Биоиндикация и биотестирование

Введение

На сегодняшний день существует очень большое количество различных методик оценки состояния окружающей среды, а так же самых разных методов реализации этих методик. При этом существует однозначная тенденция постоянного удешевления как самих приборов измерения состояния окружающей среды, так и материально-технических средств для обработки полученных результатов.
Естественно, что первенство в этом направлении принадлежит методам дистанционного зондирования среды, - обработке данных спутниковой съемки, а так же результатов использования беспилотных летательных аппаратов. Так же все еще широко используется лабораторный анализ состояния окружающей среды. Такой подход как биоиндикации и биотестирование не являются наиболее популярными. Тем не менее, они достаточно действенны в определенных обстоятельствах, - когда применение других средств на исследуемой территории ограниченно законодательно. К тому же, есть возможны ситуации, при которых именно биотестирование и биоиндикации дают наиболее точный и развернутый ответ.
Цель написания реферата – раскрыть суть биоиндикации и биотестирования и их сегодняшнее значение для мониторинга окружающей среды.
Сама по себе биоиндикация (мониторинг состояния природной среды по характеристике ее биоты, наблюдение за численностью и видовым разнообразием флоры и фауны) подразумевает достаточно простой принцип. Каждый живой организм имеет врожденную способность переносить естественные природные условия своего ареала обитания (режим температуры и влажности, определенный химический состав воды и воздуха). То есть каждый организм толерантен к определенному диапазону показателей. Соответственно, когда показатели окружающей среды выходят за нормативные рамки, наступает угнетение жизнедеятельности организма (вплоть до его гибели).
Суть биоиндикации в том, что толерантность каждого организма очень сильно отличается: существуют межвидовые различия, различия в рамках одного вида – в зависимости от жизненной стадии, и т.д. В таком случае, при необходимости анализа состояния природной среды необходимо просто выбрать определенные организмы, которые имеют очень низкую толерантность к наблюдаемому фактору. Такой организм называется видом-индикатором. Отслеживая численность представителей вида – индикатора, особенности его популяции, можно отследить распространение интересующего нас компонента. Сложность такого метода состоит в выборе подходящего организма, а так же анализе факторов, которые могли бы повлиять на его аномальное поведение. Поэтому выделяют специфическую и неспецифическую биоиндикацию.


Часть 1. Применение биологических методов для оценки качества среды обитания

Следует отметить, что на принципе исследования живых организмов для определения состояния окружающей среды основываются два различных метода: собственно биоиндикация и биотестирование. Если в первом случае представители вида – индикатора изымаются из естественных условий и обследуются, то во втором случае живее организмы помещаются в исследуемую среду уже в лабораторных условиях [1, с. 251].
Диапазон применения данного метода очень широк. Основные направления перечислены в таблице 1.
Таблица 1
Направления применения биоиндикации и биотестирования
Сфера применения Цель применения
Эпидемиология и санитария Анализ сточных вод на предмет наличия необработанных стоков, очагов распространения инфекции
Биологические исследования Масштабный мониторинг качества окружающей среды, который предусматривает охват больших территорий. В таком случае в качестве индикаторов может выбираться целый список видов, по которым устанавливают характеристики экосистемы
Почвоведение и геология Многие виды микроорганизмов реагируют строго определенным образом на повышение / понижение концентрации определенных химических элементов в почве. Это их качество используется для мониторинга
Источник: составлено автором

В эпидемиологии и санитарии биоиндикации получила распространение благодаря своей комплексности и невысокой (в соотношении с лабораторными методами) стоимостью. Основной очаг распространения большинства инфекций (в первую очередь кишечных) – водоемы, а именно наличие в них необработанных стоков. Очагами инфекции могут выступать канализационные выбросы, неочищенные уличные стоки. Но в таких объектах (зачастую очень больших по размерам) может одновременно находиться очень большой перечень возбудителей инфекционных заболеваний. Организовать комплексное лабораторное исследование всего водоема не просто и недешево. В таком случае можно прибегнуть к биоиндикации. Типичным видом – индикатором является речной рак. Членистоногое, исключительно чувствительное к чистоте воды.
При проведении комплексных биологических исследований регулярно возникает задача проведения масштабного мониторинга большой по площади территории, и наблюдения сразу за несколькими факторами (показателями). В этом отношении биоиндикация и биотестирование так же могут помочь выйти из положения. Для этого составляется список видов – индикаторов, который вмещает все виды, которые реагируют на заданные параметры. В случае исследования водоемов таковыми могут быть представители микроскопических водорослей, или речные малютки, или личинки насекомых. Большинство же крупных животных имеют весьма высокую толерантность к загрязнению окружающей среды. При масштабном исследовании лесных массивов выбор часто приходится на лишайник как вид – индикатор [1, с. 253].
В почвоведении, геологии (геохимии, гидрохимии) биоиндикация так же применяется весьма широко. Многие организмы (микроорганизмы) строго определенным образом реагируют на концентрацию определенных химических элементов в окружающей среде. Например, на повышенное содержание металла, или же фосфора. Благодаря этому, отслеживая особенности популяции таких организмов возможно составить очень точное описание почвенной карты местности, например, или предугадать расположение какого-либо месторождения полезных ископаемых [2, с. 27].
Для общей оценки состояния окружающей среды и определения доли отдельных источников в ее загрязнении применяют санитарно-гигиенические и токсикологические нормативы (предельно допустимые концентрации (ПДК) поллютантов, предельно допустимые уровни (ПДУ) воздействия)

. Однако для прогноза результатов влияния антропогенных факторов как на экосистемы, так и на здоровье людей необходимо учитывать также показатели, характеризующие реакцию отдельных организмов и экосистемы в целом на техногенное воздействие.
Существуют экологические критерии, которые характеризуют высокое качество окружающей среды. Важнейшие из них - это высокая биологическая продуктивность (для данных климатических условий), оптимальное соотношение видов, биомассы популяций, находящихся на различных трофических уровнях и т. д. [1, с. 252]
Реакции живых систем на разнообразные химические и физические факторы и их сочетание определяются интегральностью и общностью множества воздействий, наличием цепных процессов и отдаленных последствий локальных влияний на различные трофические уровни сложноорганизованных экосистем. Стохастической, зачастую трудно предсказуемой является и реакция организмов людей, которые живут в условиях техногенных искусственных экосистем.
Устойчивость экосистем определяется многими факторами, например многообразием входящих в них видов, соотношением численности видов, представляющих различные трофические уровни, репродуктивными свойствами организмов, регулирующими численность каждой популяции межвидовыми отношениями и абиотическими факторами.
Биоиндикация сегодня является, пожалуй, наиболее часто цитируемой и в то же время наиболее теоретически расплывчатой областью экологии. Хотя истоки наблюдений за индикаторными свойствами биологических объектов можно найти в трудах естествоиспытателей самой глубокой древности, до сих пор отсутствует стройная теория биоиндикации.
Безусловно, объективные факты свидетельствуют о существовании влияния факторов среды на биотические процессы экосистемы (плотность популяций, динамику видовой структуры, поведенческие особенности). Такие факторы среды, как свет, температура, водный режим, биогенные элементы (макро- и микроэлементы), соленость и другие, имеют функциональную важность для организмов на всех основных этапах жизненного цикла. Поэтому можно использовать обратную закономерность и судить, например, по видовому составу организмов о состоянии физической среды обитания [3, с. 295].
Для того чтобы своевременно выявлять и предотвращать ухудшение качества окружающей среды, необходимы соответствующие способы и методы. Безусловно, информативными будут данные, полученные с помощью химических методов. Использование таких методов позволяет устанавливать концентрации тех или иных веществ в среде и, после сравнения с определенными эталонными концентрациями, выносить заключения о происходящих изменениях. Однако очевидно и то, что исследователь далеко не всегда может знать, какое вещество вызывает наблюдаемые изменения, а также может просто не учитывать его при химическом анализе.
Кроме того, загрязнение природной среды, как правило, носит комплексный характер. Это означает, что рассматриваемая в определенный момент времени экосистема подвергается одновременному воздействию нескольких поллютантов. Поэтому оценка качества среды с помощью химических методов обязательно должна сопровождаться данными о состоянии биологических объектов, т. е. данными, полученными с применением биоиндикации.
В английском языке для обозначения биологических способов оценки качества среды используют похожие термины: в Европе, как правило, термин «bioindication», а в США - чаще термин «bioassessment», что можно перевести как «биологическое оценивание». Основной целью биоиндикации является адекватная оценка уровня антропогенных экологических воздействий с учетом комплексного характера загрязнения, а также диагностирование ранних нарушений в наиболее чувствительных компонентах биотических сообществ.
На практике биоиндикация применяется для ответа на следующие три вопроса (примечание: поллютант – это загрязнитель): 1) Присутствует ли поллютант в среде? 2) Способен ли поллютант накапливаться в биологических объектах? 3) Обладает ли поллютант биологическим действием? Поясним эти три пункта. Несмотря на то, что химический анализ среды является первым и важным этапом при оценке ее качества, сам по себе он дает мало информации о потенциальных воздействиях на биологические объекты. А ведь именно это нам важно узнать, поскольку состояние биологических объектов непосредственно определяет структуру и функционирование экосистемы, а следовательно, и качество среды [3, с. 296].
Присутствие загрязнителя не обязательно означает, что он может накапливаться в биологических объектах и вызывать в них определенные биологические эффекты. В данном случае под биологическим эффектом (действием) понимается такое воздействие, которое вызывает существенное ухудшение здоровья организма, популяции или сообщества. Таким образом, определение потенциальной возможности проявления биологических эффектов - неотъемлемый компонент оценки качества среды.
Антропогенные загрязнения воздействуют на живые организмы, и в том числе на человека, в самых различных сочетаниях, комплексно. Их интегральное влияние можно оценить только по реакции живых организмов или целых сообществ. Кроме того, многие ксенобиотики способны накапливаться в организме, и в результате длительное воздействие даже малых концентраций этих веществ вызывает патологические изменения. Наконец, известен парадоксальный эффект малых доз многих биологически активных соединений, когда сверхслабые дозы (ниже ПДК) оказывают на организм более сильное действие, чем их средние дозы и концентрации.

Часть 2. Экологические основы и различные объекты биоиндикации

Каждый вид живых организмов приспособлен к своим условиям обитания. Определенные (хотя и более размытые, чем отдельные виды) требования к условиям среды предъявляют также более крупные таксоны: роды, семейства. Поэтому, зная состав сообщества в определенной точке, можно предсказать особенности условий обитания в ней, и наоборот - по особенностям факторов среды можно предвидеть состав населения. Сравнивая структуру сообщества в разные моменты времени, можно следить за изменениями условий его обитания, а сравнивая, например, биологические сообщества разных водоемов, узнавать о различиях этих водоемов с точки зрения живых организмов [5, с