В качестве биоиндикаторов используют живые организмы, обладающие хорошо выраженной реакцией на воздействие тяжелых металлов [16].

В живых организмах тяжелые металлы в избыточном количестве вызывают нарушения биохимических процессов обмена веществ, подавляя или активируя деятельность многих ферментов. Тяжелые металлы представляют наибольшую угрозу для первых стадий развития сельскохозяйственных растений (проростков, всходов). Под их действием ухудшается рост корней побегов, происходит некроз листьев. Не рекомендуется выращивать сельскохозяйственные культуры на расстоянии менее 5-7 км от источников выбросов тяжелых металлов как в открытом, так и в закрытом грунте. Тяжелые металлы, поступающие на поверхность почвы, накапливаются в почвенной толще, особенно в верхних гумусовых горизонтах, и медленно удаляются при выщелачивании, потреблении растениями, эрозии и дефляции. Первый период полуудаления (удаление половины от начальной концентрации) тяжелых металлов значительно варьирует для различных элементов и составляет для цинка - 70-310, меди - 310-1500, кадмия - 13-110, свинца - 740-5900 лет. Среди ТМ в 13 (Be, Al, Cr, As, Se, Ag, Cd, Sn, Sb, Ba, Hg, Te, Pb) токсичны во всех своих водно-, щелоче-, кислорастворимых соединениях. Среди них группу неорганических экотоксинов возглавляет кадмий, свинец и ртуть [18].

Концентрация тяжелых металлов в растениях в значительной мере зависит от их содержания в почве, а в теле животных - от их количества в пище. Имеют значение также видовые особенности растений и животных. Животные поглощают только подвижные формы элементов, поэтому концентрация загрязнителя в животных будет отражать фактическую загрязненность экосистемы, а не потенциальную, которую получают при определении концентрации загрязнителя в почве или растениях [18].

Хорошим индикатором загрязнений окружающей среды тяжелыми металлами является их содержание в организме позвоночных животных, особенно млекопитающих, а также почвенных беспозвоночных. При выборе видов позвоночных в качестве биоиндикаторов необходимо руководствоваться следующими критериями:

1. Выбранные виды должны принадлежать к разным звеньям трофодинамической цепи. Степень концентрации тяжелых металлов и многих других токсикантов постепенно увеличивается от биокостной среды (почвы) к автотрофам (зеленым растениям) и далее к гетеротрофам, достигая максимума в организмах крупных хищников. Следовательно, для биоиндикации необходимо отобрать представителей растительноядных (зерноядных), насекомоядных, хищных позвоночных.

2. У избранных видов должны отсутствовать большие миграции, так как накопление токсичных веществ в организме прямо пропорционально уровню загрязнения окружающей среды.

3. Для сравнимости данных по различным районам лучше брать для анализа особи одних и тех же видов с широкими ареалами.

4. Виды должны обладать сравнительно высокой эврипотентностью, т.е. встречаться в различных местообитаниях.

5. Желательно использовать виды, живущие в естественных сообществах и не связанные с человеком.

6. Виды должны быть многочисленными, легко добываемыми [18].

В водоемах этим требованиям удовлетворяет следующая цепь: вода, донный грунт - водные растения - водные беспозвоночные - плотва - судак. Судак - повсеместно одна из самых загрязненных рыб. Лучшим индикатором из земноводных является зеленая жаба, из пресмыкающихся - прыткая ящерица, т.к. они питаются наземными беспозвоночными. Птицы - наиболее подвижные позвоночные, многие из них улетают на зимовку. В связи с этим они мало пригодны для целей мониторинга загрязнения среды обитания. Более перспективны в этом отношении оседлые виды [18].

Среди млекопитающихся в Европейской части России названным критериям больше всего удовлетворяют: обыкновенная бурозубка, европейский крот, рыжая и красная полевки. Тяжелые металлы у них больше всего накапливаются в легких, печени, почках, костях, шкуре [18].

Для целей биоиндикации большой интерес представляет почвенная фауна, составляющая 90-99% биомассы и 95% всех видов животных, входящих в наземный биоценоз. Повсеместно наиболее чувствительной группой к воздействию загрязнений оказались дождевые черви. Они достаточно точно отражают концентрацию металлов в почве и накапливают металлы в 3-5 раз больше, чем их содержится в почве. Дождевые черви в значительной степени концентрируют магний, железо, медь, свинец, марганец, цинк. Обычно в лесостепи двупарноногие многоножки, в частности кивсяки, также являются сапрофагами и отличаются повышенными концентрациями в тканях магния, марганца, меди, цинка, свинца [18].

Одним из распространенных методов биоиндикации загрязнения окружающей среды тяжелыми металлами и другими токсикантами является выбор участков для исследований на различных расстояниях от источника загрязнений в зависимости от его мощности и путей распространения загрязнителей. При этом учитывается направление преобладающих ветров, течения водных потоков и т.д. Для сравнительно мощных промышленных предприятий такие участки выбираются на расстоянии 0-0,5, 0,5-1,0, 1,0-5,0, 5-10, 10-20, 20-50 км от источника загрязнений. Для контроля исследования проводят на незагрязненной территории со сходными экологическими условиями [18].

Учеты мелких млекопитающих и почвенной менофауны проводят на следующих расстояниях от автомагистралей 5-7, 20-25, 70-250, 700-1500 м. Придорожные (5-7 м) участки по сравнению с контрольными характеризуются более высокой численностью и большим разнообразием видов мелких млекопитающих. При этом в их микропопуляциях происходит увеличение доли самцов при снижении массы и размеров тела животных, что является результатом повышенных концентраций кадмия, цинка, никеля. Активно накапливают тяжелые металлы обыкновенная бурозубка и рыжая полевка. Наиболее высокое содержание свинца, цинка, никеля отмечается в костях; кадмия и меди - в печени обыкновенной бурозубки; свинца - в печени, меди - в шкуре рыжей полевки [18].

У шоссе с интенсивным движением транспорта общая численность почвенной фауны снижается в 5 раз, у шоссе со слабой интенсивностью движения - в 1,5 раза. Наиболее сильно падает численность дождевых червей, пауков, кивсяков, жужелиц, стафилинид. Вблизи автомобильных дорог возрастает численность фитофагов и снижается обилие хищников и сапрофагов [18].

Для индикации среднего и высокого уровней загрязнения тяжелыми металлами чаще используют микроорганизмы (бактерии, грибы, водоросли, простейшие). В частности, при концентрации меди 300-400, а никеля 600-700 мг/кг в почве начинает снижаться численность азотофиксирующих, нитрифицирующих, аммонифицирующих бактерий. Затем уменьшается количество целлюлозоразрушающих бактерий. При концентрации меди 400-1200, а никеля 600-700 мг/кг в почве происходит смена доминатов, снижается количество неспорообразующих сапрофитных бактерий [18].

Одной из перспективных групп организмов-индикаторов являются протисты, в том числе и инфузории. Они играют значительную роль в пищевых цепях. Как консументы II уровня инфузории являются важным звеном переноса энергии на более высокие трофические уровни. Также инфузории играют важную роль в процессах самоочищения водоемов. Высокая чувствительность инфузорий к токсическому действию различных поллютантов позволяет обнаруживать загрязнения на самых ранних стадиях и при незначительных концентрациях [4].

В последние годы возрос интерес к эпифитным лишайникам как биоиндикаторам качества воздуха, поскольку эти растительные организмы получают все необходимое для своей жизнедеятельности из воздуха [8].

Основные причины низкой устойчивости лишайников к атмосферному загрязнению следующие: высокая чувствительность водорослевого компонента лишайников, пигменты которого под действием загрязнителей быстро разрушаются; отсутствие защитных покровов и связанное с этим беспрепятственное поглощение газов слоевищами лишайников; повышенная требовательность к кислотности субстрата, изменение которой сверх определенного предела приводит к гибели лишайников; небольшие размеры их тела и значительная продолжительность жизни. Аккумулируя загрязняющие вещества из атмосферы, лишайники гибнут при хроническом воздействии даже их низких концентраций. Лишайники аккумулируют также значительное количество тяжелых металлов. Их высокие дозы изменяют мембранную проницаемость для катионов калия, влияют на скорость фотосинтеза, свойства хлорофилла лишайников [18].

Содержание тяжелых металлов в лишайниках более адекватно отражает распределение этих элементов в различных точках приземного слоя атмосферы, чем содержание этих же элементов в сосудистых растениях. Эти сравнения приведены в таблице 2 [8].

Таблица 2. Средняя концентрация тяжелых металлов в растениях при фоновой концентрации металлов в воздухе (мкг/г сухой массы) [7]

Грибы как объекты биомониторинга хорошо зарекомендовали себя в качестве индикаторов загрязнения окружающей среды.

Микромицеты. При загрязнении почв тяжелыми металлами у многих микромицетов происходит усиление споруляции. Так, при содержании кадмия 100мг/кг почвы количество грибных спор возрастает в 2-5 раз. Напротив, содержание мицелия почвенных микромицетов при высоком загрязнении тяжелыми металлами может снижаться в 2-3 раза [18].

При промышленном и транспортном загрязнении тяжелыми металлами комплекс почвенных микромицетов обедняется, снижается разнообразие видов, упрощается структура, индекс разнообразия Шеннона уменьшается в 1,5-2 раза. Чем беднее почвы, тем более сильное влияние оказывают тяжелые металлы на микромицеты. При небольших дозах загрязнения разнообразие видов может несколько увеличиваться. При высоком загрязнении соединениями ртути и кадмия в дерново-подзолистых почвах начинают преобладать виды аспергиллус черный и земляной, не типичные для этих почв [18].

Наибольшая чувствительность к тяжелым металлам проявляется у видов, имеющих узкие ареалы распространения. В оподзоленных почвах один из самых чувствительных видов - мортнерелла римская, в черноземах - пенициллиум шерстистый. Более устойчивы к загрязнению виды с широкими ареалами. В черноземных почвах с высоким содержанием тяжелых металлов обильно представлены грибы рода пенициллиум (шерстистый и красный). Они устойчивы также к внесению высоких доз удобрений. Высокие концентрации кадмия выдерживает пациломицесс лилиевидный [18].

Устойчивые к высоким загрязнениям тяжелых металлов виды рода пенициллиум обладают фитотоксичным действием на прорастание семян. У чувствительных видов тяжелые металлы тормозят развитие спорангиев, снижают скорость спорообразования, прорастания спор, роста мицелия [18].

Макромицеты. Высшие шляпочные грибы - макромицеты из группы гименомицетов класса базидиальных - как микоризообразователи, вступая в симбиотические отношения с корнями древесных растений, способствуют транслокации элементов минерального питания, в том числе и микроэлементов, из почвы и лесной подстилки в деревья. Иными словами, микоризообразующие грибы как передаточное звено усиливают поступление химических элементов, в частности тяжелых металлов, в деревья. К высокомикотрофным древесным породам относятся дуб, береза, осина, бук, граб, лещина, ель, сосна. Микоризу на корнях образуют грузди, подберезовик, подосиновик, рыжик, боровик, маслята и др. [18].

Хорошим показателем загрязнения почв тяжелыми металлами является их содержание в плодовых телах шляпочных грибов. Для этого в пробу отбираются несколько экземпляров плодовых тел грибов. После высушивания они озоляются при 350⁰ С, зола растворяется в одном из растворителей. В растворах определяют содержание тяжелых металлов. При установлении индикационных связей в качестве показателя микроэлементной нагрузки используются концентрации металлов в верхних двух сантиметрах почвы, взятой в точке отбора грибов, при выпадении тяжелых металлов из воздуха. Коэффициент корреляции между содержанием свинца и кадмия в почве и капрофорах подберезовиков, подосиновиков и груздей составляет около 0,7. При росте концентрации в почве меди, цинка и марганца степень их накопления в капрофорах уменьшается [18].

Также следует отметить, что покровобразующие виды мхов уже несколько десятилетий используются для оценки атмосферных выпадений тяжелых металлов в странах Северной Европы. Мхи не имеют корневой системы, поэтому их микроэлементный состав определяется составом атмосферных выпадений, в том числе минеральных частиц почвы, осаждающихся на поверхности растения под влиянием ветра. Также проводилось исследование, в ходе которого было выявлена зависимость осаждения тяжелых металлов от форм рельефа, направления ветрового переноса, количества осадков. На наветренных склонах даже небольших возвышенностей наблюдается более интенсивное осаждение тяжелых металлов, а в понижениях между крупными структурами рельефа формируются "ветровые коридоры" [7].

Также перспективно использовать в качестве биоиндикаторов наземных сообществ насекомых. В частности, была проведена работа, объектом которой были пчёлы как индикаторы загрязнения окружающей среды некоторыми поллютантами. Пчёлы не только подвергаются влиянию окружающей среды, но и воздействуют на неё путём опыления многочисленных цветущих растений. Было выявлено, что производимые пчёлами прополис и обножка могут выступать в роли индикатора загрязнения окружающей среды, т.к. являются активными биосубстратоми, накапливающими тяжелые металлы [6].

В начале 50-х годов в результате применения метилртутьдициандиамида для протравливания посевного материала в Швеции произошла массовая гибель зерноядных птиц: серой куропатки, фазана, вяхиря, обыкновенной овсянки, садовой овсяной, что привело к значительному сокращению численности их популяций. Пострадали и хищники, питающиеся этими видами [1].

Такие факты стимулировали исследования, завершившиеся разработкой чувствительных методов определения концентрации ртути в популяциях животных. Особое значение приобрел тест на присутствие ртути в птичьих перьях, позволяющий проследить динамику ртутного загрязнения с использованием чучел. Удалось ясно продемонстрировать, что начиная с 40-х годов содержание ртути в перьях фазана, серой куропатки, белой куропатки, сокола-сапсана и других видов возросло в 10-20 раз по сравнению с периодом 1840-1940 гг. [1].

Установлено, что у грача существует зависимость между загрязнением ртутью и развитием популяции. Аналогичный результат был получен при сравнительных исследованиях других видов [1].

Наряду с прямым влиянием на численность популяций показано и отрицательное воздействие ртути на рождаемость у птиц. У перелетных птиц можно установить время и место загрязнения по содержанию ртути в перьях. Разработан метод, позволяющий использовать концентрацию ртути в утиных крыльях, собранных охотниками в популяционно-биологических целях, для оценки общего загрязнения [1].

У крякв экспериментально была установлена доза ртути, выше которой загрязнение яиц приводит к снижению воспроизводства и нарушениям поведения у утят (3 млн^-1 в пище в течение длительного времени) [1].

У водоплавающих птиц была также доказана зависимость между способом питания и интенсивностью загрязнения. У рыбоядных видов, таких, как большой крохаль и полярная гагара, загрязнение достигает 100 млн-1, что десятикратно превышает загрязнение у видов, захватывающих пищу исключительно с поверхности воды [1].

Всё же следует отметить, что наиболее изученными и используемыми организмами в качестве биоиндикаторов загрязнения природной среды являются гидробионты. Водоемы служат коллекторами всех видов загрязнений, а донными отложениями аккумулируются загрязняющие вещества. Водные организмы находятся в большей зависимости от условий среды обитания, чем млекопитающие и птицы. Поглощение тяжелых металлов, большинство из которых является жизненно необходимыми микроэлементами, происходит не только с пищей, но и в процессе дыхания и через наружные покровы. У низших животных и растений поглощение осуществляется всеми частями организма.

В Республике Беларусь также активно ведутся исследования в этой области.

Для изучения экосистемы р. Березина в качестве организмов - биоиндикаторов загрязнения тяжелыми металлами - были использованы 3 вида рыб разного трофического уровня - планктонобентософаги (плотва), весь цикл онтогенеза которых в основном проходит в поверхностных слоях воды, и хищники - окунь и щука (в питании первого, наряду с рыбой, важное место принадлежит бентосным организмам; рацион щуки состоит исключительно из рыбы). С этой же целью были использованы два вида моллюсков (катушка и прудовик), являющиеся кормовой базой для птиц и рыб, что делает их важными объектами биомониторинга [13].

Сравнение состава тканей рыб показало постепенное нарастание концентраций Zn, Cu, в меньшей степени Cr от рыб, в питании которых доминируют планктонные и бентосные организмы, к плотоядным рыбам, что закономерно отражает концентрации этих поллютантов в трофической цепи. Mn и Sn, наоборот, интенсивнее накапливаются в мышцах планктонофагов и уменьшаются в тканях хищных видов. Ni и Pb обнаружены лишь в одном экземпляре плотвы [13].

Также авторы отмечают, что в заповедной Березине накопление тяжелых металлов в мышцах рыб и теле моллюсков очень невелико по сравнению с сопоставимыми по величине реками в других регионах [13].

При изучении растений различных экологических групп водоёмов были получены результаты, указывающие на различные уровни накопления некоторых тяжелыми металлами [11].

Были выделены 4 экологические группы:

I - свободноплавающие неприкрепленные;

II - плавающие прикрепленные;

III - подводные (погруженные) растения;

IV - надводные (земноводные или воздушно-водные) [11].

Максимальное содержание всех изучаемых элементов (Pb, Cu, Zn, Mn, Co, Cr, Ni), за исключением цинка, наблюдается у растений I-ой экологической группы. В наибольшей степени эта разница заметна для меди, никеля и хрома. Известно, что чем больше растение связано с водой, тем в большей степени в его тканях накапливаются медь, свинец и цинк, а свободноплавающие гидрофиты I-ой группы получают элементы питания преимущественно из воды [11].

На аккумуляция тяжелых металлов водорослями влияют режимы освещения и рН водной среды, что было зафиксировано в экспериментах [9, 10].

В таблице 3 приведены данные по оценке степени загрязнения водных экосистем тяжелыми и другими металлами, которая проводилась на основе определения их содержания в воздушно-сухой массе водных растений методом спектрального анализа [5].

Таблица 3. Содержание тяжелых металлов в гидрофитах водоемов и водотоков Беларуси (мг/кг сухого веса) [5]

Так, содержание никеля в водных растениях колеблется от следовых количеств до 40,8 мг/кг сухого веса (частуха подорожниковая в оз. Любенское), что в 135 раз превышает среднее фоновое содержание никеля в гидрофитах республики и 8 раз выше уровня естественного его содержания в растениях. Больше всего никеля накапливают гидрофиты водоемов и водотоков, расположенных в окрестностях городов Минск, Гомель и Могилев, причем избирательности в накоплении этого элемента определенными видами гидрофитов не отмечено [5].

Среднее фоновое содержание меди в гидрофитах республики 3,48 мг/кг сухого веса. В водоемах и водотоках Гомеля и Могилева содержание меди в водных растениях намного превышает фоновые величины, причем максимальные концентрации меди зафиксированы в воздушно-водных растениях (135,5 мг. кг - сусак зонтичный). В гидрофитах водоемов и водотоков, не подверженных загрязнению, содержание меди, находится на уровне фоновых величин или имеет незначительное превышение [5].

Самое высокое содержание свинца фиксируется в разных видах гидрофитов во всех водоемах в окрестностях Гомеля. При средней фоновой величине содержания свинца в гидрофитах 2,38 мг/кг максимальные значения отмечаются в воздушно-водных растениях, в частности в тростнике - 832,9 мг/кг сухого веса. В растениях водоемов и водотоков г. Могилева содержание свинца 6-56 мг/кг сухого веса, что в 3-20 раз превышает фоновую величину. В относительно чистых водоемах гидрофиты накапливают свинец на уровне фона [5].

Среднее фоновое содержание цинка в гидрофитах республики 1,41 мг/кг сухого веса, а максимально зафиксированное количество цинка - в элодее канадской и штукении гребенчатой (177,5 и 107,5 мг/кг сухого веса) в водотоках городов Могилева и Новополоцка, что в 125 раз выше среднего значения по республике и в 4 раза выше верхнего порога естественного содержания цинка в растениях (по литературным данным) [5].

Наибольшее содержание тяжелых металлов отмечается в водных растениях водотоков и водоемов, расположенных вблизи крупных промышленных узлов.

Таким образом, выявлено, что индикаторной значимостью тяжелых металлов водоёмов РБ обладают: Частуха подорожниковая, Роголистник тёмно-зелёный, Роголистник подводный, Элодея канадская, Манник плавающий, Манник большой, Водокрас обыкновенный, Трёхдольница трёхбороздчатая, Рдест блестящий, Рдест узловатый, Рдест пронзеннолистный, Многокоренник обыкновенный, Телорез алоэвидный, Рогоз широколистный, Харовые водоросли [5].

Заключение