Застосування біологічних індикаторів в екологічному моніторингу.

Биологические индикаторы-организмы, которые реагируют на изменения окружающей среды своим присутствием или отсутствием, изменением внешнего вида, химического состава, поведения. При экологическом мониторинге загрязнений использование Б.и. часто дает более ценную информацию, чем прямая оценка загрязнения приборами, так как Б.и. реагируют сразу на весь комплекс загрязнений. Кроме того, обладая «памятью», Б.и. своими реакциями отражают загрязнения за длительный период. На листьях деревьев при загрязнении атмосферы появляются некрозы (отмирающие участки). По присутствию некоторых устойчивых к загрязнению видов и отсутствию неустойчивых видов (например, лишайников) определяется уровень загрязнения атмосферы городов. При использовании Б.и. важную роль играет способность некоторых видов аккумулировать загрязняющие вещества. Последствия аварии на Чернобыльской АЭС были зафиксированы в Швеции при анализе лишайников. Сигнализировать о повышенном содержании бария и стронция в окружающей среде могут береза и осина неестественно зеленым цветом листьев. Аналогично в ареале рассеяния урана вокруг месторождений лепестки иван-чая становятся белыми (в норме — розовые), у голубики темно-синие плоды приобретают белый цвет и т. д. Для выявления разных загрязняющих веществ используются разные виды Б.и.: для общего загрязнения — лишайники и мхи, для загрязнения тяжелыми металлами — слива и фасоль, диоксидом серы — ель и люцерна, аммиаком — подсолнечник, сероводородом — шпинат и горох, полициклическими ароматическими углеводородами (ПАУ) — недотрога и др. Используются и так называемые «живые приборы» — растения-индикаторы, высаженные на грядках, помещенные в вегетационные сосуды или в специальных коробочках (в последнем случае используют мхи, коробочки с которыми называются бриометрами). «Живые приборы» устанавливают в наиболее загрязненных частях города. При оценке загрязнения водных экосистем в качестве Б.и. могут использоваться высшие растения или микроскопические водоросли, организмы зоопланктона (инфузории-туфельки) и зообентоса (моллюски и др.). В средней полосе России в водоемах при загрязнении воды разрастаются роголистник, рдест плавающий, ряски, а в чистой воде — водокрас лягушачий и сальвиния. С помощью Б.и. можно оценивать засоление почвы, интенсивность выпаса, изменение режима увлажнения и т. д. В этом случае как Б.и. чаще всего используется весь состав фитоценоза. Каждый вид растений имеет определенные пределы распространения (толерантности) по каждому фактору среды, и потому сам факт их совместного произрастания позволяет достаточно полно оценивать экологические факторы. Возможности оценки среды по растительности изучаются специальным разделом ботаники — индикационной геоботаникой. Ее основной метод — использование экологических шкал, т. е. специальных таблиц, в которых для каждого вида указаны пределы его распространения по факторам увлажнения, богатства почвы, засоления, выпаса и т. д

В списках приоритетных загрязнителей ОС одно из первых мест занимают тяжелые металлы (ТМ), такие как ртуть, свинец, кадмий. Такое положение ТМ обусловлено высокой их токсичностью и токсичностью соединений, которые они образовывают, а также возмож­ностью их распространения на большие расстояния от источников выбросов. Однако:

А) о распределении ТМ в биообъектах имеются лишь отрывочные данные;

Б) нет систематических сведений об уровнях токсичности ТМ в различных звеньях экосистем, поэтому применение биоиндикаторов в программе Мониторинга еще требует дальнейшей теоретической проработки.

Теоретическое обоснование выбора конкретного вида биоты в качестве объекта на­блюдений и определение принципов, обуславливающих этот выбор, является предпосылкой для создания системы биологической индикации состояния ОС. Для определения принципов выбора биоиндикаторов проведем поэтапный анализ.

На первом этапе анализируются:

A) структурные и функциональные признаки биоты.

К структурным признакам относятся - число видов, их биомасса, представительность и частота встречаемости данного вида в пределах различных биогеоценозов.

К функциональным - динамика накопления токсикантов, время жизни, биологическая продуктивность.

Б) Для каждой экосистемы выделим зоны активного и пассивного антропогенного воздействия, например, прибрежная и открытая часть океана.

B) Обобщив данные по динамике, селективности, коэффициентам накопления и пери­ одам полувыведения наиболее характерных для данной экосистемы трофических уровней, выберем те звенья, которые наиболее чувствительны к изменению концентрации загрязни­ телей.

Необходимо учесть, что выбранные биологические индикаторы не обязательно долж­ны быть наиболее уязвимыми к действию ЗВ, но обязательно должны быть наиболее чув­ствительными к изменению концентраций.

Отметим, что: первым принципом отбора биоты в качестве биоиндикатора является "принцип наибольшей чувствительности к изменению концентраций загрязнителей".

На втором этапе выбора биологических индикаторов накопления (БИН) учтём следу­ющие обстоятельства:

А) число видов животных почти в 4 раза превышает число видов растительных организмов;

Б) количество видов:

1) сухопутных животных составляет 93% от общего числа видов;

2) сухопутных растений - 92%;

В) количество биомассы распределено следующим образом:

1) сухопутные растения - 99,2%;

2) океанские растения - 0,3%;

3) сухопутные животные и микроорганизмы - 0,8%;

4) морские животные и микроорганизмы - 99,7%. В качестве второго принципа определяем "принцип наибольшей биомассы", в соот-ветсвии с которым:

А) для биогеоценозов суши в качестве индикаторов накопления ЗВ наиболее целесооб­ разно выбрать - растения;

Б) в качестве индикаторов моря - морские микроорганизмы.

На третьем этапе необходимо учесть степень влияния биоты на состояние ОС. Исследования показывают, что, несмотря на то, что фитомасса океана составляет менее од­ной сотой процента всей биомассы растений Земли, она производит от 30 до 70% кислорода, образуемого в процессе фотосинтеза зеленым покровом Планеты, и свыше 20% всей ежегод­ной первичной продукции Земли.

Поэтому при выборе между морскими животными и фитопланктоном последний по­лучает неоспоримые преимущества, т. е. для экосистем океана в качестве индикаторов пред­почтителен фитопланктон.

А в качестве третьего принципа формулируем "принцип максимального влияния био-ты на свойства биосферы".

На 4-м этапе рассмотрим такое свойство биоты, как частота встречаемости предста­вителей разных видов. Анализ данного вопроса позволяет обнаружить очень важные законо­мерности:

А) наибольшим распространением отличается сравнительно небольшое число видов;

Б) в состав биогеоценозов входят, с одной стороны, высокоспециализированные виды, способные существовать только в условиях определенного биоценоза, с другой стороны - виды с более широким спектром возможностей. Поэтому, на четвёртом этапе формулируем два принципиальных положения:

4а) - принцип максимальной распространенности;

4б) - принцип специализированности.

Пятым принципом - является "принцип заданного срока жизни".

Фактором, который обязательно необходимо учитывать, является время жизни био­объекта. Особенностью биологических особей является наличие зависимости времени жизни и интенсивности процессов обмена - чем меньше время жизни, тем интенсивнее протекают в биоте процессы жизнедеятельности и, наоборот. Учитывая, что у объекта, имеющего малое время жизни, обмен веществ протекает интенсивнее, то и накопление ЗВ происходит бы­стрее. Использование свойств быстрого накопления ЗВ в организме биоты позволяет оце­нить степень загрязнённости ОС за короткий промежуток времени. Поэтому такие объекты должны иметь предпочтение при выборе их в качестве БИН.

Фитопланктон океана, с этой точки зрения, имеет преимущества перед морскими жи­вотными, поскольку его время жизни составляет 1-2 недели: коэффициенты накопления не­которых ТМ в фитопланктоне достигают 10000-100000 по отношению к воде, а время накоп­ления - от нескольких минут до нескольких дней.

На суше небольшой срок жизни имеют однолетние травы, мхи, грибы. В качестве БИН могут быть использованы также отдельные виды насекомых или их личинки, а также молюстки, имеющие сравнительно короткий срок жизни.

Однако следует иметь в виду, что использование биоты, например растений, с большим сроком жизни (более 1 года) целесообразно при изучении длительных воздействий ЗВ на жизнедеятельность, обитающих в данном регионе биологических объектов. Примером такого долгоживущего индикатора является североамериканское дерево "Секвойя", имеющая "бесконечный" срок жизни (предельный срок - не установлен). Известны экземпляры дере­вьев, срок жизни которых превышает десять тысяч лет.

Следующим фактором, который необходимо учесть, является время пребывания био-ты в контролируемой среде.

Особенно перспективным, с этой точки зрения, является искусственное культивирова­ние БИН в условиях с заданными параметрами и с последующей строго определенной экспо­зицией в исследуемой системе. Применение этого метода позволяет унифицировать при­менение индикаторов и обеспечивает сравнимость результатов по различным экосистемам.

Поэтому, в качестве шестого принципа взят "принцип нормированного времени пре­бывания в исследуемой среде".

Таким образом, принципами отбора биоты в качестве биоиндикатора являются:

1) принцип наибольшей чувствительности к изменению концентраций загрязнителей;

2) принцип наибольшей фитомассы;

3) принцип максимального влияния биоты на свойства биосферы; 4а) принцип распространённости; 4б) принцип специализированности;

5) принцип заданного срока жизни;

6) принцип нормированного времени пребывания в исследуемой среде.