Биоиндикация и биологический мониторинг

Биомониторинг

Биомониторинг является составной частью экологического мониторинга – слежение за состоянием окружающей среды по физическим и биологическим показателям. В задачи биомониторинга входит регулярно проводимая оценка качества окружающей среды с помощью специально выбранных для этой цели живых объектов.

Лучше других отработана система биомониторинга водной среды. Росгидромет использует классификатор качества вод, включающий 6 классов. Оценивают показатели донных беспозвоночных, перифитона (обитатели водных растений), фито-, зоо- и бактериопланктона. Для примера приведем таблицу классификации вод суши по показателям зообентоса:

Классификация качества вод суши по биопоказателям

Класс вод	Воды	Относительная численность олигохет от общего кол-ва зообентоса, %	Биотический индекс Вудивисса
1	Очень чистые	1–20	10–8
2	Чистые	21–35	7–5
3	Умеренно загрязненные	36–50	4–3
4	Загрязненные	51–65	2–1
5	Грязные	66–85	1–0
6	Очень грязные	86–100 или макробентос отсутствует	0

В 1990 г. экологическая комиссия Европы под эгидой ООН приняла программу интегрированного мониторинга (IM) окружающей среды по следующим группам показателей (в скобках указано их количество: общая метеорология(6), химия 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 мониторинга по выбору.

На территории бывшего СССР было намечено 6 площадей для проведения регионального мониторинга по перечисленным выше биологическим показателям.

Наиболее развиты системы регионального мониторинга в Германии и Нидерландах.

Для примера рассмотрим одну из систем биомониторинга в Германии (земля Баден-Вюртемеберг).Она предполагает оценку следующих показателей:

·          Степени дефолиации (преждевременной потери листвы) бука, ели и пихты;

·          Состава поллютантов в листьях и хвое;

·          Сукцессии (закономерной смены) травянистой растительности;

·          Жизненности травостоя и содержания в нем поллютантов;

·          Площади покрытия эпифитных лишайников;

·          Численности коллембол (мелких почвенных членистоногих) и наземных моллюсков;

·          Аккумуляции поллютантов в дождевых червях.

Результаты мониторинга представляют в виде таблиц и графиков. К числу удачных способов относится метод «Амебы». Рисуют круг, который делят линиями на равные секторы по числу измеряемых показателей. Линия окружности означает их нормальное значения. Показатели могут быть химическими (соединения тяжелых металлов, фосфора и т.д.), физическими (уровень грунтовых вод, мутность и пр.) и биологическими (численность, разнообразие и другие характеристики биоиндикаторов). Далее в каждом секторе закрашивают площадь, пропорциональную значениям соответствующего показателя. Линии могут выходить за пределы круга, если значения «зашкаливают», тогда у «Амебы» появляются «выросты-ложноножки». Результаты мониторинга, представленные в виде ряда таких рисунков, наглядно выявляют направление «движения Амебы» и, соответственно направление изменений в экосистеме.

Биоиндикация

Биоиндикация – это оценка состояния среды с помощью живых объектов. Живые объекты (или системы) – это клетки, организмы, популяции, сообщества. С их помощью может производиться 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 3 случая, когда биоиндикация становится незаменимой.

1.         Фактор не может быть измерен. Это особенно хар-но для попыток реконструкции климата прошлых эпох. Так, анализ пыльцы растений в Северной Америке за длительный период показал смену теплого влажного климата сухим прохладным и далее замену лесных сообществ на травяные. В другом случае остатки диатомовых водорослей (соотношение ацидофильных и базофильных видов) позволило утверждать, что в прошлом вода в озерах Швеции имела кислую реакцию по вполне естественным причинам.

2.         Фактор трудно измерить. Некоторые пестициды так быстро разлагаются, что не позволяют выявить их исходную концентрацию в почве. Например, инсектицид дельтаметрин активен лишь несколько часов после его распыления, в то время как его действие на фауну (жуков и пауков) прослеживается в течение нескольких недель.

3.         Фактор легко измерить, но трудно интерпретировать. Данные о концепции в окр. среде различных поллютантов (если их концентрация не запредельно высока) не содержат ответа на вопрос, насколько ситуация опасна для живой природы. Показатели предельно допустимой концепции (ПДК) различных веществ разработаны лишь для человека. Однако, очевидно, эти показатели не могут быть распространены на другие живые существа. Есть более чувствительные виды, и они могут оказаться ключевыми для поддержания экосистем. 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 биондикация, позволяя оценить биологические последствия антропогенного изменения среды. Физические и химические методы дают качественные и количественные хар-ки 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 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.

Во всех случаях, когда речь идет о контроле, без которого биоиндикация в принципе невозможна, встает вопрос, что считать нормой для того или иного биоиндикатора? В одних случаях ответ будет простой. Например, появление на листьях растений некротических пятен любой формы и размера – всегда индикатор загрязнения среды, поскольку в норме их быть не должно.

Ситуация усложняется, когда нормой является не одно конкретное состояние биоиндикатора, а целый набор, диапазон таких состояний. К таким индикаторам относятся численность популяции, разнообразие сообществ, их видовой состав и т.д. эти характеристики меняются по сезонам и по годам, они могут отличаться в различных местообитаниях, следовательно, чтобы установить норму для таких биоиндикаторов, нужно располагать данными об их сезонной и многолетней динамике, их изменении по местообитаниям. Так, численность мелких почвенных членистоногих коллембол на одном и том же участке ненарушенного леса может меняться в течение года в 10–20 раз, разнообразие их сообществ- в 2–3 раза.

Биоиндикация на разных уровнях организации живого

Биоиндикация может осуществляться на всех уровнях организации живого: биологических молекул, 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.

Клеточный и субклеточный уровни

Биоиндикация на этих уровнях основана на узких пределах протекания биотических и физиологических реакций. Её достоинства заключаются в высокой чувствительности к нарушениям, позволяющим выявить даже незначительные концентрации поллютантов, и выявить их быстро. Именно на этих уровнях возможно наиболее ранее выявление нарушений среды. К числу недостатков относится то, что биоиндикаторы – клетки и молекулы требуют сложной аппаратуры.

Результаты действия поллютантов следующие:

·          нарушение биомембран (особенно их проницаемости);

·          изменение концентрации и активности макромолекул (ферменты, белки, аминокислоты, жиры, углеводы, АТФ);

·          аккумуляция вредных веществ;

·          нарушение физиологических процессов в клетке;

·          изменение размеров клеток.

Чтобы разобрать тот или иной способ биоиндикации на этом уровне, необходимо выяснить механизмы действия поллютантов.

Влияние поллютантов на биомембраны (на примере клеток растений)

1.         Сернистый газ. SO2 проникает в листву через устьица, попадает в межклеточное пространство, растворяется в воде с образованием SO3^{2 –} /HSO3^- ионов, разрушающих клеточную мембрану. В итоге снижается буферная емкость цитоплазмы клетки, изменяются её кислотность и редокспотенциал.

2.         Озон и другие окислители, например, пероксиацетилнитрата. Нарушают проницаемость мембран. Этот эффект усугубляется в присутствии ионов тяжелых металлов.

Во всех случаях особенно сильно страдают мембраны хлоропластов – тилакоидные. Их разрушение – основная причина снижения фотосинтеза при воздействии поллютантов. Процесс фотосинтеза как очень чувствительный служит для биоиндикации загрязнения среды. При этом оценивают: 1) интенсивность фотосинтеза, 2) флоуресценцию хлорофилла. В качестве тест-организма часто используют мох мниум.

Изменение концентрации и активности макромолекул

Ферменты. Действие поллютантов на ферменты нарушает процесс нормального присоединения фермента к субстрату (С-Ф). это может происходить тремя различными способами:

1)         К ферменту вместо субстрата присоединяется поллютант-ингибитор с образованием комплекса Ф-И (отравление СО);

2)         Поллютант ингибирует фермент, расщепляя его связь с субстратом: C↘Ф;

3)         Присоединяясь к субстрату вместе с ферментом, поллютант ингибирует его: С-Ф-И.

В итоге нарушаются различные процессы, например:

·          Ассимиляция углекислого газа в процессе фотосинтеза. SO2 связывается с активным центром ключевого фермента фотосинтеза (рибулозодифосфаткарбоксилазы) вместо СО2 и тормозит фиксацию СО2 в цикле Кальвина. Газообмен СО2 в принципе пригоден для биоиндикации;

Синтез защитных веществ в клетке. В клетках растений под действием различных нарушений накапливаются определенные защитные вещества. Биоиндикация связана с определением концентрации этих веществ в растениях:

·          Пролин – аминокислота, считающаяся индикатором стресса. Её концентрация возрастала в листьях тисса вблизи дорог с интенсивным движением транспорта, в листьях каштана при засолении почвы;

·          Аланин – аминокислота, накапливалась в клетках водоросли треуксии, сосны и кукурузы при загрязнении;

·          Пероксидаза и супероксиддисмутаза. При воздействии стрессов образуются токсичные перекиси, которые пероксидаза обезвреживает. Например, SO2 вызывает увеличение активности пероксидазы и появление изоферментов супероксиддисмутазы, что можно выявить с помощью гель-электрофореза.

Пигменты. При загрязнении в клетках растений происходят следующие изменения пигментов:

·          Уменьшается содержание хлорофилла. Этапы его разрушения (феофетин, феофорбиды, распад пиррольного кольца);

·          Понижается отношение хлорофилл а / хлорофилл в. Отмечается, в частности у ели при хроническом задымлении SO2;

·          Замедляется флуоресценция хлорофилл.

При биоиндикации все эти изменения фиксируют с помощью приборов: хроматографа, спектрофотометра, флуориметра.

Аденозинтрифосфорная кислота. Содержание АТФ – универсального источника энергии в клетке – важный показатель ее жизнеспособности. Для его количественной оценки предложен показатель «энергетического заряда» (ЭЗ).

АДФ и АМФ – менее насыщенные энергией молекулы аденозиндифосфорной кислоты и аденозинмонофосфорной кислот. Показано, что с ростом концентрации SO2 в воздухе ЭЗ клеток растений (сосна, водоросль, требоуксия) снижается

Белки. При загрязнении в клетках уменьшается концентрация растворимых белков.

Углеводы. В целях биоиндикации может быть использовано наблюдение о росте глюкозы и фруктозы в листьях гороха при действии газодымных выбросов.

Липиды. Газовые выбросы ведут к уменьшению содержания миристиновой, пальмитиновой, и лауриновой кислот и к увеличению линолевой и линоленовой кислот в составе липидов.

Аккумуляция вредных веществ

Хорошим показателем загрязнения среды может служить повышенная концентрация поллютантов в клетках живых организмов. Так, обнаружена корреляция между содержанием свинца в листьях тисса и интенсивностью движения в городах.

Накопление ртути в перьях птиц позволило с помощью чучел проследить динамику загрязнения 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.

Изменение размеров клеток

Показано, что при газодымном загрязнении:

·          Увеличиваются клетки смоляных ходов у хвойных деревьев;

·          Уменьшаются клетки эпидермиса листьев.

Нарушение физиологических процессов в клетке

Плазмолиз. В клетках растений под действием кислот и SO2 цитоплазма отслаивается от клеточной стенки.

Организменный уровень

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 уровне – это небольшие затраты труда и относительная дешевизна, поскольку не требуется специальные лаборатории и высокая квалификация персонала.

Растения

Морфологические изменения растений, используемые в биоиндикации:

1.         Изменение 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.