Биоиндикация и биологический мониторинг

35

Биомониторинг

Биомониторинг является составной частью экологического мониторинга - слежение за состоянием окружающей среды по физическим и биологическим показателям. В задачи биомониторинга входит регулярно проводимая оценка качества окружающей среды с помощью специально выбранных для этой цели живых объектов.

Лучше других отработана система биомониторинга водной среды. Росгидромет использует классификатор качества вод, включающий 6 классов. Оценивают показатели донных беспозвоночных, перифитона (обитатели водных растений), фито-, зоо- и бактериопланктона. Для примера приведем таблицу классификации вод суши по показателям зообентоса:

Классификация качества вод суши по биопоказателям

Класс вод	Воды	Относительная численность олигохет от общего кол-ва зообентоса, %	Биотический индекс Вудивисса
1	Очень чистые	1-20	10-8
2	Чистые	21-35	7-5
3	Умеренно загрязненные	36-50	4-3
4	Загрязненные	51-65	2-1
5	Грязные	66-85	1-0
6	Очень грязные	86-100 или макробентос отсутствует	0

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

Среди отслеживаемых показателей 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 мониторинга по выбору.

На территории бывшего СССР было намечено 6 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 в Германии (земля Баден-Вюртемеберг).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 нормальное значения. Показатели могут быть химическими (соединения 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.

Биоиндикация

Биоиндикация - это оценка состояния среды с помощью живых объектов. Живые объекты (или системы) - это клетки, организмы, популяции, сообщества. С их помощью может производиться оценка как абиотических факторов (температура, влажность, кислотность, соленость, содержание поллютантов и т.д.) так и биотических (благополучие организмов, их популяций и сообществ). Термин «биоиндикация» чаще используется в европейской научной литературе, а в американской его обычно заменяют аналогичным по смыслу названием «экотоксикология».

Часто задают вопрос: «Почему для оценки качества среды приходится использовать живые объекты, когда это проще делать физико-химическими методами?» По мнению Ван Штраалена (1998), существуют по крайней мере 3 случая, когда биоиндикация становится незаменимой.

1. Фактор не может быть измерен. Это особенно хар-но для попыток реконструкции климата прошлых эпох. Так, анализ пыльцы растений в Северной Америке за длительный период показал смену теплого влажного климата сухим прохладным и далее замену лесных сообществ на травяные. В другом случае остатки диатомовых водорослей (соотношение ацидофильных и базофильных видов) позволило утверждать, что в прошлом вода в озерах Швеции имела кислую реакцию по вполне естественным причинам.

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

3. Фактор легко измерить, но трудно интерпретировать. Данные о концепции в окр. среде различных поллютантов (если их концентрация не запредельно высока) не содержат ответа на вопрос, насколько ситуация опасна для живой природы. Показатели предельно допустимой концепции (ПДК) различных веществ разработаны лишь для человека. Однако, очевидно, эти показатели не могут быть распространены на другие живые существа. Есть более чувствительные виды, и они могут оказаться ключевыми для поддержания экосистем. С точки зрения охраны природы, важнее получить ответ на вопрос, к каким последствиям приведет та или иная концентрация загрязнителя в среде. Эту задачу и решает биондикация, позволяя оценить биологические последствия антропогенного изменения среды. Физические и химические методы дают качественные и количественные хар-ки фактора, но лишь косвенно судят о его биологическом действии. Биоиндикация, наоборот, позволяет получить информацию о биологических последствиях изменения среды и сделать лишь косвенные выводы об особенностях самого фактора. Таким образом, при оценке состояния среды желательно сочетать физико-химические методы биологическими.

Актуальность биоиндикации обусловлена также простотой, скоростью и дешевизной определения качества среды. Например, при засолении почвы в городе листья липы по краям желтеют еще до наступления осени. Выявить такие участки можно, просто осматривая деревья. В таких случаях биоиндикация позволяет быстро обнаружить наиболее загрязненные местообитания.

Во всех случаях, когда речь идет о контроле, без которого биоиндикация в принципе невозможна, встает вопрос, что считать нормой для того или иного биоиндикатора? В одних случаях ответ будет простой. Например, появление на листьях растений некротических пятен любой формы и размера - всегда индикатор загрязнения среды, поскольку в норме их быть не должно.

Ситуация усложняется, когда нормой является не одно конкретное состояние биоиндикатора, а целый набор, диапазон таких состояний. К таким индикаторам относятся численность популяции, разнообразие сообществ, их видовой состав и т.д. эти характеристики меняются по сезонам и по годам, они могут отличаться в различных местообитаниях, следовательно, чтобы установить норму для таких биоиндикаторов, нужно располагать данными об их сезонной и многолетней динамике, их изменении по местообитаниям. Так, численность мелких почвенных членистоногих коллембол на одном и том же участке ненарушенного леса может меняться в течение года в 10-20 раз, разнообразие их сообществ- в 2-3 раза.

Биоиндикация на разных уровнях организации живого

Биоиндикация может осуществляться на всех уровнях организации живого: биологических молекул, клеток, тканей и органов, организмов, популяций (пространственная группировка особей одного вида), сообществ, экосистем и биосферы в целом. Признание этого факта - достижение современной теории биоиндикации.

На низших уровнях биоиндикации возможны прямые и специфические формы биоиндикации, на высших - лишь косвенные и неспецифические. 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. Её достоинства заключаются в высокой чувствительности к нарушениям, позволяющим выявить даже незначительные концентрации поллютантов, и выявить их быстро. Именно на этих уровнях возможно наиболее ранее выявление нарушений среды. К числу недостатков относится то, что биоиндикаторы - клетки и молекулы требуют сложной аппаратуры.

Результаты действия поллютантов следующие:

· нарушение биомембран (особенно их проницаемости);

· изменение концентрации и активности макромолекул (ферменты, белки, аминокислоты, жиры, углеводы, АТФ);

· аккумуляция вредных веществ;

· нарушение физиологических процессов в клетке;

· изменение размеров клеток.

Чтобы разобрать тот или иной способ биоиндикации на этом уровне, необходимо выяснить механизмы действия поллютантов.

Влияние поллютантов на биомембраны (на примере клеток растений)

1. Сернистый газ. SO2 проникает в листву через устьица, попадает в межклеточное пространство, растворяется в воде с образованием SO3^{2 -} /HSO3^- ионов, разрушающих клеточную мембрану. В итоге снижается буферная емкость цитоплазмы клетки, изменяются её кислотность и редокспотенциал.

2. Озон и другие окислители, например, пероксиацетилнитрата. Нарушают проницаемость мембран. Этот эффект усугубляется в присутствии ионов тяжелых металлов.

Во всех случаях особенно сильно страдают мембраны хлоропластов - тилакоидные. Их разрушение - основная причина снижения фотосинтеза при воздействии поллютантов. Процесс фотосинтеза как очень чувствительный служит для биоиндикации загрязнения среды. При этом оценивают: 1) интенсивность фотосинтеза, 2) флоуресценцию хлорофилла. В качестве тест-организма часто используют мох мниум.

Изменение концентрации и активности макромолекул

Ферменты. Действие поллютантов на ферменты нарушает процесс нормального присоединения фермента к субстрату (С-Ф). это может происходить тремя различными способами:

1) К ферменту вместо субстрата присоединяется поллютант-ингибитор с образованием комплекса Ф-И (отравление СО);

2) Поллютант ингибирует фермент, расщепляя его связь с субстратом: C?Ф;

3) Присоединяясь к субстрату вместе с ферментом, поллютант ингибирует его: С-Ф-И.

В итоге нарушаются различные процессы, например:

· Ассимиляция углекислого газа в процессе фотосинтеза. SO2 связывается с активным центром ключевого фермента фотосинтеза (рибулозодифосфаткарбоксилазы) вместо СО2 и тормозит фиксацию СО2 в цикле Кальвина. Газообмен СО2 в принципе пригоден для биоиндикации;

Синтез защитных веществ в клетке. В клетках растений под действием различных нарушений накапливаются определенные защитные вещества. Биоиндикация связана с определением концентрации этих веществ в растениях:

· Пролин - аминокислота, считающаяся индикатором стресса. Её концентрация возрастала в листьях тисса вблизи дорог с интенсивным движением транспорта, в листьях каштана при засолении почвы;

· Аланин - аминокислота, накапливалась в клетках водоросли треуксии, сосны и кукурузы при загрязнении;

· Пероксидаза и супероксиддисмутаза. При воздействии стрессов образуются токсичные перекиси, которые пероксидаза обезвреживает. Например, SO2 вызывает увеличение активности пероксидазы и появление изоферментов супероксиддисмутазы, что можно выявить с помощью гель-электрофореза.

Пигменты. При загрязнении в клетках растений происходят следующие изменения пигментов:

· Уменьшается содержание хлорофилла. Этапы его разрушения (феофетин, феофорбиды, распад пиррольного кольца);

· Понижается отношение хлорофилл а / хлорофилл в. Отмечается, в частности у ели при хроническом задымлении SO2;

· Замедляется флуоресценция хлорофилл.

При биоиндикации все эти изменения фиксируют с помощью приборов: хроматографа, спектрофотометра, флуориметра.

Аденозинтрифосфорная кислота. Содержание АТФ - универсального источника энергии в клетке - важный показатель ее жизнеспособности. Для его количественной оценки предложен показатель «энергетического заряда» (ЭЗ).

АДФ и АМФ - менее насыщенные энергией молекулы аденозиндифосфорной кислоты и аденозинмонофосфорной кислот. Показано, что с ростом концентрации SO2 в воздухе ЭЗ клеток растений (сосна, водоросль, требоуксия) снижается

Белки. При загрязнении в клетках уменьшается концентрация растворимых белков.

Углеводы. В целях биоиндикации может быть использовано наблюдение о росте глюкозы и фруктозы в листьях гороха при действии газодымных выбросов.

Липиды. Газовые выбросы ведут к уменьшению содержания миристиновой, пальмитиновой, и лауриновой кислот и к увеличению линолевой и линоленовой кислот в составе липидов.

Аккумуляция вредных веществ

Хорошим показателем загрязнения среды может служить повышенная концентрация поллютантов в клетках живых организмов. Так, обнаружена корреляция между содержанием свинца в листьях тисса и интенсивностью движения в городах.

Накопление ртути в перьях птиц позволило с помощью чучел проследить динамику загрязнения ртутью. Обнаружено, что с начала 40-х годов ХХ века содержание ртути в перьях фазана, куропаток, сапсана и других увеличилось в 10-20 раз, по сравнению с 1840-1940 гг.

Изменение размеров клеток

Показано, что при газодымном загрязнении:

· Увеличиваются клетки смоляных ходов у хвойных деревьев;

· Уменьшаются клетки эпидермиса листьев.

Нарушение физиологических процессов в клетке

Плазмолиз. В клетках растений под действием кислот и SO2 цитоплазма отслаивается от клеточной стенки.

Организменный уровень

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

Преимущества биоиндикации на этом уровне - это небольшие затраты труда и относительная дешевизна, поскольку не требуется специальные лаборатории и высокая квалификация персонала.

Растения

Морфологические изменения растений, используемые в биоиндикации:

1. Изменение окраски листьев (неспецифическая, реже специфическая, реакция на различные поллютанты):

· Хлороз - бледная окраска листьев между жилками. Отмечали при избытке в почве тяжелых металлов и при газодымовом загрязнении воздуха.

· Пожелтение участков листьев. Характерно для лиственных деревьев при засолении почвы хлоридами.

· Покраснение, связанное с накоплением антоциана. 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 пероксиацетилнитрата.

· Серебристая окраска листьев. Возникает под действием озона на листьях табака.

2. Некрозы - отмирание участков ткани листа, их форма иногда специфична.

· Точечные и пятнистые. Серебристые пятна на листьях табака сорта Bel W3 возникают под действием озона.

· Межжилковые - некроз тканей между боковыми жилками 1 порядка. Часто отмечаются при воздействии сернистого газа.

· Краевые. На листьях липы под влиянием соли (хлорида натрия), который зимой посыпают улицы для таяния льда.

· «Рыбий скелет» - сочетание межжилковых краевых некрозов.

· Верхушечные некрозы. У однодольных покрытосемянных и хвойных растений. Например, хвоинки пихты и сосны после действия сернистого газа становятся на вершине бурыми, верхушки листьев гладиолусов после окуривания фтористым водородом становятся белыми.

3. Преждевременное увядание. Под действием этилена в теплицах не раскрываются цветки у гвоздики, увядают лепестки орхидей. Сернистый газ вызывает обратимое увядание листьев малины.

4. Дефолиация - опадание листвы. Обычно наблюдается после некрозов и хлорозов. Например, осыпание хвои у ели и сосны при газодымовом загрязнении воздуха, листьев лип и конских каштанов - от соли для таяния льда, крыжовника и смородины - под действием сернистого газа.

5. Изменение размеров органов обычно неспецифичны. Например, хвоя сосны вблизи заводов удобрений удлиняется от нитратов и укорачивается от сернистого газа. У ягодных кустарников дым вызывает уменьшение размеров листьев.

6. Изменение формы, количества и положения органов. Аномальную форму листьев отмечали после радиоактивно облучения. В результате локальных некрозов возникает вздувание или искривление листьев, сращение или расщепление отдельных органов, увеличение или уменьшение частей цветка.

7. Изменение жизненной формы растения. Кустовидная или подушечная форма роста свойственна деревьям, особенно липе, при сильном устойчивом загрязнении воздуха (HCI, SO2).

8. изменение жизненности. В присутствии многих поллютантов бонитет деревьев понижается от 1-2 класса до 4-5. Обычно это сопровождается изреживанием кроны и уменьшением прироста. Изменения прироста неспецифичны, но широко применяются, так как чувствительнее, чем некрозы. Измеряются радиальный прирост в длину побегов и листьев, корней, диаметр таллома лишайника.

9. Изменение плодовитости. Обнаружено у многих растений. Например, при действии поллютантов уменьшается образование плодовых тел у грибов, снижается продуктивность у черники и ели. Некоторые виды лишайников не образуют плодовых тел в сильно загрязненном воздухе, но способны размножаться вегетативно.

Примеры биоиндикации на организменном уровне

Растения

1. Мониторинг озона по табаку BEL W3. Этот сорт табака специально выведен для биоиндикации. Уже при слабом воздействии озона через несколько дней на всей листовой пластинке образуются некротические пятна серебристого цвета. Для сравнения одновременно высаживают устойчивый к озону сорт Bel B.

2. Мониторинг загрязнения почвы и воздуха с помощью крессалата. Семена проращивают в чашке Петри на фильтрах или исследуемой почве. Наблюдение длится 10 дней. При наличии вредных веществ снижается процент всхожести семян и уменьшается скорость роста зародышевых корешков. У растений, высаженных в открытом грунте в городских центрах с интенсивным движением транспорта, под влиянием газовых выбросов отчетливо снижается длина проростков.

3. Индикация соли (применяемой для таяния льда) по листве липы. Сначала возникают ярко-желтые неравномерно расположенные краевые зоны, затем край листа отмирает, а желтая зона передвигается к середине и основанию листа. Разработана бонитировачная шкала, позволяющая по степени нарушения листовых пластинок оценить уровень засоления почвы. Метод ограничен во времени второй половиной лета.

4. Индикация общего газодымового загрязнения по продолжительности жизни хвои. Для определения у 25 взрослых деревьев ели из средней кроны вырезают по 1 ветви. Определяют среднее кол-во хвоинок на побегах разного возраста. Поскольку хвоинки живут в норме 4 года, то четырехлетние побеги должны быть покрыты хвоинками. При загрязнении продолжительность жизни хвоинок сокращается вплоть до одного года. Соответственно большая часть ветвей оголена, а хвоинки остаются лишь на концах ветвей. Бонитировачная шкала некрозов и продолжительность жизни хвои позволяет количественно оценить степень загрязнения среды.

Животные

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

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

а) размеры и пропорции тела на загрязненных участках достоверно отличаются:

· У ряда тлей (ширина головы, длина бедра и голени, усиков, хвостика и сифона);

· Некоторых брюхоногих моллюсков в почве (размеры раковинок);

· На загрязненном корме размеры личинок насекомых обычно уменьшаются;

б) покровы. У тли (Aphis fabae) после добавления к пище сульфит-ионов существенно изменялись полигоны и зернистость кутикулы у потомком;

в) окраска. Явление промышленного меланизма (более темной окраски) в загрязненных районах отмечено у:

· Бабочки пяденицы березовой;

· Двухточечной божьей коровки (доля черных форм обычно 2-3%, а в загрязненных районах много выше);

· Коллемболы (Orchelesella villosa);

г) уродства. Под действием ксенобитотиков (дизельного топлива, ДДТ и др.) возникают нарушения формообразующих процессов в онтогенезе насекомых. В опытах доля аномальных бабочек огневки выросла от 5 до 35% при добавлении в пищу PbO.

Исследования рыб (плотва, лещ, карась и др.) в р. Москве в пределах города выявило следующие уродства: нарушение формы тела, искривление позвоночника, нарушение пигментации, «оплавление» лучей спинного плавника, редукцию плавников, «мопсовидность» головы, слепоту, редукцию зрачка, бельмо на глазу, выпуклость глаз, ожирение, длиннохвостость и пр. У плотвы доля особей с уродствами (иногда несколькими сразу) колебалась от 10 до 70%.

д) изменение толщины скорлупы яиц у птиц. Индекс Ратклиффа отражает зависимость толщины скорлупы яиц от концентрации ДДТ.

2. Физиологические изменения. Следующие изменения покажут принцип использования физиологических показателей в целях биоиндикации:

а) 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 (личинки поденок) или на брюшке (личинки ручейников). Число этих клеток обратно пропорционально уровню солености, при каждой линьке их число приводится в соответствие с соленостью среды. От линьки к линьке можно определить тенденции в изменении солености водоема;

б) общее физиологическое состояние организма насекомого может быть охарактеризовано общим количеством гемоцитов (клеток гемолимфы) в единице объема и соотношением их основным типов. Например, в зоне загрязнения сернистым газом количество гемоцитов у гусениц сосновой пяденицы падает вдвое, при этом возрастает количество фагоцитов с 5 по 32%.

в) неспецифическая биоиндикация индустриальных загрязнений возможна по содержанию гемоглобина в крови обыкновенной полевки;

г) в тканях моллюсков при загрязнении водоемов возрастает удельное содержание каратиноидов.

3. Размножение. Плодовитость обычно падает, например:

· У тлей и непарного шелкопряда при окуривании их сернистым газом;

· У птиц при действии тяжелых металлов и ДДТ уменьшается кладка;

Иногда плодовитость повышается, например:

· У коллембол (Onychiurus armatus, Orrchesella cincta) на участках, загрязненных тяжелыми металлами.

В лабораторных условиях в качестве тест-организмов могут быть использованы саранчовые (Acrotylus patruelis, Aiolopus thalassinus). При действии хлорида ртути у этих видов возрастает число яиц в кладке, при действии мочевины (>0,055 г./кг почвы) уменьшается число яиц в кладке и количество кладок.

4. Онтогенез и продолжительность жизни:

а) нарушение течения линек у насекомых:

· При загрязнении у бабочек снижается доля окукливающихся гусениц и процент вылета имаго;

· Удлинение личиночной стадии у совки (Scotia segetum) при интоксикации медью и у непарного шелкопряда при фумигации фтористым водородом (HF) и метилмеркаптаном;

б) сокращение сроков развития:

· У совки (Scotia segetum) на 4-7 дней при добавлении хлорида кадмия (CdCI2);

· У коллембол (Isotoma notabilis, Onychiurus armatus) при загрязнении тяжелыми металлами;

в) изменение срока жизни. Обычно он сокращается, например:

· У кобылки (Acrotylus patruelis) при увеличении концентрации HgCI2;

· У гусениц (особенно младших возрастов) непарного, тутового и соснового шелкопрядов, сосновой пяденицы и многих других при питании загрязненным кормом и фумигации промышленными выбросами;

· У личинок мухи (Calliphora vicina) пропорционально концентрации сернистого газа.

Реже наблюдают удлинение срока жизни, например, у дрозофилы при добавлении в пищу 0,3% антиоксиданта пропилгаллата срок жизни возрастает на треть.

5. Поведение - это чувствительный индикатор нарушений в среде:

а) изменение циркадного (суточного) ритма рыб в рыборазводных прудах - пример неспецифической биоиндикации. Двигательная активность рыб отражает условия содержания, реагируя на обеспеченность кислородом и органическое загрязнение;

б) у крабов (Pachygrapsus) после воздействия масляного экстракта (результат утечки горючего) нарушается половое поведение: самцы не реагируют на самок.

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 которые выбираются в зависимости от размера организмов и среды обитания: 1 м², 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, 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 в безлесных ландшафтах влияние последнего намного сильнее, чем в лесных.

Увеличивать плотность могут популяции сорняков, галофитов и других устойчивых к антропогенному процессу 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 некошеными, 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.

Известно много случаев отбора экотипов в природе. Способствующих выживанию видов в нарушенной среде. Злак полевица побегоносная растет по морским побережьям и выносит засоление почвы, а полевица тонкая, у которой такие экотипы не обнаружены, избегая засоленных участков.

Сернистого газа в природе много вблизи вулканов, растущие здесь растения относительно устойчивы к этому газу. Например, японская лиственница, по сравнению с европейской, лучше переносит высокую концентрацию SO2 в воздухе.

Популяции многих видов (овсяница красная) из областей с сильным загрязнением SO2 устойчивее к нему и к кислотным дождям, чем растущие в чистых районах. У подорожника ланцетолистного обнаружены экотипы, устойчивые к мышьяку, у полевицы тонкой - к меди.

4. Изменение ареалов видов растений под влиянием антропогенного вмешательства иллюстрируется данными таблицы:

Изменение ареалов растений под влиянием антропогенного вмешательства

В глобальном масштабе происходит:

· Сокращение ареала лесных видов, особенно в тропиках;

· Распространение сорных рудеральных видов и галофитов. Засоление почвы происходит при орошении почвы в отсутствии достаточного дренажа. Например, Месопотмаская низменность сейчас представляет собой огромные солончаки. Вместо природных лесов здесь галофитная растительность, а также ивы и тополя.

Животные

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

a) сокращение популяций:

· Многочисленные примеры редких и вымирающих видов;

· Ртуть содержащие соединения, которыми протравливали посевной материал, вызвали массовые отравления зерноядных птиц и, соответственно, сокращение плотности популяций в Швеции в начале 50-х годов ХХ 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 и концентрацией в воздухе сернистого газа;

б) рост популяций:

· Озерных чаек в Средней Европе обусловлен эвтрофизацией культурных ландшафтов;

· Короеда - типографа при действии газодымовых выбросов;

· Сосущих растительноядных насекомых (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 концентрируют 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.

Примеры биоиндикации на биоценотическом уровне

Сообщества (или биоценозы) представляют собой совокупность видов растений. Животных, микроорганизмов и грибов определенного местообитания. Принято также говорить о сообществе птиц, почвенных членистоногих, растений и т.д.

Для описания сообществ используют такие показатели, как общая численность, видовое богатство и разнообразие, видовая структура, экологическая структура (спектры жизненных форм, биотопических групп), а также их изменения во времени. Отклонения этих показателей от нормы - симптом нарушений окружающей среды.

1. Общая численность. Обычно падает, а если повышается, то за счет численности очень немногих устойчивых к нарушениям видов. Например, в городе численность птиц поддерживают стаи голубе, воробьев, ворон. На полях высокая численность насекомых достигается за счет вспышек численности вредителей.

2. Видовой состав и разнообразие сообществ. При слабом нарушении среды (будь то загрязнение, рекреация или другие формы антропогенного воздействия) количество видов растет, так как сообщество становится «открытым» для видов других сообществ, больше становится рудеральных и синантропных видов. Дальнейшее усиление воздействия сопровождается выпадением редких и чувствительных к нарушению видов.

Таким образом, с ростом нарушения количество видов меняется нелинейно (гипотеза промежуточного нарушения Коннела).

3. Видовая структура. Все виды в сообществе можно разделить на 4 группы: 1) многочисленные - доминанты, 2) менее многочисленные - субдоминанты, 3) малочисленные и 4) редкие виды. Распределение видов по группам численности в природном и нарушенном сообществе четко различается. При нарушении в сообществе сокращается «запас прочности» - группы малочисленных и редких видов. Иногда для выделения этих групп используют не численность, а биомассу, встречаемость или проективное покрытие, как у растений, но закономерность сохраняется.

4. Спектр жизненных форм. При нарушениях наблюдается замещение одних жизненных форм другими. При реакции в сообществе коллембол начинают исчезать группы подстилочной жизненной формы, но сохраняются почвенная и поверхностно - обитающая группы.

5. Спектр биотических групп. Антропогенное воздействие любой природы сопровождается заменой специализированных видов сообщества на эврибионтные. Дальнейшее усиление нагрузки ведет к тому, что в сообществе сохраняются в основном рудеральные и синантропные виды.

6. Изменение во времени. При нарушении среды сообщества сильнее меняются по годам; первыми - доминирующие виды, жизненные формы, биотопические группы и т.д.

Примеры биоиндикации на экосистемном уровне

Экосистемный уровень предполагает изучение круговорота веществ и потоков энергии. Круговорот веществ осуществляется при участии запаса биогенов, организмов - продуцентов (растения, создающие органическое вещество из неорганических), организмов - консументов (животные, распределяющие и регулирующие потоки вещества и энергии) и организмов редуцентов (грибы и бактерии, которые разрушают органические вещества, пополняя запас биогенов).

Среди различных показателей экосистем для биоиндикации представляют интерес трофическая структура и сукцессионные изменения.

Трофическая структура. Нарушение соотношения между блоками продуцентов, консументов, редуцентов. Например, вблизи комбинатов цветной металлургии, расположенных в таежной зоне, толщина подстилки достигает 20 см, превышая норму в 3-4 раза. Это происходит из-за угнетения почвенных беспозвоночных, ускоряющих процесс разрушения растительных остатков.

Сукцессии - естественные смены сообществ от простых и неустойчивых до сложных и устойчивых. Последние получили название зрелых, или климаксных. Антропогенный пресс нарушает естественный ход сукцессии. Страдают прежде всего заключительные стадии - зрелые климаксные сообщества, они не формируются. Процесс все время отбрасывает на более ранние стадии. Например, полная сукцессия лесов в Подмосковье предполагает не только смену березняков ельниками, но и формирование сложных смешанных лесов с участием дубов. Редкость таких лесов свидетельствует о глубоких преобразованиях территории. Попытки воспроизвести естественную сукцессию встречают большие трудности. При лесной рекультивации отвалов угледобывающей промышленности посаженные деревья не образуют настоящих лесов. Даже спустя 30 лет в почве под ними не развивается характерный для лесов комплекс сапрофагов - разрушителей лесной подстилки, что свидетельствует о существенном отличии почвенных и лесорастительных условий на отвалах, по сравнению с лесами. Беспозвоночные животные являются в данном случае биоиндикаторами формирования «неполноценных» экосиситем.

В целом, нарушения среды на ценотическом и экосистемном уровнях приводят к:

· Упрощению структуры сообществ и экосистем;

· Нарушению внутренних связей (между видами, экологическими группами, блоками экосистемы и т.д.), т.е. механизмов саморегуляции сообществ и экосистем.

Выявление этих признаков - основной путь биоиндикации на высших уровнях организации живого.

Биоиндикация на уровне биосферы

Некоторые примеры индикаторов глобальных изменений среды:

· «ползучая эвтрофикация». Присутствие в морской воде сточных вод все чаще индицируют красные и бурые приливы. Они возникают из-за вспышек численности одноклеточных водорослей: токсичных динофлагеллят (красные) и диатомовые (бурые);

· Глобальное потепление климата. Обычным явлением становится «красный снег». Появляется в горах при повышенной температуре инсоляции благодаря росту численности одноклеточных водорослей (в основном гемококков);

· Фоновое загрязнение среды. Даже на заповедных территориях за последние 40 лет снизилось разнообразие и численность животных. Регулярное и повсеместное применение пестицидов привело к снижению численности почвенных членистоногих на полях за последние 30 лет в несколько раз.

Биоиндикация в различных средах

Как и в случае физико-химических методов экоаналитического контроля, при биоиндикации существуют определенные ее особенности в зависимости от исследуемой среды.

Биоиндикация в наземно-воздушной среде с помощью растений

Фитоиндикация - использование растений для оценки качества среды. Поскольку наибольший эффект дает использование растительных сообществ, то это направление получило специальное название - индикационная геоботаника.

Индикация на уровне видов

Индикатом называют определяемое свойство или фактор среды, а индикатором - вид растений, с помощью которого определяют свойство среды.

Индикация свойств почв:

· Оглееность - черника, таволга вязолистная, вербейник обыкновенный;

· Запас питательных элементов в почве (трофность):

ѕ Олиготрофы (сфагновые мхи и лишайники; из цветковых - виды с микоризой: черника, брусника, вереск, клюква, багульник; растения песчаных почв: кошачья лапка, ястребинка волосистая);

ѕ Мезотрофы (зеленые мхи, земляника, грушанка, вероника дубравная, иван-да-марья, душица);

ѕ Эвтотрофы (мох мниум, папоротник страусово перо, малина, таволга вязолистная, крапива двудомная, иван-чай, медуница);

· Содержание азота:

ѕ Нитрофилы (недотрога, крапива двудомная, хмель, малина, иван-чай, звездчатка дубравная, лопух, пустырник);

ѕ Нитрофобы (дрок красильный);

· Кислотность (рН) почвы:

ѕ Крайние ацидофилы (рН 3 - 4,5): сфагнум, гилокомиум, дикранум, плауны, водяника, марьянник луговой, ожика волосистая, пушица влагалищная, щучка, белоус, вереск;

ѕ Умеренные ацидофилы (рН 4,5-6): черника, брусника, багульник, сушеница, кошачья лапка, толокнянка;

ѕ Нейтральные (рН 6 - 7,3): растения дубрав - сныть, клубника зеленая, таволга шестилепестная;

ѕ Базофилы (рН >7,8): бузина, вяз, бересклет, крушина, крапива двудомная, хмель, недотрога, гравилаты.

Для количественной оценки индикаторов разработаны шкалы значимости и достоверности:

Важно и то, насколько часто встречается индикатор в пределах площади, на которой присутствует индикат. Это оценивает значимость индикатора:

Биоиндикация в водной среде

Основные задачи, которые решаются при оценке качества воды, могут быть объеденены в три группы:

· Угроза инфекционных заболеваний;

· Токсичность;

· Эвтрофикация.

Угроза инфекционных заболеваний

Решение первой задачи достигается при мониторинге загрязнения водоемов сточными водами. Именно канализационные стоки могут содержать патогенные микроорганизмы - основной источник инфекций, передаваемых через воду. Поскольку патогенных микроорганизмов много, каждый выявлять трудоемко и нецелесообразно, разработан тест на кишечную палочку (Escherichia coli). Эта бактерия обитает в огромных количествах в толстой кишке человека и отсутствует во внешней среде. E.coli не патогенна и даже необходима человеку, но ее присутствие во внешней среде- индикатор неочищенных канализационных стоков, в которой могут быть и патогенные микробы.

Для анализа берут пробы воды объемов 100 мл и подсчитывают содержание в них E.coli.

Результаты оценивают по таблице:



Оценка токсичности

Подавляющее большинство тестов токсичности воды в биоиндикации использует какой-либо один вид организмов: рачки дафния (Daphnia magna) и артемия (Artemia salina), инфузория туфелька, красные (Champia parvula) и бурые водоросли (Laminaria saccharina), валлиснерия (Vallisneria Americana), ряска.

У тест-организмов оценивают выживание, дыхательную активность и другие показатели. Например, с помощью ряски можно обнаружить присутствие ионов тяжелых металлов двумя способами:

· По нарушению движения хлоропластов, которые не концентрируются в клетке со стороны источника света, а перемещаются хаотически;

· По отмиранию клеток листа, что можно обнаружить, используя специальный краситель, легко проникающий в мертвые клетки, но не способный окрасить живые. Количество мертвых клеток пропорционально концентрации ионов тяжелых металлов в воде.

Эвтрофикация

По содержанию в воде биогенов различают следующие трофические типы водоемов: олиготрофный (бедный биогенами), эвтрофный (богатый биогенами) и промежуточный мезотрофный. В олиготрофных водоемах недостаток биогенов не допускает развития фитопланктона (одноклеточных водорослей в толще воды), но хорошо развивается бентосная растительность. Такие экосистемы включают много видов, они разнообразны и устойчивы. В эвтрофных водоемах обилие биогенов сопровождается массовым развитием фитопланктона, помутнение воды, обеднением бентосной растительности из-за недостатка света, дефицитом кислорода на глубине, что ограничивает биоразнообразие. Экосистема утрачивает многие виды, упрощается, становится неустойчивой.

Определить трофность водоемов можно с помощью биоиндикаторов. В эвтрофных водоемах обильны и разнообразны черви - коловратки и вистоусые рачки - дафнии, в олиготрофных - веслоногие рачки - циклопы.

Другая характеристика водоемов - это степень их органического загрязнения или сапробность. По мере поступления сточных вод образуются следующие зоны загрязнения: полисапробная, а-мезосапробная, в-мезосапробная и олигосапробная. Первыми предложили определять степень загрязнения водоемов по живым организмам Кольквитц и Марсон (1908). Списки индикаторных постоянно уточняются.

Для полисапробных водоемов характерны те же организмы, что и для эвтрофных, а также водоросль кладофора, колиформные бактерии, черви трубочники, а из рыб-карпы. Олигосапробные водоемы отличают виды, свойственные олиготрофным водоемам, а также личинки насекомых: поденок, веснянок и ручейников.

Разработаны и количественные способы оценки водоемов:

· Массовое развитие олигохет - индикатор спуска бытовых отходов. Предложено уровень загрязнения оценивать по плотности этих червей: слабое загрязнение - 100-999 экз/м², среднее - 1000 - 5000, сильное > 5000 экз/м²;

· Индекс сапробности Сладечека S=sh/h.

Организмы полисапробы имеют значимость - 4, а-мезосапробы-3, в-мезосапробы-2 и олигосапробы -1. Относительное количество особей (h) учитывается в баллах: массовые скопления - 5, частая встречаемость -3, случайные находки - 1. В загрязненных водоемах индекс принимает значения от 4,51 до 8,5; в чистых - от 0 до 0,5.

Биоиндикация в почве

Биоиндикация применяется в случаях:

· Установления таксона почвы и ее происхождения;

· Выяснение отдельных свойств почвы и почвенных процессов;

· Оценки антропогенного вмешательства (рекреация, загрязнение эвтрофикация почв).

Развитие методов биоиндикации применительно к почве связано с работами основателя отечественной почвенной зоологии М.С. Гилярова и его школы. Эта работа дала мощный импульс подобным исследованиям не только в нашей стране, но и за ее пределами.

Установление таксона почвы и ее происхождения

1. Выяснение природы красноцветных почв южного берега Крыма по данным почвенной фауны. По поводу происхождения этих почв существовали две гипотезы: 1) это такие же почвы, как красноцветные почвы (terra rossa) в Италии, 2) это реликты третичной эпохи, которые должны исчезнуть.

По данным почвенной зоологии оказалось, что 96% всех видов беспозвоночных красноцветных почв Крыма имеют средиземноморское расположение или более широкое, и только 4% обитают в других областях. В других типах почв южного берега Крыма средиземноморские виды уступают широкораспространенным. Беспозвоночные указывают на то, что условия обитания (и прежде всего гидротермический режим) в красноцветных почвах Крыма такой же, как и в других красных почвах Средиземноморья. Следовательно, с точки зрения почвенной зоологии, красноцветные почвы на выходах известняков в Крыму - это terra rossa, образующиеся в настоящее время, а не реликтовые почвы.

2. Выяснение природы почв безлесных горных вершин северного Кавказа. Это степные участки на высоте, где мог бы расти лес. Почвы под ними специалисты относили то к черноземам, то к горно-луговым, то к перегнойно - карбонатным и т.д.

Учеты почвенной фауны показали, что она слагается в основном из тех же видов, которые преобладают в почвах целинных разнотравно-ковыльно-типчаковых степей на равнине. Таким образом, по зоологической оценке почвы на вершинах являются своеобразными черноземами.

3. Черноземы иногда могут формироваться под светлыми дубовыми лесами (юг Молдавии, Центрально - Черноземный заповедник). Было показано, что население беспозвоночных здесь сходно с населением степей, а не лесов. В таких случаях животные более четко отражают почвенные условия, чем естественный растительный покров.

Выяснение отдельных свойств почвы

· Механический состав

Мокрицы - показатели тяжелых почв (в песчаных почвах их норки обрушиваются). По останкам пустынных мокриц установлено, что современные такыры недавно были солончаками.

Вертикальное распределение микроартропод коррелирует с общей порозностью почв.

· Виды гумуса

Грубый гумус (мор) - диагностируют многоножки-геофилиды, мягкий гумус (мулль) - личинки комаров - долгоножек. В настоящее время для отдельных групп, например, коллембол, выявлены виды, характерные для разных видов лесного гумуса.

· Степень гумификации органических остатков

Зоологическая хар-ка компостов по Н.М. Черновой позволяет отличать разные стадии созревания компостов по преобладанию разных групп беспозвоночных (в зрелых компостах много дождевых червей, среди коллембол преобладают белые почвенные формы).

Разные стадии разложения древесины осуществляют при участии разных групп организмов, которые могут служить индикаторами. Первую стадию маркируют жуки-усачи, вторую - ферментативная активность грибов, третью - муравьи и четвертую - дождевые черви.

· Кислотность (рН)

Кислотность - один из ведущих факторов, определяющих видовой состав и численность сообществ почвенных беспозвоночных. Численность дождевых червей, например, обычно прямо пропорционально рН от 3 до 8

· Содержание кальция

Калькофилы - это наземные раковинные моллюски, многоножки диплоподы, сухопутные рачки - мокрицы, раковина или панцирь которые состоят в основном из углекислого кальция. Обилие этих групп в почве говорит о большом содержании кальция.

· Гидротермический режим

В Восточной Сибири встречаемость в почве личинок майского хруща говорит о том, что вечная мерзлота залегает не ближе 2,2 - 3 м от поверхности почвы и что зимой не происходит смыкания промерзшего слоя с вечной мерзлотой. В европейской части присутствие личинок майского жука - показатель глубокого залегания грунтовых вод.

Диагностика элементарных почвенных процессов

Существует 14 элементарных почвенных процессов (ЭПП), в том числе оглеение, олуговение, образование лесной подстилки, остепнение, засоление и др. Для диагностики этих процессов могут быть использованы экогруппы беспозвоночных, объединения видов со сходным пространственным распределением. Особенно наглядно выделяются экогруппы по катене - ландшафтному профилю, проходящему от местной депрессии к местному водоразделу. Так, для степной катены Барабинской низменности Мордкович выделил 8 экогрупп имаго жужелиц: пойменно-болотная, болотная, солончаковая, лесная, лугово-лесная, солонцовая, луговая и степная.

То, что виды предпочитают одну и ту же часть катены, говорит об их адаптированности к какому-то одному интегральному фактору, который является ведущим в данном типе почв. Таким фактором можно считать ЭПП, который влияет на жужелиц через изменение экологической обстановки. В таком случае пойменно - болотная экогруппа жужелиц четко диагностирует место и интенсивность глеевого процесса в верхней части почвы, болотная - торфообразование, солончаковая - солончаковый процесс (галобионты), луговая - лесная - осолодение, солонцовая - осолонцевание (мелкие плоские жужелицы, обитающие в трещинах), луговая - луговое гумусонакопление, степная - степной почвообразовательный процесс, лесная - процесс образования лесной подстилки.

Далее проводится диагностика типов почв по спектрам экогрупп. Тип почв характеризуется определенным сочетание ЭПП. А так как каждому ЭПП соответствует определенная, то типы почв отвечает определенный спектр экогрупп. Например: обыкновенный чернозем отличается доминированием жужелиц степной экогруппы (74%), что указывает на определяющую роль степного гумусонакопления в процессе формирования чернозема. Наличие 15% луговых видов маркирует проявление процесса олуговения во влажные сезоны. Небольшая доля участия других экогрупп (болотной, лугово - лесной, солонцовой и лесной) свидетельствует о былом гидроморфизе чернозема и его возможной облесенности в прошлом.