохимических превращений по сравнению с более высокими уровнями организации не может не удивлять. Это удается проследить при переходе от самого низкого уровня организации живого к высшему. И, несмотря на то, что различие удается установить только на молекулярном уровне организации, атомный, т. е. домолекулярный, уровень не входит в иерархическую структуру живого органического мира; оказывается, что именно здесь обеспечивается высокая степень универсализма как структуры и функции молекул, так и биохимических реакций. Заметные различия обнаруживаются даже у близкородственных видов только при переходе на более высокие уровни организации (ткань, органы, организм).

Эти соображения позволяют предположить, что ответные реакции разных организмов, относящихся к одному семейству или роду, при действии токсических веществ на молекулярном уровне не будут сильно различаться. Это в свою очередь дает возможность экстраполировать результаты, полученные в опытах с одними организмами на тканевом или организменном уровне. B настоящее время имеется большой выбор переменных, используемых в биохимии и молекулярной биологии, которые могут быть включены в программы мониторинга, осуществляемого для молекулярного уровня. B соответствии с ранее описанными критериями к молекулярному уровню отнесены следующие биологические переменные: отношение концентраций таурин/глицин, концентрация металлотионеинов, содержание стероидов, содержание оксигеназы со смешанной функцией, энергетический заряд, хромосомные нарушения. Перечисленные биологические переменные можно разделить, на две группы: специфические, реагирующие на определенные вещества, и неспецифические, реагирующие на любые воздействия, включая загрязняющие и биогенные вещества.

Оксигеназы со смешанной функцией.

Цитохром P-450 - гемопротеид, содержащийся в оксигеназных системах, можно без преувеличения отнести к универсальной молекуле. Она обнаружена у бактерий, высших растений и млекопитающих. Наряду с основными функциями цитохром; P-450 может принимать участие в метаболизме чужеродных соединений. В определенных условиях изменение активности оксигеназы со смешанной функцией у организмов, взятых в качестве пробы из естественных популяций, может свидетельствовать о хроническом или остром загрязнении морской среды нефтепродуктами. Вероятно, предсказательная ценность этого показателя повысится, если будут уточнены границы его применимости.

Металлотионеины.

Процессы детоксикации некоторых тяжелых металлов у многих видов морских рыб, моллюсков и ракообразных идут путем их связывания с металлотионеиновыми белками. Так, например,при действии ртути в концентрации 5 мкг/л на лосося было обнаружено значительное увеличение концентрации ртути в тканях, связанное с ферментно-белковым аулом, и снижение значений показателя роста (Сариххо, 1981). При действии ртути в концентрации 1 мкг/л подобного эффекта не наблюдалось, по-видимому, потому, что весь металл образовывал комплексы с металлотиопеинами. B таких случаях о токсическом действии по концентрации металлов в тканях морских организмов можно судить с определенной осторожностью. Однако не все тяжелые металлы могут подвергаться детоксикации путем образования комплексов с металлотионеиновыми белками. Несмотря на это ограничение, содержание металлотионеинов в организмах, взятых из загрязненных экосистем, следует отнести к перспективным специфическим переменным, которые могут занять достойное место в системе мониторинга загрязнения морской среды тяжелыми металлами.

Энергетический заряд.

Показатель энергетического состояния организма позволяет оценивать количество химически связанной энергии, запасенной в пуле адениновых нуклеотидов и доступной в данный момент для метаболических процессов в организме. Энергетический потенциал определяется по формуле

ЭП= (АТФ+1/2АДФ) / (АТФ+АДФ+АМФ)

Установлено, что активность одних ферментов зависит от концентрации АТФ, активность других определяется концентрациями АДФ, АМФ или соотношениями АТФ/АМФ; АТФ/АДФ. Энергетический потенциал, являясь показателем энергетического состояния клетки, отражает общее регуляторное воздействие адениновых нуклеотидов на уровень клеточного метаболизма. Энергетический потенциал может измениться под действием внешних факторов. Снижение его значения до 0,5-0,75 означает, что процессы потребления и аккумулирования энергии разбалансированы под влиянием неблагоприятных факторов. 13 стрессовых условиях значения энергетического потенциала ниже 0,5 (Chapman et a1., 1971).

Основные достоинства метода с использован нем энергетического потенциала в качестве показателя воздействия загрязняющих веществ на биоту заключаются в следующем: