Файл: Лекции по мониторингу.doc

3. Микрофауна. Микроартроподы – массовые обитатели мельчайших скважин почвы.

При выборе растений – биоиндикаторов, прежде всего, следует принимать во внимание ценотическую значимость вида. Известно, что по роли в фитоценозе различают:

1)виды – эдификаторы, определяющие «лицо» фитоценоза и в определённой степени влияющие на существование других растений;

2) виды – доминанты, имеющие большую численность и биомассу;

3) виды – ассектаторы, численность и биомасса которых относительно невелики, но наличие их в фитоценозе обязательно;

4) редкие виды.

Роль в обмене веществ и энергии в сообществе у видов первых двух групп значительно выше, что и определеяет целесообразность поиска среди них видов – индикаторов. Примером могут служить результаты экспериментов по воздействию на растительность ионизирующих излучений, которые показали, что объектами нормирования в лесных фитоценозах могут быть представители голосеменных, являющиеся эдификаторами в сообществах и отличающиеся высокой радиочувствительностью.

Биологические системы, применение которых возможно для выявления вредных антропогенных веществ, весьма разнообразны. Программа Международного союза биологических наук (МСБН) «Биоиндикаторы» подразделяет их на шесть подгрупп в соответствии с шестью биологическими дисциплинами.

1. Микробиология. Микроорганизмы быстро реагируют на загрязнение воды и почвы. Некоторые микроорганизмы особо чувствительны к определённым веществам, другие принимают участие в трансформации ксенобиотиков.

2. Ботаника. Низшие растения, лишайники, грибы и многие высшие растения служат для обнаружения специфических загрязнений воздушного бассейна. Толерантные или индикаторные виды указывают на рН почв, их плодородие, концентрацию тяжёлых металлов и т.д.

3. Зоология. Отдельные виды позвоночных и беспозвоночных животных, а также целых сообществ могут дать сведения о качестве окружающей природной среды.

4. Клеточная биология и генетика. Превосходными биоиндикаторами являются клеточные и субклеточные (включая хромосомы) компоненты организма, адаптированные к определённым условиям природной среды.

5. Сравнительная физиология. Многие животные при появлении новых агентов в окружающей среде, изменяют своё поведение. Химические вещества, проникая в организм, оказывают влияние на функционирование важнейших систем и органов (иммунной, нервной и т.д.), обеспечивающих гомеостаз.

6. Гидробиология. Зоны распределения или спектр видов, чувствительных к качеству воды, отражает состояние водного бассейна и имеет важное значение в комплекном биомониторинге.

Подчеркивая всю важность биоиндикационных методов исследования, необходимо отметить, что биоиндикация предусматривает выявление уже состоявшегося или происходящего загрязнения окружающей среды по функциональным характеристикам особей и экологическим характеристикам сообществ организмов. Так, например, изменения в видовом составе сообщества водоёмов быстро происходят в случае заморных сбросов, когда результаты отравления наглядно проявления и без специальных методов. Постепенные же изменения видового состава формируются в результате длительного отравления водоёма, и явными они становятся в случае далеко идущих изменений. Таким образом, видовой состав гидробионтов из загрязненного водоёма служит итоговой характеристикой токсикологических свойств водной среды за некоторый промежуток времени и не даёт её оценки на момент исследований.

В холодное время года системы биологической индикации и нидробиологии вообще не могут быть применены.

В отношении животных – биоиндикаторов промышленных загрязнений также выдвигается целый ряд требований: высокая численность, интенсивный метаболизм, большая продолжительность жизни, интенсивное размножение, малый индивидуальный участок, оседлость, постоянный с изучаемым антропогенным фактором, легкость сбора массового материала исследователем, чувствительность животного к изучаемому фактору, сравнительно крупные размеры для удобства анатомирования (Новакова Э., 1980)

Удовлетворить в полном объёме требования, предъявляемым к организмам – биоиндикаторам, в реальных условиях бывает достаточно сложно. В этих случаях, как правило, прибегают к методам биотестирования, которые способны, в определённой степени, дополнить и расширить данные биоиндикационных исследований.

Биотестнрование.

Биотестирование — использование в контролируемых условиях биологических объектов (тест-объектов) для выявления и оценки действия факторов (в том числе токсических) окружающей среды на организм, его отдельную функцию или систему организмов (Фиденко О.Ф., 1985).

Наиболее полно методы биотестирования в плане биомонито­ринга разработаны для гидробионтов и позволяют использовать их для оценки токсичности загрязняемых природных вод, контро­ля токсичности сточных вод, экспресс-анализа в санитарно-гигие­нических целях, для проведения химического анализа в лаборатор­ных целях и решения целого ряда других задач. Количественные методы оценки токсичности вредных веществ, широко применяе­мые в настоящее время, исторически разрабатывались для решения проблем токсикологии.

В зависимости от целей и задач токсикологического биотестировання в качестве тест-объектов применяется широкий круг орга­низмов: высшие и низшие растения, бактерии, водоросли, водные и наземные беспозвоночные, млекопитающие (особенно лаборатор­ные животные: мыши, крысы, морские свинки и др.). Каждый из этих организмов имеет свои особенности и преимущества, но ни один из организмов не может отвечать критерию универсально­сти. Функциональное состояние тест-объектов под влиянием изу­чаемого фактора может оцениваться по параметрам, относящимся к разным уровням интегральности. При этом для каждого уровня могут быть выделены частные и интегральные тест-функции (ФиленкоО.Ф., 1989). Интегральные параметры характеризуют со­стояние биосистемы соответствующего уровня наиболее обобщенно, давая суммарный ответ о состоянии системы. Так, для отдельной физиологической функции интегральными оказываются пара­метры, непосредственно характеризующие ее деятельность (например сердечно-сосудистой системы — частота сердечных сокращений и уровень давления крови), а частными — биохимические, морфологические и другие характеристики различных звеньев этой системы.

Для целостного организма к интегральным могут быть отнесены показатели плодовитости, массы, роста, выживаемости и т.д., а физиологические, биохимические, гистологические и прочие пара­метры относятся к частным.

Для популяции интегральными характеристиками являются показатели численности, массы, возрастной и половой структуры и др. На уровне сообщества интегральные характеристики описывают видовой состав и его разнообразие, активность продукции и деструкции органического вещества и пр. В этом случае выживаемость организма — биотест становится частным параметром. Попытка судить о состоянии интегральных параметров по динамике всегда подвержена риску существенной количественной ошибки. Такой риск может быть снижен одновременным применением комплекса методов биотестирования (батарея тестов).

Надёжность получаемого в соответствии с целью исследования ответа снижается по мере удаления системного уровня тест-функции от уровня моделируемого процесса или явления. Биохимический параметр, например, активность фермента, надежно характеризует функцию конкретной метаболической системы, с некоторой степенью вероятности может быть экстраполирован на уровне целостного организма и не несет практически значимой ситуации для оценки состояния биоценоза или экосистемы в целом.

Для параметров, принадлежащих к различным биологическим уровням, общая тенденция заключается в том, что с увеличением степени интегральности повышается "экологический реализм" теста (Филенко О.Ф., 1989), но обычно снижается его оперативность и чувствительность. Функциональные параметры оказываются более лабильными, чем структурные, а параметры клеточного и молекулярного уровней проигрывают в отношении экологической информативности, но выигрывают в отношении чувствитёльности, оперативности и воспроизводимости.

Применение методов, основанных на частных параметрах, целесообразно, по мнению О.Ф. Филенко (1988), в следующих случаях:

- когда объект используется для выявления только факта токсического загрязнения без глубокого анализа его характера и эконо­мического прогноза;

- когда объект используется для выявления в среде конкретного токсического агента, влияние.которого на исследуемую тест-функ­цию хорощо известно, и существует устойчивая количественная связь между концентрацией агента и ответом тест-функции;

- когда объект используется для оценок характеристик среды в системе других объектов и тест-функций (так называемая батарея тестов).

В настоящее время представление о биоиндикаторах вышло за рамки понимания их только лишь как видов, способных концен­трировать токсиканты. По мнению Д.А. Криволуцкого и соавт. (1991), биоиндикаторами могут служить любые биообъекты на всех уровнях организации (от субклеточного до экосистемного). И в этом плане задачи биомониторинга во многом совпадают с зада­чами экотоксикологии.

Термин "экотоксикология" был введен в 1969 г. Рабочей комис­сией по экотоксикологии, специально организованной при Меж­дународном научном комитете по проблемам окружающей среды (SKOPE) и впоследствии на конференции SKOPE в 1978 году уточ­нен. Экотоксикология определяется как междисциплинарное науч­ное направление, связанное с токсическими эффектами химических веществ на живые организмы, преимущественно на популяции ор­ганизмов и биоценозы, входящие в состав экосистем. Она изучает источники поступления вредных веществ в окружающую среду, их распространение, трансформацию в окружающей среде, действие на живые организмы. Человек, несомненно, является наивысшей ступенью в ряду биологических мишеней.

Экотоксикологии отводится важное место в междисциплинар­ном комплексе прикладной экологии, куда входят также экологи­ческая диагностика, экологическое нормирование, экологическая экспертиза, экологический мониторинг, экологическое прогнози­рование, экологическая инженерия и системотехника (Большаков
В.Н. и соавт., 1993).

Методы биотестирования, при всей их привлекательности и возможности получения количественных оценок в контролируе­мых условиях, не лишены ряда недостатков (Абакумов В.А., 1992). Существуют значительные ограничения при попытке экстраполя­ции данных, полученных in situ биотестированием, в естественных условиях. При разработке и стандартизиации методик биотестироования практически невозможно учесть все существенные особен­ности жизнедеятельности организма. Например, выживание и раз­множение зависят от поведения, определяющего результаты взаимодействия хищника и жертвы: питание, гнездование, ухаживание и т.п. B.A. Абакумов (1992) цитирует высказывание Колео и Шоу (1989), называющих ряд факторов, которые затрудняют экологическую экстраполяцию результатов биотестирования по итогам изучения влияния загрязнения озер на рыбные запасы: 1) "даже на самых ранних стадиях жизни водные организмы оказались способными избегать низких значений рН; 2) есть возможность избегать даже сублетальные уровни; 3) при биотестировании пробы ограничиваются экспозиционными камерами, поэтому условия опыта не отражают реального натурного воздействия".

Отдавая должное справедливости этих замечаний, следует отметить, что биотестирование, являясь по сути процессом физического моделирования, отражает наиболее существенные, характерные черты моделируемого объекта или процесса и, поэтому, является, в своих возможностей, вполне корректной процедурой с точки зрения научной методологии.

Экологическая модификация. При биомониторинге природных и антропогенных экосистем, подверженных загрязнению ксенобиотиками, наиболее существенным системным показателем их состояния является перестройка структуры метаболизма биоценозов. Фундаментальную основу функционирования биоценозов составляют целенаправленные, иерархически организованные и высоко интегрированные на организменном, популяционном и ценотическом уровнях процессы обмена вещества и энергии, составляющие мета6олизм биоценоза: В условиях загрязнения окружающей среды может происходить как увеличение интенсивности метаболизма биоценоза — метаболический прогресс, так и его уменьшение - метаболический регресс. В.А. Абакумов (1992) выделяет три общих направления метаболического прогресса, связанные с тремя путями изменения структуры биоценоза: с усложнением структуры - экологическим прогрессом, с упрощением структуры — экологическим регрессом и с перестройкой структуры, не ведущей к ее усложнению или упрощению — экологической модуляцией.

Изменения структуры биоценозов, связанные с этим явлением, получили название экологической модификации.

По В.А. Абакумову (1992), метод экологических модификаций включает следующие градации оценки состояния водных экосистем.

Фоновое состояние — возможны перестройки структуры, не ведущие к ее усложнению или упрощению, т.е. не изменяющие обще­го уровня организации биоценозов (например, смена доминант­ных видов, изменение видового состава). При фоновом состоянии не происходит глубоких изменений интенсивности метаболизма биоценозов.

Состояние антропогенного экологического напряжения выража­ется в увеличении разнообразия биоценоза, в частности, в увеличе­нии общего числа видов, в уменьшении энтропии, в усложнении межвидовых отношений, в увеличении, пространственно-времен­ной гетерогенности, в усложнении временной структуры, в услож­нении пищевой цепи и т.д.

Состояние антропогенного экологического регресса характеризу­ется уменьшением разнообразия и пространственно-временной ге­терогенности, увеличением энтропии, упрощением межвидовых от­ношений, временной структуры, трофических цепей.

Состояние антропогенного метаболического регресса соответст­вует снижению активности биоценоза по сумме всех процессов об­разования и разрушения органического вещества, включая процес­сы первичного продуцирования водорослями микрофитов, перифитона, планктона, продукцию хемосинтетиков, а также вторич­ную продукцию бактерий и зоонаселения водоема. Тяжелое загряз­нение водных объектов токсичными веществами часто является причиной метаболического регресса.

На основании отмеченных закономерностей установлены кри­терии экологического нормирования. Проблемы экологически до­пустимого состояния водных объектов находят свое рациональное решение в дифференцированном подходе к природным объектам в зависимости от их народнохозяйственного, социального эстетиче­ского и научного значения. В связи с этим выделяются три катего­рии водных объектов: 1) заповедные, уникальные водные объекты; 2) водные объекты, испытывающие умеренную антропогенную нагрузку; 3) водные объекты с сильно преобразованными экосистемами.

Для каждой категории существуют свои предельно допустимые состояния экосистем. Для экосистемы водных объектов третьей ка­тегории недопустимо состояние антропогенного метаболического регресса. Для экосистем водных объектов второй категории недо­пустимо состояние антропогенного экологического регресса. Для экосистем водных объектов первой категории недопустимы ника­кие антропогенные экологические модификации.

Наряду с общими критериями допустимого экологического состояния внутри каждой категории для отдельных гpynn водных объектов вводится дополнительные частные критерии, позволяющие учитывать индивидуальные требования к этим группам водных объектов. Так, например, для рек, где обитают осетровые или лососевые, дополнительным критерием будет сохранение запасов этих ценных видов рыб.