Каким требованиям должен удовлетворять биоиндикатор

Для биоиндикации необходимо выбирать наиболее чувствительные сообщества, характеризующиеся максимальными  значениями скорости отклика и выраженностью  параметров. Например, в водных экосистемах  наиболее чувствительными являются планктонные сообщества, которые быстро реагируют на изменение среды благодаря короткому жизненному циклу и высокой скорости воспроизводства. Бентосные сообщества, где организмы имеют достаточно длинный жизненный цикл, более консервативны: перестройки происходят в них при длительном хроническом загрязнении, приводящем к необратимости процессов. К методам биоиндикации, которые можно применять при исследовании экосистемы, относится выявление в изучаемой зоне редких и исчезающих видов (но не "краснокнижников"!). Список таких организмов, по сути, является набором индикаторных видов, наиболее чувствительных к антропогенному воздействию.

4. Растения – биоиндикаторы загрязнения окружающей среды

 

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 водоёмов 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 — смолёвки (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; жёлтая, бурая или бронзовая окраска), различной формы 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.

Некоторые естественные факторы могут вызывать симптомы, сходные с антропогенными нарушениями. Так, например, хлороз листьев может быть вызван недостатком железа в почве или ранним заморозком. Поэтому приопределении морфологических изменений у растений необходимо учитывать возможность действия других повреждающих факторов. Индикаторы другого типа представляют собой растения-аккумуляторы. Они накапливают в своих тканях загрязняющее вещество или вредные продукты метаболизма, образуемые под действием загрязняющих веществ, без видимых изменений. При превышении порога токсичности ядовитого вещества для данного вида проявляются различные ответные реакции, выражающиеся в изменении скорости роста и длительности фенологических фаз, биометрических показателей и в конечном счёте снижении продуктивности. Получить точные количественные данные о динамике и величине стрессовых воздействий на основе морфологических изменений невозможно, но можно довольно точно определить величину потерь продукции и, имея график зависимости «доза — эффект», рассчитать величину стрессового воздействия. Б.В. Виноградов классифицировал индикаторные признаки растений как флористические, физиологические, морфологические и 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. Их систематизируют в три основные группы, связанные:

- с торможением или стимулированием нормального роста (карликовость и гигантизм);

- деформациями стеблей, листьев, корней, плодов, цветков и соцветий;

- возникновением новообразований (к этой группе аномалий роста относятся также опухоли). Гигантизм и карликовость многие исследователи считают уродствами.

Например, избыток меди в почве вдвое уменьшает размеры  калифорнийского мака, а избыток свинца приводит к карликовости смолёвки. В целях биоиндикации представляют интерес следующие деформации 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 путём 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.

 

5. Особенности использования животных в качестве биоиндикаторов

 

Позвоночные животные также  служат хорошими индикаторами 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 чёткие поведенческие реакции наиболее чувствительны к антропогенным изменениям, что дает возможность непосредственно наблюдать и анализировать быстрые отклики на оказываемое воздействие;

- 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 наиболее чувствительные тесты в соответствии с особо уязвимыми этапами онтогенеза.

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-анатомических наблюдений. Кроме того, эксперименты с животными, как правило, 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 морфоанатомические, поведенческие  и физиолого-биохимические показатели.

Морфоанатомические 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 воздействуют на функции, обеспечивающие жизнедеятельность. Даже при узкоспецифичном влиянии токсиканта на определенную функцию её 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 человека и неадекватно характеризующие микроэлементный состав загрязнения данного региона;

- численность вида  должна обеспечивать достаточный  материал 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 полёвка (Clethrionomysglareolus), красная полёвка (Clethrionomys rubilus).

 

6. Особенности использования микроорганизмов в качестве биоиндикаторов

 

Микроорганизмы —  наиболее быстро реагирующие на изменение  окружающей среды биоиндикаторы. Их развитие и активность находятся в прямой связи с составом органических и неорганических веществ в среде, так как

микроорганизмы способны разрушать соединения естественного  и антропогенного происхождений. На этом основаны принципы биоиндикации с использованием микроорганизмов. Необходимо иметь сведения о составе, количестве и функциональной активности последних.

При прямом микроскопировании, например воды, количество обнаруживаемых микроорганизмов оказывается небольшим, поэтому для изучения морфологического разнообразия и оценок их общего числа в единице объёма проводят концентрирование пробы. Для фильтрации воды используют фильтры Зейтца или иной конструкции с размером пор 0,35; 0,5; 0,23; 0,3; 0,4 мкм. Объём фильтруемой воды может быть от 10 до 20 мл в зависимости от типа водоёма. Для подсчёта численности микроорганизмов фильтр прокрашивают, переносят на предметное стекло в каплю иммерсионного масла и микроскопируют с перемещением сетчатого микрометра.

Просчитывается 20 полей  зрения; в каждом поле зрения должно быть не

менее 50 микробов. Для определения биомассы бактерий необходимо определить размер клеток с помощью микрометра. Выявление микроорганизмов и их учёт можно произвести путём высева проб в жидкие и агаризованные питательные среды. Для учёта сапрофитов используют мясопептонный агар, олиготрофных бактерий выращивают на агаризованной воде из исследуемого водоёма.

Чаще всего для оценки качества вод используют показатель микробного числа - это число клеток аэробных сапрофитных организмов в 1 мл воды. В водопроводной воде согласно ГОСТ микробное число не должно превышать 100. В чистых водоёмах число сапрофитов может исчисляться десятками и сотнями, а в загрязнённых и грязных водоёмах этот показатель достигает сотен тысяч и миллионов.