Модель гетеротрофной сукцессии в культуре сенного настоя

Применение методов биоиндикации и биотестирования с целью мониторинга окружающей среды. Использование простейших гетеротрофов, получаемых в культуре сенного настоя, для оценки токсичности загрязненной нефтепродуктами воды. Построение сукцессионного ряда.

Рубрика Экология и охрана природы
Вид дипломная работа
Язык русский
Дата добавления 06.07.2012
Размер файла 6,7 M

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО РЫБОЛОВСТВУ

Федеральное государственное БЮДЖЕТНОЕ образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Мурманский государственный технический университет»

Биологический факультет

Кафедра «Биоэкология»

ДИПЛОМНАЯ РАБОТА

Модель гетеротрофной сукцессии в культуре сенного настоя

Выполнила:

студентка 5 курса БФ группы Бэ-571,

А.Ю. Колгатникова

Научный руководитель:

Доцент кафедры «Биоэкология»,

к.б.н. Н.А. Пахомова

Мурманск 2012

Содержание

Введение

1. Обзор литературы

1.1 Общие понятия о сукцессиях

1.2 Гетеротрофные сукцессии

1.3 Биотестирование и биоиндикация

1.4 Задачи и приёмы биотестирования

1.5 Методы биотестирования

1.5.1 Биохимический подход

1.5.2 Морфологический подход

1.5.3 Физиологический подход

1.6 Биотестирование с использованием инфузорий

2. Материалы и методы

2.1 Приготовление сенного настоя

2.2 Подготовка опыта на нефтепродукты

3. Результаты и обсуждение

3.1 Получение культуры сенного настоя

3.2 Краткая характеристика классов встречающихся организмов

3.2.1 Ресничные инфузории (Ciliata)

3.2.2 Саркодовые (Sarcodina)

3.2.3 Гастротрихи (Gastrotricha)

3.2.4 Коловратки (Rotatoria)

3.2.5 Турбеллярии (Turbellaria)

3.2.6 Нематоды (Nematoda)

3.3 Применение инфузорий в биотестировании

3.3.1 Нефтепродукты

3.3.2 Эпизодические наблюдения

Заключение

Список литературы

Введение

Сукцессия (от лат. successio - преемственность, наследование) - это процесс саморазвития сообщества. Экологическую сукцессию можно определить по следующим параметрам: развитие видовой структуры во времени, изменение условий среды обитания под влиянием предшествующих организмов, смена видов в экосистеме, которая контролируется сообществом, и происходящие в системе обменные процессы. Кульминацией развития является формирование стабильного сообщества, длительность существования которого определяется поступлением (или отсутствием) энергии из внешней среды.

Возможность выращивания одноклеточных организмов и других видов простейших гетеротрофов доказана давно, однако широкое производство их начали всего 16 лет назад. Достаточно исследованы технологические аспекты культивирования автотрофных микроводорослей и большое внимание уделяется изысканию путей получения некоторых гетеротрофных беспозвоночных организмов. Большая роль здесь принадлежит свободноживущим инфузориям. Особое внимание уделяется подбору питательного субстрата, а также выявлению степени влияния различных факторов среды на устойчивость культур и последовательность изменения видового состава в поликультурах.

Однако, как показывает практика, получение культур сенного настоя требует проведения предварительных исследований, так как скорость сукцессионных процессов, особенно на ранних стадиях, высока, смена видов может произойти очень быстро, и не всегда понятны причины, вызывающие гибель или исчезновение организмов. Поэтому для длительного поддержания их жизнедеятельности необходимо изучить оптимальные условия существования организмов.

Актуальность проведенной работы заключается в том, что получаемые в культуре сенного настоя простейшие гетеротрофы могут быть использованы как тест-организмы для оценки токсичности водной среды.

Цель: пронаблюдать и описать видовой состав различных вариантов сенных настоев, динамику численности простейших во времени.

Для достижения цели были поставлены следующие задачи:

1) определить таксономический состав встречающихся в сенном настое простейших;

2) исследовать структуру видового состава инфузорий в различных сенных настоях;

3) выстроить на основе полученных данных сукцессионный ряд.

Автор выражает признательность и благодарность научному руководителю к.б.н., доценту кафедры «Биоэкология» Пахомовой Нине Андреевне и к.б.н., доценту кафедры «Биоэкология» Минченок Елене Евгеньевне за помощь в подготовке и оформлении материалов дипломной работы, а также доктору Masatsugu Yamazaki из университета Нагоя (Япония) за помощь в определении видов Turbellaria.

1. Обзор литературы

1.1 Общие понятия о сукцессиях

Впервые термин «сукцессия» был предложен Г. Каулсоном в 1898 г.

Теория сукцессии изначально разрабатывалась геоботаниками. Клементс заложил основы этой науки. По Клеметсу, сукцессия - процесс, в течение которого один и тот же участок земной поверхности последовательно занимается различными растительными сообществами. Единицей сукцессии является серия, заключающая растительные сообщества, последовательно развивающиеся на данном участке, от пионерной, или инициальной стадии через сукцессионные стадии к конечному климаксу.

Также по Клементсу (1916), процесс сукцессии состоит из следующих этапов:

1) возникновение незанятого жизнью участка;

2) миграция на него различных организмов или их зачатков;

3) приживание их на данном участке;

4) конкуренции их между собой и вытеснение отдельных видов;

5) преобразование живыми организмами местообитания, постепенной стабилизации условий и отношений.

Хотя термины, введённые Клементсом, широко используют, существует две принципиально различные парадигмы, в рамках которых смысл этих терминов различен: континуализм и структурализм. Сторонники структурализма развивают теорию Клементса, сторонники континуализма в принципе отвергают реальность сообществ и сукцессий, считая их стохастическими явлениями и процессами (поликлимакс, климакс-континуум). Процессы, происходящие в экосистеме, в этом случае упрощают до взаимодействия видов, встретившихся случайным образом, и абиотической средой.

По предложению В.Н.Сукачева (1954) различают по два типа автогенных и аллогенных сукцессий.

Автогенные сукцессии разделяются на сингенез и эндоэкогенез.

При сингенезе изменения происходят под влиянием взаимоотношений между видами сообщества, дифференциации экологических ниш без существенного изменения видами условий местообитания. Основная роль сингенеза отмечается для начальных стадий и для очень быстрых по масштабу времени сукцессий. Сингенетические изменения необратимы и постепенны, могут проявляться как на первичных, так и на вторичных местообитаниях, протекать по типу прогрессивной и, реже, регрессивной сукцессии. Это природный процесс, но его "пусковым механизмом" могут быть и антропогенные факторы. Примерами сингенеза могут служить первые стадии зарастания новых субстратов и восстановление растительности на нарушенных человеком территориях.

Эндоэкогенез - это изменение сообщества путём изменения условий среды, сукцессия в классическом (узком) смысле. Примером может служить формирование почвы на скалах.

Оба типа сукцессий тесно связаны. Условия среды изменяются и при сингенезе, но значимость этих изменений по сравнению с взаимоотношениями организмов мала. При эндоэкогенезе взаимоотношения между организмами также оказывают определённое влияние на изменение системы в целом, но оно слабее влияния биотической трансформации среды обитания.

Аллогенные сукцессии разделяются на гейтогенез и гологенез.

Гейтогенез - локальные (т.е. не связанные с общими тенденциями развития ландшафта) аллогенные смены. Это сравнительно быстрая по масштабу времени сукцессия (что, естественно, связано с её локальностью), вызываемая чаще всего антропогенными факторами. Необратимый характер гейтогенеза может наблюдаться, как правило, в экологически ранимых ландшафтах экстремальных условий среды. Регрессивный гейтогенез называется ретрогрессией. Примером локальных внешних воздействий, приводящих к гейтогенезу, может служить хозяйственная деятельность человека - пастбищная дигрессия.

Гологенез - это изменения целых ландшафтов с более или менее параллельным изменением сообществ и экосистем. Природный гологенез - процесс масштаба тысячелетий, антропогенный протекает значительно быстрее. Природный гологенез всегда постоянен и необратим, но последствия антропогенного гологенеза могут оказаться обратимыми. Примером можно считать изменение растительности в процессе развития форм рельефа под влиянием строительства водохранилищ.

Наиболее часто термин «сукцессия» используют для смен, происходящих в сообществах. Чтобы разобраться в многообразии возможных смен, предложено много классификаций на разных логических основаниях: по масштабу времени (быстрые, средние, медленные, очень медленные), по обратимости (обратимые и необратимые), по степени постоянства процесса (постоянные и непостоянные), по происхождению (первичные и вторичные), по тенденциям изменения продуктивности (прогрессивные и регрессивные), по тенденции изменения видового богатства (прогрессивные и регрессивные), по антропогенности (антропогенные и природные), по характеру происходящих во время сукцессии изменений (автотрофные и гетеротрофные). По мнению А.П. Шенникова (1964), подобные классификации - это «классификации смен по их причинам». В действительности, как указывает С.М. Разумовский (1999), одни из данных классификаций - это классификации «причин, но не смен», поскольку одно дело причина, вызвавшая процесс, а совсем другое - сам процесс. Связь тут далека от однозначной функциональной. Нередко такие классификации делают на основе произвольно выбранных показателей, которые могут меняться во время сукцессии.

Варминг (1901) в своей работе «Борьба между растительными сообществами» пишет: «Каждое небольшое изменение в жизненных условиях тотчас же нарушает устойчивое до сих пор равновесие, т.е. вызывает немедленно перемещение и изменение во взаимоотношениях групп».

Изменения, происходящие при сукцессиях, обусловлены изменениями во взаимоотношениях видов растений, а они связаны с различиями в отношении видов к «экологическим факторам... и с разнообразием биологических особенностей жизненных форм».

В любой сукцессионной серии темпы происходящих изменений постепенно замедляются. Конечным итогом является формирование относительно устойчивой стадии - климаксового сообщества, или климакса. Термин "климакс" был предложен американскими исследователями Г. Уитфордом и Г. Каулесом в 1901 г. Одум определил тенденции, которые следует ожидать в процессе сукцессии экосистем (Одум, 1975), которые представлены в таблице 1.

Существуют три гипотезы достижения климакса.

Гипотеза моноклимакса Клементса (Одум, 1975; Уиттекер, 1980; Миркин, 1985; Дедю, 1990) - признание возможности существования в каждой природной зоне одного устойчивого климаксового состояния вне зависимости от того, где бы ни начиналась сукцессия. Гипотеза была предложена Клементсом в 1904 г.

Сущность гипотезы моноклимакса Клементса сводится к четырём положениям (три первых Уиттекер (1974) считал обязательными):

1) устойчивость;

2) конвергенция (сближение признаков сообщества в ходе сукцессии);

3) превалирование (преобладание этих климаксов по площади);

4) аналогии климаксового сообщества организму (факультативное).

Кроме основных климаксов, Клементс допускал также существование большого числа вспомогательных климаксов - отклонений под воздействием того или иного существенного в территории фактора: субклимакс («задержавшаяся» сукцессионная стадия), дисклимакс (нарушенный климакс), постклимакс (климакс более высокой по уровню организации жизненной формы), преклимакс (обратный постклимаксу). Все климаксы одного района объединялись Клементсом в панклимакс (высшая синтаксономическая единица - климакс-формация).

Таблица 1. Сравнение развивающихся и зрелых систем (по Одуму, 1975)

Гипотеза моноклимакса с момента появления подвергалась критике, так как три основных её положения оказались несопряженными, и потому ей на смену пришли представления о поликлимаксе. Таким образом, гипотеза моноклимакса сегодня представляет чисто исторический интерес. Однако в монографии Разумовского (1981) автор «возвращается» к этим представлениям в связи с отстаиванием представлений о дискретности растительного покрова.

Гипотеза поликлимакса Нихолса-Тенсли (Уиттекер, 1980) - признание существования в одном климатическом районе нескольких климаксов, различающихся эдафически. На территории с одинаковым климатом может образовываться несколько климакс-формаций, что и составляет суть гипотезы. Представления о поликлимаксе были развиты путём критики концепции моноклимакса американским ботаником Нихолсом (1917) и английским экологом Тенсли (1920).

Гипотеза климакс-мозаики Уиттекера (Дедю, 1990) - признание наличия непрерывно варьирующих под воздействием эдафических факторов климаксом в однородной в климатическом отношений территории; климакс в каждой точке признается индивидуальным и трактуется как мозаика видовых популяций, совмещённых условиями среды.

Ниже представлена схема, иллюстрирующая гипотезы достижения климакса (рис. 1).

Рис. 1. Гипотезы достижения климакса (по Дедю, 1990)

Подразделение сукцессий на автотрофные и гетеротрофные имеет в своём основании идею о том, что отношение первичной продукции (Р) к дыханию (R) в ходе сукцессии «приближается к единице (равновесию)» (Одум, 1986).

Автотрофные сукцессии - это сукцессии, начинающиеся с сообществ, у которых:

P/R>1, (1)

гетеротрофные -

P/R<1, (2)

при этом в гетеротрофной сукцессии «стационарного состояния достичь невозможно» (Одум, 1986).

Представление о том, что:

P/R=1, (3)

- это состояние равновесия, является экстраполяцией представлений экологов, изучавших некоторые наземные экосистемы, на всю биосферу. Каждое сообщество при этом отождествляют с закрытой системой, основным, если не единственным, источником энергии в котором является фотосинтез входящих в состав сообщества растений. Между тем любое сообщество - открытое, что особенно относится к водным сообществам, где доля аллохтонного органического вещества, энергию которого использует сообщество, достигает 100%. У водных сообществ за пределами фитали (за исключением сообществ хемобиоса) вообще нет первичной продукции. Нередко и в пределах фитали первичная продукция очень незначительна, например, во многих сообществах рыхлых грунтов. Такие сообщества находятся в состоянии равновесия миллионы лет. Поэтому соотношение первичной продукции и дыхания как показатель устойчивости применительно к ним оказывается совершенно неинформативным. Теория, применимая лишь к ограниченному числу объектов, не может претендовать на роль общей. Чтобы не менять теорию, такие сообщества часто объявляют неполноценными. Странно считать сообщества, населяющие больше половины поверхности Земли, неполноценными. Если придерживаться представлений, описанных Одумом, то придётся отнести к первичным продуцентам любой низший трофический уровень, поставляющий энергию в сообщество, в том числе и потребителей детрита, хотя это и кажется непривычным. Более того, если начать копать глубже, то принятая в настоящее время практика не вполне последовательна. Сейчас к первичным продуцентам относят «автотрофные организмы, в основном зелёные растения, которые могут производить пищу из простых неорганических веществ» (Одум, 1986), т. е. получающие энергию для жизнедеятельности и синтеза нового органического вещества за счёт любых источников, кроме окисления другого органического вещества. При таком определении вестиментиферы чёрных курильщиков, использующие энергию окисления восстановленных соединений металлов, являются автотрофами (хемоавтотрофами). Тот же вид, живущий на трупе кита или затопленном сухогрузе, использующий энергию окисления органического вещества, становится уже гетеротрофом. В любом случае отношение P/R и деление сукцессий на автотрофные и гетеротрофные имеют ограниченное применение. Классический пример гетеротрофной сукцессии - динамика простейших в сенном настое (Woodruff, 1912) - в действительности является нормальным процессом потребления органики редуцентами.

1.2 Гетеротрофные сукцессии

Микробный микрокосм сыграл центральную, роль в развитии экологии, что иногда недооценивается. Первая опубликованная работа в данной области принадлежит Dallinger, который в своем выступлении в качестве президента Королевского Общества Микроскопии в 1887 году, описал свою попытку определить, можно ли путём изменения окружающей среды проследить адаптации на примере короткоживущих организмов.

Dallinger впервые показал, что это возможно осуществить в лабораторных условиях.

Почти 20 лет спустя, Woodruff провёл эксперименты с сенным настоем и пришел к выводу, что взаимодействия между организмами были важной движущей силой в сукцессионной последовательности простейших. Он отметил, что определённая последовательность появления простейших хоть и произошла в данном настое, но чёткая картина не была выявлена. Woodruff предположил, что воздух, вода и сено могут быть источниками популяций простейших. Как только бактерии действуют на сено, чтобы сделать его доступным для питания другим организмам, начинается рост простейших.

Позже, Гаузе проведено ещё несколько экологических экспериментов по конкуренции и хищничества с использованием микрокосма, в состав которого входили бактерии, дрожжи и простейшие. Ряд ключевых принципов в области экологии относятся к этим исследованиям. Например, по оценке параметров роста для каждого вида, Гаузе был в состоянии предсказать, какой вид будет конкурентоспособным и доминирующим. Интерпретация этой работы Хардином в конечном счете привела к принципу конкурентного исключения. Кроме того, работа Гаузе основывалась на динамике хищник - жертва с использованием Didinium nasutum и Paramecium caudatum и продемонстрировала важное значение пространственных убежищ и иммиграции на соотношение количества хищника и жертвы.

Пионерские эксперименты Гаузе в микрокосме были использованы для изучения различных тем в области экологии, например, сукцессии, разнообразии и устойчивости отношений, динамики хищник - жертва, сосуществовании конкурентов и сосуществование широкого спектра генералистов и специалистов.

Последовательность смены видов среди простейших в сенном настое была определена Buchsbaum и Buchsbaum (1957). По их данным, после введения бактерий в первоначально стерильный настой и последующего его брожения, среда стала содержать подходящую для простейших пищу. Монады (примитивные жгутиконосцы) появились первые, затем они были заменены Colpoda, которые впоследствии стали доминирующим населением. Брюхоресничные и равноресничные инфузории появились в небольшом количестве, их численность быстро снизилась. Поскольку жизнь стабилизировалась, популяции коловраток и ракообразных стали доминирующими.

Одум (1963) описал последовательность в сообществах планктона и сенного настоя. В последнем случае наблюдения велись в течение месяца, жгутиконосцы появились первые, на смену которым пришли небольшие кругоресничные инфузории, и далее появились специализированные простейшие, такие как Hypotricha и Vorticella и, наконец, Amoeba и коловратки возникли после того, как другие организмы погибли.

Биотические взаимоотношения этих организмов также были рассмотрены. Например, метаболический продукт одного организма может являться как объектом питания, так и токсичным веществом для некоторых других организмов (Burkholder, 1952). Взаимосвязи, ведущие к увеличению или уменьшению видов, были обсуждены Hariston и соавт. (1968).

Также на основе вышеназванных работ были проведены более глубокие исследования гетеротрофной сукцессии в микроэкосистеме в целом (Gorden, 1969; Lawton, 1995; Drake, 1996), и прослежено сосуществование микроорганизмов в этой системе, к примеру, Paramecium aurelia и её хищника Didinium nasutum (Luckinbill, 1973).

Сукцессии в природе чрезвычайно разномасштабны. Их можно наблюдать в пробирках с сенным настоем, где сменяют друг друга разные виды микроорганизмов и простейших (рис. 2), в лужах и прудах, в одной и той же порции листового опада в лесу, где происходят закономерные смены сапрофитов и сапрофагов, на стволах отмирающих деревьев, в пнях, на кротовинах, выбросах из нор сурков, зарастающих отмелях, выветривающихся скалах, на заброшенных пашнях, насыпях, на болотах, лугах, в лесах и т. д.

Рис. 2. Смена простейших в сенном настое (по Дажо, 1975)

Иерархичность в организации сообществ проявляется и в иерархичности сукцессионных процессов: более крупные преобразования биоценозов складываются из более мелких. Даже в стабильных экосистемах с хорошо отрегулированным круговоротом веществ постоянно осуществляется множество локальных сукцессионных смен, поддерживающих сложную внутреннюю структуру сообществ.

Не меньшие преобразования происходят и в энергетическом балансе системы (рис. 3). С энергетических позиций сукцессия - такое неустойчивое состояние сообщества, которое характеризуется неравенством двух показателей: общей продуктивности и энергетических трат всей системы на поддержание обмена веществ.

Рис. 3. Изменение энергетических показателей сообществ при развитии соснового леса (вверху) и лабораторной культуры простейших в сенном настое (внизу) (по Одуму, 1975):

Пв - продукция валовая; Д - траты на дыхание; Пч - продукция чистая (заштриховано); Б - биомасса

В ходе сукцессии общая биомасса сообщества сначала возрастает, но затем темпы этого прироста снижаются, и на стадии климакса биомасса системы стабилизируется. Это происходит потому, что на первых этапах сукцессии, когда видовой состав сообществ ещё беден и пищевые цепи коротки, не вся часть прироста растительной массы потребляется гетеротрофами. Таким образом, относительно высока чистая продукция сообщества, которая идёт на увеличение его биомассы. Накапливаются как общая масса живых организмов, так и запасы мёртвого, неразложившегося органического вещества. В зрелых, устойчивых экосистемах практически весь годовой прирост растительности поступает и расходуется в цепях питания гетеротрофами, поэтому чистая продукция биоценоза, его «урожай», приближается к нулю.

С удлинением цепей питания увеличивается эффективность использования поступающей энергии, иначе - КПД всей системы, так как одна и та же порция энергии идёт на поддержание большого количества биомассы. Знание этих закономерностей имеет большое значение в практической деятельности человека.

Изымая избыток чистой продукции из биоценозов, находящихся в начале сукцессионных рядов, мы задерживаем сукцессию, но не подрываем основу существования сообщества. Вмешательство же в стабильные, климаксные системы, с большой полнотой расходующие энергию на «свои» нужды, неминуемо вызывает нарушения сложившегося равновесия. Пока нарушения не превышают самовосстановительной способности ценоза, возникающие демутационные смены могут вернуть его к исходному состоянию. Этим пользуются, например, при рациональном планировании рубок леса. Но если сила и частота воздействия выходят за рамки этих возможностей, то первоначально устойчивое, богатое видами сообщество постепенно деградирует, сменяясь производными с малой способностью к самовозобновлению.

Таким образом, сообщество не может одновременно сочетать два противоположных свойства: быть высокостабильным и давать большой запас чистой продукции, который можно было бы изымать без вреда для самого ценоза.

Эксперименты проводятся и в настоящее время. К примеру, Shamaporn Nivasaputra и Thapana Chontananarth (2007) проследили за изменением сообщества простейших в настое на основе рисового сена. Наблюдение в культуре рисовой соломы было проведено в течение зимы 2007 года. Было установлено, что в 28 из 30 ёмкостей (что составляет 93,33% от общего количества) наблюдалась некоторая закономерность. Примерный сукцессионный ряд в 28 ёмкостях: первоначально наблюдается обилие бактерий и жгутиковых простейших, в то время как инфузории и саркодовые простейшие были отмечены в климаксном состоянии. Для простейших в общем обнаружены 6 родов, которые можно разделить на 3 класса простейших, как показано в таблице 2.

Таблица 2. Появление различных классов простейших в настое

Дата обнаружения

Класс

Представители

11-20

Mastigophora

Chrysidella sp., Monas sp. and Warnowia sp.

13-16

Ciliata

Paramecium aularia

16-25

Sarcodina

Naegleria sp. and Pyxidicular sp

В этом исследовании есть 2 пробирки, отличающиеся по видовому составу (6,67%). Первоначально в настое развивались бактерии, после обнаружены простейшие, первичные простейшие были замещены Mastigophora. Эти простейшие жгутиковые часто встречаются в воде с высоким содержанием кислорода, но с низким уровнем органических веществ. Sarcodina были обнаружены в воде с низким содержанием кислорода, но с высоким уровнем органических веществ с рН в диапазоне от 6,89 до 7,27 (Kudo, 1966). Для климаксного сообщества в этой последовательности простейших является Sarcodina включают Naegleria sp., потому что этот вид устойчив в широком диапазоне рН (7,20 - 7,84) и высокой концентрации органических соединений.

Изучение культуры, проведенное Eddy в начале ХХ века (Eddy, 1912) показало такие же результаты с теми же организмами. Существует разница с Eddy на стадии развития инфузорий. В работах Shamaporn Nivasaputra и Thapana Chontananarth (2007) были получены только ресничные простейшие в 8 ёмкостях из 28 ёмкостей, подъём и спад их численности произошёл очень быстро (3 дня). На рис. 4 и 5 представлены результаты исследования Shamaporn Nivasaputra и Thapana Chontananarth.

Количество простейших (103шт. /40 см3)

Рис. 4 Общая численность инфузорий

Рис. 5. Среднее количество Sarcodina

1.3 Биотестирование и биоиндикация

Биологический контроль окружающей среды включает две основные группы методов: биоиндикацию и биотестирование. Применение в качестве биоиндикаторов растений, животных и даже микроорганизмов позволяет проводить биомониторинг воздуха, воды и почвы. Благодаря специальным индексам и коэффициентам результаты биоиндикации оказываются достоверными и сопоставимыми.

Биотестирование как метод исследования используют специалисты различных областей науки: в экологической токсикологии для анализа вод и почв, в гуманитарной и ветеринарной медицине для исследования свойств внутренних сред высших организмов, в сельском хозяйстве для экспресс-тестирования кормов на общую токсичность, в химии для первичной оценки свойств новых веществ и так далее. При этом само понятие "биотестирование" зачастую истолковывают по-разному, приспосабливая этот термин к тому или иному узкому кругу задач и объектов, тем самым, обедняя его содержание и даже вкладывая в него различный смысл. Ещё сложнее обстоит дело с производными терминами в этой области знания - они не только не имеют устоявшихся определений, но зачастую даже не являются общепринятыми. Комплексное рассмотрение биологических тестов позволило вычленить их общие черты и составить универсальную формулировку определения, в котором преодолены проблемы узости сферы использования биотестирования и адекватности описания биологической основы, на которой проводится тест. Итак, биотестирование - это оценка свойств изучаемого объекта по его воздействию на биологическую тест-систему (далее - тест-систему) в стандартных условиях. Данная формулировка включает в сферу рассмотрения любые методы, в которых для изучения какого-либо явления используются биологические объекты. Это позволяет анализировать и сопоставлять биологические тесты, применяемые в разных областях, с единой точки зрения.

Чтобы в дальнейшем различать очень близкие по целям применения и смысловому использованию понятия, поясним также значение термина «биоиндикация».

Биоиндикация (bioindication) - обнаружение и определение экологически значимых природных и антропогенных нагрузок на основе реакций на них живых организмов непосредственно в среде их обитания. Биологические индикаторы обладают признаками, свойственными системе или процессу, на основании которых производится качественная или количественная оценка тенденций изменений, определение или оценочная классификация состояния экологических систем, процессов и явлений. В настоящее время можно считать общепринятым, что основным индикатором устойчивого развития в конечном итоге является качество среды обитания.

Для оценки параметров среды используются стандартизованные 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 реакций организма на то или иное доминирующее загрязнение или целый комплекс известных загрязняющих веществ на данной территории обитания).

Хотя подходы очень близки по конечной цели исследований, надо помнить, что биотестирование осуществляется на уровне молекулы, клетки или организма и характеризует возможные последствия загрязнения окружающей среды для биоты, а биоиндикация - на уровне организма, популяции и сообщества и характеризует, как правило, результат загрязнения. Живые объекты - открытые системы, через которые идёт поток энергии и круговорот веществ. Все они в той или иной мере пригодны для целей биомониторинга.

Контроль качества окружающей среды с использованием биологических объектов в последние десятилетия оформился как актуальное научно-прикладное направление. При этом необходимо отметить дефицит учебной литературы по этим вопросам и большую потребность в ней.

Реализация основных принципов устойчивого развития цивилизации в современных условиях возможна лишь при наличии соответствующей информации о состоянии среды обитания в ответ на антропогенное воздействие, собранной в ходе проведения биологического мониторинга. Оценка качества среды является ключевой задачей любых мероприятий в области экологии и рационального природопользования. Сам термин «мониторинг» (от англ. monitoring - контроль) подразумевает проведение мероприятий по непрерывному наблюдению, измерению и оценке состояния окружающей среды. Комплексный подход в проведении биологического мониторинга (сочетание методов биоиндикации и биотестирования, использование объектов разных уровней организации) при систематическом наблюдении позволяет судить о перспективах изменения структуры сообществ, продуктивности популяций и устойчивости экосистем по отношению к антропогенным факторам.

Объектами мониторинга являются биологические системы и факторы, воздействующие на них. При этом желательна одновременная регистрация антропогенного воздействия на экосистему и биологического отклика на воздействие по всей совокупности показателей живых систем. Необходимо проведение многофакторного анализа с учётом наиболее типичных антропогенных воздействий (например, химических веществ), а также изменений природных факторов среды, уровень которых меняется вследствие антропогенного влияния. В первую очередь учитывается изменение численности видов и видового состава ценозов. Важно фиксировать также возможные изменения в природных популяциях, например нарушения эмбрионального развития (уродств) и симметрии взрослых особей в пределах популяции. Необходимо выявлять быстрый «отклик» организмов или популяций и результаты стойких последствий, так как часть изменений может быть отрегулирована биосистемами.

Примеры применения методов биоиндикации и биотестирования в практике экологической экспертизы природных водоёмов и питьевых водоисточников демонстрируют, что пороговые концентрации химических поллютантов, нарушающие жизнедеятельность организмов-биотестов, находятся ниже принятых значений ПДК. Постоянное присутствие поллютантов даже в низких концентрациях приводит к снижению видового разнообразия гидробионтов за счёт исчезновения наиболее чувствительных к качеству воды видов. Такие изменения в биоценозах устанавливаются методами биоиндикации - определением индексов и показателей сапробности.

Состояние биологической системы (организм, популяция, биоценоз) в той или иной степени характеризует воздействие на неё природных или антропогенных факторов и условий среды и может применяться для их оценки.

Биоиндикаторы (от био и лат. indico - указываю, определяю) - организмы, присутствие, количество или особенности развития которых служат показателями естественных процессов, условий или антропогенных изменений среды обитания. Их индикаторная значимость определяется экологической толерантностью биологической системы. В пределах зоны толерантности организм способен поддерживать свой гомеостаз. 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 вида и является показателем его индикаторной ценности. Именно ответную реакцию определяют методы биоиндикации. Биологическая система реагирует на воздействие среды в целом, а не только на отдельные факторы, причём амплитуда колебаний физиологической толерантности модифицируется внутренним состоянием системы - условиями питания, возрастом, генетически контролируемой устойчивостью.

Многолетний опыт учёных разных стран по контролю состояния окружающей среды показал преимущества, которыми обладают живые индикаторы:

- 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;

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

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

- фиксируют скорость происходящих изменений;

- вскрывают тенденции развития природной среды;

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

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

Выделяют две формы отклика живых организмов, используемых в целях биоиндикации, - специфическую и неспецифическую. В первом случае происходящие изменения связаны с действием одного какого-либо фактора. При неспецифической биоиндикации различные антропогенные факторы вызывают одинаковые реакции.

В зависимости от типа ответной реакции биоиндикаторы подразделяют на чувствительные и кумулятивные. Чувствительные биоиндикаторы реагируют на стресс значительным отклонением от жизненных норм, а кумулятивные накапливают антропогенное воздействие, значительно превышающее нормальный уровень в природе, без видимых изменений.

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

- быть типичным для данных условий;

- иметь высокую численность в исследуемом экотопе;

- обитать в данном месте в течение ряда лет, что даёт возможность проследить динамику загрязнения;

- находиться в условиях, удобных для отбора проб;

- давать возможность проводить прямые анализы без предварительного концентрирования проб;

- характеризоваться положительной корреляцией между концентрацией загрязняющих веществ в организме-индикаторе и объекте исследования;

- использоваться в естественных условиях его существования;

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

Ответная реакция биоиндикатора на определённое 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 экономии и учитывать характер использования тех или иных организмов. Например, широко распространенные на исследуемой территории и не занесённые в «Красную книгу».

1.4 Задачи и приёмы биотестирования

В выявлении антропогенного загрязнения среды наряду с химико-аналитическими методами находят применение приемы, основанные на оценке состояния отдельных особей, подвергающихся воздействию загрязненной среды, а также их органов, тканей и клеток. Их применение вызвано технической усложнённостью и ограниченностью информации, которую могут предоставить химические методы. Кроме того, гидрохимические и химико-аналитические методы могут оказаться неэффективными из-за недостаточно высокой их чувствительности. Живые организмы способны воспринимать более низкие концентрации веществ, чем любой аналитический датчик, в связи с чем биота может быть подвержена токсическим воздействиям, не регистрируемым техническими средствами.

Биоиндикация предусматривает выявление уже состоявшегося или накапливающегося загрязнения по индикаторным видам живых организмов и экологическим характеристикам сообществ организмов. Пристальное внимание в настоящее время уделяется приёмам биотестирования, т.е. использования в контролируемых условиях биологических объектов в качестве средства выявления суммарной токсичности среды. Биотестирование представляет собой методический прием, основанный на оценке действия фактора среды, в том числе и токсического, на организм, его отдельную функцию или систему органов и тканей.

Кроме выбора биотеста существенную роль играет выбор тест-реакции - того параметра организма, который измеряется при тестировании.

Наиболее информативны интегральные параметры, характеризующие общее состояние живой системы соответствующего уровня. Для отдельных организмов к интегральным параметрам обычно относят характеристики выживаемости, роста, плодовитости, тогда как физиологические, биохимические, гистологические и прочие параметры относят к частным. Для популяций интегральными параметрами являются численность и биомасса, а для экосистем - характеристики видового состава, активности продукции и деструкции органического вещества.

С увеличением интегральности тест-реакции повышается «экологический реализм» теста, но обычно снижаются его оперативность и чувствительность. Функциональные параметры оказываются более лабильными, чем структурные, а параметры клеточного и молекулярного уровней проигрывают в отношении экологической информативности, но выигрывают в отношении чувствительности, оперативности и воспроизводимости.

В оптимальных условиях организм реагирует на воздействие среды посредством сложной физиологической системы буферных гомеостатических механизмов. Эти механизмы поддерживают оптимальное протекание процессов развития. Под воздействием неблагоприятных условий механизмы поддержания гомеостаза могут быть нарушены, что приводит к состоянию стресса. Такие нарушения могут происходить до появления изменений обычно используемых параметров жизнеспособности. Таким образом, методология биотестирования, основанная на исследовании эффективности гомеостатических механизмов, позволяет уловить присутствие стрессирующего воздействия раньше, чем многие обычно используемые методы.

1.5 Методы биотестирования

Для того чтобы быть пригодными для решения комплекса современных задач, методы биотестирования, используемые для оценки среды, должны соответствовать следующим требованиям:

- быть применимыми для оценки любых экологических изменений среды обитания живых организмов;

- характеризовать наиболее общие и важные параметры жизнедеятельности биоты;

- быть достаточно чувствительными для выявления даже начальных обратимых экологических изменений;

- быть адекватными для любого вида живых существ и любого типа воздействия;

- быть удобными не только для лабораторного моделирования, но также и для исследований в природе;

- быть достаточно простыми и не слишком дорогостоящими для широкого использования.

Одним из наиболее важных требований при оценке состояния среды является чувствительность применяемых методов. Потребность в таких методах особенно возрастает в настоящее время, когда в силу повышенного внимания к проблемам охраны природы и в связи с развитием природоохранных мероприятий становится необходимым оценивать не только и не столько существенные, как правило, уже необратимые изменения в среде, но первоначальные незначительные отклонения, когда ещё возможно вернуть систему в прежнее нормальное состояние.

Другое важное требование - универсальность как в отношении физического, химического или биологического оцениваемого воздействия, так и типа экосистем и вида живых существ, по отношению к которым такая оценка проводится. Причём это необходимо как в отношении отдельных агентов, так и кумулятивного воздействия любого их сочетания (включая весь комплекс как антропогенных, так и естественных факторов).

Система должна быть относительно простой и доступной, пригодной для широкого использования. В настоящее время существует ряд современных молекулярно-биологических тестов качества среды, но в силу высокой технологической сложности и стоимости их применение оказывается ограниченным. При этом возникает вопрос: нужно ли прибегать к таким сложным методам при решении общей задачи мониторинга состояния среды и нельзя ли получить сходную информацию более доступным способом.

«Подходами» можно условно назвать группы методов, характеризующих сходные процессы, происходящие с тест-объектами под влиянием антропогенных факторов.

1.5.1 Биохимический подход

Стрессовое воздействие среды можно оценивать по эффективности биохимических реакций, уровню ферментативной активности и накоплению определенных продуктов обмена. Изменения содержания в организме определённых биохимических соединений (например, терпеноидов), показателей базовых биохимических процессов (например, концентрации хлорофилла у фотосинтезирующих растений) и структуры ДНК в результате биохимических реакций (например, при оксидантном стрессе) могут обеспечить необходимую информацию о реакции организма в ответ на стрессовое воздействие.

1.5.2 Морфологический подход

В условиях техногенного воздействия на природные экосистемы снижение численности популяций происходит в значительной мере за счёт эмбриональной и личиночной смертности. Эмбрионы и личинки - наиболее чувствительные к повреждающим факторам фазы жизненного цикла гидробионтов. Воздействие на организм стрессирующих факторов приводит к отклонениям от нормального строения различных морфологических признаков. В московских и подмосковных водоёмах за последние 20 лет катастрофически возрос процент уродливых личинок лягушек и жаб. Отмечено появление рыб с нарушениями эмбрионального морфогенеза, т.е. с различными аномалиями (асимметрия тела и т.д.). В пригородных водоёмах и малых реках, по данным гидробиологического мониторинга, исчезли многие виды гидробионтов. Процессы воспроизведения организмов - это сложная цепь взаимообусловленных событий, любое из звеньев которой может быть нарушено воздействием токсичной среды.

Для диагностики воздействия загрязнений на морфологические характеристики применяются методы оценки флуктуирующей асимметрии.

Симметрия как вид согласованности отдельных частей живых организмов имеет общебиологическое значение. При работе с биологическими объектами в настоящее время используется классификация асимметрий (нарушения симметрии) по Л. Ван Валену (Van Valen, 1962), согласно которой они подразделяются на три типа:

1) направленная асимметрия, когда какая-то структура развита на одной стороне больше, чем на другой (сердце млекопитающих);

2) антиасимметрия - большее развитие структуры на одной из сторон (правша и левша в популяции человека);

3) флуктуирующая асимметрия - незначительные ненаправленные отклонения от строгой билатеральной симметрии.

Флуктуирующая асимметрия является результатом неспособности организмов развиваться по точно определенному плану. Различия между сторонами не являются генетически детерминированными и не имеют адаптивного значения. Выступая в качестве меры стабильности развития, флуктуирующая асимметрия характеризует состояние морфогенетического гомеостаза - способности организма к формированию генетически детерминированного фенотипа при минимальном уровне онтогенетических нарушений. Таким образом, флуктуирующая асимметрия может быть охарактеризована как одно из наиболее обычных и доступных для анализа проявлений случайной изменчивости развития.

Возможность использования асимметрии в биоиндикации показана многими авторами, которые убедительно доказали на примере различных видов растений и животных, что величина асимметрии реагирует на различные стрессоры антропогенного характера и может являться мерой нарушения развития организма. Флуктуирующая асимметрия - это один из общих онтогенетических показателей, характеризующий стабильность индивидуального развития, дающий оценку состояния природных популяций и зависящий от состояния среды. Величина флуктуирующей асимметрии и её зависимость от определенных факторов может быть определена лишь на популяционном уровне. Кроме того, В. М. Захаровым показано, что флуктуирующая асимметрия является практически единственной формой фенотипической изменчивости с известной причиной обусловленности.

1.5.3 Физиологический подход

Одна из наиболее важных характеристик, высокочувствительная к стрессовому воздействию среды, - энергетика физиологических процессов. Наиболее экономичный энергетический обмен имеет место лишь при строго определённых условиях среды, которые могут быть охарактеризованы как оптимальные. Интенсивность энергетического обмена аэробного организма может быть определена посредством измерения скорости потребления кислорода. При оптимальных условиях организм находится на самом низком энергетическом уровне, при любых негативных изменениях среды обитания потребность в кислороде будет увеличиваться.

Для характеристики энергетического обмена две величины являются фундаментальными: основной обмен и максимальный обмен. Основной обмен отражает минимальный уровень потребления энергии, необходимый для обеспечения нормального функционирования организма при отсутствии каких-либо внешних воздействий. Максимальный обмен соответствует предельному количеству энергии, которое организм способен выработать в случае необходимости. Разность между этими величинами представляет энергетический ресурс адаптации конкретного вида животных, поскольку основной и максимальный уровни обмена являются видоспецифическими величинами.

Другая базовая характеристика, перспективная для оценки стрессовых воздействий, - темп и ритмика ростовых процессов.

Важной характеристикой физиологических процессов является поведенческая активность живых организмов.

В качестве тест-функций применяются физиологические параметры пресноводных беспозвоночных гидробионтов разных уровней филогенеза.

Свойства внешней среды, и в частности гидросферы, проявляются в интенсивности воздействия на организм или популяцию отдельных факторов или их комбинаций. Вещества, поступающие в водоём антропогенным путём, могут оказывать регулирующее, трофическое, токсическое и информативное воздействие на гидробионтов. При незначительных концентрациях в водоёме эти вещества можно выявить, оценивая физиологический статус гомеостатических показателей организма, которые могут изменяться при сдвигах в окружающей среде.

Вопрос о роли поведения в иерархии индикационных показателей состояния окружающей среды поднимали в своих работах такие учёные, как Н.С. Строганов, А.Д. Слоним, Б.А. Флёров, Л.П. Брагинский, Н.А. Тушмалова. Степень отклонения от стандартных поведенческих реакций животных служит одним из первичных, регистрируемых на визуальном уровне сигналов изменений в окружающей среде и, несомненно, может быть отнесена к реакциям «первого ранга».

Наибольший интерес представляют типы поведения, относящиеся к эволюционно-универсальным реакциям, свойственным всем эукариотам, включая человека. К таким феноменам относятся спонтанная двигательная активность как врожденная форма поведения и память - приобретенная форма поведения.

В опытах на инфузориях показателями исходного функционального состояния служили объективно регистрируемые реакции: спонтанная двигательная активность, уровень спонтанных сокращений, уровень пищевой возбудимости, состояние ядерного аппарата. Была продемонстрирована применимость основных физиологических показателей, используемых в опытах на позвоночных животных, для определения функционального состояния организмов, лишённых нервной системы. Исследования поведенческих реакций в ответ на внешнее воздействие проводились на пресноводной гидре Hydra attenuate, имеющей примитивную нервную систему. Оценивались реакции привыкания к раздражителю, при этом критерием выработки привыкания служило сокращение щупалец гидры. В экспериментах на плоских червях планариях Polycelis nigra, Euplanaria gonocephala, Dugesia tigrina (примитивный мозг - зачатки цефализации) были изучены основные реакции гидробионтов на экологически значимые раздражители. В дальнейшем для оценки качества водной среды стал успешно применяться метод выработки условных рефлексов у планарий.

Целостное поведение животных рассматривается как лабильное взаимодействие врождённых и приобретённых элементарных реакций, необходимое для быстрой и эффективной адаптации к условиям среды. Изучение поведения сложно и требует тщательных наблюдений в природе, подкрепленных лабораторными экспериментами. Возникшие на заре эволюции закономерности поведения у простейших сохраняются и у более развитых животных.

Таким образом, поведение является эволюционно обусловленным показателем физиологического состояния животного. На основании изменений в поведенческих феноменах одного вида животных можно прогнозировать нарушения поведения и других видов. Выбор форм поведения для биотестирования определяется их чувствительностью к изменениям, происходящим в окружающей среде.

1.6 Биотестирование с использованием инфузорий

В числе организмов, на которых проводят биотестирование, присутствуют представители подцарства простейших. История применения Protozoa в качестве тест-организмов насчитывает не одно десятилетие. В то же время, развитие иных методов токсикологического анализа, таких как химические, физико-химические, иммунологические, а также использование биологической оценки на организмах из других систематических групп не снижают актуальности биотестов на простейших. Об этом говорит значительное число методических разработок, рекомендаций и публикаций, постоянно появляющихся в специализированных изданиях, а также их широкое использование на практике. Эти методы обладают высокой чувствительностью, экспрессностью, надёжностью, универсальностью и малой себестоимостью. Они просты в проведении, поддаются инструментализации и автоматизации, а их результаты легко интерпретируемы. В отличие от химических и физико-химических методов анализа, биотестирование на инфузориях позволяет прогнозировать интегральное воздействие изучаемого объекта на живые организмы, поскольку реакция биологической тест-системы зависит не только от отдельных токсичных соединений, содержащихся в объекте исследования, но и от их взаимодействия между собой, а также от присутствия веществ, обладающих ярко выраженным влиянием на токсичность указанных соединений. А по сравнению с биотестами на высших животных оно обладает значительными преимуществами в экономической, методической и этической сферах.


Подобные документы

Работы в архивах красиво оформлены согласно требованиям ВУЗов и содержат рисунки, диаграммы, формулы и т.д.
PPT, PPTX и PDF-файлы представлены только в архивах.
Рекомендуем скачать работу.