Каким требованиям должен удовлетворять биоиндикатор

С помощью лишайников можно получать вполне достоверные  данные об уровне загрязнения воздуха. При этом можно выделить группу химических соединений и элементов, к действию которых лишайники обладают сверхповышенной чувствительностью: оксиды серы и азота, фторо- и хлороводород, а также тяжелые металлы. Многие лишайники погибают при невысоких уровнях загрязнения атмосферы этими веществами. Процедура определения качества воздуха с помощью лишайников носит название лихеноиндикации.

Оценку чистоты воздуха  можно проводить с помощью  высших растений. Например, голосеменные — отличные индикаторы чистоты атмосферы. Возможно также изучение мутаций  в волосках тычиночных нитей традесканции. Французские ученые подметили, что при увеличении в воздухе оксида углерода (II) и оксидов азота, выбрасываемых двигателями внутреннего сгорания, окраска её тычиночных нитей меняется от синей к розовой. Последствия нарушений в индивидуальном развитии растений могут быть выявлены также по частоте встречаемости морфологических отклонений (фенодевиантов), величине показателей флуктуирующей асимметрии (отклонение от совершенной билатеральной и радиальной симметрии), методом анализа сложноорганизованных комплексных структур (фрактал-анализ). Уровни любых

отклонений от нормы  оказываются минимальными лишь при  оптимальных условиях и возрастают при любых стрессовых воздействиях.

 

2. Оценка качества воды

 

Сразу оговоримся, что  биологическое исследование изучает  не воду, а водоём в целом как единую экосистему. Н.С. Строганов определил водную токсикологию как науку о токсичности среды обитания гидробионтов на всех уровнях организации живого, которая изучает все реакции гидробионтов на загрязнение любого происхождения.

Для того чтобы оценить  уровень токсического загрязнения  водного объекта промышленными  или иными стоками, нужно ответить на вопросы: токсична ли исходная вода, поступающая в водоём со сточными водами; какова степень её токсичности; на каком расстоянии от источника загрязнения токсичность снижается до минимального значения.

В качестве эквивалента  было использовано разведение сточной  жидкости, при котором ещё наблюдается  повреждающий эффект по примененному биотесту. Ориентируясь как на основной показатель токсичности химических веществ для гидробионтов на величину медиальной летальной концентрации (LC50), принятую в общей (медицинской) токсикологии для теплокровных животных, Н.С. Строганов предложил количественное определение токсичности

как величины, обратной медиальной летальной концентрации, устанавливаемой в 48-часовом опыте, с учетом разведения пробы.

Для биологической индикации  качества вод могут быть использованы практически все группы организмов, населяющие водоёмы: планктонные и  бентосные беспозвоночные, простейшие, водоросли, макрофиты, бактерии и рыбы. Каждая из них, выступая в роли биологического индикатора, имеет свои преимущества и недостатки, которые определяют границы её использования при решении задач биоиндикации, так как все эти группы играют ведущую роль в общем круговороте веществ в водоёме. Организмы, которые обычно используют в качестве биоиндикаторов, ответственны за самоочищение водоёма, участвуют в создании первичной продукции, осуществляют трансформацию веществ и энергии в водных экосистемах. Всякое заключение по результатам биологического исследования строится на основании совокупности всех полученных данных, а не на основании единичных находок индикаторных организмов. Как при выполнении исследования, так и при оценке полученных результатов необходимо иметь в виду возможность случайных, местных загрязнений в точке наблюдения. Например, разлагающиеся растительные остатки, труп лягушки или рыбы могут вызывать местные изменения в характере населения водоёма.

Наиболее разработанной  оценкой степени загрязненности вод по индикаторным организмам является система сапробности. Метод учитывает относительную частоту встречаемости гидробионтов h (от 1 до 9 или от единичных экземпляров, например, инфузорий, в поле зрения микроскопа и до очень частой встречаемости, когда их много в каждом поле зрения) и их индикационную значимость S. Для статистической достоверности результатов необходимо, чтобы в пробе содержалось не менее 12 видов индикаторных организмов одной зоны сапробности. Высшие водные растения среди вышеуказанных групп организмовиндикаторов являются наименее изученным звеном, хотя имеют ряд преимуществ. Они представляют собой видимый невооружённым глазом и поэтому весьма удобный для наблюдения объект, а также дают возможность при рекогносцировочном гидробиологическом осмотре водоёмов в первом приближении визуально оценить их экологическое состояние. Макрофиты позволяют определить трофические свойства воды, а иногда и специфику её химизма, что имеет существенное значение при биоиндикации чистых вод.

 

3. Диагностика состояния почв

 

В основе принципа биологической  диагностики почв лежит представление  о том, что почва как среда  обитания составляет единую систему  с населяющими её популяциями  разных организмов. Лучше других разработаны  ботанические методы фитоиндикации и диагностики почв. Например, путём анализа состава и структуры растительных сообществ, распространения растений-индикаторов или определенных индикационных признаков у отдельных видов растений можно установить тип почвы, степень её гидроморфизма, развитие процессов заболачивания, соленакопления и т.д. Среди растений обнаружены индикаторы на тот или иной механический и химический состав почв, степень обогащённости питательными элементами, на кислотность или щелочность, глубину протаивания мерзлотных почв или уровень грунтовых вод.

Теоретической предпосылкой применения почвенно-зоологического метода для целей диагностики почв является сформулированное М. С. Гиляровым в 1949 г. представление об «экологическом стандарте» вида — потребности вида в определенном комплексе условий среды. Каждый вид в пределах своего ареала встречается только в тех местообитаниях, которые обеспечивают полный комплекс необходимых для проявления жизнедеятельности условий. Амплитуда варьирования отдельных факторов среды характеризует экологическую пластичность вида. Эврибионты мало пригодны для индикационных целей, тогда как стенобионты служат хорошими индикаторами определенных условий среды и свойств субстрата. Это положение представляет собой общий теоретический принцип в биологической диагностике. Однако использование для индикации одного вида не дает полной уверенности в правильности выводов (здесь имеет место «правило смены местообитаний» и как следствие смена экологических характеристик вида). Лучше исследовать весь комплекс организмов, из которых одни могут быть индикаторами на влажность, другие — на температуру, третьи — на химический или механический состав. Чем больше общих видов почвенных животных встречается на сравниваемых участках, тем с большей долей вероятности можно судить о сходстве их режимов, а следовательно, о единстве почвообразовательного процесса. Менее других полезны микроскопические формы — простейшие и микроартроподы (клещи, ногохвостки). Их представители отличаются космополитизмом в силу того, что почва для них не выступает как единая среда обитания: они живут в системе пор, капилляров, полостей, которые можно найти в любой почве. Из микроартропод наиболее хорошо изучены индикаторные свойства панцирных клещей. Состав их комплексов сообществ зависит не только от почвенных условий, но и от характера и флористического состава растительности, поэтому данныйобъект перспективно использовать для индикации повреждающих воздействий на почву.

Особенно ценны и  удобны для индикационных работ сообществакрупных беспозвоночных (дождевые черви, многоножки, личинки насекомых). Так, стафилиниды рода Bledius и чернотелки рода Belopus показательны для солончаково-солонцовых почв, многоножки-кивсяки, некоторые мокрецы и легочные моллюски служат индикаторами содержания в почве извести. Дождевые черви Octolasium lacteum и некоторые иды проволочников являются показателями высокого содержания кальция в грунтовых водах.

Интерес представляет почвенно-альгологическая  диагностика, в основе которой лежит  положение о том, что зональности почв и растительности соответствует зональность водорослевых группировок.

Микробиологическая и  биохимическая характеристики почв - наиболее сложные разделы почвенной  биодиагностики. Микроорганизмы - очень  чуткие индикаторы, резко реагирующие на различные изменения в среде. Отсюда необычайная динамичность микробиологических показателей. Почва характеризуется не только составом и численностью разных групп биоты, но и их суммарной активностью, а также активностью биохимических процессов, обусловленных наличием определенного пула ферментов, выделенных в результате жизнедеятельности растений, животных и микроорганизмов, а также аккумулированных почвой после разрушения клеток. Показателями биологической активности почв, применяемых в биоиндикации, могут служить количественные характеристики численности и биомассы разных групп почвенной биоты, их общая продуктивность, некоторые энергетические данные, активность основных процессов, связанных с круговоротом элементов, ферментативная активность почв, а также количество и скорость накопления некоторых продуктов жизнедеятельности почвообитающих организмов.

Для определения размеров микробной биомассы и продуктивности используют не только прямые подсчеты числа клеток, но и косвенные методы - биохимические и физиологические. Например, биомассу водорослей предложено определять по количеству хлорофилла, бактерий - по специфической для прокариот мурамовой кислоте, грибов - по хитину, который входит в состав их клеточной стенки. Микробную активность в почве определяют также по уровню АТФ и полифосфатов, содержанию ДНК, РНК и аминокислот. Наиболее общими являются методы, позволяющие оценить суммарные биологические процессы по исходным или конечным продуктам: методы определения дыхания почвы по поглощению О 2 или выделению СО 2; учёт активности азотфиксации по восстановлению ацетилена; микрокалориметрические измерения для установления уровня термостойкости; аппликационные методы с применением специальных материалов (целлюлозы, хроматографической бумаги, целлофана) для оценки скорости и степени их разложения и накопления продуктов метаболизма, например, аминокислот. Особую группу составляют методы определения потенциальной активности отдельных ферментов в почвах (именно активности, а не количественного содержания).

 

3. Требования, которыми должен удовлетворять  биоиндикатор

 

Идеальный биологический индикатор должен удовлетворять ряду требований:

- быть типичным для  данных условий;

- иметь высокую численность  в исследуемом экотопе;

- обитать в данном  месте в течение ряда лет,  что даёт возможность проследить  динамику загрязнения;

- находиться в условиях, удобных для отбора проб;

- давать возможность  проводить прямые анализы без  предварительного концентрирования  проб;

- характеризоваться положительной  корреляцией между концентрацией  загрязняющих веществ в организме-индикаторе  и объекте исследования;

- использоваться в  естественных условиях его существования;

- иметь короткий период  онтогенеза, чтобы была возможность  отслеживания влияния фактора  на последующие поколения.

Ответная реакция биоиндикатора  на определенное физическое или химическое воздействие должна быть чётко выражена, т.е. специфична, легко регистрироваться визуально или с помощью приборов.

При выборе индикатора необходимо принимать во внимание соображения  экономии и учитывать характер использования  тех или иных организмов. Например, широко распространённые на исследуемой территории и не занесённые в «Красную книгу».

На уровне популяции  биоиндикация проводится в том случае, если процесс распространения негативных изменений охватывает такое количество особей, при котором заметно сокращается численность популяции, изменяется её половозрастная структура, сокращается продолжительность жизни, происходит сдвиг фенологических фаз и др.

Экосистемный подход к оценке состояния окружающей среды  даёт возможность ранней диагностики её изменений. Сигналом тревоги служит разбалансировка продукционно-деструкционных процессов. Диагностическими признаками таких сдвигов являются, например, накопление органического вещества, заиление, зарастание водоёмов, усиленное развитие микроорганизмов.

В качестве объектов для  биоиндикации применяются разнообразные  организмы — бактерии, водоросли, высшие растения, беспозвоночные животные, млекопитающие. Для гарантированного выявления присутствия в природных  средах токсического агента неизвестного химического состава, как правило, используется набор объектов, представляющих различные группы сообщества. С введением каждого дополнительного объекта эффективность схемы испытаний повышается, однако нет смысла бесконечно расширять ассортимент обязательных объектов для использования в такой оценке.