Биологический мониторинг

     К методам биоиндикации, которые можно применять при исследовании экосистемы, относится выявление в изучаемой зоне редких и исчезающих видов. Список таких организмов, по сути, является набором индикаторных видов, наиболее чувствительных к антропогенному воздействию. 
 
 

     3.1 Особенности использования растений  в качестве биоиндикаторов

     С помощью растений можно проводить  биоиндикацию всех природных сред. Индикаторные растения используются при  оценке механического и кислотного состава почв, их плодородия, увлажнения и засоления, степени минерализации грунтовых вод и степени загрязнения атмосферного воздуха газообразными соединениями, а также при выявлении трофических свойств водоемов и степени их загрязнения поллютантами. Например, на содержание в почве свинца указывают виды овсяницы (Festuca ovina и др.), полевицы (Agrostis tenuis и др.); цинка — виды фиалки (Viola tricolor и др.), ярутки (Tlaspi alpestre и др.); меди и кобальта — смолевки (Silene vulgaris и др.), многие злаки и мхи.

     Чувствительные  фитоиндикаторы указывают на присутствие  загрязняющего вещества в воздухе или почве ранними морфологическими реакциями — изменением окраски листьев (появление хлорозов; желтая, бурая или бронзовая окраска), различной фор мы некрозами, преждевременным увяданием и опаданием листвы. У многолетних растений загрязняющие вещества вызывают изменение размеров, формы, количества органов, направления роста побегов или изменение плодовитости. Подобные реакции обычно неспецифичны.

     Б. В. Виноградов классифицировал индикаторные признаки растений как флористические, физиологические, морфологические к фитоценотические. Флористическими признаками являются различия состава растительности изучаемых участков, сформировавшиеся вследствие определенных экологических условий. Индикаторное значение имеет как присутствие, так и отсутствие вида. К физиологическим признакам относятся особенности обмена веществ растений, к анатомо-морфологическим признакам — особенности внутреннего и внешнего строения, различного рода аномалии развития и новообразования, к фитоценотическим признакам – особенности структуры растительного покрова: обилие и рассеянность видов растений, ярусность, мозаичность, степень сомкнутости.

     Очень часто в целях биоиндикации используются различные аномалии роста и развития растения — отклонения от общих закономерностей. Ученые систематизировали их в три основные группы, связанные: (1) с торможением или стимулированием нормального роста (карликовость и гигантизм); (2) с деформациями стеблей, листьев, корней, плодов, цветков и соцветий; (3) с возникновением новообразований (к этой группе аномалий роста относятся также опухоли).

     Гигантизм и карликовость многие исследователи  считают уродствами. Например, избыток в почве меди вдвое уменьшает размеры калифорнийского мака, а избыток свинца приводит к карликовости смолевки.

     В целях биоиндикации представляют интерес  следующие де формации растений:

• фасциация — лентовидное уплощение и сращение стеблей, корней и цветоносов;
• махровость цветков, в которых тычинки превращаются в лепестки;
• пролификация — прорастание цветков и соцветий;
• асцидия — воронковидные, чашевидные и трубчатые листья у растений с пластинчатыми листьями;
• редукция — обратное развитие органов растений, вырождение; 
• нитевидность — нитчатая форма листовой пластинки;
• филлодий тычинок — превращение их в плоское листовидное образование.

     Биомониторинг может осуществляться путем наблюдений за отдельными растениями-индикаторами, популяцией определенного вида и  состоянием фитоценоза в целом. На уровне вида обычно производят специфическую индикацию какого-то одного загрязнителя, а на уровне популяции или фитоценоза — общего состояния природной среды. 

         3.2 Особенности использования животных качестве биоиндикаторов 

     Позвоночные животные также служат хорошими индикатора ми состояния среды благодаря следующим особенностям:

• являясь консументами, они находятся на разных трофических уровнях экосистем и аккумулируют через пищевые цепи загрязняющие вещества;
• обладают активным обменом веществ, что способствует быстрому проявлению воздействия негативных факторов среды на организм;
• имеют хорошо дифференцированные ткани и органы, которые обладают разной способностью к накоплению токсических веществ и неоднозначностью физиологического отклика, что позволяет исследователю иметь широкий набор тестов на уровне тканей, органов и функций;
• сложные приспособления животных к условиям среды и чет кие поведенческие реакции наиболее чувствительны к антропогенным изменениям, что дает возможность непосредственно наблюдать и анализировать быстрые отклики на оказываемое воз действие;
• животных с коротким циклом развития и многочисленным потомством можно использовать для проведения ряда длительных наблюдений и прослеживать воздействие фактора на последующие поколения; для долгоживущих животных можно выбрать особо чувствительные тесты в соответствии с особо уязвимыми этапами онтогенеза.

     Основное  преимущество использования позвоночных  животных в качестве биоиндикаторов заключается в их физиологической близости к человеку. Основные недостатки связаны со сложностью их обнаружения в природе, поимки, определения вида, а также с длительностью морфо-анатомические наблюдений. Кроме того, эксперименты с животными зачастую дороги, требуют многократной повторяемости для получения статистически достоверных выводов.

     Оценка  и прогнозирование состояния природной среды с привлечением позвоночных животных проводятся на всех уровнях их организации. На организменном уровне с помощью сравнительного анализа оцениваются морфо-анатомические, поведенческие и физиолого-биохимические показатели.

     Морфо-анатомические  показатели описывают особенности  внешнего и внутреннего строений животных и их изменение под воздействием определенных факторов (депигментация, изменение покровов, структуры тканей и расположения органов, возникновение уродств, опухолей и других патологических проявлений).

     Поведенческие и физиолого-биохимические параметры  особенно чувствительны к изменению внешней среды. Токсиканты, проникая в кости или кровь позвоночных животных, сразу же воз действуют на функции, обеспечивающие жизнедеятельность. Даже при узкоспецифичном влиянии токсиканта на определенную функцию ее сдвиги отражаются на состоянии всего организма вследствие взаимосвязанности процессов жизнедеятельности. Достаточно отчетливо присутствие токсикантов проявляется в нарушении ритма дыхания, сердечных сокращений, скорости пищеварения, ритмике выделений, продолжительности циклов размножения.

     Для того чтобы иметь возможность сравнивать материал, собранный разными исследователями в различных районах, набор видов-индикаторов должен быть един и невелик. Вот некоторые критерии пригодности различных видов млекопитающих для биоиндикационных исследований:

• принадлежность к разным звеньям трофической цепи — растительноядным, насекомоядным, хищным млекопитающим;
• оседлость или отсутствие больших миграций;
• широкий ареал распространения (сравнительно высокая эвритопность), т.е. этот критерий исключает использование в качестве тест-индикаторов эндемиков;
• принадлежность к естественным сообществам: критерий исключает синантропные виды, питающиеся вблизи жилища чело века и неадекватно характеризующие микроэлементный состав загрязнения данного региона;
• численность вида должна обеспечивать достаточный матери ал для анализа;
• простота и доступность методов добывания видов.

     Анализируя  по данным критериям представителей всех отрядов млекопитающих, встречающихся на территории стран СНГ, можно остановиться на семи видах: обыкновенная бурозубка (Sores areneus), европейский крот (Talpa europaea), алтайский крот (Talpa altaica), бурый медведь (Ursus arctos), лось (Alces alces), рыжая полевка (Clethrionomys glareolus), красная полевка (Clethrionomys rubilus) [3]. 
 
 
 

     4. Использование метода биологического  мониторинга в разных странах

     Биомониторинг является составной частью экологического мониторинга и включает в себя следующие подсистемы: биотестирование, биоиндикацию и биоаккумуляцию.

     Биотестирование и биоиндикация - это два схожих исследовательских приема, в которых о качестве среды, о факторах, воздействующих на эту среду, судят по выживаемости, продуктивности, поведению, а также по различным физико-биологическим параметрам живых организмов. Биотестирование подразумевает использование живых организмов, специально помещаемых в данную среду (тест-объекты), а биоиндикация - живых организмов, естественным образом обитающих в данной среде.

     Биоаккумуляция - частный случай биотестирования или биоиндикации, в котором о качестве среды, о факторах, воздействующих на эту среду, судят по степени накопления вредных веществ в живых организмах.

     Примеры использования методов биотестирования

1. В Голландии различные полезные для человека растения используются в качестве тест-объектов на больших площадях страны: гладиолусы и тюльпаны являются тест-объектами на накопление фторидов; итальянская ржаная трава - тест-объект на накопление ионов тяжелых металлов.
2. Биотестирование с помощью таких высокочувствительных к загрязнению разного рода (ионы тяжелых металлов, нефтепродукты, УФ-излучение и т.д.) тест-объектов, как дафнии (рачки - фильтраторы водоемов), пиявки, инфузории (простейшие), хлорелла (микроводоросль) и другие, находит в настоящее время широкое применение во многих странах.

     Примеры использования методов биоиндикации

1. Метод лихеноиндикации (от латинского «лихенос» - лишайник) основан на учете количества лишайников в городских насаждениях, районах крупных предприятий и т.д. Установлена четкая связь между «полями загрязнения воздуха» в городах и встречаемостью лишайников на стволах деревьев.
2. Весьма перспективным методом оценки качества поливной воды в садоводческих хозяйствах Подмосковья, Дальнего Востока и т.д. является так называемый «coli-тест».

     Примеры использования методов биоаккумуляции

1. Биоаккумуляция примесей наблюдается у некоторых живых организмов. Например, накопление ртути в рыбе из реки Минамата в Японии привело к заболеванию населения, особенно детей, «болезнью Минамата».
2. Ртуть и мышьяк, как известно, обладают способностью накапливаться в волосах человека, это может быть использовано для профилактики отравления человека этими ядами.
3. В Японии весьма успешно разводят асцидии - морские организмы, которые концентрируют ванадий, затем их сжигают и получают из золы соединения ванадия.

     Для осуществления мониторинга необходима организация специальных служб, а контролировать загрязнение окружающей среды следует с помощью ПЭВМ, что и начали осуществлять в большинстве развитых стран. В Москве также появились стационарные пункты слежения за качеством воздуха в местах скопления большого количества транспортных средств.

     Комиссия  ЮНЕП предлагает создавать системы биосферных заповедников, т.е. служб наблюдения и контроля на больших территориях отдельных государств. В настоящее время в России статус биосферных заповедников, в пределах которых размещаются «фоновые станции», имеют восемь заповедников. Кроме этого предполагается создать дополнительно пять биосферных заповедников: арктический, центральный, лесостепной, таежный южно-сибирский (на Байкале) и восточно-сибирский (в Якутии).

     В 1985 году межправительственная комиссия ЮНЕП «Человек и биосфера» присвоила уникальному Кроноцкому заповеднику на Камчатке площадью 1 млн. га статус биосферного резервата. Это означает, что он стал территорией особой неприкосновенности.

     В настоящее время для решения  тех или иных проблем защиты окружающей среды приходится решать аналитические задачи нового типа. Например, в России выполняется примерно 5 млн. анализов воды в год. В США - примерно столько же. Среди них выделяют гидрологический и гидрохимический блоки анализов.

     Гидрологический блок анализов включает в себя определение:

• скорости воды;
• уровня воды;
• расхода воды;
• водного кадастра страны.

     Водный  кадастр необходим для организации  хозяйства страны. Он определяет расход воды на сельскохозяйственные нужды, на нужды промышленности, на нужды коммунального хозяйства и т.д.