Лекции - Биоиндикация и антропогенные стрессоры

Подождите немного. Документ загружается.

Лекция 1 (Вводная)

Теоретические основы биоиндикации

План

1 История биоиндикации

2 Теоретические основы биоиндикации

2.1 Закономерности воздействия экологических факторов на живые организмы: правило

«оптимума».

2.2 Антропогенные факторы, вызывающие стресс

1. История биоиндикации

Становление биоиндикации шло параллельно с развитием биологической науки. В сохра-

нившихся до наших времен работах античных философов, писателей, агрономов содержатся раз-

личные сведения о возможности использования состояния растительного покрова в практических

целях. Так, в трудах Катона Старшего (234-149 гг. до н. э.) есть указания на то, что густота тра-

востоя до перепашки помогает выбирать участки, пригодные для посева культур бобовых.

В I в. до н. э. римский писатель и агроном Ю. Колумелла - по листве деревьев, по травам

или по уже поспевшим плодам - судить о свойствах почвы и знать, что может хорошо на ней рас-

ти. Описывая выбор места для посадок винограда, он предлагал выбирать участки по тем диким

растениям, которые на ней растут.

Римский инженер Витрувий (I в. до н. э.) указывал на следующие признаки присутствия

воды в земных породах: - тонкий камыш, тростник, тальник, ольха, витекс, прутняк, плющ и дру-

гие, обладающие тем свойством, что не могут зародиться без влаги.

У Вергилия в «Георгиках» (36-29 гг. до н.э.) - каменистость и расчлененный рельеф указы-

вают на территории, пригодные для возделывания маслин; заросли папоротников типичны для

земель, осваиваемых под виноградники. Он подчеркивал также, что различные растения требуют

различных местообитаний: каштан почву любит легкую, но не песчаную. Ивы сажают во влажном

месте, а тростник любит еще более водянистую почву, чем ива.

В высказываниях римского ученого и писателя Плиния Старшего (23 или 24-79 гг.) со-

держатся предостережения о слишком упрощенном представлении о связи почв и растительности.

Он пишет, что не всегда высокие деревья или пышные луга и высокие травы служат признаком

плодородия почвы. Среди нескольких признаков плодородия почвы он указывает, в частности, на

увеличение толщины стеблей злаков.

В ХVII-ХVШ вв. - о связи растительности с особенностями местообитаний. Большое зна-

чение имели работы А.Гумбольдта, обосновавшего зонально-климатическое распределение расти-

тельности. Ботанико-географические данные послужили А. Гризебаху основой для первой класси-

фикации и составления на ее основе карт климатов, опубликованных в 1872 г.

В XIX в. изучение географии растений стало приобретать индикационный характер. Так, в

Северном Тироле Ф. Унгер (1838) разделил растения на кальцефилы и силицифилы. По степени

приуроченности растений к почвам он выделил три группы: почвобезразличные, почвопредпочи-

тающие, почвопостоянные. Две последние группы растений он назвал «почвенными показателя-

ми».

Первые схемы растений-индикаторов горных пород были составлены А. П. Карпинским в

1841 г., выделено новое направление учения о комплексных индикаторах - растительных сообщест-

вах.

Индикационные основы геоботаники наиболее полно выразили в своих работах

А.Н.Краснов (1888) и Р.И.Аболин (1910). А.Н.Краснов развивал учение о формациях как орга-

низованных группах растений, приуроченных к определенным, им свойственным, почвам и кли-

мату. Растительные формации, согласно А. Н. Краснову, характеризуются свойственными им фак-

торами среды: рельефом, почвами, их водным режимом, уровнем грунтовых вод; экологическим

типом основных компонентов и т.д.

Первые десятилетия XX в. ознаменовались широким использованием биоиндикаторов при

изучении сельскохозяйственных угодий, климата, микроклимата, палеоклимата, гидрогеологиче-

ских условий, горных пород и поиске полезных ископаемых. Основополагающими работами

следует считать труды Ф. Клементса, Л.Г.Раменского, В.Н.Сукачева, Б.В.Виноградова,

Н.А.Отоцкого. Особое значение имели работы по составлению шкал для оценки почв лугов,

лесов, залежей Л. Г. Раменского, X. Элленберга, А. Крюденера, Н. Тюксена. Продуктивным ока-

залось применение биоиндикации при исследовании ареалов грунтовых вод. Основоположниками

этого метода с использованием аэроснимков стали С.В.Викторов и Е. А. Востокова.

Учение о тяжелых металлах (ТМ), возникшее более ста лет тому назад, явилось основой

при биоиндикационных исследований загрязнений. Одним из основателей его является

К.Я.Тимирязев, который в 1872 г., первым из исследователей установил положительное дей-

ствие Zn на рост и развитие растений.

Учение В.И.Вернадского о биосфере, ноосфере, явилось основой биогеохимического на-

правления в геологии. Изучение химического состава живого вещества и связь его с химизмом ок-

ружающей среды положили начало биогеохимическому методу поисков полезных ископаемых и

геохимической экологии. Им было четко сформулировано несколько обобщений о роли организ-

мов в химических процессах Земли, что положило начало новому научному направлению, лежа-

щему на стыке биологии, геологии и химии, биогеохимии.

До последнего времени основное практическое применение биогеохимии было связано с

биогеохимическим методом поисков месторождений полезных ископаемых. Суть этого метода

заключается в выявлении участков повышенных концентраций рудообразующих элементов в

почвах и растениях. В биогеохимии они рассматриваются как вторичные ореолы рассеяния рудной

минерализации. Участки повышенных концентраций металлов в растениях и верхнем горизонте

почвы - биогеохимические аномалии - дают основание предполагать присутствие на глубине зале-

жей руд.

Применение биогеохимического метода поисков полезных ископаемых в сложных клима-

тических и геологических условиях в труднопроходимых районах или территориях, перекрытых

рыхлыми аллохтонными отложениями, облегчает обнаружение месторождений. Биогеохимиче-

ские исследования сыграли важную роль в открытии многих месторождений руд цветных и ред-

ких металлов, а также других полезных ископаемых. Известны биогеохимическис аномалии ТМ,

возникшие благодаря выходу на поверхность горных пород с повышенной концентрацией металлов,

а также подземных вод с высоким содержанием микроэлементов.

Новым направлением биогеохимии в 1950-1970 гг. стала геохимическая экология, полу-

чившая широкое развитие в работах В.В.Ковальского и его учеников. Эта наука изучает особен-

ности химического состава живых организмах и влияние естественных и техногенных процессов

на изменение их содержаний.

Развитие природоохранной индикации началось сравнительно недавно. Важным этапом в

становлении природоохранной направленности биоиндикации стали работы С.В.Викторова по

дешифрированию снимков в аридных районах, составление карты охраны окружающей среды

под руководством Е. А. Востоковой.

Влиянию выпаса на травостои посвящены многочисленные работы,

середине 70-х годов XX в. стало изучение изменения морфологических параметров тра-

востоя и биопродуктивности пастбищ

В начале 60-х годов сформировалось понятие рекреационной дигрессии. - изме-

нения природной среды в местах массового отдыха - основное внимание уделено физическим,

физико-химическим, а также микробиологическим и биохимическим параметрам почв, смене

доминантов, изменению видового разнообразия и морфологических характеристик древесно-

го, травяно-кустарничкового и мохово-лишайникового ярусов.

Конец XX в. ознаменовался резким усилением внимания к решению экологических во-

просов и своего рода «экологизацией» всех наук. В настоящее время установлены и широко

используются группы видов-индикаторов различных антропогенных воздействий

эвтрофирования водных объектов

химическому загрязнению почв

влияние на биоту рекреационной нагрузки

особенности послепожарных сукцессии

воздействию на живые организмы радионуклидов

приоритетных поллютантов, в том числе ксенобиотиков хлорорганические соединения

(полихлорированные бифенилы - ПХБ, ДДТ, ГХЦГ, диоксины, фураны и т.д.), полициклические

ароматические углеводороды (ПАУ), синтетические поверхностно-активные вещества (СПАВ),

фенолы и др.

К настоящему времени в биоиндикационных исследованиях наметились направления, осно-

вывающиеся на приоритетном использовании различных групп живых организмов: микроорга-

низмов, водорослей, растений, животных

фитоиндикация загрязнений - применение растений - одно из ведущих мест занимает изу-

чение древесных растений – дендроиндикация, изменению морфологических параметров растений

в условиях естественных геохимических аномалий, особенности строения, структуры и динамики

древесных .

С конца 60-х годов XX в. в Скандинавских странах начали широко использовать мхи

применения лишайников при оценке загрязнения атмосферного воздуха. Так, Гриндон в

своей работе «Флора Манчестера», опубликованной в 1859 г., отмечал значительное сокращение

числа лишайников из-за вырубки старых лесов и притока фабричного дыма. Лихеноиндикацион-

ная съемка проведена на территории многих крупных городов: в Казани, Харькове, Лондоне,

Львове, Париже, Нью-Йорке, Москве, Санкт-Петербурге.

изменения химического состава органов и тканей

в качестве индикаторов стрессовых воздействий изучены нарушения репродуктивных

функций, динамика численности и изменения структуры популяций и видового разнообразия мел-

ких млекопитающих

использование птиц - изменение химического состава оперения и отдельных органов

установлено снижение численности, уменьшение видового разнообразия и структуры на-

селения птиц при усилении антропогенного воздействия

с применением микроорганизмов - изменению микробиологической активности почв под

влиянием техногенной нагрузки Основными индикаторными показателями признаны общая мик-

робная биомасса, видовое разнообразие, соотношение основных групп микроорганизмов, состав и

структура микробных сообществ, интенсивность почвенного дыхания, активность разложения

целлюлозы, нитратонакопление, активность почвенных ферментов.

Таким образом, в настоящее время биоиндикация загрязнений, основывающаяся на много-

вековом опыте использования методов биоиндикации в хозяйственной деятельности человека,

находит все большее применение в области охраны окружающей среды и рационального природо-

пользования.

Краткий исторический очерк развития биоиндикации

Период Авторы Направление исследований

234-149 гг.

до н. э

Катон Старший Выбор участков, пригодные для посева культур бобовых

по густоте травостоя до перепашки;

36-29 гг. до

н.э.

Вергилий Каменистость и расчлененный рельеф указывают на тер-

ритории, пригодные для возделывания маслин; заросли

папоротников типичны для земель, осваиваемых под ви-

ноградники

24-79 гг. до

н.э.

Плиний Старший Признаки плодородия почвы по характеру растительности

I в. до н. э. римский агроном

Колумелла

Определение свойств почвы по листве деревьев и травам;

выбор участков для посадок винограда по диким растени-

ям;

римский инженер

Витрувий

Признаки присутствия воды в породах по растениям

ХVII-ХVШ

вв

Гумбольдт Зонально-климатическое распределение растительности

XIX в Унгер (1838) Индикационный характер изучения географии растений -

растения на кальцефилы и силицифилы; три группы расте-

ний: почвобезразличные, почвопредпочитающие, почвопо-

стоянные.

Гризебах (1872) Составление карт климатов по ботаническим данным

Карпинский (1841) Учение о комплексных индикаторах - растительных сооб-

ществах; схемы растений-индикаторов горных пород;

Рупрехта (1866)

Краснов (1888)

Аболин (1910)

Учение о формациях как организованных группах расте-

ний, приуроченных к определенным, им свойственным,

почвам и климату.

XX в. Клементс, Рамен-

ский, Сукачев, Ви-

ноградов, Отоцкий

Использованием биоиндикаторов при изучении сельско-

хозяйственных угодий, климата, микроклимата, палео-

климата, гидрогеологических условий, горных пород и

поиске полезных ископаемых

Викторов, Востоко-

ва

Применение биоиндикации при исследовании ареалов

грунтовых вод с использованием аэроснимков

Тимирязев Биоиндикационные исследования загрязнений тяжелыми

металлами

Вернадский

Виноградов

Изучение химического состава живого вещества и связь

его с химизмом окружающей среды - новое научное на-

правление – биогеохимия; биогеохимический метод поис-

ка месторождений полезных ископаемых - выявление

участков повышенных концентраций рудообразующих

элементов в почвах и растениях.

Ковальский Новое направление биогеохимии - геохимическая эколо-

гия - изучает особенности химического состава живых

организмах и влияние естественных и техногенных про-

цессов на изменение их содержаний

Продолжение

Период Авторы Направление исследований

Развитие природоохранной индикации

ХХ в. Востокова - карты охраны окружающей среды;

Шалыта, Нечаева,

Шенникова

- влияние выпаса на травостои;

Работнова, Ларина

Базилевич, Семе-

нюк, Нечаева, Ви-

ноградов, Куроч-

кина

изучение изменения морфологических парамет-

ров травостоя и биопродуктивности пастбищ;

Хирсанов, Муравь-

ев

- эвтрофирования водных объектов;

Сает, Скарлыгина-

Уфимцева, Степа-

нов, Черненькова

химическому загрязнению почв

Виноградов, Ка-

занская, Грибов-

ская, Иванов

влияние на биоту рекреационной нагрузки

Криволуцкий, По-

каржевский, Ша-

бад, Слепян

воздействие на живые организмы радионуклидов

- приоритетных поллютантов, в т.ч. ксенобиотиков

Бурдин, Ильин, Па-

рибок, Алексева-

Попова, Опекунова,

Ярмишко, Уфимце-

ва, Лукина, Ни-

конов

фитоиндикация загрязнений

Харьков - Байрак,

Львов - Кучерявый,

Москва - Бязров,

Санкт-Петербург

Малышева

лихиноиндикация (применение лишайников)

Тестов, Лукьянова,

Мухачева, Лукья-

нов, Безель, Рожде-

ственская, Шилова

изменение химического состава органов и тканей

млекопитающих

- нарушения репродуктивных функций, динамика

численности и изменения структуры популяций и видо-

вого разнообразия мелких млекопитающих

Лебедева,

Венгеров, Вельский

- использование птиц - изменение химического со-

става оперения и отдельных органов

- отклонения в репродуктивных показателях птиц

- изменение численности, видового разнообразия и

структуры населения птиц;

Аристовская, Ко-

жевин, Умаров,

Звягинцев, Марфе-

нина, Зенова, По-

лянская, Евдокимо-

ва, Мозгова

изменению микробиологической активности почв

под влиянием техногенной нагрузки (общая микробная

биомасса, видовое разнообразие, соотношение основных

групп микроорганизмов, состав и структура микробных

сообществ, интенсивность почвенного дыхания, актив-

ность разложения целлюлозы, нитратонакопление, ак-

тивность почвенных ферментов)

2. Теоретические основы биоиндикации

2.1 Закономерности воздействия экологических факторов на живые организмы: пра-

вило «оптимума».

Человек, как и всякий живой организм, неразрывно связан с биосферой. Но его воздействие

на биосферу принципиально отличается от воздействия других организмов, поскольку обусловле-

но общественной природой человека, совершается в ходе и в результате, прежде всего трудовой,

производственной деятельности. Научно-технический процесс неизбежно приводит к увеличению

действия антропогенного фактора на окружающую среду и с особой остротой требует разумного

использования природных богатств.

При обосновании требований к параметрам биосферы необходимо знать оценку разных фак-

торов и состояние элементов окружающей среды до и после вредного воздействия. При этом

большое значение имеют методы и организационные формы проведения экологического контроля.

Биологический контроль делает возможной прямую оценку качества среды.

А) Объектом экологических исследований в широком смысле является окружающая среда,

под которой понимается совокупность компонентов природной среды, природных и природно-

антропогенных объектов, а также антропогенных объектов. Приняты следующие определения

структурных единиц окружающей среды.

Компонентами среды

являются земля, недра, почвы, поверхностные и подземные воды,

атмосферный воздух, растительный, животный мир и иные организмы, а также озоновый слой

атмосферы и околоземное космическое пространство, обеспечивающие в совокупности благопри-

ятные условия для существования жизни на Земле.

Природные объекты

представлены естественными экологическими системами (экосисте-

мами), природными ландшафтами и составляющими их элементами, сохранившими свои природ-

ные свойства.

Под природно-антропогенными объектами

понимаются природные объекты, измененные в

результате хозяйственной деятельности, а также объекты, созданные человеком, обладающие

свойствами природного объекта и имеющие рекреационное и защитное значение.

Антропогенный объект

- это объект, созданный человеком для обеспечения его социаль-

ных потребностей и не обладающий свойствами природных объектов.

Б) Объектом экологических исследований являются экосистемы различных уровней иерар-

хии. Они могут быть природными, антропогенно нарушенными и искусственными. Экологическая

оценка - определение параметров природной среды, обеспечивающих существование сообществ

живых организмов, характерных для этих состояний в условиях естественного и антропогенного

режимов их развития. Она неразрывно связана с качеством объекта - совокупностью характери-

стик, описывающих данный объект (Международный стандарт №8402-86(94)).

Качество окружающей среды определяется как состояние окружающей среды, которое

характеризуется физическими, химическими, биологическими и иными показателями и (или) их

совокупностью.

Оцениваемым свойством может быть как собственно качество среды, так и устойчивость

экосистемы, биологическая продуктивность, ресурсный потенциал, ассимиляционная емкость и

т. д.

В настоящее время при оценке состояния окружающей среды ведущая роль отводится фи-

зическим и химическим методам экологического контроля. Их сущность сводится к сравнению

загрязнения отдельных компонентов природных комплексов с ПДК или ПДУ. Однако сущест-

вующие системы нормативов не обеспечивают экологическую безопасность экосистем - состояние

защищенности природной среды и жизненно важных интересов человека от возможного негатив-

ного воздействия хозяйственной и иной деятельности, чрезвычайных ситуаций природного и

техногенного характера, их последствий - и чаще носят антропоцентрический характер. Поэтому

действующая сегодня в практике природопользования регламентация антропогенного воздейст-

вия на природную среду приводит к тому, что экосистема даже в идеальных случаях контроля

часто подвергается чрезмерным нагрузкам. Хотя при выявлении загрязненных зон аналитическая

концепция может рассматриваться как высокоинформативная, в практике более широкомасштаб-

ных исследований - оценки экологического состояния среды - она имеет ряд недостатков. Кроме

указанного выше, а также высокой стоимости получения репрезентативных данных к недостаткам

относятся:

1. невозможность учета в практической деятельности синергического и антагонистическо-

го эффектов поллютантов;

2. неразрешимость проблемы оценки влияния на токсичность или иные лимитирующие

свойства поллютантов разнообразных природных факторов;

3. невозможность получения информации о вторичных эффектах действия поллютантов,

вызванных их накоплением и трансформацией в различных звеньях экосистем

Изучение последствий антропогенного воздействия на окружающую среду невозможно без

применения приемов биологической индикации, которая дает прямую информацию о реак-

ции организмов на стрессорные факторы.

Теоретические основы биоиндикации экологического состояния среды разработаны

достаточно подробно. Известно, что все живые организмы предъявляют к условиям место-

обитания определенные требования. Они были выработаны в процессе развития вида и

определяют его существование в условиях соответствующей экологической ниши. На жи-

вой организм всегда действует совокупность экологических факторов. Широко распро-

странено разделение факторов на абиотические (физико-географические: факторы экотопа

- климатические, эдафические, орографические, химические и т. д.) и биотические (фито-

генные, зоогенные, антропогенные и т.д.). По способу воздействия их подразделяют на

прямодействующие и косвеннодействующие. Следует учитывать, что один и тот же фак-

тор может быть как прямо-, так и косвеннодействующим. Предложено выделять первич-

нодействующие и комплексные экологические факторы:

Классификация экологических факторов в биоиндикации

Первичные Комплексные

Тепло

Вода

Свет

Химизм

Механические

Климатические

Орографи ческие

Эдафические

Биотические

Согласно этой классификации, антропогенное воздействие на организмы включается

в группу биотических факторов. Однако, по мнению ряда исследователей, как по специ-

фическим формам воздействия через хозяйственную деятельность, так и по масштабам по-

следствий, особенно возросшим в последнее время, влияние человека должно быть отнесе-

но в особую группу - антропогенных факторов.

Все компоненты природы неразрывно связаны между собой и находятся в непре-

рывном взаимодействии и взаимозависимости. Однако воздействие их друг на друга не-

равнозначно. На формирование природных экосистем действует всеобщий закон зональ-

ности, определяющий перераспределение абиотических и биотических компонентов в

пространстве в соответствии с количеством солнечной энергии, поступающей на Землю. В

пределах одной климатической зоны, ведущая роль в организации и дифференциации

ландшафта принадлежит литогенным факторам. Компоненты природы по силе воздейст-

вия друг на друга могут быть расположены в определенный и строго постоянный ряд:

земная кора воздух воды растительность животный мир.

Сказанное в равной степени относится ко всем единицам дифференциации земной

поверхности, к различным таксонам природно-территориальных комплексов (ПТК). Оп-

ределяющая роль литогенной основы проявляется в химическом составе компонентов ок-

ружающей среды при смене подстилающих горных пород. Химический состав горных по-

род определяет особенности химизма всех компонентов природных ландшафтов, качест-

венные и количественные параметры биологического круговорота в пределах однородных

территорий. Таким образом, в природе существует естественная дифференциация земной по-

верхности, одним из проявлений которой является изменение химического состава всех компо-

нентов ландшафтов.

Все экологические факторы тесно связаны между собой. Обычно изменение одного из

них влечет за собой и изменение других. Поэтому, изучая реакцию организмов на тот или иной

фактор, всегда надо иметь в виду их взаимодействие. Каждый экологический фактор или ком-

плекс взаимодействующих факторов по-разному действуют на живые организмы в разные фазы

его онтогенеза. Экологические особенности особей меняются с возрастом и в зависимости от

жизненного состояния. При старении организма изменяются скорость метаболизма, физиологиче-

ское состояние тканей, органов, потребность в элементах питания и др. Необходимо также учиты-

вать генетическую неоднородность популяции.

Наряду с этим большое значение в биоиндикационных исследованиях имеет учет «эффекта

замещения» или «эффекта компенсации», когда избыток или недостаток одного фактора ком-

пенсируется другими факторами. При изучении комплексного воздействия факторов внешней

среды на живые организмы нужно иметь в виду возможность их антагонизма или синергизма,

явление последействия.

Все биологические системы - будь то организмы, популяции или биоценозы - в ходе своего

развития приспособились к комплексу факторов местообитания. Они завладели определенной

экологической нишей, в которой находят подходящие условия существования и могут нормально

питаться и размножаться. Каждый организм обладает генетически закрепленным физиологиче-

ским порогом толерантности (выносливости), в пределах которого этот фактор является для не-

го переносимым.

Реакция организма, его угнетение или процветание зависит от дозировки фактора, т.е. каж-

дый вид приспособлен к определенной интенсивности каждого экологического фактора и к опре-

деленному диапазону его изменчивости.

Биологический процесс может осуществляться не при любых изменениях фактора, а толь-

ко в пределах двух его значений - максимального и минимального, которые представляют собой

границы толерантности данного процесса относительно определенного экологического фактора.

Согласно «закону минимума» Ю.Либиха (1840) и «закону толерантности» Шелфорда

(1913), существование вида определяется лимитирующими факторами в области пессимума в мак-

симальных и минимальных значениях. Вблизи кардинальных точек максимума и минимума лежат

сублетальные величины экологического фактора, а за пределами зоны толерантности - летальные.

На рисунке схематически показано влияние на вид экологического фактора.