Примеры мониторинга в биологических исследованиях. Биологический мониторинг и состояние окружающей среды

В исследованиях состояния природы применяется мониторинг (лат. monitor - "предостерегающий") - многоцелевое длительное наблюдение за состоянием и изменениями изучаемого объекта. Мониторинг необходим для выявления загрязнения окружающей среды, установления изменений в видовом разнообразии в биогеоценозах для обнаружения и спасения редких, исчезающих биологических видов на нашей планете. При проведении мониторинга наряду с биологическими методами используются физические, химические, географические, космические (например, зондирование с искусственных спутников, космических кораблей).

Проведение многих биологических исследований требует особых навыков, а также внимания, терпения и тщательности в работе. Однако известно немало открытий, сделанных в биологии очень молодыми людьми, студентами и даже школьниками. Вы также можете провести настоящее исследование с наблюдением и экспериментом и подготовить отчет о его результатах. исследование биологический моделирование

Каждый исследователь обязательно ведет дневник наблюдений (его также называют полевым дневником). По многовековой традиции принято делать все записи простым карандашом, так как такие записи не пропадут, даже если дневник намокнет под дождем, упадет в снег, пропитается формалином или долго пролежит на ярком солнце. Никакие чернила не выдержат подобных испытаний.

Все собранные данные необходимо грамотно обработать. Для этого созданы специальные математические формулы, которые позволяют подтвердить достоверность статистических биометрических расчетов. Как правило, достоверность результатов основана на большом числе фактов. Чем больше проведено измерений, тем выше достоверность их среднего показателя. Результаты обобщают и для наглядности оформляют в таблицы, графики и диаграммы.

О формах моделирования биологических понятий

Построение моделей как одна из сторон диалектической пары противоположностей анализ-синтез имеет много аспектов, из которых некоторый выдвигается на первый план.

Особенно существенным при построении моделей является аспект отражения, понимаемого в смысле теории познания.

Каждая модель хранит знания в надлежащей форме; при этом запоминание знаний, как правило, связано с уменьшением избыточности. Поэтому каждая модель имеет также языковую функцию. Содержание знаний является семантической стороной; способы, с помощью которых знания вводятся в модель, кодируются в ней, являются синтаксической стороной. Последний языковой компонент имеет большое значение при активизации модели при каждом приведении ее в действие.

Но в то же время модель в своей функции как структура для хранения знаний является связующим звеном между теоретическим и эмпирическим познанием. Фразу "нет ничего проще хорошей теории" следует воспринимать дословно. Формализованная теория позволяет описать большое число частных фактов с помощью наибольшего числа основных результатов. Следовательно, главное назначение теории - в уменьшении избыточности, обусловленной изобилием частных фактов, и связанных с этим более глубоким познанием закономерных связей.

В основе каждой модели лежит более или менее развитая теория отображаемого объекта; эта теория укладывается в синтаксически установленные рамки, в концепцию системы, положенную в основу конкретного построения модели.

Системная концепция фиксирует общие рамки модели, иначе говоря, определяет структуру памяти модели. Конкретная форма модели, в которой она может действовать в качестве замены только одного конкретного объекта, получается благодаря тому, что экспериментальные, то есть эмпирические, данные приводятся в соответствии с этими рамками, то есть для параметров модели, ее степеней свободы шаг за шагом устанавливаются все более достоверные значения. В этом смысле каждая разработанная модель выражает компромисс между теорией и практикой, между теоретическими познаниями и эмпирическими данными.

Основным стержнем системы развивающего обучения является деятельностный подход. Поэтому содержание обучения задано в виде способов детских действий, а значит, результатом такого обучения будет ряд способностей, которыми овладеют дети в ходе обучения. Но какие именно человеческие способности кроются в способах работы с биологическими объектами? Какие из этих способностей уместно делать предметом школьного курса обучения биологии? Что такого особенного есть в биологии, чего не может дать детям изучение химии, физики и истории? Таким образом, я, как будущий учитель биологии, должна найти то уникальное, что бы показать, что мой предмет может дать формирующемуся сознанию ученика.

Для биологии ключевым словом является слово "развитие". Философы биологии все чаще обращают внимание на то, что биология со времени Ч. Дарвина все более формируется как наука о возникновении и развитии органического мира. Преимущественное внимание именно к аспекту развития до сих пор отличает биологию от физики и химии, как бы ни усиливалась ее зависимость от этих наук.

Усвоение понятия развития предполагает овладение особым способом рассмотрения живого - потенциальным действием с ним. Овладение понятием развития помогает становлению у человека способности к осторожной и внимательной оценке событий, умению видеть эти события в связи с другими, а не изолированно; способности предвидеть разные возможные варианты развертывания событий, последствия вмешательства в динамику сложных системных объектов; способности реконструировать ход уже свершившегося процесса.

Моделирование - это метод создания и исследования моделей. Изучение модели позволяет получить новое знание, новую целостную информацию об объекте.

Существенными признаками модели являются: наглядность, абстракция, элемент научной фантазии и воображения, использование аналогии как логического метода построения, элемент гипотетичности. Иными словами, модель представляет собой гипотезу, выраженную в наглядной форме.

Информация о состоянии окружающей природной среды, об изменениях этого состояния давно используется человеком для планирования своей деятельности. Уже более 100 лет наблюдения за изменением погоды, климатом ведутся регулярно в цивилизованном мире. Это всем нам знакомые метеорологические, фенологические, сейсмологические и некоторые другие виды наблюдений и измерений состояния окружающей среды. Теперь уже никого не надо убеждать, что за состоянием природной среды надо постоянно наблюдать. Все шире становится круг наблюдений, число измеряемых параметров, все гуще сеть наблюдательных станций. Все большей сложностью обладают проблемы, связанные с мониторингом окружающей среды.

Огромное значение в организации регионального природопользования на глобальном, региональном и локальном уровнях, а также оценка качества окружающей человека среды на конкретных территориях, в экосистемах различного ранга. Существует специальный термин для обозначения всей сложной службы по наблюдению, оценке и прогнозу за качеством среды и характером природопользования: «Мониторинг».

Мониторинг окружающей среды – это система повторных, целенаправленных наблюдений за одним или более элементами окружающей природной среды в пространстве и времени по научно обоснованным программам наблюдений, проводимая для оценки и прогноза изменений в состоянии окружающей среды (ОС), с целью выделения антропогенной составляющей этих изменений на фоне природных процессов.

Сам термин «мониторинг» впервые появился в рекомендациях специальной комиссии СКОПЕ (научный комитет по проблемам окружающей среды) при ЮНЕСКО в 1971 г., а в 1972 г. уже появились первые предложения по Глобальной системе мониторинга окружающей среды (Стокгольмская конференция ООН по окружающей среде). Однако такая система не создана по сей день из-за разногласий в объемах, формах и объектах мониторинга, распределении обязанностей между уже существующими системами наблюдений.

Мониторинг – это система наблюдений, оценки и прогноза позволяющая выявить изменения состояния окружающей среды под влиянием антропогенной деятельности. Прежде всего, это мониторинг антропогенных загрязнений. Наряду с отрицательным влиянием на природу человек может в результате хозяйственной деятельности оказывать и положительное влияние. Часто плачевные результаты хозяйственной деятельности возникают из благих намерений. Чтобы такого не произошло и необходимо изучать окружающую среду, прогнозировать её возможные изменения, как в лучшую, так и в худшую стороны. Рассмотрим, что же представляет собой так необходимая обществу служба мониторинга.

В состав мониторинга входит:

– наблюдение за качеством окружающей среды, факторами, воздействующими на окружающую среду;

– оценка фактического состояния природной среды;

– прогноз изменения качества среды.

Наблюдения могут осуществляться по физическим, химическим и биологическим показателям, но особенно перспективны интегрированные показатели состояния окружающей среды.

Составной частью экологического мониторинга слежения за состоянием окружающей среды по физическим, химическим и биологическим показателям является биомониторинг. В задачи биомониторинга входит регулярно проводимая оценка качества окружающей среды с помощью специально выбранных для этой цели живых объектов.

Цели биологического мониторинга. Биологический мониторинг можно подразделить на: (а) мониторинг воздействия и (б) мониторинг эффекта, использующих соответственно индикаторы внутренней дозы и эффекта.

Цель биологического мониторинга воздействия – оценка риска для здоровья посредством определения внутренней дозы, отражающей, в свою очередь, биологически активную нагрузку химических факторов на организм. Доза загрязнения не должна достигать уровня, при котором могут проявиться патологические эффекты. Эффект считается патологическим или вредным, если снижается функциональная активность организма, уменьшается адаптационная способность к стрессам, способность к поддержанию гомеостаза, или повышается восприимчивость к другим воздействиям среды.

В зависимости от химического вещества или анализируемого биологического параметра термин "внутренняя доза" может быть интерпретирован по-разному. Во-первых, он может означать количество абсорбированного химиката за короткий промежуток времени, к примеру, в течение одной рабочей смены. Концентрации загрязнителя в альвеолярном воздухе может определяться непосредственно в течение рабочей смены или на следующий день (образцы крови и альвеолярного воздуха могут храниться до 16 часов). Во-вторых, если химическое вещество имеет большой биологический период полураспада (например, металлы в системе кровообращения), то величина внутренней дозы может отражать количество вещества, поступившего в организм на протяжении нескольких месяцев.

В-третьих, термин "внутренняя доза" может также означать количество накопленного в организме вещества. В этом случае внутренняя доза отражает распределение вещества по органам и тканям, из которых оно потом медленно выводится. К примеру, для получения достоверной картины содержания в организме ДДТ, достаточно измерить их содержание в крови.

Наконец, величина внутренней дозы служит показателем количества химического вещества в местах его действия. Одной из наиболее важных и многообещающих возможностей применения данного показателя представляется определение соединений, образованных токсичными веществами с белками гемоглобина или с ДНК.

Биологический мониторинг эффекта направлен на выявление симптомов ранних обратимых изменений, возникающих в критическом органе. В этом смысле значение биологического мониторинга эффекта для наблюдения за здоровьем рабочих трудно переоценить.

В 1990 г. экономическая комиссия Европы под эгидой ООН приняла программу интегрированного мониторинга (1М) окружающей среды по следующим группам показателей (в скобках указано их количество) общая метеорология (6), химизм воздуха (3), химизм почвенных и подземных вод (4), химизм поверхностных вод (4), почва (6), биологические показатели (11).

Среди отслеживаемых показателен видное место заняли биологические индикаторы: эпифитные лишайники, напочвенная растительность, кустарниковая и древесная растительность, проективное покрытие деревьев, биомасса деревьев, химический состав хвойных игл, микроэлементы в хвое, почвенные ферменты, микориза, скорость разложения растительных остатков и один из прочих методов биомониторинга по выбору.

На территории бывшего СССР было намечено шесть площадей для проведения регионального мониторинга по перечисленным выше биологическим показателям.

Наиболее развиты системы регионального мониторинга в Германии и Нидерландах.

Для примера рассмотрим одну из систем биомониторинга, принятую в Германии (земля Баден-Вюртемберг). Она предполагает оценку следующих показателей:

– степени дефолиации (преждевременной потери листвы) бука, ели и пихты;

– состава поллютантов в листьях и хвое;

– сукцессии (закономерной смены) травянистой растительности;

– жизненности травостоя и содержания в нем поллютантов;

– площади покрытия эпифитных лишайников;

– численности коллембол (мелких почвенных членистоногих) и наземных моллюсков;

– аккумуляции поллютантов в дождевых червях.

Результаты мониторинга представляют в виде таблиц и графиков. К числу удачных способов относится метод «Амебы». Рисуют круг, который делят линиями на равные секторы по числу измеряемых показателей. Линия окружности означает их нормальные значения. Показатели могут быть химическими (содержание тяжелых металлов, фосфора и т.д.), физическими (уровень грунтовых вод, мутность и пр.) и биологическими (численность, разнообразие и другие характеристики биоиндикаторов). Далее в каждом секторе закрашивают площадь, пропорциональную значениям соответствующего показателя. Линии могут выходить за пределы круга, если значения «зашкаливают», тогда у «Амебы» появляются «выросты-ложноножки». Результаты мониторинга, представленные в виде ряда таких рисунков, наглядно выявляют направление «движения Амебы» и, соответственно, направление изменений в экосистеме.



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

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, 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 к действию излучения Сенсибилизация, радиохимическая реакция, агрегация белков
Химические вещества
Соли Ионы Недостаток кислорода Cернистый ангидрид (SO 2) Аммиак (NH 3)	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

Б α Б β

В В

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

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.

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 SO 2 ;

◦ 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 SO 2 , 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: 1м 2 , 1 км 2 , 1 га, 1 см 3 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;

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

· тяжелые металлы в сочетании с SO 2 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.

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

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

Человек у природы – самый способный ученик. Но минули тысячелетия, прежде чем он ощутил свою силу и «взялся» за природу. Сначала главным в его отношениях с землей стала погоня за прибылью. Весь свой опыт, интеллектуальную мощь и стремительно развивающиеся технические средства он бросал на эксплуатацию тех природных ресурсов, которые могли принести максимальный доход в кратчайшие сроки. Не давая себе труда особенно размышлять, в какой тонкий механизм и как грубо он вмешивается, человек обрушил массированные удары вокруг себя, безвозвратно стер с Земли многие виды млекопитающих, птиц, растений, однако восстановить живой организм, а тем более биологический вид он пока не может.

Поскольку оценка качества почвы, воды и воздуха приобретает в настоящее время большое значение, необходимо определять как реально существующую, так и возможную в будущем степень нарушения окружающей среды. Для этой цели используют два принципиально разных подхода: физико-химический и биологический. Биологический подход развивается в рамках направления, которое получило название биоиндикации и биомониторинга. При организации биологического мониторинга выделяют подсистему наблюдений за реакцией основных составляющих биосферы – биотической составляющей

Целью биологического мониторинга является анализ природных объектов по биотическим показателям для экологического их контроля. В рамках поставленной цели основной задачей биологического мониторинга является определение биотической составляющей биосферы, ее отклика, реакции на антропогенное воздействие, определение функции состояния и отклонения этой функции от нормального состояния на различных уровнях: молекулярном, клеточном, организменном, популяционном, уровне общества. Биологический мониторинг предназначен для решения следующих задач:

1) Информационное обеспечение деятельности по сохранению биоты, т.е. определение состояния биотической составляющей биосферы (на различных уровнях организации биосистем) и ее реакции на антропогенное воздействие;

2) Оценка состояния окружающей среды по биотическим параметрам. Особую роль играет выявление начальных стадий неблагоприятных изменений среды, к которым многие компоненты биоты на много чувствительнее, чем человек. Биологический мониторинг включает мониторинг живых организмов – популяций (по их числу, биомассе, плотности и др. функциональным и структурным признакам), подверженных антропогенному воздействии. Его объектами могут быть отдельные виды флоры и фауны, а также экосистемы. Например, хвойные породы чувствительны к радиоактивному загрязнению, лишайники – к тяжелым металлам, многие представители почвенной фауны – к техногенному загрязнению. В этой подсистеме выделяются следующие наблюдения:

1) за важнейшими популяциями как с точки зрения существования экосистемы, характеризующей своим состоянием благополучие той или иной экосистемы, так и с точки зрения большой хозяйственной ценности, например, ценные виды растений или породы рыб;

2) за наиболее чувствительными к данному виду воздействия популяциями;

3) за состоянием здоровья человека, воздействием окружающей среды на человека;

4) за популяциями – индикаторами.

Таким образом, подсистемой биомониторинга является мониторинг популяции конкретных биологических видов:

1) средообразующих популяций, очевидно для существования всей экосистемы (например, популяции доминирующих видов деревьев в лесных экосистемах);

2) популяций, имеющих большую хозяйственную ценность (например, ценные виды рыб); 3) популяции-индикаторы, состояние которых характеризует степень благополучия той или иной экосистемы и которые наиболее чувствительны к антропогенному воздействию (например, планктонные рачки Epishura baikalensis в озере Байкал в зоне воздействия целлюлозно-бумажного комбината).

Мониторинг биологический

1) слежение за биологическими объектами, наличием видов, их состоянием, появлением случайных инродуцентов и т.д.;

2) мониторинг на базе биоиндикаторов (обычно на базе биозаповедников, а также система слежения и наблюдения за реакцией живых организмов на загрязнение окружающей среды

EdwART. Словарь терминов МЧС , 2010

Смотреть что такое "Мониторинг биологический" в других словарях:

мониторинг биологический - biologinė stebėsena statusas T sritis ekologija ir aplinkotyra apibrėžtis Gyvosios aplinkos ir ją veikiančių veiksnių stebėjimas, vertinimas, aplinkos pokyčių prognozavimas ir vertinimas. atitikmenys: angl. biological monitoring vok. biologisches … Ekologijos terminų aiškinamasis žodynas

Экологический мониторинг, основанный на наблюдении за реакцией живых организмов на загрязнение окружающей среды. См. также: Мониторинг окружающей природной среды Охрана природы Финансовый словарь Финам … Финансовый словарь

- (от лат. monitor тот, кто напоминает, предупреждает), комплексная система наблюдений, оценки и прогноза изменений состояния биосферы или её отд. элементов под влиянием антропогенных воздействий. М. может быть локальным, региональным и глобальным … Биологический энциклопедический словарь

- (от англ. monitoring, от лат. monitor напоминающий, надзирающий), комплексная система наблюдений, оценки и прогноза изменений состояния окружающей среды под влиянием антропогенных воздействий. Мониторинг не включает управление качеством… … Экологический словарь

Мониторинг здоровья работников - общий термин, охватывающий процедуры и исследования для оценки здоровья работника с целью обнаружения и опознавания любой аномалии. Результаты мониторинга должны использоваться для сохранения и укрепления здоровья работника, коллективного… …

- (Институт биологии, экологии, почвоведения, сельского и лесного хозяйства) структурное подразделение ТГУ, осуществляющее подготовку специалистов в области биологии и смежных наук. По состоянию на октябрь 2010 в институте обучалось 819… … Википедия

См. в ст. Мониторинг. Экологический энциклопедический словарь. Кишинев: Главная редакция Молдавской советской энциклопедии. И.И. Дедю. 1989 … Экологический словарь

Система регулярных длительных наблюдений в пространстве и времени, дающая информацию о состоянии окружающей среды с целью оценки прошлого, настоящего и прогноза в будущем параметров окружающей среды, имеющих значение для человека. На… … Словарь черезвычайных ситуаций

биологический мониторинг - Организм или сообщество организмов, позволяющих получать количественную информацию о состоянии окружающей их среды Тематики биотехнологии EN biologic monitoring … Справочник технического переводчика

Биологический мониторинг - система наблюдений, оценки и прогноза любых изменений в биоте, вызванных факторами антропогенного происхождения. Источник … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации

Книги

• Биологический контроль окружающей среды. Генетический мониторинг , . В учебном пособии освещены теоретические основы и методология генетического мониторинга окружающей среды, описаны наиболее часто используемые практические методики. По структуре и содержанию…