Что такое биоиндикация и биотестирование? Теоретические основы биоиндикации

Основные принципы применения биоиндикации. Чувствительность и достоверность биоиндикаторов

При биоиндикации следует учитывать четыре основных требования (принципа):

1. Относительная быстрота проведения исследований. Биоиндикационные исследования должны охватывать одну фенологическую фазу при сравнительно однородных метеорологических условиях. Биоиндикационные исследования с целью изучения закономерностей миграции химического вещества по пищевым цепям рекомендуется проводить в период максимальной биологической продуктивности сообществ.

Получение достаточно точных и воспроизводимых результатов.

3. Большое количество объектов биоиндикации с однородными свойствами. Отбор индикаторов с высокой встречаемостью и обилием. Биоиндикаторы должны быть хорошо изучены и иметь на всей территории исследований однородные свойства.

4. Диапазон погрешностей по сравнению с другими методами тестирования не более 20%.

 

Нас интересует антропоген. Антропогенные воздействия представляют собой, с одной стороны, новые параметры cреды, с другой - обуславливают модификацию уже имеющихся природных факторов и тем самым изменение свойств биологических систем. Если эти новые параметры значительно отклоняются от соответствующих исходных величин, то возможнабиоиндикация.

 

А. Абсолютные стандарты сравнения

1) сравнение с показателями биологической системы, свободной от воздействия

2) экспериментальное исключение антропогенных факторов

3) сравнение с биологическими системами прошлого, слабо или вовсе не подверженных действию антропогенных факторов

Б. Относительные стандарты сравнения

1) корреляция с изменениями антропогенных факторов

2) установление эталонных объектов, испытывающих незначительное или известное антропогенное воздействие

 

Существенной чертой биоиндикаторов является чувствительность. Проявление реакции организма при незначительных отклонениях характеризуется как ранняя индикация. Если биоиндикатор реагирует значительным отклонением жизненных проявлений от нормы, то он является чувствительным биоиндикатором. В зависимости от времени развития индикационных реакций можно выделить 6 типов чувствительности:

І тип: дает одноразовую реакцию спустя определенное время и тут же теряет чувствительность;

ІІ тип: как и в первом случае реакция сильная и внезапная, продолжается определенное время; затем резко исчезает;

ІІІ тип: сохраняет постоянную чувствительность в течение длительного времени

IV тип: после немедленной сильной реакции наблюдается ее сначала быстрое, а затем более медленное затухание;

V тип: при появлении нарушающего воздействия реакция нарастает до максимума, а затем постепенно затухает;

VI тип: реакция V типа неоднократно повторяется.

 

К чувствительным биоиндикаторам относятся лишайники, мхи, почвенные и водные микроорганизмы (водоросли, бактерии, микрогрибы). В роли биоиндикаторов могут быть использованы пыльца растений, хвоя сосны обыкновенной и др. Среди животных также выделяются группы организмов, положительно или отрицательно реагирующие на различные формы антропогенной трансформации среды (ракообразные, хирономиды, моллюски, личинки ручейников, поденок, веснянок и др.).

 

Чувствительными биоиндикаторами могут служить как отдельные процессы в клетке и организме (изменение ферментативной активности, изменение в пигментном комплексе), так и морфологические изменения (изменения формы и размера листовой пластинки, уменьшение продолжительности жизни хвои).

 

Хромосомные нарушения

Например, присутствие загрязняющих веществ может изменить состав генетического пула, что в условиях генетической изменчивости в пределах популяции приведет в результате адаптации к изменению усредненного фенотипа популяции.

Что такое биоиндикация и биотестирование? Теоретические основы биоиндикации

Методами биотестирования и биоиндикации определяется наличие в окружающей среде загрязнителя по состоянию определенных организмов, наиболее чувствительных к изменению экологической обстановки. Первые схемы растений - индикаторов горных пород были представлены в конце XIX в. А. П. Карпинским.

 

Биоиндикация – это оценка состояния среды с помощью живых объектов. 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).

 

Под биотестированием обычно понимают процедуру установления токсичности среды с помощью тест-объектов - специально отобранных и выращиваемых живых организмов, сигнализирующих об опасности независимо от того, какие вещества и в каком сочетании вызывают изменения их жизненно важных функций.

 

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 характеристики фактора, но лишь косвенно судят о его биологическом действии. Биоиндикация, наоборот. Желательно сочетать физико-химические методы с 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.

 

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 и т.д.

 

Правило «оптимума»*. Человек, как и всякий живой организм, неразрывно связан с биосферой. Но его воздействие на биосферу принципиально отличается от воздействия других организмов, поскольку обусловлено общественной природой человека, совершается в ходе и в результате, прежде всего трудовой, производственной деятельности.

 

Биологический контроль делает возможной прямую оценку качества среды.

А) Объектом экологических исследований в широком смысле является окружающая среда. Компонентами среды являются земля, недра, почвы, поверхностные и подземные воды, атмосферный воздух, растительный, животный мир и иные организмы, а также озоновый слой атмосферы и околоземное космическое пространство, обеспечивающие в совокупности благоприятные условия для существования жизни на Земле.

Природные объекты представлены экосистемами, природными ландшафтами и составляющими их элементами, сохранившими свои природные свойства.

Под природно-антропогенными объектами понимаются природные объекты, измененные в результате хозяйственной деятельности.

Антропогенный объект - созданный человеком для обеспечения его социальных потребностей и не обладающий свойствами природных объектов.

 

Б) Объектом экологических исследований являются экосистемы различных уровней иерархии. Они могут быть природными, антропогенно нарушенными и искусственными.

Экологическая оценка - определение параметров природной среды, обеспечивающих существование сообществ живых организмов, характерных для этих состояний в условиях естественного и антропогенного режимов их развития. Она неразрывно связана с качеством объекта.

Качество окружающей среды определяется как состояние окружающей среды, которое характеризуется физическими, химическими, биологическими и иными показателями и (или) их совокупностью.

Оцениваемым свойством может быть как собственно качество среды, так и устойчивость экосистемы, биологическая продуктивность, ресурсный потенциал, ассимиляционная емкость и т. д.

 

На живой организм всегда действует совокупность экологических факторов. Широко распространено разделение факторов на абиотические (физико-географические: факторы экотопа - климатические, эдафические, орографические, химические и т. д.) и биотические (фитогенные, зоогенные, антропогенные и т.д.).

По способу воздействия их подразделяют на прямодействующие и косвеннодействующие.

 

Все экологические факторы тесно связаны между собой. Обычно изменение одного из них влечет за собой и изменение других. Поэтому, изучая реакцию организмов на тот или иной фактор, всегда надо иметь в виду их взаимодействие. Экологические особенности особей меняются с возрастом и в зависимости от жизненного состояния.

 

Наряду с этим большое значение в биоиндикационных исследованиях имеет учет «эффекта замещения» или «эффекта компенсации», когда избыток или недостаток одного фактора компенсируется другими факторами.

 

Обычно точно определить оптимальное значение фактора трудно, поэтому принято говорить о зоне оптимума*, при котором наблюдается наивысшая продуктивность вида. Условия среды, выходящие за пределы оптимальной зоны, называются экстремальными и составляют зону угнетения. За пределами зоны толерантности лежат летальные значения, вызывающие гибель организма, - это верхний и нижний пределы выносливости.

 

Физиологическая толерантность организма определяет его индикаторную ценность. Существуют два основных способа преодоления неблагоприятных воздействий: их избегание и приобретение выносливости. Своего рода «пассивное» передвижение растений связано с распространением семян и заселением местообитаний, пригодных для произрастания. Поэтому основной стратегией является адаптация к неблагоприятным условиям за счет выработки различных приспособлений (за счет изменения строения, процессов жизнедеятельности и т.д.), обеспечивающих нормальное функционирование организмов.

 

Понятие “стресс” - это состояние критической нагрузки, которое проявляется в виде специфического синдрома, который складывается из неспецифических изменений внутри биологической системы.

Эустресс характеризуется физиологическими процессами, которые позволяют организму приспособиться к изменившимся условиям среды.

Дистресс - означает патологические процессы, при постоянных нагрузках, которые организм не в состоянии регулировать короткое или длительное время. Толерантность и избегание создают устойчивость к стрессу

Опасность антропогенных стрессоров состоит прежде всего в том, что биологические системы недостаточно адаптированы к ним. Антропогенные стрессоры создаются с такой скоростью, что эти системы не успевают активизировать адаптационные процессы.