Разделы

Авто
Бизнес
Болезни
Дом
Защита
Здоровье
Интернет
Компьютеры
Медицина
Науки
Обучение
Общество
Питание
Политика
Производство
Промышленность
Спорт
Техника
Экономика

Биологический мониторинг

 

Биологический мониторинг, как правило, входит в качестве подсистемы в состав экологического мониторинга. Как известно, качество среды (почвы, воды, воздуха, биоты) можно отслеживать двумя методами:

· физико-химическим;

· биологическим.

Биологический мониторинг направлен на выявление и оценку антропогенных процессов, связанных с изменением биоты, биологических систем, на прогноз развития этих систем. Состояние биологических систем оценивается по:

o продукции всех основных звеньев трофической цепи;

o стабильности структуры и разнородности отдельных трофических уровней;

o скорости протекания обмена веществ и расходования энергии в экосистеме, характеризующих степень биологического самоочищения системы.

Для целей биологического мониторинга в качестве функциональных показателей используют показатели риска (прирост биомассы), показатели трат на дыхание, показатели потребления и усвоения пищи. Кроме того, при организации контроля за состоянием биоты особое внимание должно уделяться:

§ колебаниям общей численности популяции и выяснению причин этих колебаний;

§ изменениям в возрастном и половом составе популяции;

§ изменению половых процессов и интенсивности размножения;

§ изменению репродуктивного цикла;

§ изменению в эмбриональном развитии.

 

 

Экологические основы биоиндикации

 

Биоиндикация – это оценка состояния среды с помощью живых объектов. Живые объекты (или системы) – это клетки, организмы, популяции, сообщества. С их помощью может проводиться оценка как абиотических факторов (температура, влажность, кислотность, соленость, содержание загрязняющих веществ и т. д.), так и биотических факторов (благополучие организмов, их популяций и сообществ).

Все биологические системы – будь то организмы, популяции или биоценозы – в ходе своего развития приспособились к комплексу факторов местообитания. Они завладели внутри биосферы определенной областью, экологической нишей, в которой находят подходящие условия существования и могут нормально питаться и размножаться. Каждый организм обладает в отношении любого действующего на него фактора генетически детерминированным уникальным физиологическим диапазоном толерантности, в пределах которого этот фактор является для него переносимым.

Такие понятия как «диапазон толерантности», «зоны оптимума», «зоны пессимума» вытекают из базовых законов экологии, таких как Закон минимума Либиха и Закон толерантности Шелфорда. Наглядно эти понятия демонстрирует графическое представление функций отклика организма на действующий на него фактор или группу факторов.

 

 

На рис. 3 - частная функция отклика, описывающая показатель смертности популяции.

Индикаторная ценность вида определяется его реакцией (функцией отклика ) на диапазон изменения фактора. При широком диапазоне толерантности организмы называются эврипотентными, при узком диапазоне толерантности – стенопотентными.

Стенопотентные организмы являются более ценными в биоиндикаторном смысле, поскольку небольшое изменение значения фактора влечет за собой существенные изменения функций отклика.

Как правило, функция отклика организма на отдельный фактор имеет форму выпуклой кривой, нарастающей до некоторого максимума, а затем убывающей до минимума, за которым наступает либо смерть, либо отсутствие организма в данной местности (данных условиях).

Зоной оптимума называют интервал значений фактора, в котором организм ощущает себя наиболее комфортно.

Зоной пессимума называют участок на шкале значений фактора, когда физиологические реакции организма минимальны либо приближаются к летальному исходу.

Будучи взаимозаменяемыми, отдельные факторы или их сочетание могут приводить к сходному эффекту. Поэтому для исследователя проблемным является нахождение соответствия видимой реакции организма совокупности искомых факторов, приведших к данной реакции.

Для уточнения и выявления факторов, ответственных за определенные реакции организмов применяют биотестирование.

Биотестирование – процедура установления токсичности среды с помощью тест-объектов, сигнализирующих об опасности в зависимости от того, какие вещества и в каком сочетании вызывают изменения жизненно важных функций у тест-объектов. Для оценки параметров среды используют стандартизированные реакции живых организмов (отдельных органов, тканей, клеток или молекул).

В организме, пребывающем контрольное время в условиях загрязнения происходят изменения физиологических, биохимических, генетических, морфологических или иммунных систем. Объект извлекается из среды обитания и в лабораторных условиях проводится необходимый анализ. Живой организм может тестироваться также в специальных камерах или на стендах, где создаются условия изучаемого загрязнения, что очень важно для выявления реакции организма на то или иное доминирующее загрязнение или целый комплекс известных загрязняющих веществ на данной территории обитания.

Хотя биоиндикация и биотестирование очень близки по конечной цели исследования, надо помнить, что биотестирование осуществляется на уровне молекулы, клетки или организма и характеризует возможные последствия для биоты от загрязнения окружающей среды, а биоиндикация осуществляется на уровне отдельного организма, популяции или сообщества и характеризует результат загрязнения в целом.

Живые объекты – открытые системы, через которые идет поток энергии и круговорот веществ. Все они в той или иной мере пригодны для целей биомониторинга.

 

Стрессоры биологических систем и их индикаторная значимость

 

Индикаторная значимость организмов определяется экологической толерантностью биологической системы. В пределах зоны толерантности организм способен поддерживать свой гомеостаз (постоянство внутренней среды и физиологических функций). Любой фактор, если он выходит за пределы «зоны комфорта» для данного организма, является стрессовым. В этом случае организм реагирует ответной реакцией различной интенсивности и длительности, проявление которой зависит от биологического вида и является показателем его индикаторной ценности.

Стресс – это понятие, используемое во многих областях науки. Впервые в качестве научного термина оно было введено в 1936 г. канадским патологом Гансом Селье и вскоре проникло в обиходный язык, прежде всего как обозначение неспецифического психического напряжения.

В биологии под стрессом понимается реакция биологической системы на экстремальные факторы среды (стрессоры), которые в зависимости от силы, интенсивности, момента и продолжительности воздействия могут более или менее сильно влиять на живую систему.

В естественных условиях организмы часто подвергаются воздействию различных различных биотических и абиотических стрессоров. За время эволюции организмы приспособились к ритмически повторяющимся экстремальным условиям среды, например, к холоду, жаре, засухе, путем периодического изменения активности (впадая в спячку или анабиоз), что делает их устойчивыми к влиянию стрессоров.

Другие организмы могут уклоняться от воздействия экстремальных условий среды при помощи специфических приспособлений (избегание стресса). Так, например, глубоко укоренившиеся растения не чувствительны к поверхностному пересыханию почвы, ряд растений или животных ставит на пути стрессоров химические или физические барьеры.

Опишем возможные виды естественных стрессоров.

Стрессоры окружающей среды

Биологические стрессоры (инфекция, конкуренция, хищничество)

Антропогенные стрессоры, которых бесчисленное множество, либо действуют непосредственно на организмы, либо модифицируют имеющиеся факторы среды и тем самым превращают их для многих организмов в стрессовые. Один только огромный прогресс в области транспорта, гигиены и пищевой промышленности способствовал возникновению в минувшее десятилетие много тысяч новых химических продуктов, многие из которых обладают экстремальной биологической активностью.

Опасность антропогенных стрессоров состоит в том, что биологические системы – будь то организмы, популяции или биоценозы – недостаточно адаптированы к ним. Антропогенные стрессоры создаются с такой скоростью, что в живых системах часто не успевают активизироваться соответствующие адаптационные процессы. Многие антропогенные факторы среды потому и становятся опасными стрессорами, что они отличны по величине, интенсивности, продолжительности и моменту воздействия от той, обычно существующей в природе «нормы», к которой адаптированы биологические системы. В результате они часто влияют на диапазон толерантности, что нередко приводит к превышению допустимой нагрузки на организмы и распаду биологической системы.

Следует также обратить внимание на то, что в природе на организм воздействует не один стрессор, а целый комплекс нарушающих факторов. При этом какой-либо отдельный фактор может временно или постоянно доминировать. Стрессовое воздействие среды приводит к отклонению основных параметров организма от оптимального уровня.

Виды антропогенных стрессоров и их нарушающее воздействие представим в виде таблицы.

 

Стрессор Нарушающее воздействие
Температура
Холод (мороз)   Жара Потеря полупроницаемости клеток, затвердевание липидов[1], деструкция белков, замедление метаболических (обменных) процессов, затвердевание и расширение воды   Разжижение липидов, агрегация белков, потеря полупроницаемости клеток
Вода
Сухость     Затопление Дегидратация (обезвоживание), концентрирование растворенных веществ, сжатие клеток   Гидратация, недостаток кислорода, сжатие клеток
Облучение
Инфракрасное и видимое   УФ-излучение   Ионизирующее излучение Фотосенсибилизация (повышение чувствительности к свету), фотохимическая реакция   Сенсибилизация[2] к действию излучения   Сенсибилизация, радиохимическая реакция, агрегация белков
Химические вещества
Соли   Ионы   Недостаток кислорода   Cернистый ангидрид (SO2)   Аммиак (NH3) Дисбаланс ионов, потеря полупроницаемости клеток   Ионообмен   Нарушение метаболических процессов   Образование нерастворимых сульфитов     Образование амидов, изменение кислотности (pH)
Физические факторы
Давление     Шум   Скашивание травы, скусывание   Ветер   Электричество     Магнетизм Сжатие клеток, изменение внутриклеточного давления, прекращение роста клеток   Механическое повреждение клеток и их сжатие   Механическое повреждение клеток и их сжатие     Механическое повреждение клеток и их сжатие   Разжижение липидов, агрегация белков, потеря полупроницаемости клеток   Дезориентация ионов, потеря полупроницаемости

Преимущества биоиндикации

 

Многолетний опыт ученых разных стран по контролю состояния окружающей среды показал преимущества, которыми обладают биоиндикаторы:

Ø в условиях хронических антропогенных нагрузок могут реагировать даже на относительно слабые воздействия вследствие кумулятивного эффекта; реакции проявляются при накоплении некоторых критических значений суммарных дозовых нагрузок;

Ø суммируют влияние всех без исключения биологически важных воздействий и отражают состояние окружающей среды в целом, включая ее загрязнение и другие антропогенные изменения;

Ø исключают необходимость регистрации химических и физических параметров, характеризующих состояние окружающей среды;

Ø фиксируют скорость происходящих изменений;

Ø вскрывают тенденции развития природной среды;

Ø указывают пути и места скоплений в экологических системах различного рода загрязнений и ядов, возможные пути попадания их в пищу человека;

Ø позволяют судить о степени вредности любых синтезируемых человеком веществ для живой природы и для него самого, причем дают возможность контролировать их действия.

 

Приведем еще несколько аргументов в пользу биоиндикации:

 

1) фактор не может быть изменен. Это особенно характерно для попыток реконструкции климата прошлых эпох. Так, анализ пыльцы растений в Северной Америке за длительный период показал смену холодного климата теплым влажным и далее замену лесных сообществ на травяные. В другом случае, остатки диатомовых водорослей позволили утверждать, что в прошлые эпохи вода в озерах Швеции имела кислую реакцию по вполне естественным причинам.

2) фактор трудно измерить. Некоторые пестициды так быстро разлаются, что не позволяют выявить их исходную концентрацию в почве. Например, инсектицид дельтаметрин активен лишь несколько часов после его распыления; в то же время как его действие на жуков и пауков прослеживается в течение нескольких последующих недель.

3) фактор легко измерить, но трудно интерпретировать. Данные о концентрации в окружающей среде различных загрязнителей не содержат ответа на вопрос насколько ситуация опасна для живой природы. Показатели ПДК различных веществ разработаны лишь для человека, однако очевидно, что эти показатели не могут быть распространены на другие организмы. Есть более чувствительные чем человек виды по отношению к отдельным загрязнителям. Поэтому биоиндикация позволяет оценить биологические последствия, не взирая на то, достигнуты ли нормы ПДК для человека.


Формы биоиндикации

 

Выделяют 2 формы отклика живых организмов, используемых в целях биоиндикации – специфическую и неспецифическую.

В первом случае изменение живой системы можно связать только с одним фактором среды. Например, высокая концентрация в воздухе озона вызывает на листьях табака серебристые некрозные пятна.

Во втором случае различные факторы среды вызывают одну и ту же реакцию. Например, снижение численности почвенных беспозвоночных может происходить по разным причинам: при загрязнении почвы, вытаптывании, во время засухи или по другим причинам.

Схематически обе формы биоиндикации можно представить следующим образом:

 

Специфическая Неспецифическая

биоиндикация биоиндикация

факторы реакция факторы реакция

среды живой системы среды живой системы

 

А А

Б α Б β

В В

Г Г

 

При другом подходе различают прямую и косвенную биоиндикацию.

О прямой биоиндикации говорят, когда фактор среды действует на биологический объект непосредственно. В приведенном выше примере серебристые пятна на листьях табака возникают от прямого действия озона.

При косвенной биоиндикации фактор действует через изменение других факторов среды (либо абиотических, либо биотических). Например, применение одного из гербицидов (2,2 дихлорпропионовой кислоты) на лугу ведет к уменьшению злаков в растительном покрове (с 55% до 12%) и соответственно к увеличению роста разнотравья, что может рассматриваться как прямая биоиндикация. Эти изменения растительного покрова ведут к падению численности саранчовых и росту численности тли. Изменения в соотношении двух групп насекомых – пример косвенной биоиндикации применения гербицида.

 

Схематически это можно изобразить следующим образом:

Прямая Косвенная

биоиндикация биоиндикация

факторы реакция факторы реакция

среды живой системы среды живой системы

 

А α А Б β

 

Типы биоиндикаторов и критерии их выбора

 

Как уже отмечалось биоиндикаторы – это биологические объекты (от клеток и биологических макромолекул до экосистем и биосферы в целом), используемые для оценки состояния среды. Когда хотят подчеркнуть то, что биоиндикаторы могут принадлежать к разным уровням организации живого, то употребляют термин «биоиндикаторные системы»

Выделяют 2 типа биоиндикаторов:

v чувствительный – быстро реагирует значительным отклонением показателей от нормы. Например, отклонение в поведении животных, в физиологических реакциях клеток могут быть обнаружены практически сразу после начала действия нарушающего фактора;

v аккумулятивный – накапливает воздействие без проявляющихся нарушений. Например, лес на начальных этапах его загрязнения или вытаптывания будет прежним по своим основным характеристикам (видовому составу, разнообразию, обилию и т. п.), лишь по прошествии какого-то времени начнут исчезать редкие виды, произойдет смена преобладающих форм, изменится общая численность организмов и т. д. Таким образом, лесное сообщество как биоиндикатор не сразу проявит нарушение среды.

Биоиндикаторы принято описывать с помощью двух характеристик:

· специфичность;

· чувствительность.

При низкой специфичности биоиндикатор реагирует на разные факторы (обладает низкой избирательностью). При высокой специфичности – реагирует только на один фактор воздействия.

Говорят что биоиндикатор обладает низкой чувствительностью, если он отвечает только на сильные отклонения фактора от нормы (реагирует только на сильные воздействия). При высокой чувствительности биоиндикатор реагирует даже на незначительные воздействия.

Тест-организмы – это биоиндикаторы (растения и животные), которых используют для оценки качества воздуха, воды или почвы в лабораторных опытах.

Примеры тест-организмов:

§ одноклеточные зеленые водоросли (хлорелла, требоуксия, относящиеся к лишайникам);

§ простейшие (инфузория-туфелька);

§ членистоногие (рачки дафния и артемия);

§ мох мниум;

§ цветковые (злак плевел, кресс-салат).

 

Рассмотрим требования (критерии) при выборе организмов в качестве биоиндикаторов.

В качестве биоиндикаторов могут быть использованы представители всех Царств живой природы. Для биоиндикации не пригодны организмы, поврежденные болезнями, вредителями и паразитами. Идеальный биологический индикатор должен удовлетворять ряду требований:

ü быть типичным для данных условий;

ü иметь высокую численность в исследуемом экотопе;

ü обитать в данном месте в течение ряда лет, что дает возможность проследить динамику загрязнения;

ü находиться в условиях, удобных для отбора проб;

ü характеризоваться положительной корреляцией между концентрацией загрязняющих веществ в организме-индикаторе и объекте исследования, т.е. в воздействующем факторе или субстрате;

ü использоваться в естественных условиях его существования;

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

 

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

При выборе индикатора необходимо принимать во внимание соображения экономики и учитывать характер использования тех или иных организмов. Например, тех, которые широко распространены на исследуемой территории и не занесены 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 ее половозрастная структура, сокращается продолжительность жизни, происходит сдвиг фенологических фаз и другое.

Экосистемный подход к оценке среды дает возможность ранней диагностики ее изменений. Сигналом тревоги служит разбалансировка продукционно-деструкционных процессов. Диагностическими признаками таких процессов является накопление органического вещества, заиление, зарастание водоемов, усиленное развитие микроорганизмов.

Для биоиндикации необходимо выбирать наиболее чувствительные сообщества, характеризующиеся максимальными скоростью 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 процесса.

 

Методы контроля при биоиндикации

 

Отклонение характеристик биоиндикатора в нарушенной среде необходимо сравнивать с нормой или «контролем». В зависимости от ситуации используются разные подходы:

1. Сравнение с характеристиками объекта вне зоны воздействий. Например, чтобы выявить изменение растительных сообществ при промышленном загрязнении, их сравнивают с сообществами, расположенными вне зоны антропогенного воздействия.

2. Сравнение с результатами эксперимента. В лабораторных опытах часть тест-организмов контактирует с загрязненной почвой, водой или воздухом, другая же часть (контрольная группа) – с заведомо чистыми субстратами. Для тестирования воздуха, например, применяют специальные камеры с тест-растениями. Через опытные камеры пропускают загрязненный воздух, а через контрольные – воздух, профильтрованный с помощью активированного угля.

3. Сравнение с характеристиками объектов в прошлом до воздействия человека (исторические стандарты). Некоторые типы экосистем, например, европейские степи, практически утратили свой начальный облик. В таких случаях о степени их нарушенности можно судить по подробным научным описаниям или из художественных произведений прошлого.

 

Особенности биоиндикации на разных уровнях организации живого

 

Биоиндикация может осуществляться на всех уровнях организации живого: на уровне биологических макромолекул, клеток, тканей и органов, организмов, популяций (пространственная группировка особей одного вида), на уровне сообществ, экосистем и биосферы в целом.

На низших уровнях биоиндикации возможны прямые и специфические формы биоиндикации, на высших – лишь косвенные и неспецифические формы. Однако, именно последние дают комплексную оценку влияния антропогенных воздействий на природу в целом.

 

Клеточный и субклеточный уровни

 

Биоиндикация на этих уровнях основана на узких пределах протекания биотических и физиологических реакций. Ее достоинство заключается в высокой чувствительности к нарушениям, позволяющим выявить даже незначительные концентрации загрязнителей, и выявить их быстро. Именно на этих уровнях возможно наиболее раннее выявление нарушений среды. К числу недостатков относится то, что биоиндикаторы – клетки и молекулы – требуют сложной аппаратуры.

Результаты действия загрязнителей следующие:

ü нарушение биомембран (особенно их проницаемости);

ü изменение концентрации и активности макромолекул (ферментов, белков, аминокислот, жиров, углеводов);

ü аккумуляция вредных веществ;

ü нарушение физиологических процессов в клетке (метаболических процессов);

ü изменение размеров клеток.

Организменный уровень биоиндикации

 

Еще в древности некоторые виды растений использовали для поиска руд и других полезных ископаемых. Повреждения растений дымом были отмечены еще в середине XIX века вокруг садовых фабрик Англии и Бельгии.

Преимущество биоиндикации на этом уровне - небольшие затраты труда и относительная дешевизна, поскольку не требуется специальная лаборатория и высокая квалификация персонала.

С помощью растений можно проводить биоиндикацию всех природных сред. Индикаторные растения используют при оценке механического и кислотного состава почв, их плодородия, увлажнения и засоления, степени минерализации грунтовых вод, степени загрязнения атмосферного воздуха газообразными соединениями, а также при выявлении трофических свойств водоемов и степени их загрязнения.

Чувствительные фитоиндикаторы указывают на присутствие загрязняющего вещества в воздухе или почве ранними морфологическими реакциями – изменением окраски листьев, различной формы некрозами, преждевременным увяданием и опаданием листвы. У многолетних растений загрязняющие вещества вызывают изменение размеров, формы, количества органов, направление роста побегов или изменение плодовитости. Подобные реакции обычно неспецифичны.

При этом следует заметить, что некоторые естественные факторы могут вызывать симптомы, сходные с антропогенными нарушениями. Так, например, хлороз листьев может быть вызван как недостатком железа в почве, так и ранним заморозком. Поэтому при определении морфологических изменений у растений необходимо учитывать действие других повреждающих факторов.

Индикаторы другого типа представляют собой растения-аккумуляторы. Они накапливают в своих тканях загрязняющее вещество или вредные продукты метаболизма (связанные с действием загрязняющего вещества) без видимых изменений. При превышении порога токсичности ядовитого вещества для данного вида начинают проявляться различные ответные реакции, выражающиеся в изменении скорости роста и длительности фенологических фаз, биометрических показателей и в конечном счете, снижении продуктивности.

 

Индикаторные признаки растений классифицируют на 4 вида:

· флористические;

· физиологические;

· морфологические;

· фитоценотические.

 

Флористическими признаками являются различия состава растительности изучаемых участков, сформировавшегося вследствие определенных экологических условий, в сравнении с другими участками с иными экологическими условиями. При этом индикаторное значение имеет как присутствие, так и отсутствие вида.

К физиологическим признакам относятся особенности обмена веществ у растений.

К анатомо-морфологическим признакам относятся особенности внутреннего и внешнего строения различного рода аномалий развития и появление новообразований.

Фитоценотические признаки – особенности структуры растительного покрова, в частности и рассеянность вида.

 

Рассмотрим более детально морфологические изменения растений и причины их вызывающие:

· изменение окраски листев. Причины и виды изменения окраски:

◦ хлороз – бледная окраска листьев между жилками; отмечается при избытке в почве тяжелых металлов и газодымовом загрязнении воздуха;

◦ пожелтение участков листьев. Характерно для лиственных деревьев при засолении почвы хлоридами;

◦ покраснение – возникает под действием сернистого газа;

◦ побурение или побронзовение. Часто означает начальную стадию некротических повреждений;

◦ листья как бы пропитаны водой (как при морозных повреждениях). Возникает под действием ряда окислителей, например, при действии пероксиацетилнитрата;

◦ серебристая окраска листьев возникает под действием озона, в частности на листьях табака.

· некрозы – отмирание участков ткани листа, иногда в специфической форме. Бывают:

◦ точечные и пятнистые. Например, у табака при действии озона серебристого цвета;

◦ межжилковые – некроз тканей между боковыми жилками. Возникает под действием SO2;

◦ краевые. Например, на листьях липы под действием соли (NaCl), которой зимой посыпают улицы;

◦ «рыбий скелет» - сочетание межжилковых и краевых некрозов;

◦ верхушечные некрозы. Например, у хвойных растений хвоинки становятся на вершине бурыми.

· преждевременное увядание. Например, под действием этилена в теплицах не раскрываются цветки у гвоздики, увядают лепестки орхидей. Сернистый газ вызывает увядание листьев малины;

· дефолиация – опадание листвы. Обычно наблюдается после некрозов и хлорозов. Например, осыпание хвои у ели и сосны при газодымовом загрязнении воздуха, а у лип и конских каштанов – от соли для таяния льда, у крыжовника и смородины – под действием сернистого газа;

· изменение размеров органов. Как правило, это проявление неспецифично. Например, хвоя сосны вблизи заводов по производству удобрений удлиняется от нитратов и укорачивается от SO2, у ягодных кустарников дым вызывает уменьшение размеров листьев;

· изменение формы, количества и положения органов. Аномальную форму листьев отмечали после радиоактивного облучения. В результате локально возникающих некрозов происходит вздувание или искривление листьев, сращивание или расщепление отдельных органов, увеличение или уменьшение частей цветка;

· изменение плодовитости. Обнаружено у многих растений. Например, уменьшается образование плодовых тел у грибов, снижается продуктивность у черники и ели.

 

Биоиндикация на примере животных

 

Наблюдать за изменениями животных в нарушенной среде значительно сложнее, чем за неподвижными растениями. Более доступны насекомые и моллюски. Эти группы чаще других и используют в целях биоиндикации.

 

1. Морфологические изменения (размеров, пропорций, покровов, окраски, уродства):

§ размеры и пропорции тела на загрязненных участках достоверно отличаются:

- у ряда тлей (ширина головы, длина бедра и голени, усиков, хвостика и сифона);

- у некоторых брюхоногих моллюсков размеры раковинок;

- на загрязненном корме размеры личинок насекомых обычно уменьшаются;

§ покровы – у тли (Aphis fabae) после добавления в пищу сульфат-ионов существенно изменялась зернистость покрова

§ окраска – явление более темной окраски в загрязненных районах отмечено у:

- бабочки пяденицы березовой;

- двухточечной божьей коровки (обычно доля черных форм составляет 2-3%, а в загрязненных районах – намного выше);

§ уродства – под действием ксенобиотиков (дизельного топлива, ДДТ и других) возникают нарушения формообразующих процессов в развитии насекомых. В опытах доля аномальных бабочек огнёвки выросла от 5% до 35% при добавлении в пищу PbO. Исследование рыб (плотва, лещ, карась и др.) в Москве-реке в пределах города выявило следующие уродства: нарушение формы тела, искривление позвоночника, нарушение пигментации, редукцию плавников, «мопсовидность» головы, слепоту, бельмо на глазу, выпуклость глаз, ожирение, длиннохвостость и др. Так, у плотвы доля особей с уродствами составляла от 10 до 70%;

§ изменение толщины скорлупы яиц у птиц при питании пищей с примесями ДДТ.

 

2. Физиологические изменения:

у личинок водных насекомых имеются хлоридные клетки, способные активно поглощать анионы, особенно хлорид-ионы, обеспечивая постоянство их концентрации в гемолимфе. Эти клетки обычно расположены на жабрах или на брюшке. Число таких клеток обратно пропорционально уровню солености воды. При каждой линьке их число приводится в соответствие с соленостью воды. От линьки к линьке можно определить тенденции в изменении солености водоема.

Примеры биоиндикации на популяционно-видовом уровне

 

Популяция - естественная пространственная группировка особей одного вида. Характеризуется плотностью, структурой (половозрастной, экологической и пр.), особенностями динамики. Отклонения этих показателей от нормы и положены в основу биоиндикации с помощью популяций.

Растения

1. Плотность - количество особей вида на единицу площади или объема (величины которых выбираются в зависимости от размера организмов и среды обитания: 1м2, 1 км2, 1 га, 1 см3 и т.д.).

В целом, под влиянием антропогенного вмешательства у большинства видов, особенно чувствительных, плотность популяций падает. Биоиндикация основана на учете плотности популяции чувствительных к нарушениям видов, например, площади, покрытой лишайником леканора (Lecanora conizaeoides). Этот относительно дымостойкий лишайник встречается в Европе на всех древесно-кустарниковых породах, что позволяет произвести первую оценку интенсивности многолетнего загрязнения воздуха на данной территории. Площадь покрытия лишайника хорошо коррелирует с концентрацией сернистого газа в воздухе, причем и безлесных ландшафтах влияние последнего намного сильнее, чем в лесных.

Увеличивать плотность могут популяции сорняков, галофилов и других устойчивых к антропогенному прессу видов, что также может служить целям биоиндикации.

2. Возрастная структура популяций. При антропогенном вмешательстве нарушается соотношение между молодыми, размножающимися и старыми особями в популяции:

а) популяция омолаживается, если смертность возрастает, а стадии развития укорачиваются. Это отмечено на сенокосных лугах, по сравнению с некосимыми, на городских газонах, в напочвенной растительности после прореживания лесов;

б) популяция стареет, если нарушается возобновление. Например, загрязнение сернистым газом нарушает возобновление в букняках.

3. Экологическая структура популяций.Природные популяции обычно состоят из нескольких экотипов - групп особей, приспособленных к разным условиям среды. Экотипы способствуют выживанию популяции при изменении условий местообитания. Популяции многих видов включают экотипы с высокой устойчивостью к определенным антропогенным воздействиям. Распространение устойчивых, вытеснение ими чувствительных экотипов происходит иногда очень быстро. Например, химизация и механизация сельского хозяйства привела к сильному сужению спектра изменчивости у мака-самосейки, что обнаружено при сравнении данных за 1950 и 1980 гг.

Животные

1. Плотность популяций. Для биоиндикации важен выход этого показателя за пределы нормы:

а) сокращение популяций:

· многочисленные примеры редких и вымирающих видов;

· ртутьсодержащие соединения, которыми протравливали посевной материал, вызвали массовые отравления зерноядных птиц и, соответственно, сокращение плотности их популяций в Швеции в начале 50-х годов XX века;

· хлорорганические соединения (ДДТ) привели к сокращению популяций дневных хищных птиц;

· тяжелые металлы в сочетании с SO2 приводят к резкому сокращению численности дождевых червей - начало уменьшения численности наблюдается, когда фоновое загрязнение превышено в 2,0-2,3 раза, при 4,0-4,5-кратном превышении черви исчезают;

Активный мониторинг: почвообитающих клещей-орибатидов (Humerobates rostrolamellatus) выдерживают в специальных камерах в течение недели в разных районах города. Существует корреляция между смертностью клещей и концентрацией в воздухе сернистого газа;

б) рост популяций: озерных чаек в Средней Европе обусловлен эвтрофикацией культурных ландшафтов; короеда-типографа при действии газодымовых выбросов; сосущих растительноядных насекомых (в основном тлей) при действии выхлопных газов (причины - уменьшение врагов, а также физиологические и биохимические изменения растений-хозяев под действием поллютантов.

2. Динамика популяций. Обычно возрастает амплитуда колебаний плотности популяций:

рудеральные, навозные и компостные виды коллембол в городе;

сезонные пики численности могут смещаться на иные сроки (в городе, где среднегодовая температура выше, чем в природе, на несколько градусов, коллемболы имеют ранневесенний пик, как в более южных зонах).

3. Пространственная структура. Распределение особей в пространстве обычно становится более мозаичным, поскольку животные концентрируются на менее нарушенных участках. С другой стороны, нарушается размещение особей, свойственное природным популяциям.

4. Изменение ареала. По антропогенным территориям (полям, городам) южные виды распространяются далеко на север, за пределы своей зоны.


[1] Липиды (от греч. lipos – жир) – природные органические соединения, содержащие высокомолекулярные жирные кислоты. Содержатся во всех живых клетках (в мембранах) и образуют энергетический резерв.

[2] Сенсибилизация (от лат. sensibilities – чувствительный) – повышение чувствительности организма к действию каких-либо раздражителей (вызывают аллергические реакции и заболевания)

Дата публикации:2014-01-23

Просмотров:1149

Вернуться в оглавление:

Комментария пока нет...


Имя* (по-русски):
Почта* (e-mail):Не публикуется
Ответить (до 1000 символов):







...

 

2012-2017 lekcion.ru. За поставленную ссылку спасибо.