Содержание Введение………………………………………………………………………………………….3 1. Биоиндикация. Основные понятия, виды и методики……………………………………….5 2. Биоиндикаторы, их чувствительность. Объекты биоиндикации…………………………..7 3. Использование метода биоиндикации для определения чистоты атмосферного воздуха…………………………………………………………………………………………..10 Заключение……………………………………………………………………..……...………14 Список использованной литературы …………………………………………...………….15 Введение В последние годы, наряду с изменениями климата, происходит значительное увеличение антропогенной нагрузки на природные и урбанизированные экосистемы. Загрязнение атмосферы городов – одна из самых распространенных проблем в настоящее время. Воздух городов наполнен пылью, сажей, аэрозолями, дымом, твердыми частицами. К основным источникам загрязнения относятся промышленные, топливно-энергетические предприятия и транспорт. Для определения содержания вредных веществ в среде обитания огромное значение имеет биоиндикация состояния окружающей среды. Биоиндикация является составной частью биологического мониторинга – системы наблюдения и контроля над состоянием окружающей среды на определенной территории с целью рационального использования природных ресурсов и охраны природы.1 Атмосферный воздух – основной компонент биосферы. Каждый человек знает, что он без пищи и воды может жить несколько суток, а без воздуха – только нескольких минут. Общее количество кислорода в атмосферном воздухе составляет 1,0310 т. Опасаться, что в ближайшей перспективе его будет не хватать, не следует, даже при увеличении его использования всеми живыми организмами и расходования на производственные нужды. Человеку стоит беспокоиться и заботиться не о количестве воздуха, который ему необходим, а больше уделять внимание его качеству, поскольку в последнее время загрязнение атмосферы носит прогрессирующий характер. Под загрязнением атмосферы понимают присутствие в ней одного или более соединений, или их комбинаций в таких количествах и в течение такого времени, что они могут оказать вред здоровью человека, или существенно повлиять на сложившийся уклад жизни.2 Основным источником загрязнения атмосферы является деятельность человека и локализация выбросов источников загрязнения в сравнительно небольших географических районах – городах, промышленных центрах, микрорайонах, т. е. в непосредственной близости или непосредственно в местах проживания человека. В связи с этим, наблюдение и оценка состояния атмосферного воздуха для определения степени его загрязнения являются особо актуальными. Методы биологического контроля позволяют оценить изменения параметров среды по наличию, жизнеспособности и поведению организмов определить, в частности, качество воды атмосферного воздуха, а также установить степень его загрязненности и состояние 1 2 Радкевич, В.А. Экология / В.А. Радкевич. Минск, 1997. – C. 87. Загрязнения воздуха и жизнь растений / под. ред. М. Трешоу. – Л.: Гидрометеоиздат, 1998. – С. 26. 3 биоценозов. Сочетание методов химического анализа с биологическими является основой мониторинга за состоянием окружающей среды и необходимо для прогноза ее изменений. 4 1. Основные понятия и виды биоиндикации В биологическом контроле различают биотестирование, биоиндикацию и биомониторинг. Биотестирование – оперативный метод прямой оценки качества воды, в частности сбросных вод предприятий, почвы, кормов и др. субстратов путем экспериментального определения (обычно в лабораторных условиях) действия конкретных загрязняющих или токсических веществ на живые организмы, или так называемые тест-объекты. Тестобъекты – это организмы-биоиндикаторы, ответные реакции которых (тест-реакции) известны и предварительно градуированы по степени воздействия. Биоиндикация – комплексная оценка интенсивности и последствий длительного загрязнения окружающей среды или др. воздействия на нее по наличию индикаторных организмов, таксономическому составу ценозов, по нарушениям в функционировании сообщества либо по др. отклонениям в нормальном развитии организмов. Биомониторинг – это постоянный контроль, включающий как методы биоиндикации, так и биотестирования, за состоянием экосистем по биологическим параметрам согласно заранее разработанной и четко осуществляемой программе полевых и лабораторных исследований, при которых проводится также количественное измерение показателей. Биомониторинг (часто синоним «биоиндикации») является составной частью экологического мониторинга и в отличие от физико-химических методов не дает точных и конкретных результатов. Основное преимущество биомониторинга – оценка качества окружающей среды и степени ее загрязнения по состоянию биоты на разных уровнях организации живой материи (от биомолекул и клеток, включая органоиды, до группировок организмов). Другими словами, биомониторинг позволяет определить комфортность существования в конкретной экосистеме видов и групп организмов, наиболее чувствительных к загрязнению и трансформации естественного состояния природы, а также косвенное влияние на здоровье человека. Именно данные биомониторинга придают значение и правомерность таким нормативам, как ПДК (предельно допустимая концентрация), ПДУ (предельно допустимый уровень) и т.п. Кроме биотестирования (активный биомониторинг), большинство методов относится к пассивной биоиндикации и позволяют визуально определить комплексную реакцию живой природы в ответ на длительное воздействие различных антропогеннных 5 факторов и при достаточно длительном наблюдении сделать прогноз о дальнейшем направлении изменений в экосистеме.3 Методами биоиндикации и биотестирования обусловливается выявление присутствия в окружающей среде загрязнителя по наличию или состоянию организмов, особо чувствительных к изменению экологической ситуации, т.е. выявление и установление биологически важных антропогенных нагрузок на основе реакции сообществ и отдельных живых организмов на них. Как вывод, под биоиндикацией понимают, использование биологических методов для оценивания среды. Оно предполагает выделение видов животных или растений, которые реагируют на тот или иной тип воздействия. Количественная и качественная оценка (без определения степени загрязнения) антропогенного и естественного воздействия в определённых условиях может методами биоиндикации. К основным преимуществам биоиндикации и биотестирования можно отнести: • суммирование всех биологически значимых данных о состоянии окружающей среды; • определение присутствия в окружающей природной среде комплекса загрязнителей; • позволяют судить о степени вредности загрязняющих веществ для живой природы и человека по отдельности; • контролируют действие множества различных синтезируемых человеком соединений; • в условиях постоянной антропогенной нагрузки реагируют на очень слабые воздействия, благодаря аккумуляции дозы; • фиксируют скорость изменений, происходящих в окружающей среде; • указывают на источники поступлений загрязнений и места их скопления в экосистемах и всевозможные пути попадания этих веществ в организм человека; • позволяют проводить нормирование допустимой нагрузки на экосистемы; • являются альтернативой дорогостоящих, физикохимических и трудоемких методов для выявления биологических параметров.4 Белюченко И.С. Введение в экологический мониторинг / И.С. Белюченко. – Краснодар, 2011. – С. 33-35. Федоненко, Е.В. Биомониторинг состояния окружающей среды: учебное пособие / Е.В. Федоненко, И.С. Белюченко, А.В. Смагина. – Краснодар: КубГАУ, 2014. – 4-6 с 3 4 6 2. Биоиндикаторы, их чувствительность. Объекты биоиндикации Биоиндикаторами называют живые организмы, которые имеют выраженную реакцию на внешнее воздействие. Биоиндикаторами могут являться различные виды растений, грибов, водорослей, животных. Главной характеристикой биоиндикатора является его чувствительность. Можно выделить шесть типов развития чувствительности биоиндикатора в зависимости от времени (рисунок 1). Рисунок 1 – Типы чувствительности биоиндикатора: Ст – интенсивность воздействия стрессора, ч – величина показателя чувствительности I. тип: внезапная и сильная реакция, длится некоторое время, и резко исчезает; II. тип: в течение долгого времени сохраняет постоянную чувствительность; III. тип: после мощной реакции наблюдается, вначале быстрое, а затем медленное затухание; IV. тип: при появлении нарушающего воздействия реакция возрастает до максимума, а затем плавно затухает; V. тип: реакция предыдущего типа многократно повторяется. VI тип реакция V типа неоднократно повторяется; возникает осцилляция биоиндикационных параметров. Чувствительными биоиндикаторами являются, почвенные и водные микроорганизмы (водоросли, бактерии, микроскопические грибы), мхи, лишайники. Такими биоиндикаторами могут быть как хвоя сосны обыкновенной, таки и пыльца растений и др. Среди животных выделяются группы организмов, которые реагируют 7 положительно или отрицательно на разные формы антропогенной трансформации среды (моллюски, личинки ручейников, веснянок, ракообразные, поденок, хирономиды). Основными изменениями, которые происходят в объекте биоиндикации в результате воздействия воздушных поллютантов, являются морфологические изменения (изменения формы и размера листовой пластинки, уменьшение продолжительности жизни хвои), а также физиологические процессы (изменение ферментативной активности, изменение в пигментном комплексе). Особой характеристикой любого индикатора является достоверность данных. Согласованных общепринятых методов оценки достоверности не разработано. В ботанических и геоботанических разработках с этой целью применяются различные шкалы, которые оценивают степень сопряженности (т.е. совместной встречаемости) объекта индикации и индикатора. Самым распространённым методом биоиндикации является метод эталонов. Суть этого метода заключается в сопоставление изучаемых экосистем с определенной фоновой, принятой за особый образец, по интересующим параметрам. Метод является важным при индикации загрязнений, когда сравнение идет с природными характеристиками и показателями, которые были не затронуты антропогенным воздействием [21]. В биоиндикации крайне важен точный выбор биоиндикатора. Когда происходит биоиндикация загрязнений, самым лучшим индикатором является организм, который показывает линейную корреляцию между степенью загрязнения окружающей среды и содержанием (аккумуляцией) загрязнителя и/или реакцией организма. Главными требованиями, которые предъявляются к организмам, используемых для биоиндикации, являются: объект биоиндикации должен находится в исследуемой экосистеме в приоритете в крупном количестве; обширное представительство организма биоиндикатора в разнообразных точках обитания и обширное географическое распределение; несложность и доступность идентификации и получения материала; отсутствие сезонных различий в доступности и применении биоиндикатора; условная выносливость к воздействию и накоплению стрессора; присутствие корреляции между реакцией организма и уровнем воздействия стрессора на экосистему. 5 В качестве объектов биоиндикации выступают различные живых организмы, т.е. микроорганизмы, растения и животные. Микроорганизмы – самые быстро реагирующие биоиндикаторы, они предпочтительно подходят для экотоксикологических экспериментов и расшифровки биохимических механизмов действия различных загрязнителей на живой Ляшенко, О.А. Биоиндикация и биотестирование в охране окружающей среды: учебное пособие / О.А. Ляшенко – СПб ГТУРП. – СПб., 2012. – С. 22. 5 8 организм. Растениям уделяется отдельное место при биоиндикаторной оценке состояния окружающей среды, которая проявляет высокую чувствительность, особенно к действию газообразных токсикантов и к тяжелым металлам. Растения свободно используются с цель фитоиндикации и контроля воздушной среды. Они в отличие от животных, как наземные, так и пресноводные, крепко объединены со своим местообитанием, это облегчает задачу, когда учитывают факторы, которые действуют на растительный организм со стороны корневой системы. Одновременно, вследствие автотрофности и прикреплённости многих растений к субстрату, они являются важной составляющей любого биогеоценоза, которая подвергается воздействию локальных и глобальных загрязнений, что также важно для их успешного применения в целях биоиндикации. Животные являются интересным объектом, который физиологически близок к человеку. По реакции животных можно предугадать санитарные последствия загрязнения как для природы, так и для людей.6 Протасов, В.Ф. Экология: термины и понятия, стандарты, сертификация, нормативы / Протасов В.Ф. – М.: Финансы и статистика, 2005. – 57 с. 6 9 3. Использование метода биоиндикации для определения чистоты атмосферного воздуха В качестве наиболее распространенных и опасных выделяют восемь категорий загрязнителей атмосферного воздуха (рисунок 2). взвешенные вещества Загрязнители атмосферного воздуха углеводороды и другие летучие органические соединения угарный газ (СО) свинец и другие тяжелые металлы озон и другие фотохимические окислители кислоты оксиды серы, в основном диоксид (SO2) оксиды азота (NOx) Рисунок 2 – Категории загрязнителей атмосферного воздуха От загрязнения воздуха страдают все живые организмы, но особенно растения, имеющие очень высокую интенсивность газообмена, в разы превышающую газообмен у человека. По этой причине растения, в том числе низшие, наиболее пригодны для обнаружения начального изменения состава воздуха. Количественное представление о токсическом эффекте загрязняющих воздух веществ дают соответствующие индексы.7 Оценку состояния атмосферного воздуха на наличие некоторых загрязнителей можно проводить по растениям–индикаторам При ухудшении качества атмосферного воздуха и избыточном накоплении каких-либо газообразных загрязняющих веществ (ЗВ) у некоторых наиболее чувствительных растений отмечаются различные визуальные Белюченко И.С. Использование методов биотестирования и биоиндикации в оценке степени токсичности отходов и компонентов окружающей среды / И.С. Белюченко, Ю.В. Пономарева // Экологические проблемы Кубани. – № 31. – Краснодар, 2006. – С. 68-72 7 10 изменения: изменение окраски, отмирание тканей (некрозы) и др. (рисунок 3), что приводит к нарушению процесса фотосинтеза или полному его прекращению вплоть до отмирания клеток (таблица 1). Рисунок 3 – Формы некрозов на листьях цветковых растений и на хвое Таблица 1 – Признаки повреждения некоторых древесных растений в зависимости от различных загрязняющих веществ 11 Косвенным показателем количества пыли, осаждающейся из воздуха на поверхность земли и содержащей целый ряд ЗВ (выбросы керамических, цементных, кирпичных заводов, частички шин и асфальтового покрытия, просто частички почвы и различных солей), может служить степень запыленности листовых пластинок широколиственных древесно-кустарниковых пород в различных местах исследований: у дороги, возле промышленных предприятий, жилых домов, в парке, у водоема. Качество воздуха можно оценить по состоянию хвои сосны. Хвоя сосны – редуцированные листья со сниженной транспирацией, вследствие чего они не опадают на зиму и способны сохраняться на побегах сосны, в зависимости от чистоты воздуха и по разным данным, от трех до семи лет. Однако именно малая поверхность листьев и многолетний срок жизни делает их уязвимыми к различным загрязнениям – химическим и механическим, которые приводят к снижению интенсивности фотосинтеза из-за разрушения хлорофилла и, как следствие, к хлорозам и некрозам. Метод пригоден для больших и малых территорий в любое время года. При использовании многих биометрических показателей и переведении их в баллы возможно картирование больших территорий. Биоиндикация загрязнения воздуха возможна с помощью лишайников. Лишайники – особая форма жизни, представляющая симбиоз водоросли и гриба. Поскольку лишайники лишены покровных тканей и гигроскопичны за счет мицелия, то водорослевый компонент очень чувствителен к загрязненности воздуха, особенно диоксидом серы. Лишайники, особенно эпифитные, – самый чувствительный индикатор общего загрязнения воздуха, т.к. получают питание непосредственно из окружающей среды – в составе атмосферных осадков, росы, туманов, пыли, которые оседают на слоевищах. Средний возраст лишайников от 30 до 80 лет, у некоторых – несколько сотен лет. Растут они очень медленно – 1-8 мм в год. Лишайники выбраны объектом глобального мониторинга благодаря своей чувствительности, незначительной изменчивости по сравнению с другими организмами и широкому распространению по всему Земному шару и самым различным местообитаниям. В настоящее время методы лихеноиндикации достаточно хорошо разработаны и широко применяются, в частности, для картирования загрязненности атмосферного воздуха на основе изучения лишайниковых группировок и вычисления различных индексов. Наиболее информативны методы лихеноиндикации при исследовании больших территорий и наличии мощного источника загрязнения воздуха. Следует также помнить, что лишайники довольно чувствительны к затенению. Ответные реакции проявляются в уменьшении размера и изменении цвета талломов 12 (разрушение пигментов водоросли), формы таллома (нарушение радиальности нарастания мицелия), консистенции (потеря упругости, хрупкость); в отсутствии или малом числе плодовых тел; наконец, в резком снижении числа видов вплоть до полного исчезновения (зона «лишайниковой пустыни» при среднегодовой концентрации диоксида серы более 0,3 мг/м3. По уменьшению обилия лишайников (степень покрытия коры деревьев) можно судить о величине стресса на сильно загрязненных территориях. Летальная доза для большинства лишайников составляет примерно 52 мкг/м3 SO2. Для оценки степени загрязнения воздуха делают оценку проективного покрытия (ПП) лишайников. А для оценки чистоты атмосферы рассчитывают индекс полеотолерантности (IP) соответствует определенной концентрации газообразных соединений, загрязняющих атмосферу, который вычисляется по формуле: (1); Где аi - класс полеотолерантности i-го вида (в условиях города обычно 9-10); сi - ПП вида; Сin - суммарное покрытие видов. Рассчитывают IP для каждого участка. Показатели IP колеблются от 0 до 10. Чем выше значение IP, тем более загрязнен воздух. Важно отметить, что это далеко не все способы оценки загрязнения атмосферного воздуха методом биоиндикации. Однако, необходимо учесть, что ни одна из методик биоиндикации, взятая по отдельности, не может служить достаточно точной и достоверной оценкой состояния окружающей среды.8 Норышева P.A. Биоиндикация состояния окружающей среды // Сбор, науч. трудов аспирантов, соискателей и молодых учёных / Р.А. Норышева; отв. ред. доц. Е.С. Березина, - Тара: изд. ОмГАУ, 2006. - С.66-71. 8 13 Заключение Изучение последствий антропогенного воздействия на окружающую среду невозможно без применения приемов биологической индикации, которая дает прямую информацию о реакции организмов на стрессорные факторы. Основной задачей биоиндикации является разработка методов и критериев, которые могли бы адекватно отображать уровень антропогенных воздействий с учетом комплексного характера загрязнений. Важно учесть, что при биоиндикации загрязнения воздуха основную роль играют следующие аспекты: 1) правильность выбора методики, в частности учет тех факторов окружающей среды, которые могут повлиять на результаты исследований (например, погодные условия, сезон года; несколько видов загрязнений, которые могут действовать синергически или, наоборот, ослаблять негативное действие друг друга, и т.п.); 2) достоверность исследований, зависящая от правильного выбора точек отбора и числа повторностей (при наличии большого числа повторностей можно сделать математическую обработку); 3) комплексность исследований всех блоков ландшафта с использованием различных по систематическому и экологическому статусу организмов; 4) долговременность наблюдений (исследований), что и даст возможность более правильной интерпретации результатов и прогноза. В заключение, необходимо отметить, что биологические методы контроля в ряде ситуаций, позволяют быстро оценивать качество окружающей среды и наличие некоторых загрязнений, которые обнаружить химическими методами не представляется возможным. 9 Калыгин В. Г. Промышленная экология. Учеб. пособие для студ. высш. учеб. Заведений. М.: Издательский центр «Академия», 2004. – С. 92. 9 14 Список использованной литературы 1. Радкевич, В.А. Экология / В.А. Радкевич. Минск, 1997. – 369 с. 2. Загрязнения воздуха и жизнь растений / под. ред. М. Трешоу. – Л.: Гидрометеоиздат, 1998. – 231 с. 3. Белюченко, И.С. Введение в экологический мониторинг / И.С. Белюченко. – Краснодар, 2011. – 342 с. 4. Федоненко, Е.В. Биомониторинг состояния окружающей среды: учебное пособие / Е.В. Федоненко, И.С. Белюченко, А.В. Смагина. – Краснодар: КубГАУ, 2014. – 4-6 с 5. Ляшенко, О.А. Биоиндикация и биотестирование в охране окружающей среды: учебное пособие / О.А. Ляшенко – СПб ГТУРП. – СПб., 2012. – 237 с. 6. Протасов, В.Ф. Экология: термины и понятия, стандарты, сертификация, нормативы / Протасов В.Ф. – М.: Финансы и статистика, 2005. – 423 с. 7. Белюченко, И.С. Использование методов биотестирования и биоиндикации в оценке степени токсичности отходов и компонентов окружающей среды / И.С. Белюченко, Ю.В. Пономарева // Экологические проблемы Кубани. – № 31. – Краснодар, 2006. – С. 6872. 8. Норышева, P.A. Биоиндикация состояния окружающей среды // Сбор, науч. трудов аспирантов, соискателей и молодых учёных / Р.А. Норышева; отв. ред. доц. Е.С. Березина, - Тара: изд. ОмГАУ, 2006. - С.66-71. 9.Калыгин, В. Г. Промышленная экология. Учеб. пособие для студ. высш. учеб. Заведений. М.: Издательский центр «Академия», 2004. – 444 с. 15
